磷酸二酯酶天然抑制剂的研究进展

磷酸二酯酶（phosphodiesteras，PDEs）是一类可水解细胞内第二信使环磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）和环磷酸鸟苷（cyclic guanosine monophosphate，cGMP）的酶类，参与了多种信号传递和生理活动。PDEs由21个基因编码组成，根据其对抑制剂敏感性和氨基酸序列的不同分为11个家族（PDE1～11）。PDE家族基因的多样性及其复杂的表达方式，提示其不同的亚型可能具有不同的病理和生理机制。PDEs参与了炎症、哮喘、抑郁等多种疾病病理过程的发生和发展，可作为治疗各类复杂疾病的重要靶点。因此，着力于发现包括合成类和天然来源的PDEs抑制剂先导化合物，是促进该类抑制剂新药研发的关键。

目前，合成的PDEs抑制剂药物虽然在治疗炎症、哮喘、神经退行性疾病、银屑病等疾病方面具有良好的效果，但同时也存在一系列不良反应。如PDE4抑制剂罗氟司特，临床上用于慢性阻塞性肺疾病（COPD）的治疗，伴随的副作用主要表现为恶心、头痛、腹泻甚至失眠和抑郁等。用于治疗斑块型银屑病的药物阿普斯特（Apremilast），可以选择性抑制PDE4A1A，进而改善银屑病关节炎患者的体征和症状，其半数抑制浓度（IC50）为14 μmol/L。但其也具有一定的不良反应，如恶心、呕吐、腹泻、上呼吸道感染、紧张性头痛，甚至抑郁等。PDE3选择性抑制剂米力农存在心脏毒性。因此，这些副作用极大地限制了PDEs抑制剂临床应用范围和治疗前景。

天然产物一直是防病、治病药物的主要来源，在神经退行性疾病治疗方面有悠久的历史和坚实的基础。尽管人工合成的药物在药物研发中占有相当大的比重，但是临床上应用的很多药物都是直接或间接来源于天然产物。天然产物依然是治疗重大疾病的药物或先导化合物的主要源泉之一。因此，从天然产物中寻找高效低毒且选择性强的PDEs活性抑制成分越来越受到科学家的重视。本文介绍了天然产物中对各PDEs亚型具有抑制作用的活性成分，以期为针对该靶点的新药研发提供参考。

1  PDE1及其天然抑制剂

细胞内Ca2+浓度的升高会引起细胞无序死亡及循环系统紊乱，进而导致神经退行性疾病如阿尔茨海默病、帕金森病、卒中以及心肌梗死。20世纪70年代，科学家们分别通过对鼠脑和牛脑组织的研究首次证明了钙离子激动的PDE1的存在。PDE1家族代表了环核苷酸和细胞内钙离子之间的调控关系，已被证明能够调节Ca2+以及环状核苷酸cAMP和cGMP的细胞内信号转导途径。研究发现，PDE1主要存在于脑、心脏组织、平滑肌和心肌组织中，并在运动行为、学习和记忆功能区扮演了重要的角色。包括3个已知的钙调蛋白依赖型磷酸二酯酶（CaM-PDEs）基因PDE1A、PDE1B、PDE1C，在中枢神经系统的组织中调节信号传导发挥了关键的作用。

从夹竹桃科蔓长春花属多年生藤本植物小蔓长春花Vinca minor L. 中分离得到的长春胺（1，图1），可以在一定程度上调节脑循环，维持神经动态平衡。覃文才等研究发现，长春胺对由樟柳碱和亚硝酸钠引起的记忆巩固不良具有一定程度的改善作用。长春胺可以诱导生成前列腺素并同时改变膜通量和膜内Ca2+的分布，从而影响Ca2+介导的平滑肌收缩及舒张。通过结构修饰，比长春胺更加高效低毒的衍生物相继被合成出来，其中作用最著名的是阿朴长春胺酸乙酯，也被称为长春西汀。临床上可以选择性地增加脑血流量，改善脑部微循环和脑代谢。此外，该药物对抑郁症也具有辅助治疗作用。

2  PDE2及其天然抑制剂

PDE2主要分布在大脑、神经元、心脏中，在肝脏、胎盘、骨骼肌中也有分布。其4个亚型（PDE2A1、PDE2A2、PDE2A3、PDE2A4）具有高度的同源性[2]。PDE2不仅能水解cGMP和cAMP，而且对cGMP的选择性是对cAMP的30倍。其抑制剂可以用来治疗心脏病、改善记忆力以及抑制血栓的形成等。Erthro-9-[2-hydroxyl-3-nonyl] ademine（EHNA）是PDE2抑制剂（IC50＝0.8 μmol/L），常作为参照物用于PDE2抑制活性检测，但由于其抑制腺苷脱氨酶的活性非常好，因此在应用上受到很多限制。

豆科蝶形花亚科（Papilionoideae）植物中广泛存在的一种异黄酮类成分金雀异黄素（2，图2），对PDE2具有良好的抑制活性，IC50为（1.7±0.2）μmol/L。目前国内已经批准多种以金雀异黄素为主要成分的功能性保健品用于临床。

3  PDE3及其天然抑制剂

PDE3可以同时水解cAMP和cGMP，主要分布在血管、心脏、肾脏集合管上皮细胞、脑内纹状体和海马中，有PDE3A和PDE3B 2个亚型。PDE3参与体内多种生理活动的调节，如舒张血管平滑肌、抗血小板凝聚、抗血栓形成、强心以及抗细胞增殖等，在心力衰竭等症的治疗中也具有临床应用价值。目前市场上应用的PDE3抑制剂米力农可以升高心肌胞浆内的Ca2+，增强心肌细胞收缩力，从而减轻心负荷，显著改善心力衰竭症患者的临床症状。但由于长期服用该药可能导致头痛、室性心律失常，过量时可有低血压、心动过速等不良反应，极大地限制了其临床应用。近年来，对于天然产物在PDE3抑制作用方面的研究逐渐增加。谭萍等对银杏叶中单体成分的PDE3抑制活性做了研究，结果显示，3种浓度（1、10、100 μmol/L）下，单体成分槲皮素（3）、山柰酚（4）、银杏内酯A（5）对ADP诱导的血小板凝聚均有一定程度的抑制效果。目前银杏叶提取物被广泛用于治疗外周动脉阻塞性疾病、脑缺血性疾病和相关的神经性疾病。台中鼠李Rhamnus nakaharai (Hayata) Hayata产于我国台湾中部，作为传统中药用于治疗哮喘、肿瘤及炎症系统疾病。台中鼠李的主要成分3-O-methylquercetin（6）对于豚鼠肺部和心脏上的PDE3具有一定程度的抑制作用，IC50为（1.60±0.75）μmol/L。PDE3天然抑制剂结构见图3。

作为传统中药用于治疗哮喘、肿瘤及炎症系统疾病。台中鼠李的主要成分3-O-methylquercetin（6）对于豚鼠肺部和心脏上的PDE3具有一定程度的抑制作用，IC50为（1.60±0.75）μmol/L[22]。PDE3天然抑制剂结构见图3。

4  PDE4及其天然抑制剂

PDE4对细胞内cAMP浓度及其下游信号传导具有重要的调控作用，其4个亚型（PDE4A、PDE4B、PDE4C、PDE4D）在中枢神经系统中的分布浓度不同，也提示其具有独特的生理活性。PDE4主要分布在各种炎症细胞内，其抑制剂研究多集中于哮喘、关节炎、COPD以及自身免疫性疾病等方面[23]。PDE4抑制剂阿普斯特可抑制肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素-23（IL-23）和其他多种促炎介质的生成，从而达到抗炎作用。多项临床试验证实，该药对中、重度斑块状银屑病患者的疗效非常显著，已被美国食品药品监督管理局批准用于治疗成人活动性银屑病关节炎。近年来，PDE4对于中枢神经系统相关疾病的调节功能也逐渐受到关注。研究发现，PDE4与抑郁、认知功能障碍、神经损伤等疾病的发病进程密切相关。目前临床上的一些PDE4抑制剂大多具有一定程度的副作用，如恶心、呕吐等胃肠道反应，甚至抑郁。因此，从天然产物中寻找具有PDE4抑制作用的活性成分具有重要的意义。

天然产物中具有PDE4抑制作用的结构类型十分丰富。中山大学罗海彬教授团队以PDE4为靶标，对一系列天然药用植物进行化学成分研究。芸香科植物飞龙掌血Toddalia asiatica (L.) Lam. 中的活性成分taddalin B（7）、toddacoumalone（8）、norbraylin（9）对PDE4具有抑制作用，其IC50均低于10 μmol/L。其中，toddacoumalone活性最为显著（IC50＝0.14 μmol/L）。从库拉索芦荟Aloe vera (L.) Burm. f.中分离得到的一组顺反异构体elgonicai-dimer A（10a）和elgonicai-dimer B（10b），IC50分别为9.25、4.42 μmol/L；从豆科植物假地蓝Crotalaria ferruginea Grah. ex Benth. 中分离得到的大豆异黄酮（11a，IC50＝2.57 μmol/L）、4′-羟基-2′-甲氧基异黄酮（11b，IC50＝4.59 μmol/L）、6,7,4′-三羟基异黄酮（12，IC50＝8.94μmol/L）和黄体酮（13，IC50＝8.74 μmol/L），显示了良好的PDE4抑制作用。从肉芝软珊瑚Sarcophyton ehrenbergi von Marenzeller中分离得到的前列腺素类天然产物sarcoehrendin B（14）、sarcoehrendinJ（15），IC50值均低于10 μmol/L；从卷柏科植物垫状卷柏Selaginella pulvinata (Hook. et Grev.) Maxim. 中分离得到4种新型结构，命名为selaginpulvilin A～D（16a～16d），具有显著的PDE4抑制活性，IC50在0.11～5.13 μmol/L。

连翘Forsythia suspensa (Thunb.) Vahl是木犀科连翘属植物的干燥果实，具有清热解毒、消肿散结之功效，临床上用于治疗丹毒、痈疽、风热感冒、温病初起等症，素有“疮家圣药”之称。连翘木脂素类活性化合物连翘苷（17）具有PDE4抑制活性（IC50＝8 μmol/L）。桑Morus alba L. 的干燥根皮作为传统平喘类中药广泛应用于临床中。研究表明其黄酮类成分R-环桑色烯（18）、S-环桑色烯（19）、14-methoxy-dihydromorusin（20）、cyclcommumnol（21）、cyclomulberrin（22）、morunigrol A（23）、sanggenonel J（24）、kuwanon C（25）、cudraflavoneC（26）对PDE4D2的IC50为   0.005 4～0.40 μmol/L，与咯利普兰（IC50＝0.62 μmol/L）比较显示了较强的PDE4D2抑制作用。桑中的苯骈呋喃类成分桑辛素M（27）具有显著的抑制PDE4D2、PDE4B2作用，IC50分别为2.9、4.5 μmol/L。藤黄科藤黄属山竹Garcinia mangostana L. 具有清热生津、止咳止呕的功效。从中分离得到的α-倒捻子素（28）具有显著的PDE4D2抑制作用（IC50＝0.62 μmol/L）。PDE4天然抑制剂结构见图4。

近来，还有大量关于中药粗提取物对PDE4抑制作用的研究报道。姜代勋等对22味扶正固本类中药进行PDE4抑制活性筛选，结果显示在质量浓度为1 g/mL时，13味中药提取物对PDE4显示了抑制活性，其中白芍提取物的抑制率为97.42%。在11味祛风除湿类中药中，青风藤的PDE4抑制率最高，为64.29%。本课题组研究了银杏叶等10种常用平喘药提取物对PDE4的抑制作用，结果显示桑白皮MoriCortex、款冬花Farfarae Flos、枇杷叶Eriobotryae Folium和马兜铃Aristolochiae Fructus的粗提物对PDE4D2的抑制作用最为显著。马鞭科紫珠属植物具有散瘀止血、清热消肿的功效。现代药理学研究表明，该属植物可抗炎、抗菌、止血、护肝，以及对神经系统具有一定程度的保护作用。研究发现，14种紫珠属植物醇提取物在质量浓度为0.2 g/L时，对PDE4D2的抑制率均在80%以上，其中大叶紫珠Callicarpa macrophylla Vahl的抑制率为98.63%，提示可进一步对这些中药进行分离，确定其活性物质结构，从中寻找新型PDE4抑制剂。

由此可以看出，天然抑制剂在针对PDE4靶点的抑制作用方面有很大的优势，值得科研工作者开展更深入的研究。

5  PDE5及其天然抑制剂

PDE5在阴茎海绵体和血管平滑肌细胞中特异性高度表达，同时也在肺、胰腺、血小板、骨骼肌和心肌细胞中分布。研究表明，PDE5抑制剂在增强一线抗肿瘤药物杀伤肿瘤细胞方面效果显著，是潜在的化疗药物。与此同时，PDE5抑制剂还具有神经保护作用，可以修复脑卒中后的神经血管、抗氧化、改善认知功能障碍等。目前市场上应用的PDE5抑制剂有西地那非、伐地那非、他达那非等，在治疗男性勃起功能障碍方面具有不错的治疗效果。西地那非对PDE5具有高度选择性，但仍存在对其他PDE的交叉抑制作用，部分患者在服用该药后，会出现头痛、面部潮红、鼻塞等不良反应。因此，研究PDE5天然抑制剂具有一定的价值。小檗科植物淫羊藿Epimedium brevicornuMaxim. 具有补肾壮阳、祛风除湿的功效，在传统医学上用于治疗阳痿早泄、腰酸腿痛、神经衰弱、耳晕目眩等症。从中分离出的单体成分淫羊藿苷（29，图5）具有保护心血管系统、调节免疫、抗癌、抗骨质疏松和改善性功能紊乱等多种重要的生物活性，作为治疗男性性功能障碍药物的先导化合物，其对PDE5的IC50值为5.9 μmol/L。辛钟成等研究了淫羊藿苷对家兔阴茎平滑肌的松弛作用，作用机制可能与影响NO-cAMP通路活性有关。

6  PDE7及其天然抑制剂

PDE7有PDE7A、PDE7B 2种亚型，主要分布在脑、胰腺、胸腺、淋巴细胞和巨噬细胞。研究表明，PDE7抑制剂在治疗动脉粥样硬化及COPD等免疫炎症类疾病方面具有重要意义。PDE7的生物学功能与PDE4类似，其抑制剂治疗炎症系统疾病的疗效优于PDE4抑制剂，且副作用更小，因此PDE7可能成为新型抗炎药物的潜在靶点。PDE7特异性抑制剂苯基-2-硫-1(1H)-喹唑啉-4-酮对PDE7的IC50为5.5 μmol/L。付源等从玄参科植物胡黄连Picrorhiza scrophulariiflora Pennell. 和菊科植物牛蒡子Fructus Arctii L. 中分离得到的4种单体成分胡黄连苷II（30）、β-谷甾醇（31）、牛蒡子苷（32）和绿原酸（33），研究了其对PDE7A2的抑制作用。结果显示，在浓度为50 μmol/L时，胡黄连苷II和β-谷甾醇对PDE7A2的最高抑制率接近100%，IC50低于1 μmol/L，而牛蒡子苷和绿原酸对PDE7A2的最高抑制率为88.27%和68.52%，IC50接近5 μmol/L。以此为基础，有望开发出以这些中药单体成分为主的选择性PDE7抑制剂。PDE7天然抑制剂结构见图6。

7  其他PDE家族的天然抑制剂

目前对于PDE6、PDE8、PDE11家族的研究尚不深入，关于天然抑制剂方面的相关报道也较少，在此不做深入阐述。PDE6对cGMP具有特异性，广泛分布于视网膜杆状光感受器细胞中，在治疗遗传性色盲、视网膜色素变性等疾病方面具有重要作用。PDE8是cAMP特异性水解酶，在T细胞活化、睾酮的分泌、肾上腺皮质增生、甲状腺功能方面发挥了重要作用。

PDE9只有PDE9A 1种亚型，可高特异性地水解cGMP。其抑制剂用于治疗外周和中枢神经系统失调、泌尿系统疾病、癌症、心血管疾病以及肥胖症。从红豆杉科云南榧树Torreya yunnanensis Cheng et L. K. Fu中分离得到4对旋光异构体(±)-torreyunliganA～H（34～41），针对PDE9A靶标的活性测试结果显示，这些化合物的IC50均在5.6～15.0 μmol/L，与阳性对照BAY73-6691（IC50＝49.7nmol/L）相比显示了中等强度的抑制作用。

PDE10是一种双重特异性磷酸二酯酶，其抑制剂对精神分裂症具有很好的治疗作用。芍药苷（42）来源于芍药科，是一种镇痛镇静、解热解痉的重要成分。该成分可以通过调控不同底物分解酶的表达，影响2种核苷酸的含量，从而明显上调PDE10A蛋白的表达。PDE11可能与睾丸和肾上腺素的发生存在一定关系，目前尚无特异性抑制剂。其他PDE家族的天然抑制剂结构见图7。

8  结语

本文综述了对PDEs各个亚型具有抑制作用的天然产物。PDEs是一个庞大的酶家族，其各个亚型在不同细胞中均有不同程度的表达，是治疗一些复杂疾病的重要靶标。科研工作者通过对天然产物中作用于PDEs各个亚型的有效成分进行分离，发现了一系列结构新颖、活性优良的天然成分，为PDEs选择性抑制剂的研发提供先导化合物。

目前针对PDE4靶标的天然抑制剂报道最多，其他家族的研究相对较少。但由于这些化合物调控机体生理活动的作用机制仍不明确，部分化合物仅进行了简单的体外活性筛选，并未深入进行体内药理效应和毒性反应研究。未来需要将体内、体外活性测试相结合，进行全面、客观的活性评价。在筛选药材选择方面，可充分利用中药及天然药物的临床经验，以提高筛选的命中率，如针对PDE4抑制剂筛选，可选择一些清热解毒或止咳平喘类中药，同时，应加大针对靶标有效成分的研究力度，不能局限于粗提物活性研究层面，应充分利用现代分离手段结合活性跟踪分离法，更加高效的明确药效物质。此外，虽然天然产物结构多样，但其活性、药动学、理化性质以及安全性等方面并未满足成药性要求，可选择部分活性好的化合物进行结构修饰和构效关系研究，为天然的PDEs抑制剂药物研发提供有力的支撑。