molekulaariset mekanismit, jotka voivat edistää PDE5-estäjien pitkittynyttä tehokkuutta erektiotoiminnan parantamiseksi

kaikesta päätellen sildenafiilin, vardenafiilin tai tadalafiilin vaikutuksen tehokkuutta Erektiovasteen parantamiseksi, näyttävät olevan vertailtavissa. Huippupitoisuuden (Cmax) saavuttamiseen tarvittava aika (Tmax) ja vaikutuksen alkamisaika vaihtelevat hieman tadalafiilin ollessa hieman hitaampi kuin sildenafiilin tai vardenafiilin. Plasmapuhdistuman t½ on sildenafiililla tai vardenafiililla ∼4 h verrattuna tadalafiililla 18 h. Sildenafiilin tai vardenafiilin vaikutus miehillä on optimaalinen ∼0, 5–1 h, mikä on lähellä plasman huippupitoisuuden (Cmax) aikaa. Näiden lääkeaineiden pitoisuus plasmassa vähenee t½: lla ∼4-5 h niin, että plasman lääkeainepitoisuus on alhainen 12 tunnin kuluttua (∼13% Cmax: sta). Tutkimukset kuitenkin osoittavat, että miehet ovat edelleen helpottaneet erektioita 12 tuntia annostelun jälkeen.20, 30, 31 samoin potilaat, jotka ovat ottaneet tadalafiilia, jonka t½ on ∼18 h, ovat raportoineet erektiotoiminnan parantuneen 36 tunnin kohdalla, kun lääkkeen pitoisuus plasmassa olisi ∼25% Cmax: sta.17 näiden lääkkeiden pitkäaikainen tehokkuus lisää joustavuutta seksuaalisen aktiivisuuden aloittamiseen ED-potilailla ja voi vähentää annostelutiheyttä. Jos tämä kaava koskee muita kudoksia (esimerkiksi keuhkojen verisuonistoa), se voi tarkoittaa, että harvemmin annettavia hoito-ohjelmia voidaan käyttää halutun terapeuttisen tavoitteen saavuttamiseksi. Tämä voi johtaa potilaan vähäisempään altistumiseen lääkitykselle ja hoidon kustannussäästöihin.

lääkkeen vaikutusajan uskotaan yleensä korreloivan läheisesti lääkkeen plasmapitoisuuteen. Tämän mallin mukaan lääkkeen poistuminen plasmasta, lääkkeen poistuminen kudoksesta ja lääkkeen toiminnan loppuminen kyseisessä kudoksessa olisi periaatteessa sama. Voimakkaiden PDE5-estäjien pitkäaikainen vaikutus ei kuitenkaan sovi tähän malliin hyvin. Useat biokemialliset mekanismit saattavat selittää PDE5-estäjien ilmeisesti pitkittyneen vaikutuksen. (1) jos inhibiittori poistuu kudoksesta samanaikaisesti sen plasmapuhdistuman kanssa, sen biologisten vaikutusten pysyvyyden täytyy johtua kudoksen aiemmasta altistumisesta inhibiittorille mahdollisesti yhdistettynä cGMP-signalointireitin pysyvään aktivoitumiseen altistuksen aikana (eli cGMP-signalointikokemuksen solumuisti). Lisäksi, jos lääke on poistettu solusta, PDE5-aktiivisuus palautuu ja cGMP-tason ennustetaan olevan lähellä perusastetta (Kuva 2a). (2) Vaihtoehtoisesti, jos lääke ei puhdistu samanaikaisesti plasman puhdistuman kanssa, eli lääke säilyy (tai eristetään) paisuvaiskudoksen VSMC: ssä ja cGMP: n hajoaminen PDE5: llä pysyy suurelta osin tukossa (Kuva 2b), muiden cGMP: n hydrolysoivien PDE: iden alhainen taso näissä soluissa voi alentaa cGMP: tä jonkin verran. Tämä edistäisi (1) jatkuvaa cGMP: n sitoutumista PDE5: n allosteerisiin cGMP: n sitoutumiskohtiin affiniteetin lisäämiseksi inhibiittoreihin, (2) jatkuvaa cGMP: n sitoutumista PKG: hen ja cGMP: n signalointireitin aktivoitumista ja (3) lisääntynyttä cGMP: n solukkoa, jota ei helposti hydrolysoida. Tässä jälkimmäisessä skenaariossa PDE5-estäjän ja cGMP: n pitoisuudet soluissa olisivat jossain määrin koholla, mikä johtuisi näiden ligandien spesifisestä jakautumisesta, toisin sanoen estäjä sitoutuu tiukasti PDE5: n katalyyttiseen kohtaan ja cGMP sitoutuu tiukasti allosteeriseen cGMP: n sitoutumiskohtaan PKG: ssä ja PDE5: ssä. Näitä mahdollisia selityksiä PDE5-estäjien pitkäaikaisille vaikutuksille erektiovasteeseen tarkastellaan tässä. Nämä olettamukset perustuvat vakiintuneisiin molekyylimekanismeihin, joiden tiedetään liittyvän PDE5: een ja PKG: hen, vaikka huomiot eivät sulje pois muita mekanismeja.

pysyvät seuraukset cGMP-signalointireitin aktivoitumisesta

muistivaikutuksen mahdollisuus, kun kudos altistetaan PDE5: n estäjille joko cGMP: n suurenemisen yhteydessä tai ilman sitä, otetaan ensin huomioon. Tavallisesti cGMP: n nousu ja Pkg: n aktivaatio käynnistävät solutapahtumien sarjan, ja PDE5: n vaikutus kumoaa tämän vaikutuksen hydrolysoimalla nukleotidia. Tutkituissa kudoksissa todisteet viittaavat siihen, että PDE: n vaikutus selittää suurimman osan solun kyvystä alentaa syklisiä nukleotiditasoja.32, 33 PDE5: n estäjien läsnäolo estää PDE5: n toiminnan ja parantaa cGMP: n kertymistä ja cGMP: n signalointia. Ei tiedetä, onko cGMP: n taso PDE5: n estäjien läsnä ollessa samanlainen kuin fysiologisissa olosuhteissa tai jos cGMP: tä kertyy paljon enemmän. Sian sepelvaltimon sileissä lihaksissa cGMP: n kolminkertainen nousu saa aikaan maksimaalisen rentoutumisen.34 PDE5 on pääasiallinen cGMP-hydrolysoiva PDE corpus cavernosum8: ssa siten, että niin kauan kuin PDE5-estäjiä on, merkittävä cGMP-taso todennäköisesti säilyy tässä kudoksessa senkin jälkeen, kun erektio on laantunut muiden vaikutusten vuoksi. Jos näin on, PKG on todennäköisesti aktivoitunut jossain määrin useita tunteja.

edellä kuvattu Pkg: n lisääntyneen vaikutuksen pitkä kesto saattaa aiheuttaa sellaisia vaikutuksia, joita ei esiinny useimmissa fysiologisissa olosuhteissa, sillä ilman estäjiä PDE5: n vaikutuksen ennustetaan palauttavan cGMP: n ja PKG: n aktiivisuuden nopeasti lähelle perusarvoja. PKG: n välittämien fosforylaatioreaktioiden vaikutusten arvellaan yleensä olevan nopeasti vastapainona fosfoproteiinifosfataasien vaikutukselle. Jopa cGMP: n laskiessa ja Pkg: n aktiivisuuden vähentyessä Pkg: n fosforylaatiovaikutusten kääntyminen voi vaihdella fosfoproteiinien välillä; jotkut voivat defosforyloitua nopeasti ja palautua alkuperäiseen toimintatilaansa, toiset voivat suojautua nopealta defosforylaatiolta niiden sijainnin perusteella solussa tai kompleksoitumalla muiden proteiinien kanssa, mikä ylläpitää kohonneen cGMP: n alkuperäistä vaikutusta. Itse asiassa kummankaan reitin toiminnan todellisista seurauksista ja ajankulusta tiedetään vain vähän. Jos PKG: n aktivaatiota ja/tai Pkg: n välittämien fosforylaatioiden vaikutuksia ei pystytä täysin kumoamaan ajoissa (Kuva 2a), cGMP: n myöhempi nousu eroottisten ärsykkeiden avulla voi johtaa kohonneeseen erektiovasteeseen, vaikka PDE5-estäjiä ei olisikaan. Fosforylaatiotapahtumien pitkittynyt vaikutus solun proteiinin toimintaan voi johtua useista eri mekanismeista, mukaan lukien (1) kohdeproteiinien pitkittynyt fosforylaatio solussa ehkä fosfoproteiinifosfataasien aiheuttaman hitaan defosforylaation vuoksi, (2) rakenteelliset muutokset, kuten muuntuminen eri aktiivisuustasoilla olevien muotojen välillä, (3) muutokset proteiinitasoissa, jotka johtuvat geeniekspression muutoksesta, mRNA: n translaatiosta ja/tai stabiilisuudesta ja/tai proteiinin vaihtumisnopeudesta, (4) proteiinien translokaatio solulohkojen välillä ja (5) lisääntynyt herkkyys cGMP: lle ja/tai cGMP-signalointireitti. PKG-välitteinen PDE5: n fosforylaatio aiheuttaa entsyymissä näennäisen konformaatiomuutoksen ja lisää affiniteettia cGMP: hen sen allosteerisissa kohdissa ja inhibiittoreihin/cGMP: hen sen katalyyttisessä kohdassa.11, 35, 36, 37 syklinen GMP-aktivoitu PKG läpäisee autofosforylaation, mikä nostaa hieman entsyymin aktiivisuutta jopa ilman cGMP: tä ja lisää sen herkkyyttä myöhemmälle cGMP: n nousulle (kuva 3).38, 39, 40,41 Autofosforylaatio aiheuttaa myös näennäisen konformaatiomuutoksen entsyymissä ja edistää suurempaa affiniteettia cGMP: n sitoutumiseen verrattuna unfosfo-PKG: hen, jolloin cGMP säilyy cGMP: n allosteerisissa cGMP: n sitoutumiskohdissa;38, 42 koska PKG: n cGMP: tä sitovat allosteeriset paikat ovat positiivisesti yhteistoiminnallisia, 43 tämä on taipumus ”prime” Pkg: n täydelliseen aktivaatioon cGMP: n myöhemmällä pienellä nousulla. Jotkut proteiinit, jotka PKG on fosforyloinut, voivat myöhemmin olla kovalenttisesti muunnettuja muilla translaation jälkeisillä modifikaatioilla, kuten hapettumisella, ubikitinaatiolla tai fosforylaatiolla muiden kinaasien toimesta, jotka voivat pitkittää tai muuten vaikuttaa cGMP-signaloinnin seurauksiin.

Pkg: n substraatteina olevien proteiinien pitoisuudessa voi tapahtua muutoksia lukuisissa prosesseissa. PKG-välitteinen fosforylaatio kohdistuu geeniekspressiota sääteleviin transkriptiotekijöihin, 44, 45, jotka voivat muuttaa Pkg: n alajuoksulla olevien proteiinien tasoja. Muissa tapauksissa fosforylaatio voi kohdistaa proteiinien hajoamiseen ubikitinaatioreitin kautta.46, 47 Pkg: n syklinen GMP-aktivaatio eräissä soluissa saa aikaan entsyymin translokaation sytosolista tiettyihin solukohtaisiin paikkoihin ja kohdeproteiinien fosforylaation kyseisessä lokerossa.44, 45, 48,49, 50 PKG: n aktivaation on myös osoitettu aiheuttavan tiettyjen proteiinien uudelleenjakautumista, esimerkiksi RhoA, 51 solussa tai proteiinien lisäämistä kalvoihin, mikä muuttaa toimintaa.52, 53 jotkut soluprosessit, joihin PKG: n aktiivisuus vaikuttaa, esimerkiksi fibrillaaristen proteiinien polymeroitumisessa tapahtuvat muutokset tai proteiinien lisääminen kalvoihin voivat olla hitaita kääntymään. Nämä ovat tärkeitä huomioita käytettäessä farmakologisia hoito-ohjelmia, jotka edistävät cGMP: n nousua ja jotka voivat jatkua useita tunteja tai jopa päiviä, jos henkilö on kroonisesti lääkitty. Lyhyen aikavälin muutosten vaikutukset cGMP-signalointireitin aktiivisuudessa voivat poiketa merkittävästi pitkäkestoisemmasta aktivaatiosta, ja ne on syytä tutkia huolellisesti.

PDE5: n estäjien säilyminen VSMC: ssä plasmasta poistumisen jälkeen

PDE5: n estäjien säilyminen vsmc: ssä ja PDE5: n estäjien paraneminen myös plasmasta poistumisen jälkeen on todennäköistä (kuvat 2b ja 4). Sildenafiili, vardenafiili ja tadalafiili eivät metaboloidu VSMC: ssä; näiden lääkkeiden vaikutuksen kääntämiseksi kudoksessa lääkkeiden on dissosioitava PDE5: stä, diffuusioitava sytosolin kautta plasmakalvoon, kuljettava plasmakalvon läpi ja kuljetettava maksaan muutoksia ja puhdistumaa varten sytokromien vaikutuksesta. Tällaiset lääkkeet, joilla on suhteellisen lyhyt puoliintumisaika plasmassa, sitoutuvat suurella affiniteetilla solunsisäisiin reseptoreihin, kuten PDE5: een, mutta eivät hajoa kohdesolussa, ovat hieman ainutlaatuisessa luokassa, jota ei ole tutkittu paljon. Nämä lääkkeet saattavat koskea ennakoimattomia solun farmakokineettisiä ominaisuuksia, jotka vaikuttavat solupuhdistumaan.

PDE5: n tason odotetaan vaikuttavan PDE5: n estäjien saapumiseen ja kertymiseen soluihin. Näin ollen solujen, joissa on runsaasti PDE5: tä, ennustetaan hankkivan selektiivisesti estäjää ja säilyttävän sen verrattuna soluihin, joissa PDE5: tä on vähän tai ei lainkaan (kuvat 4a–c). Lääkkeiden imeytymisen jälkeen estäjä kuljetetaan vsmc-pinnalle systeemisen verenkierron kautta. Aluksi lääkkeen puuttuminen sytosolissa luo yhdisteelle suuren kemiallisen gradientin solun ulko-ja sisäpuolen välillä; tämä helpottaisi lääkkeen pääsyä soluun (Kuva 4a). Koska inhibiittorit sitoutuvat erittäin suurella affiniteetilla PDE5: een, ennustetaan, että heti kun inhibiittori tulee soluun, se sitoutuu lähes välittömästi PDE5: een, joka on suurelta osin eristetty sytosolista, ja sytosolin vapaa inhibiittori pysyy hyvin alhaisena, mikä säilyttää gradientin. Estäjien sitoutuminen PDE5: een lisää estäjien kertymisnopeutta, koska estäjien soluun tulon jälkeen solunestäjien ulosvirtausta tulee hidastaa, koska sytosolissa on vähän vapaata estäjää (Kuva 4a). Lisäksi merkittävä osa inhibiittorimolekyyleistä, jotka hajoavat PDE5: stä, todennäköisesti palautuisi entsyymiin ennen solusta poistumista. Nämä tekijät helpottaisivat inhibiittorin kertymistä soluun suhteessa PDE5: n solutasoon. Tämän mallin mukaan inhibiittorin kertyminen soluun olisi saturoituvaa ja määritettäisiin solunsisäisen PDE5: n konsentraatiolla. Kun kaikki PDE5: n katalyyttiset paikat täyttyvät (kylläiset), vapaan inhibiittorin pitoisuus sytosolissa lähestyisi lopulta plasmassa (Kuva 4b), mutta solun kokonais inhibiittori vaikuttaisi merkittävästi PDE5: n tasoon kyseisessä solussa niin, että solun kokonais inhibiittori=PDE5: een sitoutunut inhibiittori+sytosolin vapaa inhibiittori. Joillakin potilailla ilmoitettujen kaupallisten PDE5-estäjien pitkittyneen vaikutuksen ennustetaan myös johtuvan samoista prosesseista, eli 1) vsmc: n korkean PDE5-tason ja 2) PDE5: n suuren affiniteetin yhteisvaikutuksista näihin estäjiin. PDE5: n basaalinen affiniteetti inhibiittoreihin on luonnostaan suuri (KD=0, 1–4 nM), ja se voi kasvaa edelleen vasteena cGMP: n nousulle, kuten tapahtuisi seksuaalisen stimulaation12 ja/tai pitkäkestoisen altistuksen yhteydessä kyseisille lääkkeille.Kuten jäljempänä on esitetty, tämä lisääntynyt affiniteetti johtuu cGMP: n allosteerisesta sitoutumisesta PDE5: een, entsyymin lisääntyneestä fosforylaatiosta ja entsyymin katalyyttisen kohdan pitkittyneestä häiriintymisestä kohonneen cGMP: n ja inhibiittorin vaikutuksesta.9, 11, 12, 55 siksi, muutaman tunnin kuluttua PDE5-inhibiittorin nauttimisesta joko seksuaalisen kiihottumisen yhteydessä tai ilman sitä, plasman inhibiittoripitoisuus olisi korkea, ja ennustetaan, että PDE5: n katalyyttinen kohta VSMC: ssä olisi kyllästetty inhibiittorilla ja että PDE5: n affiniteetti inhibiittoriin olisi merkittävästi korkeampi kuin basaalitilassa (Kuva 4b). Tämä suurempi affiniteettisidos edistäisi inhibiittorin jatkuvaa liittymistä PDE5: een ja inhibiittorin säilymistä VSMC: ssä.

yksinkertaisimmillaan 56, 57 VSMC: n voidaan katsoa muistuttavan dialyysipusseja, joissa on sekä sitoutumattomia että PDE5: een sitoutuneita estäjiä. Plasman inhibiittorien vähentyessä solun sytosolin vapaan inhibiittorin odotetaan vähenevän samansuuntaisesti. PDE5-inhibiittorikompleksiin sitoutuneiden inhibiittorimolekyylien populaatio saattaa kuitenkin pienentyä hitaammin (kuvat 4c ja 5), koska inhibiittorin karkaaminen solusta ei riipu yksinomaan kyseisen molekyylin diffuusionopeudesta kalvon läpi plasmaan. Sen sijaan PDE5-molekyylit voivat merkittävästi häiritä inhibiittorien poistumista. Inhibiittorit sitoutuvat reversiibelisti PDE5: een niin, että kompleksi on dynaamisessa tasapainossa eli inhibiittori irtoaa entsyymistä jatkuvasti tietyllä nopeudella (koff) ja reboundoituu tietyllä nopeudella (kon) (kuva 5). Koff: n ja kon: n suhde (kutsutaan KD: ksi) kuvastaa entsyymin affiniteettia inhibiittoriin. Korkean affiniteetin inhibiittoreilla PDE5: n kanssa suositaan tässä tasapainotilassa niin, että suuri osa inhibiittorista rebindsoituu nopeasti sen hajottua entsyymistä. Suuri PDE5-pitoisuus edistäisi myös inhibiittorin uudelleensitoutumista, koska sekä inhibiittorin että PDE5: n pitoisuus vaikuttaa inhibiittorin sitoutumisnopeuteen.

koska osa inhibiittorista pakenee solusta ja poistuu verenkierron mukana solun läheisyydestä, olisi olemassa ”avoimia” PDE5-katalyyttisiä paikkoja, jotta inhibiittorin uudelleensitoutuminen ei tapahtuisi saman PDE5: n kanssa, vaan myös muita PDE5-molekyylejä olisi käytettävissä estäjän sieppaamiseen ja sitomiseen (kuva 5), jolloin estäjän karkaaminen solusta estyisi entisestään. Siksi inhibiittorimolekyylillä olisi paljon suurempi todennäköisyys sitoutua PDE5: n vapaisiin kohtiin kuin poistua solusta. Tällainen dissosiaatio-ja uudelleenyhdistymisskenaario lääkkeen PDE5 voisi mahdollisesti tapahtua monta kertaa ennen kuin lääkkeen puhdistuma sytosolista saavutetaan. Tämä voi johtaa lääkkeen pitoisuuteen ja säilyttämiseen VSMC: ssä, jolloin sen vaikutusaika pitenee.

näiden prosessien vaikutus vsmc: n inhibiittorin t½: n hidastumiseen voidaan määrittää ottamalla huomioon solujen PDE5-pitoisuus sekä PDE5: n affiniteetti estäjään. PDE5: n vaikutus inhibiittorien hitaaseen poistumiseen solusta olisi verrannollinen arvoon 1+P/KD, jossa P on inhibiittorien sitoutumiskohtien pitoisuus PDE5: ssä (PDE5-alayksikön konsentraatio) ja KD on PDE5-inhibiittorikompleksin tasapainodissosiaatiovakio.56 olettaen, että PDE5 on ∼5 × 10-7 M vsmc8: ssa (julkaisemattomat tiedot) ja että vardenafiilin fosforyloimattoman PDE5: n KD on 4 × 10-10 M,12 estäjän solunsisäinen sitoutuminen PDE5: een vähentäisi estäjän poistumisnopeutta∼1500-kertaisesti verrattuna poistumisnopeuteen soluissa, joissa ei ole PDE5: tä. Tämä tekijä olisi >1500, jos cGMP: n sitoutuminen PDE5: n allosteerisiin kohtiin, PDE5: n fosforylaatio, proteiinin pitkäaikainen altistuminen inhibiittoreille tai muut prosessit lisäävät PDE5: n katalyyttisen kohdan affiniteettia inhibiittoreihin.

vaikka PDE5: llä on luonnostaan suuri affiniteetti sildenafiiliin, vardenafiiliin ja tadalafiiliin, proteiinin muutosten on osoitettu lisäävän affiniteettia joihinkin tai kaikkiin näistä estäjistä ja aiheuttavan erittäin voimakkaan affiniteetin sitoutumisen (kuva 6); näitä ovat cGMP: n sitoutuminen PDE5: n allosteeriseen kohtaan ja katalyyttiseen kohtaan, Pkg: n entsyymin fosforylaatio, jota helpottaa joko inhibiittorin sitoutuminen PDE5: n katalyyttiseen kohtaan tai cGMP: n sitoutuminen PDE5: n allosteeriseen kohtaan, entsyymin altistuminen estäjälle useiden tuntien ajan tai näiden vaikutusten yhdistelmä.9, 11, 12, 13, 35, 55 koska cGMP: n sitoutuminen PDE5: n ja PKG: n allosteerisiin cGMP: n sitoutumiskohtiin on myös näissä olosuhteissa edistetty ja suojattu hajoamiselta,58, 59 cGMP: n sekvestrointi näissä paikoissa johtaisi suurempaan cGMP: n pitoisuuteen solussa verrattuna basaalitilaan ja saattaisi tarjota cGMP: n varaston myöhempää vapautumista varten, jolloin toisen lähettimen signaalin myöhemmästä pienestä lisääntymisestä johtuva tehokkuus muuttuisi.60