磷酸二酯酶5在心力衰竭中作用的研究进展

杨 洋，张雅茸，杨红琴，王 婧，赵红梅

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 病理生理学系，北京 100005

心力衰竭(heart failure, HF)是各种心血管疾病发展的终末阶段。磷酸二酯酶(phosphodie-sterases, PDEs)通过水解细胞内第二信使环磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate, cAMP)与环磷酸鸟苷(cyclic guanosine monophosphate, cGMP),从而参与多种心血管疾病的发生发展。其中,磷酸二酯酶5(phosphodiesterase 5,PDE5)特异性水解cGMP,对心肌细胞cGMP-蛋白激酶G(protein kinase G,PKG)的活化和调节心脏病理改变具有重要作用。PDE5在心脏中的表达以及在心肌细胞中的作用一直存在争议,PDE5抑制剂对射血分数降低的心力衰竭(heart failure with reduced ejection fraction,HFrEF)及射血分数保留的心力衰竭(heart failure with preserved ejection fraction, HFpEF)患者的临床疗效也均存在异议。本文综述了PDE5在心衰中的研究进展,以更好地了解PDE5在心衰中的作用机制及治疗前景。

1 心力衰竭和磷酸二酯酶分类简介

心力衰竭是由于心脏的结构和/或功能异常,导致进行性心脏功能丧失,从而引起心室充盈或射血能力受损的一组临床综合征,具有较高水平的发病率、病死率和再住院率,给公共卫生造成了严重负担。根据最新2022 美国心脏病学会/美国心脏协会/美国心力衰竭协会心力衰竭管理指南,心衰按左心室射血分数(left ventricular ejection fractions,LVEF)分为以下4类:射血分数降低的心衰(HFrEF):LVEF≤40%;射血分数改善的心衰(heart failure with improved ejection fraction, HFimpEF):既往LVEF≤40%,后续检查LVEF>40%;射血分数轻度降低的心衰(heart failure with mildly reduced ejection fraction, HFmrEF):LVEF为41%～49%,且有证据表明左室充盈压增加;射血分数保留的心衰(HFpEF):LVEF≥50%,且有证据表明左室充盈压增加[1]。尽管在动物模型、体外实验及临床研究中都不断取得了有关心力衰竭的机制研究和治疗方法的进展,但是心衰在临床上仍然具有很高的病死率,提示仍需继续深入研究心力衰竭的机制。

PDEs是一种金属水解酶,是环核苷酸的主要调节因子,可催化cAMP和cGMP的3′-环磷酸二酯键水解,从而降低细胞内 cAMP和/或cGMP的浓度,进而调节它们下游的蛋白激酶活性,影响多种细胞功能和不同疾病的病理生理状态[2]。PDEs超家族由11个家族成员(PDE1-PDE11)组成,根据水解底物不同,可将PDEs分成3类:1)特异性水解cAMP:PDE4、PDE7和PDE8;2)特异性水解cGMP:PDE5、PDE6和PDE9;3)能同时水解cAMP和cGMP:PDE1、PDE2、PDE3、PDE10和PDE11。

其中PDE5目前只有PDE5A一种分型,包括三种剪接变体,分别为PDE5A1、A2 和A3,它们具有相似的cGMP 催化活性,没有明显的功能差异。PDE5几乎存在于所有细胞、组织和器官中,鉴于PDE5具有广泛表达和特异性水解cGMP的能力,PDE5被认为是许多NO/cGMP/PKG依赖性生物过程的关键参与者,针对PDE5和cGMP的干预对于心力衰竭的治疗有着重要意义,其治疗价值还需进一步探究。

2 PDE5及其抑制剂在心力衰竭中作用的研究进展

PDE5在心脏组织中的表达和功能一直存在争议,目前通常认为在正常心肌细胞中存在极少量甚至不存在PDE5,而在心力衰竭患者心脏组织中PDE5显著上调[3]。

2.1 PDE5抑制剂的应用

PDE5可将NO激活的sGC产生的cGMP转化为无活性的5′-GMP形式,cGMP的形成和信号转导功能障碍在心血管疾病中起直接的病理作用[4],cGMP 的缺乏可对心脏、肾脏和血管产生不良影响,从而导致 HFrEF 和 HFpEF 的疾病进展[5],而PDE5抑制剂可通过阻断cGMP的分解,延长血管舒张介质作用,从而引起血管平滑肌松弛。目前已有的PDE5抑制剂主要包括西地那非(sildenafil)、他达拉非(tadalafil)、伐地那非(vardenafil)、阿伐那非(avanafil)、米罗那非(mirodenafi)、洛地那非(lodenafil)和乌地那非(udenafil)等,其中前4种抑制剂现已临床应用于治疗勃起功能障碍、肺动脉高压及下尿路感染。同时,PDE5抑制剂对心血管疾病、阿尔兹海默病、肿瘤、雷诺氏综合征(Raynaud′s syndrome)、COVID-19等疾病的治疗也具有重要作用并在继续不断探索。

2.2 PDE5抑制剂及PDE5基因鼠在心力衰竭中的研究进展

PDE5抑制剂在心力衰竭中的治疗作用不断被揭示。西地那非通过阻断PDE5对cGMP的水解,改善由主动脉弓缩窄手术(transverse aortic constriction, TAC)和血管紧张素Ⅱ(angiotensin Ⅱ, AngⅡ)灌注所引起的小鼠心肌重构、心功能障碍,减少心肌组织免疫细胞的浸润和炎性反应以及心肌细胞的凋亡[6];提高起搏诱导性心力衰竭的循环cGMP浓度,降低平均动脉压、左心房压和肺动脉压,改善心衰[7]。他达那非可缓解容量过载诱导心力衰竭的心肌肥厚和心功能恶化[8]。目前新型 PDE5 抑制剂 CPD1 对异丙肾上腺素诱导的心肌肥厚有显著的保护作用,对模型大鼠心脏的收缩和舒张功能明显提高,并且作用较西地那非治疗组更加明显[9]。

心力衰竭的主要原因之一是cGMP-PKG轴功能障碍[3]。随着心力衰竭心脏PDE5的上调,cGMP向5′-GMP的转化率增加,PKG降低,而西地那非抑制PDE5可通过激活PKG缓解心力衰竭的不良重塑[10];心肌细胞特异性过表达PDE5的转基因小鼠通过降低PKG的活性使心脏功能恶化并加重心肌梗死后心室重塑[11];心肌细胞过表达PDE5的双向基因靶向调节通过调节肌细胞cGMP/PKG通路影响持续压力超负荷的心脏重塑现象[12]。然而,心脏特异性敲除PKG对主动脉弓缩窄后的左心室肥厚没有影响[13],说明PKG活性可能不参与调节心肌肥厚,这提示PDE5抑制剂的作用可能存在除cGMP-PKG以外的下游信号通路。

心肌细胞是cGMP的主要作用位点,但在cGMP信号的表达上,新生儿和成人心肌细胞之间存在根本差异[14],新生儿心肌细胞表达心房利钠肽(atrial natriuretic peptide, ANP)/GC-A和NO/sGC;而成人心肌细胞主要表达C型利钠肽(C-type natriuretic peptide, CNP)/GC-B,未检测到NO来源的cGMP。用心肌细胞特异性过表达Ⅰ型血管紧张素Ⅱ受体(angiotensin Ⅱ type 1 receptor, AT1R)的转基因小鼠,检测利钠肽/PDE5/cGMP通路的不同成分和心脏功能,发现西地那非不干扰心肌细胞中扩增的AT1R信号转导的对心脏结构和功能的致病作用[15]。并且有报道称PDE5A仅在小鼠肥大心脏的肌成纤维细胞中表达,而在心肌细胞中不表达[16]。因此猜测正常和衰竭心脏中测得的PDE5活性可能大多数来自非心肌细胞;动物实验中心脏肥大的逆转有可能源于PDE5抑制剂的非心肌细胞效应,包括全身血管、肾脏的改变、肌成纤维细胞的激活、炎性反应的调节、不同细胞类型的潜在激素和细胞因子的释放等。由此可知,PDE5在心衰进程中所起的作用和调节机制非常复杂,其抑制剂的作用机制也尚未完全揭示。因此,深入探究PDE5相关内容可为心力衰竭的治疗提供新视野和新途径。

2.3 PDE5抑制剂在心力衰竭临床试验中的研究进展

PDE5抑制剂临床试验众多,但临床疗效存在巨大差异,对于心衰治疗是否有效尚无定论。在使用PDE5抑制剂6个月的HFpEF患者中无显著心脏功能改善[17]。然而也有临床研究表明西地那非治疗6个月的HFpEF 患者的运动能力增加,肺血管阻力降低,右心室收缩和舒张功能改善[18]。不同的临床试验结局存在差异可能与患者入组条件和临床试验的合并治疗方案不同有关。另外,长期抑制糖尿病患者中的PDE5可能是预防和减缓HFpEF发生发展的有效途径,但不具有治疗意义[19]。因此,西地那非在HFpEF患者中的临床疗效还需进一步检验。

同时,PDE5抑制剂在HFrEF中的临床效用也存在争议。在HFrEF中,多项临床试验提示,西地那非对HFrEF患者的心脏功能有改善作用:西地那非可增强收缩性心衰患者的心脏功能,缓解心脏重塑和改善临床状态[20];西地那非还能改善 HFrEF患者的运动能力和心室功能,逆转不良重塑[21]。然而,SilHF试验表明西地那非不能改善HFrEF和门静脉高压患者的症状、生活质量或运动能力,并可能增加HFrEF患者的死亡风险[22]。目前已有的临床数据表明PDE5抑制剂治疗不能改善心衰患者的预后和生活质量[23],因此可能需要更多的基础研究来确定PDE5在心力衰竭中的作用。

PDE5抑制剂在心衰治疗方面缺乏可转化性的原因可能与所使用的PDE5抑制剂剂量,不同抑制剂药代动力学差异,以及患者患病的复杂性等有关。此外,PDE5抑制剂在心衰临床研究中相互矛盾的数据也可能部分解释为心衰患者中PDE5上调的程度不同,以及心衰患者病因不同,但具体的原因还需要进一步探究。

3 问题与展望

PDE5是选择性cGMP水解酶,其在心血管疾病中发挥重要作用,抑制PDE5是心衰患者潜在治疗方法之一。但PDE5在心脏组织中及其在心肌细胞中的表达和功能一直存在争议。PDE5A抑制剂西地那非可改善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,但并没有改善特异性心肌细胞中过表达AT1R后的进行性心肌细胞肥大、纤维化或心脏功能下降,说明PDE5和Ang Ⅱ/AT1R之间串扰的心脏细胞类型可能为非心肌细胞。因此猜测正常和衰竭心脏中测得的PDE5活性可能大多数来自非心肌细胞,PDE5抑制剂的治疗作用可能涉及非心肌细胞的作用机制。同时PDE5抑制剂的临床疗效也存在异议,因此对PDE5在HFrEF中的作用及干预机制需要进一步确认,推测通过改进PDE5抑制剂在心脏中的作用靶点或采取其他干预方式可以产生新的临床治疗意义。