Selon tous les comptes, l’efficacité de l’action du sildénafil, du vardénafil ou du tadalafil pour améliorer la réponse érectile semble bien se comparer. Le temps (Tmax) nécessaire pour atteindre la concentration plasmatique maximale (Cmax) et le temps de début d’action varient légèrement, le tadalafil étant légèrement plus lent que le sildénafil ou le vardénafil. Cependant, les médicaments diffèrent considérablement dans le taux de clairance plasmatique; t½ de clairance plasmatique est de ∼ 4 h pour le sildénafil ou le vardénafil par rapport à 18 h pour le tadalafil. L’effet du sildénafil ou du vardénafil chez les hommes est optimal à0 0,5-1 h, ce qui correspond approximativement au moment de la concentration plasmatique maximale (Cmax). La concentration plasmatique de ces médicaments diminue avec t½ de ∼4-5 h, de sorte que le niveau plasmatique du médicament serait faible après 12 h (113% de la Cmax). Cependant, des études indiquent que les hommes ont encore des érections facilitées 12 h après l’administration.20, 30, 31 De même, les patients qui ont pris du tadalafil, qui a un t½ de ∼ 18 h, ont signalé une amélioration de la fonction érectile à 36 h lorsque la concentration plasmatique du médicament serait de2 25% de la Cmax.17 L’efficacité prolongée de ces médicaments ajoute de la souplesse à l’initiation de l’activité sexuelle chez les patients atteints de dysfonction érectile et pourrait réduire la fréquence des doses. Si ce schéma s’applique à d’autres tissus (par exemple, le système vasculaire pulmonaire), cela pourrait signifier que des schémas posologiques moins fréquents pourraient être utilisés pour atteindre l’objectif thérapeutique souhaité. Cela pourrait entraîner une exposition plus faible du patient aux médicaments et des économies de coûts pour le traitement.
On pense généralement que l’évolution temporelle de l’action du médicament est étroitement corrélée au niveau plasmatique du médicament. Selon ce modèle, la clairance d’un médicament du plasma, la sortie du médicament du tissu et la cessation de l’action du médicament dans ce tissu coïncideraient essentiellement. Cependant, l’action prolongée des inhibiteurs puissants de la PDE5 ne convient pas bien à ce modèle. Plusieurs mécanismes biochimiques pourraient expliquer l’effet apparemment prolongé des inhibiteurs de la PDE5. (1) Si l’inhibiteur est éliminé du tissu parallèlement à sa clairance du plasma, la persistance de ses effets biologiques doit être due à une exposition préalable du tissu à l’inhibiteur, peut-être en combinaison avec une activation persistante de la voie de signalisation du cGMP pendant la durée de l’exposition (c’est-à-dire la « mémoire » cellulaire de l’expérience de signalisation du cGMP). De plus, si le médicament a été éliminé de la cellule, l’activité de la PDE5 serait rétablie et le niveau de GMPc devrait être proche du niveau basal (figure 2a). (2) Alternativement, si le médicament n’est pas éliminé parallèlement à la clairance du plasma, c’est-à-dire que le médicament est retenu (ou séquestré) dans la CMV du corps caverneux et que la dégradation de la GMPc par la PDE5 reste largement bloquée (figure 2b), un faible niveau d’autres EDP hydrolysantes à la GMPc présentes dans ces cellules pourrait réduire quelque peu la GMPc. Cela favoriserait (1) la liaison soutenue du cGMP aux sites de liaison allostériques du cGMP sur la PDE5 pour améliorer l’affinité pour les inhibiteurs, (2) la liaison soutenue du cGMP au PKG et l’activation de la voie de signalisation du cGMP et (3) une augmentation du cGMP cellulaire qui n’est pas facilement hydrolysée. Dans ce dernier scénario, les concentrations cellulaires d’inhibiteur de PDE5 et de cGMP seraient élevées dans une certaine mesure, ce qui résulterait d’une séquestration spécifique de chacun de ces ligands, c’est-à-dire un inhibiteur lié étroitement au site catalytique de la PDE5 et un cGMP lié étroitement aux sites de liaison allostériques du cGMP dans le PKG et la PDE5. Ces explications possibles des effets prolongés des inhibiteurs de la PDE5 sur la réponse érectile seront considérées ici. Ces hypothèses sont basées sur des mécanismes moléculaires établis connus pour être associés à la PDE5 et au PKG, bien que les considérations n’excluent pas d’autres mécanismes.
Processus potentiels qui pourraient contribuer à la persistance des effets de l’activation de la voie de signalisation cyclique de la guanosine monophosphate (cGMP) dans les cellules musculaires lisses vasculaires (CSVM) en présence d’inhibiteurs de la phosphodiestérase-5 (PDE5). Après l’administration d’un inhibiteur de PDE5 et une stimulation sexuelle, un taux élevé de GMPC dans le CMV peut être atteint et maintenu pendant plusieurs heures car la dégradation de la GMPc par la PDE5 serait bloquée. (a) Si l’inhibiteur est éliminé de la cellule parallèlement à la clairance du plasma, l’activité PDE5 serait rétablie, la GMPc serait abaissée et l’activation de la protéine kinase (PKG) diminuerait (comme indiqué par les flèches blanches). Cependant, les effets prolongés de la phosphorylation PKG des protéines qui se sont produits lorsque la voie de signalisation cGMP était très active peuvent persister. (b) Si l’inhibiteur est retenu dans la cellule longtemps après avoir été en grande partie éliminé du plasma, l’activité de la PDE5 continuerait d’être bloquée (indiquée par la flèche blanche) et un niveau élevé de GMPc résultant d’une stimulation sexuelle antérieure serait préservé puisque la PDE5 est la principale EDP hydrolysante de la GMPc dans le tissu pénien. L’activation continue du PKG soutiendrait les événements de phosphorylation médiés par cette enzyme, y compris la phosphorylation de la PDE5 (indiquée par P) et l’autophosphorylation du PKG indiquée par P qui rend les deux enzymes plus sensibles aux effets du GMPc.
Conséquences persistantes de l’activation de la voie de signalisation de la GMPc
La possibilité d’un effet de « mémoire » après une exposition des tissus aux inhibiteurs de la PDE5 avec ou sans élévation concomitante de la GMPc sera d’abord envisagée. Habituellement, l’élévation du cGMP et l’activation du PKG déclenchent une cascade d’événements cellulaires, et l’action de la PDE5 contrecarre cet effet en hydrolysant le nucléotide. Dans les tissus qui ont été étudiés, les preuves suggèrent que l’action des EDP représente la majeure partie de la capacité de la cellule à réduire les niveaux de nucléotides cycliques.32, 33 La présence d’inhibiteurs de PDE5 bloque l’action de PDE5 et améliore l’accumulation de cGMP et la signalisation de cGMP. On ne sait pas si le taux de GMPc atteint en présence d’inhibiteurs de la PDE5 est similaire à celui qui se produit dans des conditions physiologiques ou si le GMPc s’accumule à un niveau beaucoup plus élevé. Dans les muscles lisses de l’artère coronaire porcine, une élévation triple de la GMPc produit une relaxation maximale.34 La PDE5 est la principale PDE hydrolysante de la GMPc dans le corps caverneux 8, de sorte que tant que des inhibiteurs de la PDE5 sont présents, un taux significatif de GMPc est susceptible de persister dans ce tissu même après que l’érection s’est calmée en raison d’autres influences. Si c’est le cas, le PKG restera probablement activé dans une certaine mesure pendant plusieurs heures.
La longue durée de l’action accrue du PKG décrite ci-dessus pourrait provoquer des effets qui ne sont pas ressentis dans la plupart des circonstances physiologiques, car l’action de la PDE5 en l’absence d’inhibiteurs devrait rapidement ramener le cGMP et l’activité du PKG à un niveau proche de la base. On pense généralement que les effets des réactions de phosphorylation médiées par le PKG sont rapidement contrebalancés par l’action des phosphoprotéines phosphatases. Même face à la baisse de la GMPc et à la diminution de l’activité de la PKG, l’inversion des effets des phosphorylations de la PKG peut différer d’une phosphoprotéine à l’autre; certaines peuvent être rapidement déphosphorylées et retournées à leur état fonctionnel d’origine, d’autres peuvent être protégées contre une déphosphorylation rapide par leur emplacement dans la cellule ou par leur complexation avec d’autres protéines, maintenant ainsi l’effet initial d’une augmentation de la GMPc. En fait, on sait peu de choses sur les véritables conséquences et les cours temporels de l’action de l’une ou l’autre de ces voies. Si l’activation du PKG et / ou les effets des phosphorylations médiées par le PKG ne sont pas complètement inversés en temps opportun (Figure 2a), une élévation ultérieure du cGMP par des stimuli érotiques peut produire une réponse érectile accrue, même en l’absence d’inhibiteurs de la PDE5. Un effet prolongé des événements de phosphorylation sur la fonction des protéines cellulaires pourrait se produire par un certain nombre de mécanismes, notamment (1) une phosphorylation prolongée des protéines cibles dans la cellule peut-être due à une déphosphorylation lente par les phosphoprotéines phosphatases, (2) des changements structurels tels que la conversion entre des formes qui ont des niveaux d’activité différents, (3) des altérations des niveaux de protéines dues à une altération de l’expression des gènes, de la traduction de l’ARNm et / ou de la stabilité et / ou du taux de renouvellement des protéines, (4) la translocation des protéines entre les compartiments cellulaires et (5) une sensibilité accrue à la cGMP et / ou à la Voie de signalisation cGMP. La phosphorylation médiée par le PKG de la PDE5 produit un changement conformationnel apparent de l’enzyme et augmente l’affinité pour le cGMP à ses sites allostériques et pour les inhibiteurs/ cGMP à son site catalytique.Le PKG cyclique activé par les GMP 11, 35, 36, 37 subit une autophosphorylation, ce qui augmente légèrement l’activité de l’enzyme même en l’absence de cGMP et augmente sa sensibilité aux augmentations ultérieures de cGMP (Figure 3).38, 39, 40, 41 L’autophosphorylation provoque également un changement conformationnel apparent de l’enzyme et favorise une affinité plus élevée pour la liaison au GMPc par rapport au PKG non phospho, maintenant ainsi le GMPc aux sites allostériques de liaison au GMPc;38,42 étant donné que les sites allostériques de liaison au GMPc du PKG sont positivement coopératifs,43 cela tendrait à « amorcer » le PKG pour une activation complète par une légère augmentation subséquente du GMPc. Certaines protéines qui ont été phosphorylées par PKG peuvent ensuite être modifiées de manière covalente par d’autres modifications post-traductionnelles telles que l’oxydation, l’ubiquitination ou la phosphorylation par d’autres kinases qui pourraient prolonger ou autrement avoir un impact sur les conséquences de la signalisation cGMP.
L’autophosphorylation de la protéine kinase (PKG) augmente l’activité et l’affinité pour la guanosine monophosphate cyclique (cG). L’élévation du cGMP augmente l’autophosphorylation du PKG. Le PKG autophosphorylé a une affinité plus élevée pour le cGMP (comme l’indiquent les lignes plus lourdes et la position du cGMP dans le modèle) et une activité basale plus élevée en l’absence de cGMP. Les PKG autophosphorylés et non phosphorylés sont entièrement activés par la liaison cGMP et effectuent la phosphorylation des protéines cellulaires.
Des changements dans le niveau de protéines qui sont des substrats pour le PKG pourraient se produire par de nombreux processus. La phosphorylation médiée par le PKG cible les facteurs de transcription qui régulent l’expression génique, 44,45 qui pourraient modifier les niveaux de protéines en aval du PKG. Dans d’autres cas, la phosphorylation peut cibler les protéines pour la dégradation via la voie d’ubiquitination.46, 47 L’activation cyclique des BPF du PKG dans certaines cellules provoque la translocation de l’enzyme du cytosol vers des emplacements subcellulaires spécifiques et la phosphorylation des protéines cibles dans ce compartiment.Il a également été démontré que l’activation de PKG 44, 45, 48, 49, 50 provoque une redistribution de certaines protéines, par exemple RhoA, 51 au sein de la cellule ou l’insertion de protéines dans les membranes altérant ainsi la fonction.52, 53 Certains processus cellulaires affectés par l’activité PKG, par exemple, les changements dans la polymérisation des protéines fibrillaires ou l’insertion de protéines dans les membranes peuvent être lents à s’inverser. Ce sont des considérations importantes lors de l’application de schémas pharmacologiques qui favorisent l’élévation de la GMPc et qui peuvent être maintenus pendant plusieurs heures, voire plusieurs jours, si la personne est traitée de manière chronique. Les conséquences des changements à court terme de l’activité de la voie de signalisation cGMP peuvent différer considérablement de celles d’une activation plus soutenue et méritent une enquête approfondie.
Rétention des inhibiteurs de la PDE5 dans le CMV après la clairance plasmatique
La possibilité que les inhibiteurs de la PDE5 puissent être retenus dans le CMV et favoriser une meilleure réponse érectile même après leur élimination du plasma est également plausible (figures 2b et 4). Le sildénafil, le vardénafil et le tadalafil ne sont pas métabolisés dans le VSMC; pour inverser l’effet de ces médicaments dans les tissus, les médicaments doivent se dissocier de la PDE5, diffuser à travers le cytosol jusqu’à la membrane plasmique, traverser la membrane plasmique et être transportés vers le foie pour modification et clairance par l’action des cytochromes. Des médicaments comme ceux-ci qui ont des demi-vies plasmatiques relativement courtes, se lient avec une affinité élevée aux récepteurs intracellulaires tels que la PDE5, mais ne sont pas dégradés dans la cellule cible, appartiennent à une classe quelque peu unique qui n’a pas été largement étudiée. Des caractéristiques pharmacocinétiques cellulaires imprévues qui affectent la clairance cellulaire peuvent s’appliquer à ces médicaments.
Modèles de dessins animés illustrant l’accumulation et la rétention théoriques d’inhibiteurs puissants de la phosphodiestérase-5 (PDE5) dans les cellules musculaires lisses vasculaires (CSVM). (a) Les cercles noirs avec un insert en V représentent la forme de PDE5 qui a une affinité plus faible pour l’inhibiteur. L’inhibiteur, représenté par le diamant marqué I, se lie au site catalytique de la PDE5 pour bloquer la dégradation cyclique de la guanosine monophosphate (cGMP). (b) La liaison de l’inhibiteur, la phosphorylation et la liaison du cGMP aux sites allostériques indiqués comme CG dans un cercle blanc sur PDE5 induisent un changement conformationnel (comme indiqué par l’ovale allongé par rapport aux cercles noirs de la figure 4a) et augmentent l’affinité de l’enzyme pour l’inhibiteur comme indiqué par l’incorporation de l’inhibiteur dans l’ovale noir. L’interaction privilégiée entre l’inhibiteur et la PDE5 est indiquée par les flèches lourdes. Dans cette situation, les inhibiteurs libres dans le plasma et le cytosol sont égaux. (c) Malgré la clairance essentielle de l’inhibiteur du plasma entourant la cellule, une quantité importante d’inhibiteur reste liée à la PDE5 à l’intérieur de la cellule et la perte d’inhibiteur de la cellule est ralentie.
L’entrée et l’accumulation d’inhibiteurs de la PDE5 dans les cellules devraient être influencées par le taux de PDE5. En conséquence, les cellules qui sont abondantes en PDE5 sont prédites pour acquérir et retenir sélectivement l’inhibiteur par rapport aux cellules avec peu ou pas de PDE5 (Figures 4a–c). Après absorption des médicaments dans la circulation sanguine, l’inhibiteur est transporté à la surface du CMV par la circulation systémique. Initialement, l’absence du médicament dans le cytosol crée un gradient chimique important pour le composé entre l’extérieur et l’intérieur de la cellule; cela faciliterait l’entrée du médicament dans la cellule (figure 4a). Étant donné que les inhibiteurs sont liés avec une affinité très élevée à la PDE5, il est prédit que dès qu’un inhibiteur pénètre dans la cellule, il sera presque instantanément lié par la PDE5, c’est-à-dire en grande partie séquestré du cytosol, et l’inhibiteur libre dans le cytosol restera très faible, maintenant ainsi le gradient. La liaison de l’inhibiteur à la PDE5 augmentera le taux d’accumulation d’inhibiteurs car, après l’afflux d’inhibiteurs dans les cellules, l’efflux de l’inhibiteur cellulaire doit être ralenti en raison de la faible quantité d’inhibiteur libre dans le cytosol (Figure 4a). De plus, une partie importante des molécules inhibitrices qui se dissocient de la PDE5 se relierait probablement à l’enzyme avant de quitter la cellule. Ces facteurs faciliteraient l’accumulation d’inhibiteur dans la cellule proportionnel au niveau cellulaire de PDE5. Selon ce modèle, l’accumulation d’inhibiteur dans la cellule serait saturable et déterminée par la concentration de PDE5 intracellulaire. Lorsque tous les sites catalytiques de PDE5 sont remplis (saturés), la concentration d’inhibiteur libre dans le cytosol finirait par s’approcher de celle du plasma (Figure 4b), mais l’inhibiteur total dans la cellule serait significativement affecté par le niveau de PDE5 dans cette cellule, de sorte que l’inhibiteur total dans la cellule = inhibiteur lié à l’inhibiteur libre de PDE5 + dans le cytosol. L’action prolongée des inhibiteurs de la PDE5 commercialisés rapportée chez certains patients devrait également résulter des mêmes processus, c’est-à-dire des effets combinés (1) d’un taux élevé de PDE5 dans le CMV et (2) d’une affinité élevée de PDE5 pour ces inhibiteurs. L’affinité basale de la PDE5 pour les inhibiteurs, qui est intrinsèquement élevée (KD = 0,1-4 nM), peut encore augmenter en réponse à l’élévation de la GMPc comme cela se produirait avec une stimulation sexuelle12 et / ou une exposition prolongée aux médicaments respectifs.54 Comme indiqué ci-dessous, cette affinité accrue est causée par la liaison allostérique du GMPc à la PDE5, une phosphorylation accrue de l’enzyme et une perturbation prolongée du site catalytique de l’enzyme par une augmentation du GMPc et de l’inhibiteur.9, 11, 12, 55 Par conséquent, quelques heures après l’ingestion d’un inhibiteur de la PDE5 en présence ou en l’absence d’excitation sexuelle, la concentration d’inhibiteur plasmatique serait élevée et il est prédit que le site catalytique de la PDE5 dans le CMV serait saturé en inhibiteur et que l’affinité de la PDE5 pour l’inhibiteur serait significativement plus élevée qu’à l’état basal (Figure 4b). Cette liaison d’affinité plus élevée favoriserait l’association continue de l’inhibiteur avec la PDE5 et la rétention de l’inhibiteur dans le CMV.
En termes simples, 56, 57 VSMC peuvent être considérés comme ressemblant à des sacs de dialyse contenant à la fois des inhibiteurs non liés et des inhibiteurs liés à la PDE5. À mesure que l’inhibiteur plasmatique diminue, l’inhibiteur libre dans le cytosol de la cellule devrait diminuer en parallèle. Cependant, la population de molécules inhibitrices liées dans un complexe inhibiteur de PDE5 peut diminuer plus lentement (Figures 4c et 5) car l’échappement de l’inhibiteur de la cellule ne dépend pas exclusivement du taux de diffusion de cette molécule à travers la membrane vers le plasma. Au contraire, les molécules de PDE5 peuvent interférer de manière significative avec la sortie de l’inhibiteur. Les inhibiteurs sont liés de manière réversible à la PDE5 de sorte que le complexe est en équilibre dynamique, c’est-à-dire que l’inhibiteur se dissocie constamment de l’enzyme à un certain taux (koff) et rebondit à un certain taux (kon) (Figure 5). Le rapport koff/ kon (appelé KD) reflète l’affinité de l’enzyme pour l’inhibiteur. Avec les inhibiteurs de haute affinité, l’association avec la PDE5 est favorisée dans cet équilibre, de sorte qu’une grande partie de l’inhibiteur se refinde rapidement après sa dissociation de l’enzyme. La concentration élevée de PDE5 favoriserait également le rebindage de l’inhibiteur car le taux de liaison à l’inhibiteur est affecté par la concentration de l’inhibiteur et de la PDE5.
Représentation caricaturale des caractéristiques affectant la longévité du complexe phosphodiestérase-5 (PDE5) avec des inhibiteurs puissants. Les inhibiteurs puissants sont liés de manière réversible à la PDE5. Le rapport entre la vitesse de dissociation de l’inhibiteur (koff) du complexe inhibiteur de la PDE5 et la vitesse à laquelle il est lié ou rebond (kon) est appelé KD et reflète l’affinité de l’enzyme pour l’inhibiteur. Avec des interactions d’affinité très élevées, l’association avec la PDE5 est favorisée dans cet équilibre, de sorte qu’une grande partie de l’inhibiteur se scinde rapidement peu de temps après sa dissociation de l’enzyme et que l’activité de la PDE5 est faible comme indiqué par la flèche blanche.
Comme une partie de l’inhibiteur s’échappe de la cellule et est retirée du voisinage de la cellule par la circulation, il y aurait des sites catalytiques PDE5 « ouverts » de sorte que non seulement le rebindage de l’inhibiteur se produirait avec la même PDE5, mais d’autres molécules PDE5 seraient également disponibles pour intercepter et lier l’inhibiteur (figure 5), empêchant ainsi davantage l’évasion de la cellule. Par conséquent, une molécule inhibitrice aurait une probabilité beaucoup plus élevée de se lier à des sites libres sur PDE5 que de quitter la cellule. Un tel scénario de dissociation et de ré-association du médicament pour la PDE5 pourrait potentiellement se produire plusieurs fois avant que la clairance du médicament du cytosol ne soit atteinte. Cela pourrait entraîner la concentration et la rétention, ou le « piégeage », du médicament dans le CMV, prolongeant ainsi sa durée d’action.
L’effet de ces processus sur le ralentissement de l’efflux t½ de l’inhibiteur du CMV peut être quantifié en considérant la concentration de PDE5 dans les cellules ainsi que l’affinité de PDE5 pour l’inhibiteur. L’effet de la PDE5 sur la sortie lente de l’inhibiteur de la cellule serait proportionnel à 1 + P / KD, où P est la concentration des sites de liaison à l’inhibiteur sur la PDE5 (concentration de la sous-unité PDE5) et KD est la constante de dissociation d’équilibre du complexe inhibiteur de la PDE5.56 En supposant que la PDE5 est de ∼5 × 10-7 M dans VSMC8 (données non publiées) et que le KD de la PDE5 non phosphorylée pour le vardénafil est de 4 × 10-10 M, la liaison intracellulaire de l’inhibiteur à la PDE5 diminuerait le taux d’efflux de cet inhibiteur d’un facteur de∼1500 par rapport au taux d’efflux dans les cellules sans PDE5. Ce facteur serait > 1500 si l’affinité du site catalytique de la PDE5 pour les inhibiteurs tels que le vardénafil est augmentée par des événements cellulaires tels que la liaison du cGMP aux sites allostériques de la PDE5, la phosphorylation de la PDE5, l’exposition prolongée de la protéine à un inhibiteur ou à d’autres processus.
Alors que la PDE5 a une affinité intrinsèquement élevée pour le sildénafil, le vardénafil et le tadalafil, des modifications de la protéine ont été montrées pour améliorer encore l’affinité pour certains ou tous ces inhibiteurs, créant une liaison d’affinité très élevée (figure 6); ceux-ci comprennent la liaison du cGMP aux sites allostériques et au site catalytique de la PDE5, la phosphorylation de l’enzyme par PKG qui est facilitée par la liaison de l’inhibiteur au site catalytique de la PDE5 ou la liaison du cGMP aux sites allostériques de la PDE5, l’exposition de l’enzyme à l’inhibiteur pendant plusieurs heures ou une combinaison de ces effets.9, 11, 12, 13, 35, 55 Étant donné que la liaison du cGMP aux sites de liaison allostériques du cGMP sur la PDE5 et le PKG est également favorisée dans ces circonstances et protégée contre la dégradation,58,59 la séquestration du cGMP dans ces sites entraînerait une concentration cellulaire plus élevée de cGMP par rapport à l’état basal et pourrait fournir un réservoir de cGMP pour une libération ultérieure, altérant ainsi l’efficacité dérivée d’une faible augmentation subséquente du deuxième signal messager.60
Processus qui affectent l’affinité de la phosphodiestérase-5 (PDE5) pour les inhibiteurs.
