Wirkmechanismen der PDE5-Hemmung bei erektiler Dysfunktion

In den letzten Jahren hat ein tieferes Verständnis der Regulation der glatten Muskulatur des Penis zu einem besseren Einblick in die Physiologie der normalen erektilen Funktion und der erektilen Dysfunktion (ED) sowie zur Einführung von Phosphodiesterase (PDE)-Hemmern zur Behandlung der ED geführt. Der orale PDE5-Hemmer – Sildenafil – hat sich als sichere und wirksame Behandlung dieser Störung erwiesen und hat die weitere Erforschung der zugrunde liegenden Mechanismen solcher Medikamente gefördert. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die biochemischen Wege, die an der Erektion beteiligt sind, die Rolle von PDE5 in diesen Wegen und die molekularen Mechanismen, die an der PDE-Aktivität beteiligt sind.

Die penile Erektion entsteht durch die Entspannung der glatten Muskulatur im Penis. Der Prozess wird durch einen spinalen Reflex vermittelt und bezieht sensorische und mentale Reize mit ein. Das Gleichgewicht zwischen kontraktions- und entspannungsfördernden Faktoren bestimmt den Tonus der Penisgefäße und der glatten Muskulatur des Schwellkörpers.

Bei Primaten, einschließlich des Menschen, ist der L-Arginin-Stickoxid-Guanylylzyklase-zyklisches Guanosinmonophosphat (cGMP)-Weg der Schlüsselmechanismus der Peniserektion1,2,3,4 (Abbildung 1). Stickstoffmonoxid (NO) wird aus Sauerstoff und L-Arginin unter der Kontrolle der Stickstoffmonoxid-Synthase (NOS) gebildet. Sexuelle Erregung stimuliert neurale Bahnen, die zur Freisetzung von NO aus Nerven und Endothelzellen direkt in den Penis führen. NO dringt in das Zytoplasma der glatten Muskelzellen ein und bindet an die Guanylylzyklase. Die Wechselwirkung von NO mit der Guanylylzyklase bewirkt eine Konformationsänderung in diesem Enzym, die zur katalytischen Produktion von 3′-5′-zyklischem Guanosinmonophosphat aus Guanosin-5′-triphosphat führt. Zyklisches GMP ist der intrazelluläre Auslöser für die Erektion des Penis. Zyklisches GMP aktiviert die cGMP-abhängige Proteinkinase (PKG), die wiederum mehrere Proteine phosphoryliert. Diese Proteinkinase-Interaktionen führen zu einer Verringerung des intrazellulären Kalziumspiegels und einer daraus resultierenden Relaxation der arteriellen und trabekulären glatten Muskulatur, was zu einer arteriellen Dilatation, venösen Konstriktion und der Steifigkeit der Peniserektion führt.

Da cGMP eine Schlüsselrolle in diesem Prozess spielt, gehört zu den möglichen Interventionen bei unzureichender Entspannung der glatten Muskulatur die Erhöhung des intrazellulären cGMP-Spiegels. PDE5 hemmt normalerweise die Erektion des Penis, indem es cGMP abbaut. Dieser Abbau findet an der katalytischen Stelle in Gegenwart von gebundenem Zink statt. PDE5-Inhibitoren senken die Aktivität von PDE5, indem sie mit cGMP konkurrieren, und erhöhen folglich den cGMP-Spiegel. In Abwesenheit einer Stimulation des NO-Signalwegs ist die PDE5-Hemmung unwirksam. In isolierten Schwellkörperstreifen entspannt Sildenafil die glatte Muskulatur, indem es die Effekte der normalen, endogenen cGMP-abhängigen Entspannungsmechanismen verstärkt, aber in Abwesenheit eines NO-Donors nur wenig Wirkung zeigt.5

Da sexuelle Erregung diesen Signalweg spezifisch im Penis stimuliert, haben PDE5-Inhibitoren eine relativ geringe Wirkung auf die glatte Muskulatur in anderen Geweben.

PDE5 ist die vorherrschende Phosphodiesterase in den Schwellkörpern. Bei Säugetieren sind jedoch mindestens 11 PDE-Familien identifiziert worden6,7,8,9 (Abbildung 2, Tabelle 1). Einige PDE-Typen sind mit mehr als einem Gen assoziiert und einige mRNAs weisen zwei oder mehr Spleißvarianten auf; das Ergebnis sind mehr als 50 PDE-Spezies. Einige PDE-Typen sind entweder für zyklisches Adenosinmonophosphat (cAMP) oder cGMP spezifisch, und einige bauen beide ab. PDE11 zum Beispiel baut sowohl cAMP als auch cGMP ab, während PDE4 spezifisch für cAMP ist und PDE5 spezifisch für cGMP. Die Kreuzreaktivität der PDE-Inhibitoren kann größtenteils auf Ähnlichkeiten ihrer homologen katalytischen Domäne zurückgeführt werden. Messenger-RNA wurde im menschlichen Schwellkörpergewebe für die menschlichen PDE-Isoformen_PDE1A, PDE1B, PDE1C, PDE2A, PDE3A, PDE4A, PDE4B, PDE4C, PDE4D, PDE5A, PDE7A, PDE8A und PDE9A nachgewiesen.10 Die meisten Säugetier-PDEs sind Dimere, aber die funktionelle Bedeutung dieser Dimerisierung ist unbekannt. Einige, wie PDE5, haben zwei identische Untereinheiten (Homodimere), und einige, wie PDE6, haben zwei verschiedene Untereinheiten (Heterodimere).

Die PDEs unterscheiden sich auch in der Art der regulatorischen Domäne des Enzyms und in der Rolle der Phosphorylierung. In allen Fällen befindet sich die katalytische Domäne in Richtung des Carboxylterminus und die regulatorische Domäne in Richtung des Aminoterminus. Ein monomeres PDE5-Fragment behält die wesentlichen katalytischen Eigenschaften des dimeren Enzyms in voller Länge bei.11 Die regulatorischen Domänen unterscheiden sich zwischen den Subtypen. Zum Beispiel reguliert bei PDE1 die Kalziumbindung das Enzym. Bei einigen, einschließlich PDE5, ist die Phosphorylierung wichtig. Einige haben eine oder mehrere GAF-Domänen, die in PDE5 cGMP binden und somit allosterische (nicht katalytische) Stellen darstellen. Zusätzlich zu seiner cGMP-selektiven katalytischen Stelle enthält PDE5 zwei potenzielle allosterische cGMP-Bindungsstellen und mindestens eine Phosphorylierungsstelle für PKG auf jeder Untereinheit12,13 (Abbildung 3). cGMP kann an allosterische Bindungsstellen von PDE5 binden, und die Besetzung einer oder beider dieser Stellen durch cGMP stimuliert die katalytische Stelle für cGMP. Die Besetzung der allosterischen Bindungsstelle durch cGMP verändert die Konformation von PDE5, wodurch eine Phosphorylierungsstelle freigelegt wird (Serin-92 im bovinen Enzym, Serin-102 im menschlichen Enzym). Die Phosphorylierung von PDE5 durch die Proteinkinase G (PKG) erhöht sowohl die enzymatische Aktivität als auch die Affinität der allosterischen Stellen von PDE5 für cGMP.14,15 Es wurde gezeigt, dass die enzymatische Aktivität parallel zur Phosphorylierung ansteigt, und die Aktivitätssteigerung beträgt typischerweise das 1,6-fache.

In der Rattenaorta und in menschlichen glatten Muskelzellen führt die Aktivierung von PKG durch 8-Br-cGMP zur Phosphorylierung und Aktivierung von PDE5, während 8-Br-cAMP keinen Effekt hat.16,17 Dies stellt eine negative Rückkopplungskontrolle in glatten Muskelzellen dar, da eine Erhöhung von cGMP den cGMP-Abbau stimuliert. Die Blockade dieses negativen Rückkopplungsmechanismus durch die Besetzung der katalytischen Stelle ist teilweise für die Wirkung von PDE5-Inhibitoren auf die Peniserektion verantwortlich.

Da sie den cGMP-Spiegel erhöhen, potenzieren PDE5-Inhibitoren ihre eigene Wirkung, da die Bindung von cGMP an die allosterische Stelle eine weitere Bindung des PDE5-Inhibitors an die katalytische Stelle stimuliert. Es wird angenommen, dass jeder PDE5-Hemmer den gleichen Mechanismus aufweist, was jedoch nicht bewiesen ist.

Es kommen mehrere negative Rückkopplungsmechanismen ins Spiel, um den cGMP-Spiegel zu senken, wenn er erhöht ist. Ein erhöhter Abbau erfolgt einfach durch den Effekt der Massenwirkung (d.h. erhöhte Substratverfügbarkeit für PDE5). Außerdem phosphoryliert PKG PDE5, wodurch es aktiviert wird. Dies führt zu einem noch stärkeren Abbau von cGMP. Die Phosphorylierung erhöht auch die allosterische Bindung von cGMP an PDE5, wodurch weniger cGMP für die Aktivierung von PKG zur Verfügung steht. Schließlich stimuliert die verstärkte Bindung von cGMP an die allosterische Stelle den cGMP-Abbau durch die katalytische Stelle von PDE5 und erhöht die Phosphorylierung dieses Enzyms weiter.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass spezifische molekulare und pharmakologische Eigenschaften den einzelnen PDE5-Inhibitoren einzigartige Eigenschaften verleihen. Aufgrund dieser Unterschiede sind selektive PDE5-Inhibitoren vielversprechend für innovative pharmakologische Anwendungen. Wichtige Fragen zu den Eigenschaften und der Funktion von PDE-Inhibitoren müssen jedoch noch beantwortet werden. Zum Beispiel:

• Beeinflusst die Phosphorylierung von PDE5 die Bindung von Inhibitoren wie Vardenafil und Tadalafil?

• Erhöht sich die Bindung des Inhibitors an das PDE5-Molekül, wenn PDE5 phosphoryliert ist?

• Erhöht sich die Bindung des Inhibitors an das PDE5-Molekül, wenn cGMP an seine allosterischen Stellen bindet?

• Ist die Clearance von PDE5-Inhibitoren aus glatten Muskelzellen durch die enge Bindung dieser Inhibitoren an PDE5 in den Zellen verzögert?