一、引言

记忆和认知功能受损是一个重大的世界健康问题。随着年龄的增长，记忆力和认知能力下降是人们的主要健康问题，并对日常功能产生重大影响。更明显的是，在阿尔茨海默氏症、抑郁症和精神分裂症等神经退行性疾病和精神病中，认知缺陷尤为突出。显然，医学上对延缓或逆转这些认知缺陷的新药有着巨大的需求。已经进行了大量的研究来确定记忆和认知的基本生物学机制。迄今为止，该领域的大多数药物发现研究都集中在被认为与认知功能有关的特定神经递质系统上。这些系统中最突出的是乙酰胆碱、血清素、组胺、谷氨酸和多巴胺系统。虽然对这些系统的直接干预在该领域取得了一些成功，但另一种方法是靶向增强下游信号级联，从而触发对神经元活动的长期转录和结构反应，而神经元活动是形成长期记忆的基础。本文将重点关注磷酸二酯酶2（PDE2）抑制剂在治疗认知障碍中的潜在作用。

二、磷酸二酯酶（PDEs）

cAMP和cGMP能够调节广泛的细胞内过程，由它们控制的各种生物作用受到对细胞内定位以及时间驻留的控制的严格调节。磷酸二酯酶（PDEs）是通过环磷酸水解代谢失活这些第二信使的酶，因此对终止cGMP和cAMP信号级联至关重要。迄今为止，在哺乳动物细胞中已经鉴定出21个编码单个PDE亚型的独立基因。它们被分为11个家族，每个家族包含1-4个异构体。PDE的亚分类取决于对cAMP或cGMP作为底物的不同偏好，以及每个酶家族中包含的不同调控结构域。例如，PDE 4、7、8特异性地水解cAMP；PDE5,6,9特异性水解cGMP；和PDE 1、2、3、10、11被认为是双特异性酶，水解cAMP和cGMP。PDE也可以通过调节其活性的不同调节结构域来分类，例如通过cGMP与GAF结合来调节，或通过Ca2+/钙调素来调节PDE1，或存在特定的蛋白质结合区或磷酸化位点。

由于其在细胞信号级联中的重要性，PDE已成为多种疾病治疗干预的重要生物靶点。其中最著名的是用于治疗勃起功能障碍和肺动脉高压的PDE5抑制剂（西地那非、他达拉非、伐地那非）。此外，PDE4抑制剂已被批准用于治疗COPD（罗氟司特），PDE3抑制剂用于急性治疗充血性心力衰竭（米力农）。而目前批准的PDE抑制剂用于外周适应症。PDE抑制剂用于治疗中枢神经系统疾病也引起了人们的极大兴趣，因为PDE在终止cAMP和cGMP上调引发的转录级联反应中的作用可能会影响神经元的可塑性。例如，cAMP由腺苷酸环化酶从ATP合成，激活磷酸化cAMP反应元件结合蛋白（CREB）的蛋白激酶A（PKA），从而影响与突触可塑性和存活相关的基因的转录，如脑源性神经营养因子（BDNF）。相反，cGMP是通过鸟苷酸环化酶（GC）从GTP中衍生出来的，后者被一氧化氮（NO）激活。NO/cGMP途径激活蛋白激酶G（PKG），也可诱导CREB磷酸化。cAMP/PKA/CREB和cGMP/PKG/CREB通路都与长时程增强（LTP）有关，这被认为是记忆的神经生理学相关性。cAMP和cGMP在信号级联传播中的重要性使PDE成为中枢神经系统疾病干预的热门靶点，信号级联会因神经元活动而引起基因表达变化。

不同的PDE亚型在不同的大脑区域的表达水平不同。因此，许多已知的PDE亚型已被靶向用于中枢神经系统疾病。至少有7个PDE家族的抑制剂已在中枢神经系统疾病的临床前模型中进行了评估，特别是PDE 1、2、4、5、7、9、10和11。除了临床前评估外，PDE 1、2、4、9和10的抑制剂最近已进入临床，用于评估精神和认知障碍。PDE4和PDE10抑制剂的临床项目似乎因剂量限制耐受性问题或缺乏强有力的疗效信号而放缓。PDE1、PDE2和PDE9抑制剂最近才进入临床开发，因此人类安全性和有效性数据尚不可用。

三、PDE2抑制在认知功能中的作用

尽管PDE在中枢神经系统药物发现界受到了相当大的关注，但PDE2在这一类别中一直是一个被忽视的成员。关于PDE2抑制剂治疗中枢神经系统疾病的重要药物发现工作似乎在2002年左右开始。这是令人惊讶的，因为PDE2在大脑皮层、杏仁核和下壶腹等边缘结构中的高表达，而在中脑、后脑和小脑中的表达相对较少。PDE2在外周组织中也具有相对较低的表达，这可能有助于避免一些PDE抑制剂出现的心血管和其他副作用。前脑结构中的这种异质性和选择性分布表明，PDE2可能调节学习、记忆和情绪等复杂综合功能的神经元信号传导。此外，PDE2在cAMP和cGMP信号级联的界面上的明显作用为PDE2作为这些途径的整合者提供了独特的可能性，这两种途径都已被证明能影响记忆。

PDE2亚型的存在最初是为了响应牛心脏组织制剂具有cAMP水解活性的发现而假设的，该活性可能受到cGMP浓度变化的影响。这导致PDE2被表征为cGMP依赖性cAMP水解的介质。PDE2后来被认为是一种双特异性酶，能够水解cGMP和cAMP。辉瑞公司的研究人员最近发表了关于全长PDE2的优秀X射线结构研究。这些研究为cGMP与PDE2的GAF-B结构域的结合如何调节酶的水解功能提供了强有力的结构原理。这种响应cGMP调节活性的能力使该酶能够作为cGMP和cAMP信号级联之间的“串扰”来源。

毫无疑问，在药物发现中对PDE2抑制剂评估有限的部分原因是用于评估PDE2药理学的选择性抑制剂的可用性有限。早期关于PDE2抑制剂的工作涉及使用化合物，如EHNA。然而，随后发现该化合物缺乏决定性药理学评估所需的选择性和效力。用于评估PDE2抑制作用的分水岭化合物是BAY-60-7550。BAY-60-7550抑制纯化的PDE2的水解活性，并且对其他PDE异构体具有选择性。该化合物还以剂量响应的方式提高了受刺激的原代神经元培养物中的cGMP和cAMP水平。在海马切片制备中，BAY-60-7550对电刺激的反应增强了LTP，支持PDE2抑制剂在学习和记忆中的潜在作用。BAY-60-7550啮齿动物行为模型也支持PDE2在学习和记忆中的作用。BAY-60-7550增强了大鼠在新的对象识别任务和社会识别任务中的学习。此外，BAY-60-7550改善了年龄受损大鼠新对象记忆的获取和巩固阶段。最近的研究表明，BAY-60-7550在训练后使用时可以提高物体定位和识别任务的性能，这表明PDE2抑制对记忆的影响可能是由于增强了巩固而不是注意力。BAY-60-7550在应激小鼠中显示出抗焦虑作用。此外，Bay 60-7550逆转皮质酮诱导的BDNF下调，并在应激小鼠中产生抗抑郁样作用，支持PDE2在与应激相关的认知障碍中的潜在作用，该化合物已成为验证PDE2抑制的潜在治疗效用的关键工具。

与BAY-60-7550结合的PDE2a构建体的晶体结构具有1.9Å的分辨率，PDE2a结构具有2.0Å的清晰度。BAY-60-7550与酶的活性位点结合，并与保守的谷氨酸残基Gln859相互作用。这种特异性残基是所谓的“谷氨酰胺开关”的一部分，负责PDE2a的双cAMP/cGMP特异性。与PDE2a结构相比，在结合BAY-60-7550时，似乎诱导了酶的构象变化，揭示了一个新的疏水口袋，该口袋可以容纳BAY-60-750-的丙基苯基。与PDE家族的其他成员相比，该化合物的高PDE2a选择性的起源不仅可能是由于与谷氨酰胺开关的结合，还可能是由于这种新的诱导疏水袋，而这种疏水袋在任何其他已发表的PDE抑制剂复合物中都没有发现。

另一种表征良好的PDE2抑制剂是来自Neuro3d（现在的Evotec）的ND-7001。该化合物以0.05lM的IC50抑制PDE2活性，并显示出对PDE3和PDE4的良好选择性，在10lM时分别具有23%和14%的抑制作用。苯基上存在的酰胺官能团对与PDE2的有效结合起着关键作用。事实上，酰胺官能团还原为氰基导致化合物的PDE2效力损失10倍。经过ND-7001和BAY-60-7550在分子动力学模拟，PDE2催化位点采用多种构象，ND-7001的酰胺作为Gln 859的主要锚定点，从而使配体定向在适当的方向上。随后，配体的核心占据了涉及Ile826和Phe862的疏水口袋，导致额外的有利相互作用，这有助于观察到该化合物的PDE2效力。在生物化学上，ND-7001增加了大鼠大脑皮层神经元原代神经元培养物中的cGMP水平，但不增加cAMP，这与Bay 60-7550形成对比。ND-7001在小鼠强迫游泳试验中以0.3、3和30mg/kg的剂量有效，相对静止时间明显短于对照动物（急性应激）。此外，ND-7001在许多测试中产生抗焦虑作用。

最初的研究人员研究了一些生物同位替代品，以提高初始系列的效力、选择性和药代动力学特性。2020年9月，Biorea发表了一篇来自Biorea与辉瑞公司合作的同行评审文章，描述了苯基吡嗪类似物作为PDE10A抑制剂，对PDE2具有一定程度的选择性。2022年，公开了三唑-枇杷恶啉作为PDE2和/或PDE10抑制剂。许多类似物对PDE2a的中等选择性是PDE10的约15倍。在苯环上引入脂肪族侧链导致对PDE10的选择性大大提高（超过250倍）。这种方式不影响PDE2活性，而是破坏与PDE10的结合。Biotie的早期应用中也观察到了类似的SAR趋势并报告了啮齿类动物体内模型中的促认知、抗抑郁、抗焦虑和抗惊厥作用。

自2012年勃林格殷格翰国际有限公司首次披露三唑并吡嗪核心以来，最近又有两个机构报告了含有类似化学型的PDE2抑制剂。Janssen在苯基取代的初步探索方面的工作提供了对聚芳烃系统潜在活性构象的深入了解。引入邻氯苯基衍生物似乎增加了对PDE2和PDE10酶的效力，这表明两个芳香体系之间扭曲的共面性有利于结合。这种结构导致两种酶的活性增加了7到9倍。应当注意，在覆盖三唑并吡嗪类似物的早期观察到类似的SAR趋势，这为类似物提供了可接受的整体物理化学特征。当在大鼠中皮下给药时，在大鼠中的微量给药实验表明该化合物在大脑中达到高水平，并主要分布在纹状体中，其中PDE2和PDE10酶都高度表达。这种有效的PDE2/10抑制剂，并且对所测试的其它PDE具有超过600倍的选择性，本化合物可增加大鼠海马和纹状体中的cAMP和cGMP水平。

喹诺酮类药物作为具有IC50值的PDE2抑制剂的用途。三唑邻苯二甲嗪类似物是一种强效和选择性的PDE2抑制剂。该化合物对54种受体和离子通道以及30种激酶没有显示出任何显著的抑制作用。大鼠体内药代动力学特性似乎是可接受的，清除率低（8.8mL/min/kg），分布体积低（0.1L/kg），导致中等半衰期（1.6h）和口服生物利用度（41%）。

四、结语

自2002年发现第一种强效选择性PDE2抑制剂BAY 60-7550以来，PDE2抑制剂在治疗具有认知成分的疾病中的潜在作用现在得到了重要的临床前支持。PDE2抑制剂用于治疗中枢神经系统疾病，成像配体也可用于临床。此外，现在有许多选择性和强效的PDE2抑制剂可用于进一步评估PDE2抑制的药理学。

参考文献

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