磷酸二酯酶4在心脏疾病中作用的研究进展

李中燕，汤 宇，田 艳，尹若熙，王国成，俞腾飞

(1.内蒙古医科大学，内蒙古自治区呼和浩特 010110;2.天津天士力集团研究院化学药物研究所，天津300410)

磷酸二酯酶(phosphodiesterase，PDE)是催化环磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate，cAMP)和环磷酸鸟苷(cyclic guanosine monophosphate，cGMP)水解的酶蛋白家族，其可将cAMP和cGMP水解为无活性的5'-磷酸腺苷和5'-磷酸鸟苷，进而影响生物体的各种代谢功能。且cAMP和cGMP是体内普遍存在的第二信使，在细胞信号传导和中枢神经递质传递等生物学反应中也起到重要的作用［1］。以往的报道多集中在PDE4抑制剂对cAMP的抑制功效研究，以及在啮齿类动物模型中对炎症疾病的显著治疗作用等方面。据近期国外文献报道，PDE4在心肌肥大、心衰和心律失常等心脏疾病中作用的研究取得较新的进展，本文即对PDE4在这3种疾病中作用的最新研究进展进行综述。

1 PDE4及其亚型分布

PDE4是cAMP特异性的水解酶，在细胞内其水解cAMP能力占主要地位。PDE4家族包括PDE4A，PDE4B，PDE4C及PDE4D等4个亚型，均可特异性水解cAMP。当选择不同的启动子和选择性剪切位点，PDE4的各亚型都可表达多种变异体，迄今发现＞20种PDE4变异体，这些变异体在调节性能和亚细胞定位上都是各不相同的［2］。

PDE4广泛分布于各种炎症和免疫细胞中，其分布在除了血小板外的所有组织中［3］。PDE4A在单核细胞、骨骼肌、睾丸和脑桥表达较高;PDE4B则主要表达在血液和神经组织中;PDE4C广泛表达于身体各个部位;而PDE4D在血液和骨骼肌中表达较多［4－5］。

在心脏，PDE4存在于心房肌细胞的 Z线上，与肌节相关的α辅肌动蛋白共存，并且其水解cAMP的活性约占PDE总水解活性的15%，其中PDE4D为表达最多的亚型［6］。然而PDE4家族的4个亚型在心脏中的分布也不尽相同，只有PDE4A，PDE4B和PDE4D在啮齿类动物和人的心脏组织中有表达，其中PDE4D在心房肌细胞的表达最高。目前，PDE4D基因在心肌组织中表达的亚型有PDE4D3，PDE4D5，PDE4D8和 PDE4D9。由于 PDE4C在啮齿类及人类的表达序列标签数据库中无法找到，同时在大量PDE活性免疫沉淀反应中，PDE4C均没有明显的表达，故没有其进一步的研究报道［7］。

2 PDE4与cAMP信号转导途径

在心血管系统中，心肌细胞对细胞外刺激信号的应答主要是通过G蛋白偶联受体介导的，而其中一些重要的G蛋白偶联受体的第二信使均为cAMP［8］。细胞内的cAMP-蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)途径是由G蛋白偶联受体将信号首先传至腺苷酸环化酶，由其控制cAMP的含量，而cAMP的含量决定PKA的活性。由于PKA负责很多蛋白的磷酸化，因此cAMP-PKA途径以此来调节细胞内的生物活性反应和平衡。同时细胞内的cAMP可激活PKA，其cAMP水平的升高可增加PKA磷酸化活性，促进L-型钙离子通路(L-type calcium channel，LTCC)、兰诺定受体(ryanodine receptor，RyR)、超极化激活环核苷酸门控离子通道(hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated channels，HCN通道)和肌原蛋白Ⅰ等的磷酸化。PDE在细胞内的定位非常靠近PKA，因而很有可能控制着cAMP与调节性激酶亚基作用的通路［9］。因此，PDE4能被PKA激活且能与各种锚定 PKA的骨架蛋白结合，激活细胞内的cAMP-PKA途径，同时也改变了PDE4对Mg2+的敏感性，使之成为调控细胞内cAMP水平的有效途径之一［10］。

Nikolaev等［11］通过荧光共振能量转移系统利用活细胞成像技术检测人心肌细胞内的cAMP浓度。与异丙肾上腺素(100 nmol·L－1)作用相比较，在PDE4抑制剂Ro20-1724(10 μmol·L－1)、PDE3 抑 制 剂 西 洛 酰 胺 (cilostamide，1 μmol·L－1)及两者联合作用下，细胞内cAMP浓度呈递增变化，因而表明在人心房肌细胞内PDE3和PDE4共同控制着cAMP的水平。且另有研究数据表明，在心房组织中，PDE4水解cAMP含量占总水解量的15%［12］。

3 PDE4在心脏疾病中的作用

心肌细胞的去极化可促进Ca2+通过LTCC内流，导致细胞释放大量的Ca2+。对于心房的兴奋-收缩偶联，升高的Ca2+与肌钙蛋白相互作用，进而促进横桥相互作用及肌细胞的收缩。窦房结和心房肌上的交感神经通过增加Ca2+内流和循环来增加心率和心输出。当交感神经活性减弱时，细胞内的PDE会降解cAMP，减弱PKA活性，由此可见心房的PDE是心率、心肌收缩和能量供给的重要调节器［13］。

在窦房结和二级起搏位点，少量PDE被激活可引起心动过速，收缩活性增强，起搏兴奋增加，这样会促进Ca2+超负荷，诱导肌细胞凋亡，是形成心衰的主要原因之一。因此，其水平的高低会在某种程度上决定心脏衰竭和卒中的危险系数的高低［14］。

3.1 对心肌肥大的影响

心肌肥大是一种强有力的代偿形式，但是这种代偿形式不是无限度的，若肥大心肌的功能不能长期维持正常则会出现心衰现象。在心肌细胞中，PDE水解cAMP是众所周知的，但是在病理条件下的心肌肥大模型中，PDE的作用还缺少深入的研究。

Abi-Gerges等［8］建立大鼠胸主动脉结扎诱导心肌肥厚的动物模型，造模5周后观察心脏功能并用超声诊断仪检测心脏各项指标。结果显示，离体的心肌肥大的心脏，在最大剂量β肾上腺素刺激下收缩反应减少54%，同时也伴随着肌膜水平下cAMP减少32%，而且模型组与假手术组相比心脏重量增加了67%。分离培养正常对照组和心肌肥厚模型的心肌细胞，进行PDE活性检测实验。结果表明，模型组的总PDE活性较正常对照组降低42%，同时PDE3的活性降低了42%，PDE4的活性降低了53%。对PDE4亚型的进一步研究结果显示，模型组中PDE4A和PDE4B活性有明显的下降。虽然PDE4D活性也有减少，但不是很显著。

有实验表明，在大鼠心肌肥大模型中，PDE4水平是下降的。进而在研究PDE4在人心脏疾病的作用中，也期待可以发现PDE4或PDE4亚型的活性在健康人与患者中存在的差异［16］。通过免疫沉淀法观察发现，在健康人与患者中并未发现PDE4活性有明显区别，但是患者数据表明，PDE4A和PDE4D的活性较正常对照组的活性有明显的下降。在病理性心肌肥大动物模型和人类病变的心脏上PDE4的平行性下降，说明在心脏疾病的发展进程中，PDE4水平的改变起到显著的作用［16］。

3.2 对心衰的影响

PDE4在控制啮齿类动物的心肌细胞的cAMP信号通路上起到非常关键的作用。PDE4失活会影响兴奋-收缩偶联中的多个关键位点，同时会诱发小鼠心衰［17］。实验表明，PDE4的抑制会导致小鼠心肌细胞上PKA底物磷酸化程度增加，并且在人心脏心肌细胞上也有少部分蛋白被磷酸化，这说明PDE4在啮齿类和人的心脏的cAMP信号的局部调节上起到类似的作用。

Lehnart等［18］通过大鼠胸超声心动图和体内血流动力学分析、免疫沉淀反应和免疫印迹分析、PDE活性检测及β-肾上腺素受体测定等多种分析方法研究，其结果表明，大鼠体内PDE4D基因失活会导致一系列心肌症，诱发心力衰竭和心律失常，促进心肌梗死。

活化型G蛋白向抑制型G蛋白偶联的转变急剧加速心衰的发生，而β抑制蛋白和PDE4D5转移到细胞膜可以降解β肾上腺素刺激下升高的 cAMP，防止 PKA磷酸化β肾上腺素受体，使偶联的G蛋白由活化型向抑制型转变，这可能是机体对抗心衰的一种保护机制［19］。心房的兴奋-收缩偶联和房室节律点的活性都依赖于细胞内Ca2+循环，而Ca2+循环的改变会对心衰的发生有很大影响。在人类和动物的心力衰竭样本中发现，PDE4的缺乏会导致RyR2通道的过度磷酸化，从而使RyR2通道“漏钙”，诱发心衰［20］。

PDE4D3存在于心脏RyR2/Ca2+复合体中，PDE4D3在细胞内与RyR2和PKA形成大分子复合物，调控由PKA介导的RyR2磷酸化而控制Ca2+从肌浆网中释放。事实上PDE4D3提供了一个非常重要的负反馈机制来限制β肾上腺素受体依赖的PKA磷酸化RyR2-Ser2808位点。生理条件下，PDE4D3可通过RyR2-Ser2808位点磷酸化调节PKA活性和通道的激活，进而防止cAMP的过度积累。在心衰患者的心肌细胞上，由于在RyR2上PKA过度磷酸化、稳钙蛋白消耗等，导致RyR2上缺乏PDE4D3这种负反馈机制，因而心脏中的PDE4D3起到阻碍心衰和心律失常的重要作用［18］。

在对心衰的人类心肌RyR2复合体的含量测定中发现，PDE4D3较正常组含量减少了43%，PDE4D3水解cAMP的活性降低了42%，这样就导致PKA过度磷酸化及RyR2信号通路泄露，进而诱发心功能障碍和心律失常的发生［21］。

3.3 对心律失常的影响

心房颤动是由于随机的放电引起的一种迅速而不规律的心跳，是一种最常见的持续性心律失常。该病症使血液在心脏中聚集并凝块，会明显增加卒中的风险。高龄是心房颤动并发中风的潜在危险因素之一，心房颤动患者中风的概率随着年龄的增长呈指数增长。心房颤动的发病率和患病率随着年龄而增长，大约有50%的心房颤动患者年纪大于75岁［22］。

LTCC功能和蛋白表达的减少是心房颤动的主要分子特征，心房颤动同时伴随膜受体的重构和cAMP依赖的Ca2+水平的改变，在这种情况下，水解cAMP的PDE对心房颤动的发生会起到非常重要的影响［23］。

Molina等［24］通过荧光共振能量转换传感器，检测在β肾上腺素刺激下的离体人心肌细胞中的L型Ca2+电流和钙波，同时运用活细胞成像技术检测细胞内的cAMP水平，观察其荧光率的衰减对cAMP的水解速率的影响。当PDE4受抑制后，细胞内的cAMP的水解速率明显减慢。在β肾上腺素刺激下，细胞内的cAMP的水解速率延伸，从而导致L型Ca2+电流反应延长了2倍，而这种延长主要是由于LTCC的PKA磷酸化延长产生的。结果表明，PDE4抑制会增加细胞内cAMP和L型Ca2+电流，并且很大程度上推迟其在β肾上腺素受体刺激后的衰变。同样，PDE4受抑制也会增加β肾上腺素刺激下人心房的钙波频率、收缩反应以及心律失常的发生率。

在人正常的心房肌小梁上，抑制PDE4活性可增加β肾上腺素受体的收缩反应及心律失常的收缩活动。对窦性心律患者和永久性心房心律失常患者的心房组织中的PDE4活性进行检测，结果表明，与窦性心律患者相比，永久性心房颤动患者的PDE4的活性有明显的下降［25］。因而在人心房肌中，PDE4对控制cAMP水平进而控制Ca2+内流和释放起到至关重要的作用，并限制了心率失常的易感性。

4 展望

目前，对心房颤动诱发卒中的治疗主要集中的抗凝血剂的应用。但是，以选择性地提高PDE4D活性为靶点研究新的给药剂型，可同时预防心房收缩功能障碍、限制与Ca2+循环有关的心房能量供给、有效预防心房颤动并降低卒中风险。

在血管、炎症细胞和血小板中，cAMP水平上升会导致血管舒张，进而抑制细胞生长、增殖、迁移、新生内膜形成及血小板聚集等，若这些细胞类型中PDE4D的表达减少，则会很大程度上增加心源性卒中的危险性［26］。虽然国内外对PDE4D基因与卒中相关的确切机制研究不太全面，但是学者普遍认同其不仅参与动脉粥样硬化，而且具有神经保护作用。因而今后对PDE4D基因尚需更深入的研究，以期其对卒中的预防和治疗起到关键的作用［27］。

由于PDE4抑制剂诱导RyR2通路缺失，长期使用抑制剂的患者易患心律失常和心衰的几率大幅增加。这使得PDE4抑制剂在治疗支气管哮喘和慢性阻塞性肺病等疾病中产生的副作用变得尤为突出，同时也为PDE4和PDE4抑制剂的合理应用提出了严峻的挑战。随着PDE4及其抑制剂对心脏疾病的作用机制研究日趋深入及其在药效学、药动学和药理作用机制的研究不断深入，PDE4的抑制剂将有望成为治疗心脏病的特异性药物。

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