楊 洋，張雅茸，楊紅琴，王 婧，趙紅梅

中國醫(yī)學科學院基礎醫(yī)學研究所 北京協(xié)和醫(yī)學院基礎學院 病理生理學系，北京 100005

心力衰竭(heart failure, HF)是各種心血管疾病發(fā)展的終末階段。磷酸二酯酶(phosphodie-sterases, PDEs)通過水解細胞內(nèi)第二信使環(huán)磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate, cAMP)與環(huán)磷酸鳥苷(cyclic guanosine monophosphate, cGMP),從而參與多種心血管疾病的發(fā)生發(fā)展。其中,磷酸二酯酶5(phosphodiesterase 5,PDE5)特異性水解cGMP,對心肌細胞cGMP-蛋白激酶G(protein kinase G,PKG)的活化和調(diào)節(jié)心臟病理改變具有重要作用。PDE5在心臟中的表達以及在心肌細胞中的作用一直存在爭議,PDE5抑制劑對射血分數(shù)降低的心力衰竭(heart failure with reduced ejection fraction,HFrEF)及射血分數(shù)保留的心力衰竭(heart failure with preserved ejection fraction, HFpEF)患者的臨床療效也均存在異議。本文綜述了PDE5在心衰中的研究進展,以更好地了解PDE5在心衰中的作用機制及治療前景。

1 心力衰竭和磷酸二酯酶分類簡介

心力衰竭是由于心臟的結構和/或功能異常,導致進行性心臟功能喪失,從而引起心室充盈或射血能力受損的一組臨床綜合征,具有較高水平的發(fā)病率、病死率和再住院率,給公共衛(wèi)生造成了嚴重負擔。根據(jù)最新2022 美國心臟病學會/美國心臟協(xié)會/美國心力衰竭協(xié)會心力衰竭管理指南,心衰按左心室射血分數(shù)(left ventricular ejection fractions,LVEF)分為以下4類:射血分數(shù)降低的心衰(HFrEF):LVEF≤40%;射血分數(shù)改善的心衰(heart failure with improved ejection fraction, HFimpEF):既往LVEF≤40%,后續(xù)檢查LVEF>40%;射血分數(shù)輕度降低的心衰(heart failure with mildly reduced ejection fraction, HFmrEF):LVEF為41%～49%,且有證據(jù)表明左室充盈壓增加;射血分數(shù)保留的心衰(HFpEF):LVEF≥50%,且有證據(jù)表明左室充盈壓增加[1]。盡管在動物模型、體外實驗及臨床研究中都不斷取得了有關心力衰竭的機制研究和治療方法的進展,但是心衰在臨床上仍然具有很高的病死率,提示仍需繼續(xù)深入研究心力衰竭的機制。

PDEs是一種金屬水解酶,是環(huán)核苷酸的主要調(diào)節(jié)因子,可催化cAMP和cGMP的3′-環(huán)磷酸二酯鍵水解,從而降低細胞內(nèi) cAMP和/或cGMP的濃度,進而調(diào)節(jié)它們下游的蛋白激酶活性,影響多種細胞功能和不同疾病的病理生理狀態(tài)[2]。PDEs超家族由11個家族成員(PDE1-PDE11)組成,根據(jù)水解底物不同,可將PDEs分成3類:1)特異性水解cAMP:PDE4、PDE7和PDE8;2)特異性水解cGMP:PDE5、PDE6和PDE9;3)能同時水解cAMP和cGMP:PDE1、PDE2、PDE3、PDE10和PDE11。

其中PDE5目前只有PDE5A一種分型,包括三種剪接變體,分別為PDE5A1、A2 和A3,它們具有相似的cGMP 催化活性,沒有明顯的功能差異。PDE5幾乎存在于所有細胞、組織和器官中,鑒于PDE5具有廣泛表達和特異性水解cGMP的能力,PDE5被認為是許多NO/cGMP/PKG依賴性生物過程的關鍵參與者,針對PDE5和cGMP的干預對于心力衰竭的治療有著重要意義,其治療價值還需進一步探究。

2 PDE5及其抑制劑在心力衰竭中作用的研究進展

PDE5在心臟組織中的表達和功能一直存在爭議,目前通常認為在正常心肌細胞中存在極少量甚至不存在PDE5,而在心力衰竭患者心臟組織中PDE5顯著上調(diào)[3]。

2.1 PDE5抑制劑的應用

PDE5可將NO激活的sGC產(chǎn)生的cGMP轉化為無活性的5′-GMP形式,cGMP的形成和信號轉導功能障礙在心血管疾病中起直接的病理作用[4],cGMP 的缺乏可對心臟、腎臟和血管產(chǎn)生不良影響,從而導致 HFrEF 和 HFpEF 的疾病進展[5],而PDE5抑制劑可通過阻斷cGMP的分解,延長血管舒張介質作用,從而引起血管平滑肌松弛。目前已有的PDE5抑制劑主要包括西地那非(sildenafil)、他達拉非(tadalafil)、伐地那非(vardenafil)、阿伐那非(avanafil)、米羅那非(mirodenafi)、洛地那非(lodenafil)和烏地那非(udenafil)等,其中前4種抑制劑現(xiàn)已臨床應用于治療勃起功能障礙、肺動脈高壓及下尿路感染。同時,PDE5抑制劑對心血管疾病、阿爾茲海默病、腫瘤、雷諾氏綜合征(Raynaud′s syndrome)、COVID-19等疾病的治療也具有重要作用并在繼續(xù)不斷探索。

2.2 PDE5抑制劑及PDE5基因鼠在心力衰竭中的研究進展

PDE5抑制劑在心力衰竭中的治療作用不斷被揭示。西地那非通過阻斷PDE5對cGMP的水解,改善由主動脈弓縮窄手術(transverse aortic constriction, TAC)和血管緊張素Ⅱ(angiotensin Ⅱ, AngⅡ)灌注所引起的小鼠心肌重構、心功能障礙,減少心肌組織免疫細胞的浸潤和炎性反應以及心肌細胞的凋亡[6];提高起搏誘導性心力衰竭的循環(huán)cGMP濃度,降低平均動脈壓、左心房壓和肺動脈壓,改善心衰[7]。他達那非可緩解容量過載誘導心力衰竭的心肌肥厚和心功能惡化[8]。目前新型 PDE5 抑制劑 CPD1 對異丙腎上腺素誘導的心肌肥厚有顯著的保護作用,對模型大鼠心臟的收縮和舒張功能明顯提高,并且作用較西地那非治療組更加明顯[9]。

心力衰竭的主要原因之一是cGMP-PKG軸功能障礙[3]。隨著心力衰竭心臟PDE5的上調(diào),cGMP向5′-GMP的轉化率增加,PKG降低,而西地那非抑制PDE5可通過激活PKG緩解心力衰竭的不良重塑[10];心肌細胞特異性過表達PDE5的轉基因小鼠通過降低PKG的活性使心臟功能惡化并加重心肌梗死后心室重塑[11];心肌細胞過表達PDE5的雙向基因靶向調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)肌細胞cGMP/PKG通路影響持續(xù)壓力超負荷的心臟重塑現(xiàn)象[12]。然而,心臟特異性敲除PKG對主動脈弓縮窄后的左心室肥厚沒有影響[13],說明PKG活性可能不參與調(diào)節(jié)心肌肥厚,這提示PDE5抑制劑的作用可能存在除cGMP-PKG以外的下游信號通路。

心肌細胞是cGMP的主要作用位點,但在cGMP信號的表達上,新生兒和成人心肌細胞之間存在根本差異[14],新生兒心肌細胞表達心房利鈉肽(atrial natriuretic peptide, ANP)/GC-A和NO/sGC;而成人心肌細胞主要表達C型利鈉肽(C-type natriuretic peptide, CNP)/GC-B,未檢測到NO來源的cGMP。用心肌細胞特異性過表達Ⅰ型血管緊張素Ⅱ受體(angiotensin Ⅱ type 1 receptor, AT1R)的轉基因小鼠,檢測利鈉肽/PDE5/cGMP通路的不同成分和心臟功能,發(fā)現(xiàn)西地那非不干擾心肌細胞中擴增的AT1R信號轉導的對心臟結構和功能的致病作用[15]。并且有報道稱PDE5A僅在小鼠肥大心臟的肌成纖維細胞中表達,而在心肌細胞中不表達[16]。因此猜測正常和衰竭心臟中測得的PDE5活性可能大多數(shù)來自非心肌細胞;動物實驗中心臟肥大的逆轉有可能源于PDE5抑制劑的非心肌細胞效應,包括全身血管、腎臟的改變、肌成纖維細胞的激活、炎性反應的調(diào)節(jié)、不同細胞類型的潛在激素和細胞因子的釋放等。由此可知,PDE5在心衰進程中所起的作用和調(diào)節(jié)機制非常復雜,其抑制劑的作用機制也尚未完全揭示。因此,深入探究PDE5相關內(nèi)容可為心力衰竭的治療提供新視野和新途徑。

2.3 PDE5抑制劑在心力衰竭臨床試驗中的研究進展

PDE5抑制劑臨床試驗眾多,但臨床療效存在巨大差異,對于心衰治療是否有效尚無定論。在使用PDE5抑制劑6個月的HFpEF患者中無顯著心臟功能改善[17]。然而也有臨床研究表明西地那非治療6個月的HFpEF 患者的運動能力增加,肺血管阻力降低,右心室收縮和舒張功能改善[18]。不同的臨床試驗結局存在差異可能與患者入組條件和臨床試驗的合并治療方案不同有關。另外,長期抑制糖尿病患者中的PDE5可能是預防和減緩HFpEF發(fā)生發(fā)展的有效途徑,但不具有治療意義[19]。因此,西地那非在HFpEF患者中的臨床療效還需進一步檢驗。

同時,PDE5抑制劑在HFrEF中的臨床效用也存在爭議。在HFrEF中,多項臨床試驗提示,西地那非對HFrEF患者的心臟功能有改善作用:西地那非可增強收縮性心衰患者的心臟功能,緩解心臟重塑和改善臨床狀態(tài)[20];西地那非還能改善 HFrEF患者的運動能力和心室功能,逆轉不良重塑[21]。然而,SilHF試驗表明西地那非不能改善HFrEF和門靜脈高壓患者的癥狀、生活質量或運動能力,并可能增加HFrEF患者的死亡風險[22]。目前已有的臨床數(shù)據(jù)表明PDE5抑制劑治療不能改善心衰患者的預后和生活質量[23],因此可能需要更多的基礎研究來確定PDE5在心力衰竭中的作用。

PDE5抑制劑在心衰治療方面缺乏可轉化性的原因可能與所使用的PDE5抑制劑劑量,不同抑制劑藥代動力學差異,以及患者患病的復雜性等有關。此外,PDE5抑制劑在心衰臨床研究中相互矛盾的數(shù)據(jù)也可能部分解釋為心衰患者中PDE5上調(diào)的程度不同,以及心衰患者病因不同,但具體的原因還需要進一步探究。

3 問題與展望

PDE5是選擇性cGMP水解酶,其在心血管疾病中發(fā)揮重要作用,抑制PDE5是心衰患者潛在治療方法之一。但PDE5在心臟組織中及其在心肌細胞中的表達和功能一直存在爭議。PDE5A抑制劑西地那非可改善Ang Ⅱ誘導的HF引起的晚期心肌肥厚和左心室重構,顯著改善左心室收縮和舒張功能,但并沒有改善特異性心肌細胞中過表達AT1R后的進行性心肌細胞肥大、纖維化或心臟功能下降,說明PDE5和Ang Ⅱ/AT1R之間串擾的心臟細胞類型可能為非心肌細胞。因此猜測正常和衰竭心臟中測得的PDE5活性可能大多數(shù)來自非心肌細胞,PDE5抑制劑的治療作用可能涉及非心肌細胞的作用機制。同時PDE5抑制劑的臨床療效也存在異議,因此對PDE5在HFrEF中的作用及干預機制需要進一步確認,推測通過改進PDE5抑制劑在心臟中的作用靶點或采取其他干預方式可以產(chǎn)生新的臨床治療意義。