环核苷酸cAMP和cGMP是细胞内重要的第二信使,在各种细胞外信号包括激素、自体活性物质 和神经递质引起的生物学反应中起重要作用。磷酸二酯酶(PDE)是一个催化cAMP和/或c GMP水解的超家族<1,2>。PDE是细胞内降解环核苷酸的唯一途径,对调节这类第二信使的细胞内水平起关键作用。PDE家族有11个不同的成员,即PDEs1~PDEs 11,在不同的组织和细胞中有不同的表达<2>。cAMP可抑制免疫和炎症细胞的多种功能。在 这些细胞中,cAMP-特异性的PDE4是主要的PDE形式,PDE4抑制剂能增加cAMP 的水平,且在各种动物模型中表现出抗炎作用<3>。在过去的10~15年间,由于PDE4抑 制剂对各种炎症疾病(包括哮喘、COPD、关节炎、Crohn氏病和多发性硬化症)的潜在用 途,开发这类药物一直是各家制药公司研究的热点。世界排名前20名的制药公司以及许多小的制 药公司几乎都瞄准PDE4进行研究<4>。但是,目前开发中的PDE4抑制剂在临床试验中有 不良反应,主要表现为恶心及呕吐。已进入临床研究阶段的第1代PDE4抑制剂如rolipr am和piclamilast由于明显的致吐作用而中断研究<3>。数个第2代PDE4抑制 剂,如GlaxoSmithKline公司的西洛司特(Ariflo)和Altana公司的 罗氟司特(Daxas),目前已进入临床验证的。然而仍有恶心呕吐的不良反应,使它们的临床 使用剂量受到限制<5,6>。PDE4家族有4个亚型,第1代和第2代PDE4抑制剂不能区 别PDE4的各种亚型。已有一些重要的进展使我们能更好的理解各种亚型的作用,可能代表第3 代PDE4抑制剂的方向。这类PDE4亚型选择性抑制剂可能使药物的致呕吐作用减少而又保持 抗炎活性。本文首先回顾PDE4和PDE4抑制剂的现状和相关背景,然后集中介绍在目前的一些有关各种亚型的作用方面的重要进展,为开发新一代PDE4抑制剂提供思路。1PDE超家族和PDE4家族现在认为PDE超家族有11个成员,它们在结构、生物化学和药理特 性上互不相同<1,2>。在各种PDE同工酶中,PDE4,PDE7和PDE8是cAMP特 异性的,而PDE5,PDE6和PDE9是cGMP特异性的,其他的PDE如PDE1,PD E2,PDE3,PDE10和PDE11可水解cAMP和cGMP。大多数PDE家族成员包 含多个基因(亚型),多数基因通过不同的剪接方式,或者不同的转录起始位点能产生多种变异体 <2>。尽管众多的PDE同工酶有不同的性质,它们具有一些相同的结构特征,包括一个保守的 催化部位,由约270~300个氨基酸残基组成,通常位于C端区域,以及主要位于N端的调节 结构部位<2>。各种PDE同工酶在组织和细胞中有不同的表达和作用。PDE4家族有4个亚 型(PDE4A、B、C、D),每一亚型来源于1个不同的基因,并包含多种变异体<7>。各 种PDE4分子有3个高度同源的区域:水解催化部位位于中心到C端的区域,以及两个上游保守区(upstreamconserved regions,UCR1和UCR2)。PDE4可大致分为两组:“长形”有UCR1和UCR 2,“短形”仅有UCR2而缺少UCR1。N-端的UCR1和UCR2可能与PDE4酶的调 节有关,包括胞内靶向和通过蛋白激酶PKA/G介导的磷酸化进行的酶活性调节<7>。North-ernblot分析、RNA酶保护分析和/或定量PCR的观察结果表明PDE4亚型在不同组织和细胞 中表达不同。1·1白细胞内PDE4表达为主要PDE同工酶,以及PDE4抑制剂的抑制作用 各种白细胞中cAMP分解酶的生化和药理学研究集中在PDEs1-4(如表1所示)。PDE 4是嗜中性粒细胞、单核细胞、及嗜酸性粒细胞中的主要cAMP-PDE形式。在其他类型细胞 如巨噬细胞、嗜碱性粒细胞,肥大细胞、T细胞和B细胞,PDE4也是主要的PDE形式之一。 对于其他水解cAMP的PDE(PDE7,PDE8,PDE10和PDE11),目前尚缺少 选择性的抑制剂,从而防碍了对它们的评价。然而,白细胞中主要的环核苷酸水解活性能被PDE 4抑制剂和PDE3抑制剂所抑制。但在T细胞中,除了PDE4及PDE3是主要的PDE形式 外,PDE7和PDE8也明显存在。迄今为止的资料表明,T细胞中存在的几种PDE形式似乎 与具有不同作用的T细胞亚群功能无关,因为在CD4+和CD8+两类T细胞群中PDE的类型 是相同的。表1白细胞内的cAMP-PDE类型和PDE4抑制剂的抑制作用<9>细胞类型cAMP-PDE类型抑制作用单核细胞PDE4TNF-α产生;花生四烯酸水解和白三烯的产生;过氧化物的产生;吞噬作用巨噬细胞PDE1,PDE3,PDE4TNF-α产生;过氧化物的产生;介质释放嗜中性粒细胞PDE4 CD11b的表达;黏附分子的表达;过氧化物的产生;噬菌作用;脱颗粒;介质释放嗜酸性粒细胞 PDE3,PDE4′CD11b/CD18表达;趋化;黏附分子的表达;过氧化物的产生;脱颗粒;介质释放B细胞PDE4,PDE3,PDE7IgE产生嗜碱性粒细胞PDE3,PDE4组胺释放;白三烯产生;IL-4和IL-13的产生 肥大细胞PDE3,PDE4组胺释放;介质释放T细胞PDE3,PDE4,PDE7,PDE 8增殖;细胞因子(IL-2、IL-4I、L-5、IL-13、IFN-γ、GM-CSFI 、L-10)的产生PDE4抑制剂能抑制炎症细胞的多种功能(见表1),在各种炎症疾病的发 病机理中,不同程度涉及到白细胞的多种功能。因此,PDE4抑制剂在各种动物模型中具有抗炎 活性,在临床上对几种炎症性疾病显示疗效也完全合乎情理。应该指出的是,虽然PDE3也是嗜 碱粒细胞、巨噬细胞和T细胞内的一种主要的PDE,在细胞水平的功能性研究表明PDE4抑制 剂比PDE3抑制剂有更明显的抑制作用。肥大细胞可能是唯一的例外,在抑制肥大细胞功能方面 ,PDE3抑制剂表现出至少与PDE4抑制剂有相同的作用。对其他细胞来说,PDE3抑制剂 缺乏有效性,尤其是对嗜碱粒细胞、巨噬细胞和T细胞的功能,可用cAMP信号区域化分布来解 释<7,8>。PDE3和PDE4定位于不同的亚细胞区域(分别位于膜、胞浆)。它们在不同 的细胞部位发挥作用,从而调节不同的功能。例如,人心肌细胞是一个对PDE3和PDE4的不 同功能进行了详细研究的细胞类型。虽然心肌细胞包含PDE3和PDE4,研究资料表明PDE4抑制剂比PDE3抑制剂在提高胞内cAMP水平方面作用更明显,但只有PDE3抑制剂有正性肌力作用。1·2PDE4抑制剂在动物模型中的抗炎作用开发PDE4抑制剂作为新型的抗炎药,主要用于肺部的炎 症(尤其是哮喘和慢性阻塞性肺疾病,COPD)。表2列出PDE4抑制剂在肺部炎症动物模型中的抗炎作用。如西洛司特,罗氟司特和SCH351591等PDE4抑制剂在动物模型上是强效的<11,12>。总的来说,PDE4抑制剂 有较强的抗炎活性,但仅有中等或较弱的支气管扩张作用。PDE4抑制剂对气管平滑肌的松弛作 用相对较弱的原因可能在于气管平滑肌与白细胞不同,PDE3是其细胞内主要的PDE形式。事 实上,PDE3/4双重抑制剂有更明显的扩张气管作用。虽然已有研究者提议PDE3/4双重 抑制剂作为一种潜在的治疗哮喘新药的开发方向,但PDE3抑制剂对心脏明显的不良反应阻碍了 此类药物的开发。表2在肺部炎症动物模型中PDE4抑制剂的抑制作用<9,10>动物模型动 物种属疾病抗原诱导的嗜酸性粒细胞渗出大鼠、豚鼠、兔、猴哮喘抗原诱导的气道高反应性小鼠、 豚鼠、兔、猴哮喘乙酰胆碱诱导的支气管收缩豚鼠哮喘乙酰胆碱诱导的气道高反应性豚鼠哮喘RS V诱导的气道高反应性小鼠哮喘RSV诱导的嗜酸性粒细胞渗出小鼠哮喘ET-1诱导的支气管收 缩豚鼠哮喘组胺诱导的支气管收缩豚鼠、狗哮喘抗原诱导的支气管收缩豚鼠、兔、雪貂、猴哮喘抗 原诱导的巨噬细胞渗出豚鼠哮喘IL-5诱导的嗜酸性粒细胞渗出豚鼠哮喘LTD4诱导的嗜酸性 粒细胞渗出豚鼠哮喘神经激肽A诱导的支气管收缩豚鼠哮喘臭氧诱导的气道高反应性豚鼠哮喘Se phadex诱导的气道高反应性大鼠哮喘5-HT诱导的支气管收缩狗哮喘臭氧诱导的上皮损伤 豚鼠哮喘/COPDLPS诱导的中性粒细胞渗出大鼠、豚鼠、雪貂COPDLPS诱导的支气管 收缩豚鼠COPDLPS诱导的杯状细胞增生豚鼠COPDLPS诱导的水肿豚鼠COPD组胺诱 导的微血管渗漏豚鼠ARLPS诱导的微血管渗漏豚鼠ARDS黏液高分泌大鼠ARAR:过敏性 鼻炎;ARDS:成人呼吸窘迫综合征;LPS:脂多糖;IL-5:白介素-5;LTD4:白 三烯D4;RSV:呼吸道合胞病毒;ET-1:内皮素1除了肺部模型,PDE4抑制剂在各种 非肺部炎症的动物模型上也显示出体内活性,如急性肺损伤、败血症、关节炎、Crohn氏病、 大肠炎、皮肤疾病、多发性硬化症、炎性疼痛、骨质疏松、肾脏疾病、同种异体移植排斥反应和全身性红斑狼疮等。当前处于临床开发阶段的药物有Celgene公司的CDC-801(用于治疗Crohn氏病),ScheringAG公司的meso-pram(多发性硬化症),以及Leo公司的cipamfylline( 皮炎)<4,13>。除了抗炎作用外,PDE4抑制剂可能对一些中枢神经系统疾病也有治疗价 值。哺乳动物的PDE4基因最初是作为果蝇的学习记忆基因(dunce)的同源物而鉴别出来 的,而且PDE4抑制剂已表现出明显的学习记忆增强作用。抑郁症和老年痴呆症目前也是PDE 4抑制剂治疗的目标<14>。此外,PDE4抑制剂对帕金森氏病和焦虑也有潜在的治疗价值。另外已有学者提出用PDE4抑制剂治疗白血病<15>、艾滋病、高血压、糖尿病、勃起功能障碍和肺缺
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