付華容,王 浩,張漢霆,2
(1.山東第一醫(yī)科大學(xué)藥理學(xué)研究所,山東 泰安271016;2.美國西弗吉尼亞大學(xué)醫(yī)學(xué)院,摩根頓 西弗吉尼亞26506)
認(rèn)知(cognition)是指通過形成概念、知覺、判斷或想象等一系列心理活動來獲得知識的過程,涉及語言、學(xué)習(xí)、記憶、思維、精神等一系列功能。腦組織病變或受損則會產(chǎn)生認(rèn)知功能的損害,而損傷記憶的同時(shí)也會伴隨注意力、視空間、執(zhí)行功能障礙,嚴(yán)重影響日常工作、社交和生活能力。多種中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous systern,CNS)疾病伴有認(rèn)知功能的減退,如阿爾茨海默?。ˋlzheimer disease,AD)、帕金森?。≒arkinson disease,PD)等[1]。多種信號通路的變化可影響認(rèn)知功能。其中,cAMP 信號通路為調(diào)節(jié)認(rèn)知的重要機(jī)制,可通過調(diào)控其下游一系列信號分子參與突觸聯(lián)系的形成而影響認(rèn)知功能。
磷酸二酯酶4(phosphodiesterase-4,PDE4)為cAMP 特異性水解酶,抑制其活性可上調(diào)cAMP水平,參與認(rèn)知功能的調(diào)控,是多種CNS 疾病的作用靶點(diǎn),因此,PDE4 抑制劑也成為人們研發(fā)CNS保護(hù)藥的焦點(diǎn)[2]。但多種傳統(tǒng)PDE4抑制劑在改善認(rèn)知功能的同時(shí),具有明顯的致嘔吐副作用,妨礙其臨床應(yīng)用。因此,開發(fā)新型、有效、無副作用的PDE4 抑制劑一直是該領(lǐng)域的一個重要研究方向。近年來,PDE4抑制劑羅氟司特(roflumilast)成功用于臨床,引起了人們極大興趣并受到廣泛關(guān)注。
羅氟司特是第二代高選擇性PDE4 抑制劑。2011 年,美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)批準(zhǔn)其用于治療慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD),是第一個通過FDA批準(zhǔn)上市的PDE4 抑制劑[3]。對COPD 的治療,與其通過特異性抑制cAMP水解發(fā)揮明顯的抗炎作用有關(guān)。除抗炎作用外,也有文獻(xiàn)報(bào)道,羅氟司特還具有降低體質(zhì)量、抗糖尿病和抗腫瘤等作用[4],而其最大的優(yōu)勢在于發(fā)揮作用的同時(shí),致嘔吐副作用較輕[5]。2015 年,Jabaris 等[6]研究發(fā)現(xiàn),該藥可逆轉(zhuǎn)由雙腎一夾法誘導(dǎo)高血壓大鼠的學(xué)習(xí)和記憶功能障礙。自此,科學(xué)工作者對羅氟司特在認(rèn)知功能方面的作用進(jìn)行了廣泛研究,發(fā)現(xiàn)其不但對多種動物模型認(rèn)知功能具有改善作用,臨床研究還發(fā)現(xiàn)其可改善健康志愿者及精神分裂癥患者的認(rèn)知功能,而其作用機(jī)制主要與cAMP、蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)和cAMP 應(yīng)答元件結(jié)合蛋白(cAMP response element binding protein,CREB)信號通路有關(guān)。
羅氟司特為苯甲酰胺類化合物,其化學(xué)名稱:3-(環(huán)丙基甲氧基)-N-(3,5-二氯吡啶-4-基)-4-(二氟甲氧基)苯甲酰胺,化學(xué)式:C17H14Cl2F2N2O3,相對分子質(zhì)量403.2075,為白色至淡黃褐色固體顆粒或結(jié)晶性粉末,口服絕對生物利用度為80%,可被細(xì)胞色素P450 酶(cytochrome P-450 enzyme,CYP)代謝為N-氧化物,該N-氧化物仍然具有活性,但弱于羅氟司特2~3倍??诜_氟司特1 h后血藥濃度達(dá)到峰值,而其N-氧化物在8 h 后達(dá)峰。放射標(biāo)記研究發(fā)現(xiàn),口服羅氟司特后,可在腦組織內(nèi)監(jiān)測到其濃度[7],說明該藥能穿透血腦屏障進(jìn)入腦組織。Takano等[8]發(fā)現(xiàn),非人靈長類動物靜脈注射臨床劑量的羅氟司特,可測得其與腦內(nèi)PDE4蛋白結(jié)合,說明羅氟司特可入腦發(fā)揮抑制PDE4的作用。
咯利普蘭(rolipram)是經(jīng)典的PDE4 抑制劑,具有明顯的促進(jìn)認(rèn)知作用,但由于其引起惡心、嘔吐的副作用,限制了其臨床應(yīng)用。Vanmierlo等[9]通過研究羅氟司特和咯利普蘭對7 月齡雄性C57BL/6NCrl 小鼠認(rèn)知功能影響及致嘔吐副作用發(fā)現(xiàn),兩藥在0.03 mg·kg-1均可促進(jìn)小鼠的學(xué)習(xí)記憶能力,但在0.1 mg·kg-1時(shí),只有羅氟司特在Y迷宮實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出促進(jìn)空間記憶的作用,咯利普蘭卻沒有;同時(shí)還發(fā)現(xiàn),咯利普蘭致嘔吐劑量是其促進(jìn)記憶劑量的10 倍,而羅氟司特則為100 倍。以上結(jié)果說明,羅氟司特在改善認(rèn)知功能及減輕致嘔吐副作用方面都比咯利普蘭更具優(yōu)勢。
高血壓(hypertension)是最常見的慢性病,為腦血管病最常見和最重要的危險(xiǎn)因素。最近研究認(rèn)為,其不僅是血管性認(rèn)知損害(vascular cognitive impairment,VCI)和血管性癡呆的重要原因,也是AD 的危險(xiǎn)因素[10]。臨床研究發(fā)現(xiàn),高血壓可導(dǎo)致衰老個體出現(xiàn)認(rèn)知功能下降,而多項(xiàng)動物實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了此觀點(diǎn)。如老年自發(fā)高血壓模型大鼠、兩腎一夾法構(gòu)建的高血壓模型動物以及醋酸脫氧皮質(zhì)酮誘發(fā)的高血壓模型動物等均可出現(xiàn)學(xué)習(xí)記憶能力下降。目前對于高血壓誘導(dǎo)認(rèn)知功能障礙的機(jī)制還未完全闡明,可能與血壓升高導(dǎo)致腦供血不足而誘導(dǎo)腦白質(zhì)發(fā)生缺血性損傷有關(guān),并且降壓藥對于高血壓認(rèn)知功能障礙的影響也存在一定的爭議。而Jabaris等[6,11]在通過兩腎一夾和醋酸脫氧皮質(zhì)酮高血壓模型誘導(dǎo)認(rèn)知障礙的研究中發(fā)現(xiàn),咯利普蘭和羅氟司特雖對2 種模型動物的血壓無影響,但能明顯改善其認(rèn)知功能,并且通過對血漿及腦組織中藥物濃度的測定,得到了藥動學(xué)的支持;研究中也發(fā)現(xiàn),羅氟司特低劑量(0.3 mg·kg-1)給藥組雖具有改善認(rèn)知功能作用,但在血漿及腦組織中的藥物濃度卻極低,而其代謝物N-氧化物濃度卻較高,說明其N-氧化物可能也具有改善認(rèn)知的作用,但對于其相關(guān)作用的詳細(xì)研究還未見報(bào)道。
β 淀粉樣蛋白(beta amyloid,Aβ)是老年斑(senile plaque,SP)的主要組分,而SP 是AD 特征性的病理學(xué)改變,因此,Aβ是AD 發(fā)病的關(guān)鍵分子。Aβ 是機(jī)體內(nèi)由β 淀粉樣前體蛋白(β-amyloid precursor protein,APP)生成的代謝產(chǎn)物。APP 是一種在腦組織內(nèi)表達(dá)較高的跨膜糖蛋白,在β 分泌酶或γ 分泌酶的作用下,APP 會被分解生成Aβ40或Aβ42[12]。正常情況下,APP 處于動態(tài)平衡狀態(tài),當(dāng)APP 生成和降解異常時(shí),可導(dǎo)致腦內(nèi)Aβ 異常沉積而聚集形成SP,引起神經(jīng)元細(xì)胞凋亡、誘發(fā)炎癥反應(yīng)以及神經(jīng)遞質(zhì)通道異常,最后致使行為和認(rèn)知功能損傷[13],而腦內(nèi)注射Aβ42或其毒性成分Aβ25~35、APPswe轉(zhuǎn)基因、APP/PS1 雙轉(zhuǎn)基因等基于Aβ 的干預(yù)手段均可誘導(dǎo)AD 發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn),羅氟司特對以上3種以Aβ為基礎(chǔ)誘導(dǎo)AD模型的認(rèn)知障礙均具有改善作用。本課題組及其他研究團(tuán)隊(duì)利用海馬CA1 區(qū)內(nèi)微量注射Aβ25-35誘導(dǎo)大鼠AD 模型發(fā)現(xiàn),在水迷宮實(shí)驗(yàn)和避暗實(shí)驗(yàn)中,羅氟司特在0.2,0.4和0.8 mg·kg-1劑量下產(chǎn)生與咯利普蘭(0.5 mg·kg-1)類似的效果,即明顯改善AD大鼠的學(xué)習(xí)記憶能力,尤其是中高劑量的羅氟司特作用更明顯[14-15]。同樣地,APP/PS1 雙轉(zhuǎn)基因AD 小鼠在給予羅氟司特(0.1,0.2和0.4 mg·kg-1)后,通過新物體識別、Morris水迷宮和降壓被動回避實(shí)驗(yàn)檢測到,給予中高劑量的羅氟司特使小鼠學(xué)習(xí)記憶能力明顯提高[16]。Gulisano等[17]認(rèn)為,單劑量羅氟司特雖可改善學(xué)習(xí)記憶能力,但不能維持記憶持久性。給予APPswe小鼠伐地那非(uardanafil)0.1 mg·kg-1與羅氟司特0.01 mg·kg-1長期聯(lián)合用藥,結(jié)果發(fā)現(xiàn),不僅可對抗AD,達(dá)到改善認(rèn)知及空間和情境恐懼記憶的作用,也可使治療作用更持久。伐地那非為PDE5 抑制劑,可上調(diào)環(huán)磷酸鳥苷,進(jìn)而改善認(rèn)知功能。
慢性腦低灌注(chronic cerebral hypoperfusion,CCH)是長期腦內(nèi)血流逐漸地減少而處于缺血狀態(tài),在血管性癡呆和AD 等神經(jīng)退行性疾病發(fā)生發(fā)展的過程中起著重要作用[18]。采用老年大鼠四血管閉塞/頸內(nèi)動脈模型誘導(dǎo)慢性腦灌注不足,可致使大腦皮質(zhì)和海馬的持續(xù)性記憶缺陷以及神經(jīng)元丟失[19]。Santiago等[20]研究發(fā)現(xiàn),羅氟司特可明顯改善CCH誘導(dǎo)的認(rèn)知功能障礙,但對海馬神經(jīng)元的損傷卻無緩解作用。而在七氟烷(sevoflurane)誘導(dǎo)海馬神經(jīng)元細(xì)胞損傷實(shí)驗(yàn)中[21],未給予七氟烷時(shí),羅氟司特對海馬神經(jīng)元細(xì)胞活力、細(xì)胞凋亡和凋亡相關(guān)蛋白的表達(dá)無影響,但可明顯保護(hù)七氟烷誘導(dǎo)的海馬神經(jīng)元損傷,降低細(xì)胞凋亡。這說明羅氟司特對于神經(jīng)元的保護(hù)作用可能與誘導(dǎo)的模型有關(guān)。
東莨菪堿(scopolamine)是一種莨菪烷生物堿類藥物,具有拮抗毒蕈堿受體的作用,主要是通過阻斷中樞膽堿能信號轉(zhuǎn)導(dǎo)使學(xué)習(xí)和記憶能力受損[22]。多奈哌齊(donepezil)為乙酰膽堿酯酶抑制劑,是目前臨床用于治療AD 改善記憶功能的藥物[23]。Vanmierlo 等[9]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)單獨(dú)給予大鼠多奈哌齊0.1 mg·kg-1時(shí),東莨菪堿誘導(dǎo)的認(rèn)知缺陷不能逆轉(zhuǎn);同樣,單獨(dú)給予羅氟司特0.1 μg·kg-1也不能改善東莨菪堿的認(rèn)知功能障礙;但當(dāng)二者聯(lián)用時(shí),可完全逆轉(zhuǎn)由東莨菪堿誘導(dǎo)的大鼠記憶功能障礙。而Gulisano 等[17]將羅氟司特聯(lián)用伐地那非較好地改善小鼠學(xué)習(xí)記憶障礙。這說明恰當(dāng)運(yùn)用羅氟司特與其他藥物聯(lián)用,其改善認(rèn)知的作用可被增強(qiáng)。另外,羅氟司特雖具有較弱的致惡心嘔吐副作用,但此副作用仍然存在,是否可通過藥物聯(lián)用降低副作用,并保持或增強(qiáng)其改善認(rèn)知功能的作用,還有待進(jìn)一步研究。
羅氟司特不但可改善動物的認(rèn)知功能,而且一些臨床研究發(fā)現(xiàn),其對人的認(rèn)知功能也有一定改善作用。感覺門控(sensory gating)是大腦對感覺刺激反應(yīng)的一種調(diào)節(jié)能力,屬于大腦的一種正常功能,大腦能特異性抑制與輸入無關(guān)、多余的感覺刺激,使大腦更高級的功能不被無關(guān)感覺刺激所超載。若感覺門控缺損,會導(dǎo)致無關(guān)刺激超載,最終誘發(fā)與認(rèn)知、注意等有關(guān)的各種精神障礙,如精神分裂癥、抑郁癥、癲癇和AD 等。Heckman 等[24]研究發(fā)現(xiàn),分別給予18~30 歲的健康年輕志愿者羅氟司特0.1,0.3和1 mg后,僅在0.1 mg可改善志愿者的感覺門控,而此劑量比臨床批準(zhǔn)用于治療急性COPD的劑量低5倍,同時(shí),在此劑量下也未觀察到出現(xiàn)嘔吐等副作用。而Van Duinen等[25]研究發(fā)現(xiàn),單劑量給予羅氟司特0.1 mg,可使年輕健康受試者在口頭學(xué)習(xí)任務(wù)中學(xué)習(xí)記憶能力顯著高于安慰劑。Blokland等[26]研究發(fā)現(xiàn),短期給予羅氟司特0.1 mg,不會損害健康老年人(60~80歲)的記憶,反而可改善其情節(jié)性記憶。除對健康老年人進(jìn)行研究外,也有文獻(xiàn)報(bào)道,一些學(xué)者正在進(jìn)行與年齡相關(guān)的記憶障礙的老年人使用羅氟司特的臨床研究,而此研究結(jié)果尚未公布[27]。Gilleen 等[28]對具有多種認(rèn)知功能缺陷(包括學(xué)習(xí)記憶和工作記憶下降)的精神分裂癥患者的研究發(fā)現(xiàn),患者給予羅氟司特0.25 mg治療后,其言語、記憶等都得到顯著性改善,此劑量未觀察到嚴(yán)重的副作用。
以上研究結(jié)果表明,羅氟司特也具有改善人類認(rèn)知功能的潛能,而作為已上市藥物,其對于治療CNS 疾病更具成藥的潛能,尤其是對AD 等與認(rèn)知功能障礙密切相關(guān)的疾病,但仍需更加有力的AD動物模型及人體試驗(yàn)的研究證據(jù)。另外,作為PDE4抑制劑,仍然不可避免惡心嘔吐副作用,應(yīng)密切關(guān)注。
PDE4有4種亞型(PDE4A,B,C和D),可編碼剪切成25 種不同PDE4 變異體。各亞型分布在不同腦區(qū),PDE4A和PDE4D均在海馬CA1區(qū)和齒狀回高度表達(dá);PDE4B 主要存在于下丘腦、杏仁核和紋狀體;而PDE4C在CNS中表達(dá)很少,主要分布在外周[29]。這種腦內(nèi)分布差異可體現(xiàn)其在CNS 中具有各自獨(dú)特的作用。而羅氟司特對PDE4具有選擇性抑制作用,表現(xiàn)為低濃度時(shí)高度選擇性地抑制PDE4,而對其他PDE 同工酶無抑制作用。但羅氟司特對PDE4 的4 種亞型抑制作用選擇性較低,表現(xiàn)為除對PDE4C的抑制作用較弱外,對其他3種亞型的抑制作用相當(dāng)[30]。對于不同認(rèn)知功能障礙模型,這種抑制作用也具有差異性。研究發(fā)現(xiàn),高血壓誘導(dǎo)認(rèn)知障礙模型中,海馬PDE4B和PDE4D的表達(dá)顯著增加,而給予羅氟司特治療后可明顯下調(diào)PDE4B 和PDE4D 蛋白表達(dá),而PDE4A 蛋白水平未因高血壓和治療發(fā)生改變[6,11]。PDE4 為cAMP的特異性水解酶,調(diào)節(jié)其在細(xì)胞內(nèi)的水平,影響下游分子PKA 的活化和CREB的磷酸化,而磷酸化的CREB可調(diào)控參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和細(xì)胞可塑性的基因表達(dá),如腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)和炎癥因子等[31]。在多種動物模型中,羅氟司特可上調(diào)胞內(nèi)cAMP 濃度,激活cAMP/PKA/CREB 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,而達(dá)到調(diào)節(jié)認(rèn)知和神經(jīng)保護(hù)作用,而其下游分子包括BDNF、炎癥因子等[6,11,14-17]。
BDNF 廣泛分布于CNS 內(nèi),對神經(jīng)元的存活、分化和生長發(fā)育起重要作用。BDNF對認(rèn)知功能具有關(guān)鍵性調(diào)控作用,可保護(hù)神經(jīng)元免受損傷、增加突觸可塑性、影響長時(shí)程增強(qiáng)[32-33]。在多個實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),羅氟司特抑制PDE4 后,上調(diào)BDNF mRNA和蛋白的表達(dá)[6,11,14,17],說明調(diào)控cAMP/CREB信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及其下游BDNF 的表達(dá)是羅氟司特改善認(rèn)知功能的主要機(jī)制。
細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinase,ERK)介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路不僅涉及到調(diào)節(jié)機(jī)體細(xì)胞的生理功能,還參與各種神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機(jī)制,因而在行為反應(yīng)和認(rèn)知方面都起著關(guān)鍵性作用[34]。Peng 等[21]研究發(fā)現(xiàn),在七氟烷誘導(dǎo)海馬神經(jīng)元損傷實(shí)驗(yàn)中,給予羅氟司特1 μmol·L-1可顯著性抑制細(xì)胞PDE4 蛋白表達(dá),增加細(xì)胞培養(yǎng)上清液中cAMP 含量,同時(shí)上調(diào)磷酸化絲裂原活化蛋白激酶激酶(phosphorylated mitogenactivated protein kinase kinase,pMEK)和pERK蛋白表達(dá),調(diào)節(jié)凋亡相關(guān)蛋白Bcl-2和Bax的水平,減少細(xì)胞凋亡,改善神經(jīng)元損傷。這些說明該藥的神經(jīng)保護(hù)作用也可能與MEK/ERK 信號通路有關(guān)。MEK/ERK 的上游信號分子為Raf(raf 基因編碼的蛋白產(chǎn)物),而B-Raf 活性受PKA 的調(diào)控,同時(shí)Raf信號也受Ras(原癌基因c-ras 的表達(dá)產(chǎn)物)信號分子的調(diào)控,而Ras/Raf/MEK/ERK 信號通路也是調(diào)控認(rèn)知功能的關(guān)鍵通路之一[35-36]。因此,羅氟司特對MEK/ERK通路的調(diào)控是否通過其他機(jī)制作用于Ras通路,還是通過抑制PDE4調(diào)控PKA,進(jìn)而影響Raf/MEK/ERK,還有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證實(shí)。
羅氟司特對COPD 的治療主要依靠其抑制PDE4 后產(chǎn)生的抗炎作用。研究證實(shí),羅氟司特可調(diào)控炎癥因子如腫瘤壞死因子α、白三烯B4、白細(xì)胞介素8(interleukin 8,IL-8)、一氧化氮、髓過氧化物酶和一氧化氮合酶等而改善氣道損傷[37-38]。炎癥也是誘導(dǎo)認(rèn)知功能障礙的主要機(jī)制之一。研究發(fā)現(xiàn),羅氟司特改善APP/PS1雙轉(zhuǎn)基因小鼠的認(rèn)知功能的同時(shí),使促炎細(xì)胞因子IL-6,腫瘤壞死因子α和IL-1β及其下游信號分子NF-κB 和P65 水平均明顯降低[16]。由此表明,羅氟司特改善認(rèn)知功能也與其抗炎作用有關(guān)。其能否調(diào)控其他炎癥因子的水平還有待進(jìn)一步研究。
酒精依賴和酒精濫用統(tǒng)稱為酒精飲用疾?。╝lcohol use disorders),是一種無節(jié)制反復(fù)飲酒造成軀體或心理方面對酒精的強(qiáng)烈渴求與耐受性的精神疾病。酒精飲用疾病嚴(yán)重危害人類健康,但目前沒有理想的治療方法。最近,本實(shí)驗(yàn)室采用酒精雙瓶選擇實(shí)驗(yàn)觀察了羅氟司特對C57BL/6J小鼠酒精攝入和偏好的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),羅氟司特劑量依賴性地抑制酒精攝入量,減少酒精偏好,與咯利普蘭作用類似但較弱,兩者的作用與中樞機(jī)制有關(guān),而非味覺刺激產(chǎn)生[39-41]。因此,羅氟司特有望用于酒精中毒或酒精依賴的治療。
Heckman等[42]研究發(fā)現(xiàn),羅氟司特能介導(dǎo)多巴胺調(diào)控的運(yùn)動沖動,說明其可能對注意缺陷多動障礙具有調(diào)控作用。Wu 等[43]研究發(fā)現(xiàn),羅氟司特可通過抗炎作用改善蛛網(wǎng)膜下腔出血。Vogel等[44]研究發(fā)現(xiàn),羅氟司特通過修復(fù)海馬長時(shí)程增強(qiáng)作用可改善爆炸導(dǎo)致的創(chuàng)傷性腦損傷。Aldrich 等[45]則應(yīng)用Cln3Δex7/8小鼠研究發(fā)現(xiàn),羅氟司特通過改善運(yùn)動、降低膠質(zhì)細(xì)胞激活、提高谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)等對青少年型神經(jīng)元蠟樣脂褐質(zhì)沉積病具有改善作用。
綜上所述,羅氟司特具有明顯的改善認(rèn)知功能的作用。它既可改善包括AD模型在內(nèi)的多種認(rèn)知障礙動物模型的認(rèn)知功能,也可改善健康人和精神分裂癥患者的認(rèn)知功能。因此,羅氟司特可能是潛在的CNS保護(hù)藥物。因其為已上市的藥物,使其在治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病的臨床應(yīng)用方面具有更好的前景。但其神經(jīng)保護(hù)作用機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。