磷酸二酯酶及其抑制剂在心力衰竭中的研究现状*

曾 玉， 郭文钧， 樊天斐， 冯小航， 高 冉△， 王 婧△

（1内蒙古医科大学基础医学院，内蒙古 呼和浩特 010000；2中国医学科学院基础医学研究所，北京协和医学院基础学院，北京 100730）

心力衰竭简称心衰（heart failure，HF），是由于结构或功能性心脏异常引起心室充盈和（或）射血能力受损的一组慢性进行性临床综合征，其主要临床特征是肺循环淤血、心排血量降低和体循环淤血，表现为左心室射血分数（left ventricular ejection fraction，LVEF）降 低（HF with reduced ejection fraction，HFrEF）或保留（HF with preserved ejection fraction，HFpEF）［1］。HF 的病理生理过程包括左心室重构和全身通路的系统激活［2］，心脏功能受损过程中，心肌细胞减少使心肌收缩力下降，同时纤维化使心室顺应性下降，最终导致心室重构。当心排血量减少时，机体的一部分神经体液通路被激活，通过收缩血管、水钠潴留和增强心肌收缩力来维持心脏的正常功能。

磷酸二酯酶（phosphodiesterases，PDEs）超家族由11个酶家族组成（PDE1-PDE11）。人类的PDEs由21 个基因编码，通过选择性mRNA 剪接或特定于每个基因编码的单个mRNA/蛋白质亚型的选择性启动子产生多样性，最终产生100 多种不同的PDE亚型［3］。PDEs 是环核苷酸的主要调节因子，可催化环磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）和环磷酸鸟苷（cyclic guanosine monophosphate，cGMP）的3′-环磷酸二酯键水解使环核苷酸降解失活，从而降低细胞内cAMP 和（或）cGMP 的浓度，进而终止其在细胞内的生化作用［3］。

目前已知的PDE 各亚型存在于多种炎症和结构细胞中，这些亚型之间的区别在于其分子结构、底物特异性、抑制剂选择性、组织和细胞分布、激酶调节、蛋白质-蛋白质相互作用和亚细胞分布的不同［4］。cAMP 和cGMP 分别由腺苷酸环化酶和鸟苷酸环化酶催化产生，具有转导多种激素和细胞信号通路的作用。cAMP 和cGMP 与几种特定的细胞内调节蛋白结合发挥调节作用，例如蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）、环核苷酸门控离子通道和cAMP/cGMP 刺激的鸟苷三磷酸酶（guanosine triphosphatase，GTPase）交换因子等。抑制PDE 能够使细胞内cAMP/cGMP 升高从而导致多种细胞效应，包括炎症细胞活化、免疫细胞活化和平滑肌收缩反应等。每个PDE 家族对cAMP 或cGMP 具有不同的选择性，并且具有独特的酶促特性以及药理抑制特性组合［5］。

1 HF的发病机制

根据HF 发生的时间、速度、严重程度可分为急性心衰（acute heart failure，AHF）和慢性心衰（chronic heart failure，CHF）。AHF 时，代偿期内心脏仍能维持血流动力学现状，代偿机制不足时出现左心室充盈压和肺充血增加［6］，最终导致外周灌注减少、肺水肿、心室重构和器官功能障碍。HF 发生发展的基本病理机制为心脏功能受损及代偿过程中心肌细胞、胞外基质、胶原纤维网等发生相应的变化，称为心室重塑过程［7］。一些体液因子如心房钠尿肽（atrial natriuretic peptide，ANP）、脑钠肽（brain natriuretic peptide，BNP）和精氨酸加压素（arginine vasopressin，AVP）等在HF 时分泌增加，造成水钠潴留和心脏负荷增加［7］。

按病因学可将 HF 分为 HFrEF 和 HFpEF，HFrEF为LVEF≤40%，HFpEF 为LVEF≥50%［8］。HFrEF 的主要病理机制是由于组织缺少氧气、营养以及有害代谢物未能及时清除导致的细胞死亡［9-10］。HFpEF 继发于舒张功能障碍造成的左心室充盈压增加，可引起继发性动脉型肺动脉高压（pulmonary arterial hypertension，PAH）［11］，主要病理机制为纤维化和心室顺应性降低［2，10］。

2 PDEs在HF中的作用及表达

cAMP 和cGMP 是心脏细胞内关键的第二信使，它们的合成和水解过程受损导致下游信号传导异常是HF 发生的重要原因之一。在心肌细胞内，β-肾上腺素能信号产生的cAMP 增加心脏收缩性和兴奋-收缩耦合［12］。同时，cGMP 激活蛋白激酶G（protein kinase G，PKG），促使蛋白质磷酸化，舒张平滑肌细胞，改善心室动脉偶联，并减弱炎症、纤维化和心肌细胞凋亡［13］。因此，cAMP 和 cGMP 代谢失调会导致心脏病理性重塑、肌肉功能障碍、细胞存活和代谢降低以及其他异常［14］。

在心脏细胞内，PDE1、2、3、4、5、8 和9 选择性表达 。 PDE1-3 是 cAMP/cGMP 双底 物酯 酶，PDE5 和PDE9 选择性水解 cGMP，而 PDE4 和 PDE8 选择性水解 cAMP［3］。

2.1 PDE1 在人心脏中，大多数环核苷酸水解是由 PDE1 介导的。PDE1 家族是Ca2+/钙调蛋白（calmodulin，CaM）依赖性水解酶，可水解cAMP 和cGMP。PDE1 家族成员由3 个不同的基因编码，即PDE1A、PDE1B和PDE1C，这些基因的选择性剪接使它们能够对环核苷酸信号产生精细调节［15］。PDE1A主要在啮齿类动物中表达，对cGMP的亲和力高于对cAMP 的 亲和 力 ，PDE1B 对 cAMP 的亲 和力较 低，PDE1C 主要在人类心肌中表达，对cGMP 和cAMP 的亲和力相近［16-18］。PDE1C 的转录受过氧化物酶体增殖物激活受体α（peroxisome proliferator-activated receptor α，PPARα）调控［19］，PPARα 既能够调节心肌肥大发展过程中能量代谢底物的转变，其下调也会造成心肌对脂肪酸摄取和氧化能力的下降［20-21］。

PDE1A在心肌细胞和心脏成纤维细胞中均可表达，对肥大和纤维化刺激的反应更为明显［15，22］，PDE1C 在心肌细胞中表达，但在成纤维细胞中不表达［23］。在心肌细胞中，PDE1A 抑制 cGMP/PKG 信号传递造成心肌细胞肥大，PDE1C 抑制cAMP/PKA 信号传递造成心肌细胞凋亡［24-25］。在心脏成纤维细胞中，PDE1A 抑制能增强cAMP-cAMP 直接激活的交换蛋白（exchange protein directly activated by cGMP，Epac）信号通路从而抑制促纤维化转录调控［24］。

Knight等［23］利用PDE1C基因敲除小鼠对 PDE1C在心脏重塑和功能障碍中的作用进行了评估，检测到PDE1C 在小鼠和人类衰竭心脏中表达上调，且在缺血性心脏病和扩张型心肌病中同样表达增加；敲除PDE1C显著缓解主动脉弓缩窄诱导的小鼠心脏重构和功能障碍，表现为改善心室扩张，减缓心肌肥厚，抑制心肌细胞凋亡和改善纤维化等，这一过程依赖于cAMP-PKA 通路的激活。这也表明PDE1C 在慢性压力超负荷引起的HF 发展中起着有害作用。PDE1A 和PDE1C 在调节病理性心脏重构时的潜在作用见图1。

Figure 1. Phosphodiesterase 1（PDE1）regulates pathological cardiac remodeling. Ca2+activates PDE1 under cardic stress. Phosphodiesterase 1A（PDE1A）which hydrolyzes cyclic guanosine monophosphate（cGMP）and cyclic adenosine monophosphate（cAMP）inhibits cAMP from activating exchange protein directly activated by cAMP（Epac）that acts to inhibit the transcriptional regulation of fibrosis. Extensive inhibition of PDE1A effectively inhibits cardiomyocyte hypertrophy and fibrosis. Phosphodiesterase 1C（PDE1C）inhibits the anti-apoptotic effect of cAMP/protein kinase A（PKA）signaling. The coupling of cAMP with cGMP-dependent protein kinase 1（cGK1）and its downstream pathways has anti-fibrotic effect. CaM：calmodulin；PKG：protein kinase G；PI3K：phosphatidylinositol 3-kinase；AKT：protein kinase B.图1 PDE1调节病理性心脏重构

2.2 PDE2 PDE2 在人类心脏中表达，与分隔心肌细胞的肌节和质膜相关［26］。PDE2 受 cGMP 与其GAF-B 结构域结合的刺激，降解cAMP 和 cGMP 的同时也水解利尿钠肽（natriuretic peptide，NP）和一氧化氮（nitric oxide，NO）池。PDE2 作为双底物酯酶不仅促进cGMP 信号的负反馈，还介导cGMP 和cAMP通路之间的交叉通讯。在心肌细胞内，抑制PDE2可激活 II 型 PKA（PKA type II，PKA-II），导致活化的T细 胞 核 因 子（nuclear factor of activated T-cells，NFAT）磷酸化，从而阻止其核移位和肥大信号；它还刺激I 型PKA（PKA type I，PKA-I），由此影响心脏收缩并提供线粒体保护［25］。PDE2 促进心肌细胞凋亡［27］并在心肌成纤维细胞中高表达，通过抑制由异丙肾上腺素（isoproterenol，ISO）和肾上腺素能受体刺激产生的cAMP 来调节肌成纤维细胞的形成和纤维化［28-29］。

2.3 PDE3PDE3基因家族包含2 个亚型——PDE3A和PDE3B，在调节人类心肌中cAMP 介导的信号通路方面具有重要作用［30］。在人和动物中，抑制PDE3可以加速心率，增强心肌收缩力；有趣的是，仅在敲除PDE3A的小鼠中基础心率会出现显著升高，而敲除PDE3B对此没有影响，表明心肌收缩性受 PDE3A 的调节［31］，这一过程与依赖 PKA 的受磷蛋白（phospholamban，PLB）和兰尼碱受体2（ryanodine receptor 2，RyR2）磷酸化增加细胞内钙瞬变的幅度有关［12，32］。此外，体外 PDE3A 表达/活性的降低会促进促凋亡转录抑制因子——诱导型cAMP 早期阻抑蛋白（inducible cAMP early repressor，ICER）上调，并加重心肌细胞凋亡。

2.4 PDE4 PDE4 家族由 4 个基因PDE4A、PDE4B、PDE4C和PDE4D组成。人类心脏中存在的PDE4 活性水平与在小鼠和大鼠心脏中检测的水平相似，说明了PDE4 可能在人心脏局部调控cAMP 信号传导中发挥作用［33］。研究显示，PDE4 主要通过调节兴奋-收缩偶联的横小管/肌浆网连接空间进而发挥水解 cAMP 的功能［34-35］。有研究表明，PDE4D缺陷小鼠的心脏表型（包括心力衰竭和致死性心律失常）是由于RyR2的PKA过度磷酸化以及由此导致的RyR2通路异常造成的，在HF 患者中也观察到心脏功能下降和对心律失常的易感性增加的相似结果［36］。

2.5 PDE5 PDE5 主要分布在海绵体、肺、内脏循环和肾脏的血管平滑肌中，在血小板和骨骼肌中也呈现高表达。PDE5 可水解cGMP，在心脏组织中导致平滑肌和血管收缩，三种主要的PDE5 亚型为A1、A2 和A3，它们具有相似的cGMP 催化活性，三者相比没有明显的功能差异［37］。PDE5A是第一个被发现的cGMP 选择性PDE，由负反馈通路调节，cGMP 和PKG 增多会反向刺激PDE5 水解活性升高以减少cGMP，基于这一机制，PKG 激活减少了NO-可溶性鸟苷酸环化酶（soluble guanylate cyclase，sGC）-cGMP通路产生的cGMP［38］。心肌氧化应激和诱导型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）可增加HF 患者和小鼠心脏组织中PDE5 的表达，抗氧化应激治疗或抑制iNOS 可在减轻氧化应激的同时减少心肌细胞中PDE5 的表达，PDE5 的这种选择性抑制可以保护心脏免受压力超负荷引起的左心室肥厚和充血性HF［39］（图2）。

Figure 2. Role of phosphodiesterase 5（PDE5）in nitric oxide（NO）-soluble guanylatecyclase（sGC）-cyclic guanosine monophosphate（cGMP）pathway and oxidative stress in cardiomyocytes. PDE5 mainly hydrolyzes cGMP so that inhibiton of PDE5 increases cGMP，and activation of protein kinase G（PKG）by cGMP has a protective effect on myocardial ischemia-reperfusion injury. The interaction between PDE5 and oxidative stress causes myocardial hypertrophy and heart failure. Stress overload also promotes the production of PDE5. iNOS：inducible nitric oxide synthase.图2 PDE5在心肌细胞NO-sGC-cGMP通路及氧化应激中的作用

PDE5 在心脏组织中的表达一直备受争议：1998年Loughney等［40］证明了PDE5在心脏组织中的表达，而 Wallis 等［41］1999 年在人类心室组织中未观察到PDE5 酶活性和/或免疫反应带；Senzaki 等［42］2001 年研究表明，PDE5 在分离的犬心室肌细胞中大量表达，在犬衰竭心肌细胞中观察到z 带定位丢失，这表明细胞内定位发生了改变，并且经RT-PCR、Western blot 和免疫组织化学分析显示，PDE5 也在小鼠心室肌细胞中大量表达［43］；PDE5 在正常人右心室心肌中不表达，但其mRNA 和蛋白质在右心室肥厚心肌显著上调，在大鼠右心室肥厚中同样观察到PDE5的上调［44］；在大型 HFpEF 动物模型和伴（或不伴有）HFrEF 的人心肌中PDE5A 的表达低于Western blot检测所需的限度［45］。

2.6 PDE9 PDE9 存在于心脏和血管系统［46］，在肥厚心脏和心衰组织中显著上调［47］。2015 年PDE9A首次被报道参与水解心肌细胞中与NP 耦合的cGMP，与 PDE5A 不同，PDE9A 可以独立于 NO 途径调节cGMP信号［47］，抑制PDE9A能够增加cGMP信号传导并减轻应激诱导的肥厚性心脏病［47-48］。

2.7 PDE10 PDE10A 在正常和运动心脏组织中的表达相对较低，在心血管系统中的作用尚不明确。一项研究显示，PDE10A表达和活性在小鼠和人类衰竭心脏中显著上调，在肥大和HF 小鼠模型中PDE10A失活对病理性心脏重塑和HF具有抑制作用［49］。

3 PDE抑制剂治疗心衰

3.1 PDE1 抑制剂 Miller 等［15］利用 PDE1 选择性抑制剂 IC86340 和 PDE1A 短发卡 RNA（short hairpin，shRNA）阻断PDE1C 表达受限的大鼠心肌细胞中的PDE1A 功能，结果显示 IC86340 对 PDE1 的抑制和shRNA对PDE1A 的下调可防止苯肾上腺素（phenylephrine，PE）诱导的新生大鼠心室肌细胞和成年大鼠心室肌细胞肥大，说明PDE1A在PE诱导的心肌细胞cGMP 信号抑制中起关键作用，PDE1A 对心肌肥厚的抑制也以PKG 依赖的方式发生。这些研究表明，抑制PDE1A 通过阻断PE 诱导的细胞内cGMP 和PKG活性降低来减轻心肌细胞肥大。

Hashimoto 等［50］研究了犬在快速丙酸诱发 HF 前后的压力-容积关系，使用选择性PDE1 抑制剂ITI-214 口服给药，观察到在正常犬和HF 模型犬中，ITI-214 增加了正性肌力，改善了松弛，降低了全身动脉阻力，在不改变收缩压的情况下提高了心输出量，增加了心率。该研究得出结论：在主要表达近似人类PDE1C 亚型的哺乳动物体内，ITI-214 对 PDE1 的抑制可产生急性肌力和动脉血管舒张作用。

3.2 PDE2 抑制剂 Baliga 等［51］验证了选择性 PDE2抑制剂BAY 60-7550 能够减缓心脏收缩力的下降、左心室肥厚、左心室扩张和纤维化病变，从分子层面来看BAY 60-7550 增加心脏cGMP 水平、减少一系列肥大和纤维化标志物。这些结果表明在动物模型中PDE2 通过影响cGMP 水平诱发心肌能量失调、心脏功能受损和冠状血管功能障碍［52］。PDE2 抑制在实验性HF 中发挥有益作用，动物研究结果显示PDE2抑制剂可能促进心脏保护性NO-cGMP 信号传导、缓解HF患者的左心室功能恶化［51］。

3.3 PDE3 抑制剂 PDE3 抑制剂如氨力农（amrinone）和米力农（milrinone），用于治疗HF 患者，可降低外周和肺血管的阻力，增强冠状动脉血流和心脏的收缩力［53］。PDE3抑制剂通过阻断cAMP水解和增强cAMP 介导的信号通路，促进蛋白质磷酸化，减缓细胞内Ca2+瞬变幅度［32］。

3.4 PDE4 抑制剂 罗利普兰（rolipram）是一种PDE4 抑制剂，能够增强收缩末期左心室压力、每搏输出量、心输出量、射血分数和收缩末期压力容积关系（end-systolic pressure-volume relation，ESPVR）斜率（ESPVR 斜率表示左心室收缩末期弹性），从而增加大鼠心率和收缩力。同时，rolipram 在不改变与外周血管阻力成正比的动脉弹性的情况下增加收缩压、舒张压和脉压［54］。

3.5 PDE5 抑制剂 PDE5 抑制可减弱HF 的肾上腺素能敏感性［55］，防止因压力过大引起的心肌肥厚［56］，并对缺血［57］、ISO［58］和阿霉素介导的损伤具有保护作用［59］。PDE5A 抑制剂西地那非（sildenafil）可用于治疗血管紧张素II（angiotensin II，Ang II）诱导的HF 引起的晚期心肌肥厚和左心室重构，显著改善左心室收缩和舒张功能［60］。sildenafil 通过阻断 cGMP 的分解代谢，抑制心肌细胞肥大，改善横向主动脉收缩引起的慢性压力超负荷小鼠的心功能，逆转由压力负荷引起的肥大，同时使腔室功能恢复正常［56］。其他PDE5 抑制剂如伐地那非（vardenafil）通过维持舒张功能（降低左心室/心肌细胞硬度和左心室舒张时间）、恢复cGMP 水平和PKG 活化、降低细胞凋亡、减轻氧化应激、心肌肥厚和纤维化重塑，有效地预防糖尿病相关HFpEF的发生［61］。

Kukreja 等［42，57，62］报道了 sildenafil 在心脏和肌细胞中的作用可抑制再灌注损伤和细胞凋亡。X-连锁肌萎缩小鼠（X-linked muscular dystrophy mice；简称mdx小鼠）模型中sildenafil可改善心脏功能和肌膜完整性，并抑制异常胎儿基因表达［38］。一些研究认为PDE5 抑制剂sildenafil 对PDE5A 具有相对但不完全的选择性，也可能有一部分会针对PDE1［63］，还认为sildenafil 影响所有细胞类型，肌细胞可能不是主要目标。有研究提出了一个双向PDE5过表达模型，表明肌细胞PDE5基因上调或下调有效地调节心脏对压力超负荷的反应，同时协调细胞外基质重塑［38］。

3.6 PDE9 抑制剂 CRD-733 是一种新型 PDE9 抑制剂，能够逆转左心室肥厚和左心房扩张，改善左心室功能和左心室舒张末期压力［48］。静脉注射PDE9A抑制剂PF-04749982，可以增加血浆cGMP/NP 比率、HF状态下的尿量、钠排泄量和肌酐清除率［25］。

3.7 PDE10抑制剂 选择性抑制剂TP-10的药理作用是通过抑制PDE10A 发挥的，它能够逆转预先建立的心肌肥厚和心脏功能障碍，使用TP-10 抑制PDE10A 可减轻 Ang II、PE 和 ISO 诱导的心肌细胞病理性肥大，还降低了转化生长因子β 刺激的心脏成纤维细胞活化、增殖、迁移和细胞外基质合成［49］。

4 总结与展望

HF 是心血管疾病发生发展的终末阶段，其中PDE 家族成员会出现不同程度表达和活性改变，从而破坏环核苷酸水平，最终导致心功能不全。深入解析PDEs 在HF 病理生理学中的作用机制，可以拓展HF 可能的治疗靶点，从而改善现有疗法的不足。例如：抑制PDE1可以有效提升心输出量，增加心率；抑制PDE2可以减少心肌肥厚及心脏纤维化［3］；PDE3是心脏收缩力的关键调节剂，抑制其可减弱由主动脉弓缩窄引起的心肌肥大和纤维化［3］，但是抑制PDE3 时间过长会加剧交感神经活动，增加心律失常［64］，因此PDE3抑制剂目前仅用于改善急性失代偿性HF；PDE5A 是导致cGMP 信号传导异常和心脏肥大的主要因素，而PDE5在心肌细胞中的作用仍有待进一步探究，由于PDE5主要分布在肺血管和阴茎海绵体，目前其抑制剂主要被用来延长阴茎勃起和缓解肺动脉高压［65］；抑制 PDE9 可以通过增强 NO/cGMP信号通路，进而改善心肌肥厚和纤维化［66］。

先前的研究表明，PDE3 抑制剂被开发用于治疗急性HF，治疗时间过长容易诱发心律失常进一步导致病人死亡，与PDE3抑制剂相比，PDE5抑制剂在治疗心脏疾病方面具有更小的副作用，且在临床应用较为广泛。PDE4 抑制剂主要用于治疗哮喘、慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）、过敏性鼻炎等呼吸系统疾病［67］。最近一项研究提出，适度增加PDE4B具有保护心脏的作用，对心脏进行PDE4B基因治疗有可能发展为治疗HF的新方法［68］。另外，microRNA-19a-3p 和 microRNA-19b-3p（miR-19a/b-3p）在压力超负荷诱导的肥厚心脏中表达降低，且发现miR-19a/b-3p 可以直接调控PDE5A 的表达，而在miR-19a/b-3p 的转基因小鼠中，心脏重塑与心肌肥厚得到了显著缓解，因此Liu等［69］认为靶向内源性miR-19a/b-3p有望成为临床治疗HF的一种潜在方法。抑制PDE10A 已被证明能够减轻心肌肥厚和心脏功能障碍，这可能代表一种用于预防和治疗与心脏重构相关的心脏疾病的新方法。

综上所述，PDE 家族中的 PDE1、PDE2、PDE3、PDE4、PDE5、PDE9 和 PDE10 在动物或人类 HF 的发生过程中都起着至关重要的作用，它们作用于心肌细胞或者心肌成纤维细胞，抑制PDE家族的不同成员可能通过不同的作用机制减缓HF的发生发展。但是目前应用于临床治疗HF的PDE家族的抑制剂还是相对较少，而且HF的发生率逐渐上升，因此进一步开发能够应用于临床HF的PDE抑制剂仍有待深入探究。