Molekulare Mechanismen, die zur verlängerten Wirksamkeit von PDE5-Hemmern zur Verbesserung der erektilen Funktion beitragen könnten

Nach allen Berichten scheint die Wirksamkeit der Wirkung von Sildenafil, Vardenafil oder Tadalafil zur Verbesserung der erektilen Reaktion gut zu vergleichen. Die Zeit (Tmax), die erforderlich ist, um die maximale Plasmakonzentration (Cmax) zu erreichen, und der Zeitpunkt des Wirkungseintritts variieren geringfügig, wobei Tadalafil etwas langsamer ist als Sildenafil oder Vardenafil. Die Arzneimittel unterscheiden sich jedoch erheblich in der Clearance-Rate aus dem Plasma; t½ der Plasma-Clearance beträgt ∼ 4 h für Sildenafil oder Vardenafil im Vergleich zu 18 h für Tadalafil. Die Wirkung von Sildenafil oder Vardenafil bei Männern ist optimal bei ∼0,5-1 h, was ungefähr der Zeit der maximalen Plasmakonzentration (Cmax) entspricht. Die Plasmakonzentration dieser Arzneimittel nimmt mit t½ von ∼4-5 h ab, so dass der Plasmawirkstoffspiegel nach 12 h niedrig wäre (∼13% von Cmax). Studien zeigen jedoch, dass Männer 12 Stunden nach der Dosierung immer noch erleichterte Erektionen haben.20, 30, 31 Ebenso berichteten Patienten, die Tadalafil mit einer t½ von ∼ 18 h eingenommen hatten, über eine verbesserte erektile Funktion nach 36 h, wenn die Plasmakonzentration des Arzneimittels ∼ 25% von Cmax betragen würde.17 Die verlängerte Wirksamkeit dieser Medikamente erhöht die Flexibilität bei der Einleitung sexueller Aktivitäten bei Patienten mit ED und könnte die Häufigkeit der Dosierung verringern. Wenn dieses Muster auf andere Gewebe zutrifft (z. B. das Lungengefäßsystem), könnte dies bedeuten, dass weniger häufige Dosierungsschemata verwendet werden, um das gewünschte therapeutische Ziel zu erreichen. Dies könnte zu einer geringeren Exposition des Patienten gegenüber Medikamenten und Kosteneinsparungen für die Therapie führen.

Es wird allgemein angenommen, dass der zeitliche Verlauf der Arzneimittelwirkung eng mit dem Plasmaspiegel des Arzneimittels korreliert. Nach diesem Modell würden die Clearance eines Arzneimittels aus dem Plasma, der Austritt des Arzneimittels aus dem Gewebe und die Beendigung der Arzneimittelwirkung in diesem Gewebe im Wesentlichen zusammenfallen. Eine verlängerte Wirkung potenter PDE5-Inhibitoren passt jedoch nicht gut zu diesem Modell. Mehrere biochemische Mechanismen könnten die scheinbar verlängerte Wirkung von PDE5-Inhibitoren erklären. (1) Wenn der Inhibitor parallel zu seiner Clearance aus dem Plasma aus dem Gewebe entfernt wird, muss die Persistenz seiner biologischen Wirkungen auf eine vorherige Exposition des Gewebes gegenüber dem Inhibitor zurückzuführen sein, möglicherweise in Kombination mit einer anhaltenden Aktivierung des cGMP-Signalwegs während der Expositionszeit (dh zelluläres ‚Gedächtnis‘ der cGMP-Signalerfahrung). Wenn das Medikament aus der Zelle entfernt wurde, würde die PDE5-Aktivität wiederhergestellt und der cGMP-Spiegel würde voraussichtlich nahe dem Basalspiegel liegen (Abbildung 2a). (2) Wenn alternativ das Arzneimittel nicht parallel zur Clearance aus dem Plasma entfernt wird, dh das Arzneimittel in VSMC des Corpus cavernosum zurückgehalten (oder sequestriert) wird und der Abbau von cGMP durch PDE5 weitgehend blockiert bleibt (Abbildung 2b), könnte ein niedriges Niveau anderer cGMP-hydrolysierender PDEs, die in diesen Zellen vorhanden sind, das cGMP etwas senken. Dies würde (1) eine anhaltende cGMP-Bindung an allosterische cGMP-Bindungsstellen auf PDE5 fördern, um die Affinität zu Inhibitoren zu erhöhen, (2) eine anhaltende cGMP-Bindung an PKG und die Aktivierung des cGMP-Signalwegs und (3) ein erhöhtes zelluläres cGMP, das nicht leicht hydrolysiert wird. In diesem letzteren Szenario wären die zellulären Konzentrationen von PDE5-Inhibitor und cGMP in gewissem Maße erhöht, was sich aus der spezifischen Sequestrierung jedes dieser Liganden ergeben würde, dh Inhibitor gebunden fest an die PDE5-katalytische Stelle und cGMP gebunden fest an allosterische cGMP-Bindungsstellen in PKG und PDE5. Diese möglichen Erklärungen für verlängerte Wirkungen von PDE5-Inhibitoren auf die erektile Reaktion werden hierin berücksichtigt. Diese Hypothesen basieren auf etablierten molekularen Mechanismen, von denen bekannt ist, dass sie mit PDE5 und PKG assoziiert sind, obwohl die Überlegungen andere Mechanismen nicht ausschließen.

Anhaltende Folgen der Aktivierung des cGMP-Signalwegs

Zunächst wird die Möglichkeit eines Gedächtniseffekts nach Exposition des Gewebes gegenüber PDE5-Inhibitoren mit oder ohne gleichzeitige Erhöhung des cGMP in Betracht gezogen. Normalerweise setzen die Erhöhung von cGMP und die Aktivierung von PKG eine Kaskade zellulärer Ereignisse in Gang, und die Wirkung von PDE5 wirkt diesem Effekt entgegen, indem es das Nukleotid hydrolysiert. In Geweben, die untersucht wurden, deuten Hinweise darauf hin, dass die Wirkung von PDEs den größten Teil der Fähigkeit der Zelle ausmacht, die zyklischen Nukleotidspiegel zu senken.32, 33 Das Vorhandensein von PDE5-Inhibitoren blockiert die Wirkung von PDE5 und verstärkt die cGMP-Akkumulation und cGMP-Signalisierung. Es ist nicht bekannt, ob der cGMP-Spiegel, der in Gegenwart von PDE5-Inhibitoren erreicht wird, demjenigen ähnelt, der unter physiologischen Bedingungen auftritt, oder ob sich cGMP auf einem viel höheren Niveau ansammelt. In der glatten Muskulatur der Koronararterien bei Schweinen bewirkt eine dreifache Erhöhung des cGMP eine maximale Entspannung.34 PDE5 ist die wichtigste cGMP-hydrolysierende PDE in Corpus cavernosum8, so dass, solange PDE5-Inhibitoren vorhanden sind, ein signifikanter cGMP-Spiegel in diesem Gewebe wahrscheinlich auch nach Abklingen der Erektion aufgrund anderer Einflüsse bestehen bleibt. In diesem Fall bleibt PKG wahrscheinlich mehrere Stunden lang in gewissem Maße aktiviert.

Die lange Dauer der erhöhten Wirkung von PKG, die oben beschrieben wurde, könnte Effekte hervorrufen, die unter den meisten physiologischen Umständen nicht auftreten, da die PDE5-Wirkung in Abwesenheit von Inhibitoren vorhergesagt würde, um cGMP und Aktivität von PKG schnell auf nahezu basales Niveau zurückzubringen. Es wird allgemein angenommen, dass die Wirkungen von Phosphorylierungsreaktionen, die durch PKG vermittelt werden, durch die Wirkung von Phosphoproteinphosphatasen schnell ausgeglichen werden. Selbst bei abnehmendem cGMP und verminderter PKG-Aktivität kann die Umkehrung der Wirkungen von PKG-Phosphorylierungen zwischen den Phosphoproteinen unterschiedlich sein; Einige können schnell dephosphoryliert und in ihren ursprünglichen Funktionszustand zurückversetzt werden, andere können durch ihre Lage in der Zelle oder durch Komplexierung mit anderen Proteinen vor schneller Dephosphorylierung geschützt werden, wodurch die ursprüngliche Wirkung eines erhöhten cGMP aufrechterhalten wird. Tatsächlich ist wenig über die wahren Konsequenzen und zeitlichen Verläufe der Wirkung dieser Wege bekannt. Wenn die Aktivierung von PKG und / oder die Wirkungen von PKG-vermittelten Phosphorylierungen nicht rechtzeitig vollständig rückgängig gemacht werden (Abbildung 2a), kann eine nachfolgende Erhöhung des cGMP durch erotische Reize auch in Abwesenheit von PDE5-Inhibitoren zu einer erhöhten erektilen Reaktion führen. Eine verlängerte Wirkung von Phosphorylierungsereignissen auf die zelluläre Proteinfunktion könnte durch eine Reihe von Mechanismen auftreten, darunter (1) verlängerte Phosphorylierung von Zielproteinen in der Zelle, möglicherweise aufgrund einer langsamen Dephosphorylierung durch Phosphoproteinphosphatasen, (2) strukturelle Veränderungen wie die Umwandlung zwischen Formen, die unterschiedliche Aktivitätsniveaus aufweisen, (3) Veränderungen der Proteinspiegel aufgrund einer Veränderung der Genexpression, der mRNA-Translation und / oder der Stabilität und / oder der Proteinumsatzrate, (4) Translokation von Proteinen zwischen zellulären Kompartimenten und (5) erhöhte Empfindlichkeit gegenüber cGMP und / oder cGMP-Signalweg. Die PKG-vermittelte Phosphorylierung von PDE5 führt zu einer offensichtlichen Konformationsänderung des Enzyms und erhöht die Affinität zu cGMP an seinen allosterischen Stellen und zu Inhibitoren / cGMP an seiner katalytischen Stelle.11, 35, 36, 37 Cyclisches GMP-aktiviertes PKG erfährt eine Autophosphorylierung, die die Aktivität des Enzyms auch in Abwesenheit von cGMP leicht erhöht und seine Empfindlichkeit gegenüber nachfolgenden Erhöhungen von cGMP erhöht (Abbildung 3).38, 39, 40, 41 Die Autophosphorylierung bewirkt auch eine scheinbare Konformationsänderung im Enzym und fördert eine höhere Affinität zur cGMP-Bindung im Vergleich zu Unphospho-PKG, wodurch cGMP an den allosterischen cGMP-Bindungsstellen erhalten bleibt;38, 42 Da die cGMP-bindenden allosterischen Stellen von PKG positiv kooperativ sind,43 würde dies dazu neigen, PKG durch einen anschließenden geringen Anstieg des cGMP für eine vollständige Aktivierung zu ‚primieren‘. Einige Proteine, die durch PKG phosphoryliert wurden, können anschließend durch andere posttranslationale Modifikationen wie Oxidation, Ubiquitinierung oder Phosphorylierung durch andere Kinasen kovalent modifiziert werden, was die Folgen der cGMP-Signalisierung verlängern oder anderweitig beeinflussen könnte.

Änderungen im Niveau von Proteinen, die Substrate für PKG sind, konnten durch zahlreiche Prozesse auftreten. Die PKG-vermittelte Phosphorylierung zielt auf Transkriptionsfaktoren ab, die die Genexpression regulieren,44, 45 Dies könnte die Proteinspiegel stromabwärts von PKG verändern. In anderen Fällen kann die Phosphorylierung auf Proteine abzielen, die über den Ubiquitinierungsweg abgebaut werden.46, 47 Die zyklische GMP-Aktivierung von PKG in einigen Zellen löst eine Translokation des Enzyms aus dem Cytosol zu bestimmten subzellulären Stellen und eine Phosphorylierung von Zielproteinen innerhalb dieses Kompartiments aus.44, 45, 48, 49, 50 Es wurde auch gezeigt, dass die Aktivierung von PKG eine Umverteilung bestimmter Proteine hervorruft, beispielsweise RhoA,51 innerhalb der Zelle oder Insertion von Proteinen in Membranen, wodurch die Funktion verändert wird.52, 53 Einige zelluläre Prozesse, die von der PKG-Aktivität beeinflusst werden, zum Beispiel Änderungen in der Polymerisation von fibrillären Proteinen oder Insertion von Proteinen in Membranen, können langsam rückgängig gemacht werden. Dies sind wichtige Überlegungen bei der Anwendung pharmakologischer Therapien, die eine Erhöhung des cGMP fördern und die für mehrere Stunden oder sogar Tage aufrechterhalten werden können, wenn die Person chronisch behandelt wird. Die Folgen kurzfristiger Veränderungen der Aktivität des cGMP-Signalwegs können sich signifikant von denen einer nachhaltigeren Aktivierung unterscheiden und bedürfen einer sorgfältigen Untersuchung.

Retention von PDE5-Inhibitoren in VSMC nach Clearance aus dem Plasma

Die Möglichkeit, dass PDE5-Inhibitoren in VSMC erhalten bleiben und eine verbesserte erektile Reaktion fördern, auch nachdem sie aus dem Plasma entfernt wurden, ist ebenfalls plausibel (Abbildungen 2b und 4). Sildenafil, Vardenafil und Tadalafil werden im VSMC nicht metabolisiert; um die Wirkung dieser Medikamente im Gewebe umzukehren, müssen die Medikamente von PDE5 dissoziieren, durch das Cytosol zur Plasmamembran diffundieren, die Plasmamembran durchqueren und zur Modifikation und Clearance durch die Wirkung von Cytochromen in die Leber transportiert werden. Arzneimittel wie diese, die relativ kurze Plasmahalbwertszeiten haben, binden mit hoher Affinität an intrazelluläre Rezeptoren wie PDE5, werden aber in der Zielzelle nicht abgebaut, gehören zu einer etwas einzigartigen Klasse, die nicht umfassend untersucht wurde. Unerwartete zelluläre pharmakokinetische Eigenschaften, die die zelluläre Clearance beeinflussen, können für diese Arzneimittel gelten.

Es wird erwartet, dass der Eintritt und die Akkumulation von PDE5-Inhibitoren in Zellen durch den PDE5-Spiegel beeinflusst werden. Dementsprechend wird vorausgesagt, dass Zellen, die reich an PDE5 sind, den Inhibitor selektiv erwerben und behalten, verglichen mit Zellen mit wenig oder keinem PDE5 (Abbildungen 4a–c). Nach Absorption der Drogen in den Blutstrom, wird der Hemmstoff zur VSMC-Oberfläche durch die Körperzirkulation transportiert. Anfänglich erzeugt das Fehlen des Arzneimittels im Cytosol einen großen chemischen Gradienten für die Verbindung zwischen dem Äußeren und dem Inneren der Zelle; Dies würde den Eintritt des Arzneimittels in die Zelle erleichtern (Abbildung 4a). Da die Inhibitoren mit sehr hoher Affinität an PDE5 gebunden sind, wird vorhergesagt, dass ein Inhibitor, sobald er in die Zelle eintritt, fast augenblicklich an PDE5 gebunden wird, dh weitgehend aus dem Cytosol sequestriert wird und der freie Inhibitor im Cytosol sehr niedrig bleibt, wodurch der Gradient aufrechterhalten wird. Die Bindung von Inhibitoren an PDE5 erhöht die Akkumulationsrate von Inhibitoren, da nach dem Einströmen von Inhibitoren in Zellen der Efflux von zellulärem Inhibitor aufgrund der geringen Menge an freiem Inhibitor im Cytosol verlangsamt werden sollte (Abbildung 4a). Darüber hinaus würde ein signifikanter Teil der Inhibitormoleküle, die von PDE5 dissoziieren, wahrscheinlich wieder an das Enzym binden, bevor sie die Zelle verlassen. Diese Faktoren würden die Akkumulation von Inhibitor in der Zelle entsprechend dem zellulären PDE5-Spiegel erleichtern. Nach diesem Modell wäre die Akkumulation von Inhibitor in der Zelle sättigbar und bestimmt durch Konzentration von intrazellulärem PDE5. Wenn alle PDE5-katalytischen Stellen gefüllt (gesättigt) sind, würde sich die Konzentration des freien Inhibitors im Cytosol schließlich der im Plasma nähern (Abbildung 4b), aber der Gesamtinhibitor in der Zelle würde signifikant durch den PDE5-Spiegel in dieser Zelle beeinflusst, so dass der Gesamtinhibitor in der Zelle = an PDE5 gebundener Inhibitor + freier Inhibitor im Cytosol. Es wird auch vorhergesagt, dass die verlängerte Wirkung der kommerzialisierten PDE5-Inhibitoren, die bei einigen Patienten berichtet wurden, auf dieselben Prozesse zurückzuführen ist, dh auf die kombinierten Wirkungen von (1) hohem PDE5-Spiegel in VSMC und (2) hoher Affinität von PDE5 für diese Inhibitoren. Die basale Affinität von PDE5 zu den Inhibitoren, die intrinsisch hoch ist (KD = 0,1–4 nM), kann als Reaktion auf eine Erhöhung des cGMP weiter ansteigen, wie dies bei sexueller Stimulation der Fall wäre 12 und / oder längere Exposition gegenüber den jeweiligen Arzneimitteln.54 Wie unten diskutiert, wird diese erhöhte Affinität durch allosterische Bindung von cGMP an PDE5, erhöhte Phosphorylierung des Enzyms und verlängerte Störung der katalytischen Stelle des Enzyms durch erhöhte cGMP und Inhibitor verursacht.9, 11, 12, 55 Daher wäre einige Stunden nach Einnahme eines PDE5-Inhibitors entweder in Gegenwart oder in Abwesenheit sexueller Erregung die Plasmainhibitorkonzentration hoch, und es wird vorhergesagt, dass die katalytische Stelle von PDE5 in VSMC mit gesättigt wäre Inhibitor und dass die Affinität von PDE5 für den Inhibitor signifikant höher wäre als im Basalzustand (Abbildung 4b). Diese Bindung mit höherer Affinität würde die fortgesetzte Assoziation des Inhibitors mit PDE5 und die Beibehaltung des Inhibitors in der VSMC fördern.

In einfachsten Worten können 56, 57 VSMC als Dialysebeutel angesehen werden, die sowohl ungebundene als auch PDE5-gebundene Inhibitoren enthalten. Wenn der Plasmainhibitor abnimmt, wird erwartet, dass der freie Inhibitor im Cytosol der Zelle parallel abnimmt. Die Population der in einem PDE5-Inhibitorkomplex gebundenen Inhibitormoleküle kann jedoch langsamer abnehmen (Abbildungen 4c und 5), da das Entweichen des Inhibitors aus der Zelle nicht ausschließlich von der Diffusionsrate dieses Moleküls durch die Membran zum Plasma abhängt. Vielmehr können PDE5-Moleküle den Inhibitorausgang signifikant stören. Inhibitoren sind reversibel an PDE5 gebunden, so dass sich der Komplex in einem dynamischen Gleichgewicht befindet, dh der Inhibitor dissoziiert ständig mit einer bestimmten Geschwindigkeit (koff) vom Enzym und wird mit einer bestimmten Geschwindigkeit (kon) freigesetzt (Abbildung 5). Das Verhältnis von koff zu kon (KD genannt) spiegelt die Affinität des Enzyms zum Inhibitor wider. Bei hochaffinen Inhibitoren wird die Assoziation mit PDE5 in diesem Gleichgewicht begünstigt, so dass ein Großteil des Inhibitors schnell wieder bindet, nachdem er vom Enzym dissoziiert ist. Die hohe Konzentration von PDE5 würde auch die Wiederbindung des Inhibitors fördern, da die Einschaltrate der Inhibitorbindung durch die Konzentration von Inhibitor und PDE5 beeinflusst wird.

Da ein Teil des Inhibitors aus der Zelle entweicht und durch die Zirkulation aus der Umgebung der Zelle entfernt wird, würde es ‚offene‘ PDE5-katalytische Stellen geben, so dass nicht nur eine erneute Bindung des Inhibitors mit demselben PDE5 erfolgen würde, sondern auch andere PDE5-Moleküle wären verfügbar, um den Inhibitor abzufangen und zu binden (Abbildung 5), wodurch das Entweichen aus der Zelle weiter behindert würde. Daher hätte ein Inhibitormolekül eine viel höhere Wahrscheinlichkeit, an freie Stellen auf PDE5 zu binden, als die Zelle zu verlassen. Ein solches Dissoziations- und Reassoziationsszenario des Arzneimittels für PDE5 könnte möglicherweise viele Male auftreten, bevor eine Clearance des Arzneimittels aus dem Cytosol erreicht wird. Dies könnte in Konzentration und Retention führen, oder ‚Trapping‘, des Arzneimittels in VSMC, wodurch seine Wirkungsdauer verlängert.

Die Wirkung dieser Prozesse, die t½ des Inhibitorausflusses von VSMC zu verlangsamen, kann quantifiziert werden, indem die Konzentration von PDE5 in Zellen zusammen mit der Affinität von PDE5 für den Inhibitor berücksichtigt wird. Die Wirkung von PDE5, den Inhibitoraustritt aus der Zelle zu verlangsamen, wäre proportional zu 1 + P / KD, wobei P die Konzentration der Inhibitorbindungsstellen auf PDE5 (PDE5-Untereinheitskonzentration) und KD die Gleichgewichtsdissoziationskonstante des PDE5-Inhibitorkomplexes ist.56 Unter der Annahme, dass PDE5 in VSMC8 ∼5 × 10-7 M beträgt (unveröffentlichte Daten) und dass KD von unphosphoryliertem PDE5 für Vardenafil 4 × 10-10 M beträgt,12 Die intrazelluläre Bindung des Inhibitors an PDE5 würde die Effluxrate dieses Inhibitors um den Faktor∼ 1500 im Vergleich zur Effluxrate in Zellen ohne PDE5 verringern. Dieser Faktor wäre > 1500, wenn die Affinität der katalytischen PDE5-Stelle für Inhibitoren wie Vardenafil durch zelluläre Ereignisse wie Bindung von cGMP an die allosterischen PDE5-Stellen, Phosphorylierung von PDE5, längere Exposition des Proteins gegenüber Inhibitor oder anderen Prozessen erhöht wird.

Während PDE5 eine intrinsisch hohe Affinität für Sildenafil, Vardenafil und Tadalafil aufweist, wurde gezeigt, dass Modifikationen des Proteins die Affinität für einige oder alle dieser Inhibitoren weiter erhöhen und eine sehr hohe Affinitätsbindung erzeugen (Abbildung 6); dazu gehören cGMP-Bindung an allosterische PDE5-Stellen und katalytische Stellen, Phosphorylierung des Enzyms durch PKG, die entweder durch Inhibitorbindung an die katalytische PDE5-Stelle oder durch cGMP-Bindung an allosterische Stellen an PDE5 erleichtert wird, Exposition des Enzyms gegenüber Inhibitor für mehrere Stunden oder eine Kombination dieser Effekte.9, 11, 12, 13, 35, 55 Da die cGMP-Bindung an allosterische cGMP-Bindungsstellen an PDE5 und PKG unter diesen Umständen ebenfalls gefördert und vor Abbau geschützt wird,58, 59 würde die Sequestrierung von cGMP an diesen Stellen zu einer höheren zellulären Konzentration von cGMP im Vergleich zum Basalzustand führen und könnte ein Reservoir von cGMP für die nachfolgende Freisetzung bereitstellen, wodurch die Effizienz verändert wird, die sich aus einem nachfolgenden geringen Anstieg des zweiten Botensignals ergibt.60