Meccanismi d’azione dell’inibizione della PDE5 nella disfunzione erettile

Negli ultimi anni, una più profonda comprensione della regolazione della muscolatura liscia del pene ha portato a una maggiore comprensione della fisiologia della normale funzione erettile e della disfunzione erettile (DE), nonché all’introduzione di inibitori della fosfodiesterasi (PDE) per il trattamento della DE. L’inibitore orale della PDE5 – il Sildenafil – ha dimostrato di essere un trattamento sicuro ed efficace per questo disturbo e ha favorito ulteriori ricerche sui meccanismi sottostanti a tali farmaci. Questo articolo esaminerà le vie biochimiche coinvolte nell’erezione, il ruolo della PDE5 in queste vie e i meccanismi molecolari coinvolti nell’attività della PDE.

L’erezione del pene deriva dal rilassamento della muscolatura liscia del pene. Il processo è mediato da un riflesso spinale e incorpora stimoli sensoriali e mentali. L’equilibrio tra i fattori che stimolano la contrazione e il rilassamento determina il tono della vascolarizzazione peniena e la muscolatura liscia dei corpi cavernosi.

Nei primati, compreso l’uomo, la via L-arginina-ossido dinitrico-guanil ciclasi-ciclo guanosina monofosfato (cGMP) è il meccanismo chiave dell’erezione peniena1,2,3,4 (Figura 1). L’ossido nitrico (NO) è prodotto da ossigeno e L-arginina sotto il controllo dell’ossido nitrico sintasi (NOS). L’eccitazione sessuale stimola le vie neurali che provocano il rilascio di NO dai nervi e dalle cellule endoteliali direttamente nel pene. L’NO penetra nel citoplasma delle cellule muscolari lisce e si lega alla guanilciclasi. L’interazione dell’NO con la guanilciclasi provoca un cambiamento conformazionale in questo enzima, che si traduce nella produzione catalitica di 3′-5′-guanosina monofosfato ciclico dalla guanosina 5′-trifosfato. Il GMP ciclico è il trigger intracellulare per l’erezione del pene. Il GMP ciclico attiva la protein chinasi cGMP-dipendente (PKG), che a sua volta fosforila diverse proteine. Queste interazioni tra proteine chinasi provocano una riduzione dei livelli di calcio intracellulare e un conseguente rilassamento della muscolatura liscia arteriosa e trabecolare, portando alla dilatazione arteriosa, alla costrizione venosa e alla rigidità dell’erezione del pene.

Siccome il cGMP gioca un ruolo chiave in questo processo, i potenziali interventi per un inadeguato rilassamento della muscolatura liscia includono l’aumento del livello di cGMP intracellulare. La PDE5 normalmente inibisce l’erezione del pene degradando il cGMP. Questa degradazione avviene nel sito catalitico in presenza di zinco legato. Gli inibitori della PDE5 abbassano l’attività della PDE5 competendo con il cGMP e di conseguenza aumentano il livello di cGMP. In assenza di stimolazione della via del NO, l’inibizione della PDE5 è inefficace. In strisce isolate dei corpi cavernosi, il sildenafil rilassa la muscolatura liscia amplificando gli effetti dei normali meccanismi di rilassamento endogeni dipendenti dal cGMP, ma produce pochi effetti in assenza di un donatore di NO.5

Siccome l’eccitazione sessuale stimola questa via specificamente nel pene, gli inibitori della PDE5 hanno un effetto relativamente piccolo sulla muscolatura liscia in altri tessuti.

PDE5 è la fosfodiesterasi predominante nei corpi cavernosi. Tuttavia, almeno 11 famiglie di PDE sono state identificate nei mammiferi6,7,8,9 (Figura 2, Tabella 1). Alcuni tipi di PDE sono associati a più di un gene e alcuni mRNA presentano due o più varianti di splice; il risultato sono più di 50 specie di PDE. Alcuni tipi di PDE sono specifici per l’adenosina monofosfato ciclico (cAMP) o il cGMP, e alcuni degradano entrambi. La PDE11, per esempio, degrada sia il cAMP che il cGMP, mentre la PDE4 è specifica per il cAMP e la PDE5 è specifica per il cGMP. La cross-reattività degli inibitori della PDE può essere attribuita in gran parte alle somiglianze del loro dominio catalitico omologo. L’RNA messaggero è stato rilevato nel tessuto del corpo cavernoso umano per le isoforme PDE umane – PDE1A, PDE1B, PDE1C, PDE2A, PDE3A, PDE4A, PDE4B, PDE4C, PDE4D, PDE5A, PDE7A, PDE8A e PDE9A.10 La maggior parte delle PDE dei mammiferi sono dimeri, ma il significato funzionale di questa dimerizzazione è sconosciuto. Alcune, come la PDE5, hanno due subunità identiche (omodimeri), e alcune, come la PDE6, hanno due subunità diverse (eterodimeri).

Le PDE differiscono anche nella natura del dominio regolatore dell’enzima e nel ruolo della fosforilazione. In tutti i casi, il dominio catalitico è situato verso il terminale carbossilico, e il dominio regolatore è situato verso il terminale amminico. Un frammento monomerico di PDE5 mantiene le caratteristiche catalitiche essenziali dell’enzima dimerico a lunghezza intera.11 I domini regolatori differiscono tra i sottotipi. Per esempio, nella PDE1, il legame con il calcio regola l’enzima. La fosforilazione è importante per alcuni, compresa la PDE5. Alcuni hanno uno o più domini GAF, che legano il cGMP nella PDE5 e quindi rappresentano siti allosterici (non catalitici). Oltre al suo sito catalitico selettivo per il cGMP, la PDE5 contiene due potenziali siti allosterici di legame al cGMP e almeno un sito di fosforilazione per la PKG su ogni subunità12,13 (Figura 3). Il cGMP può legarsi ai siti di legame allosterici della PDE5, e l’occupazione del cGMP di uno o entrambi questi siti stimola il sito catalitico per il cGMP. L’occupazione del sito di legame allosterico da parte del cGMP altera la conformazione della PDE5, che espone un sito di fosforilazione (serina-92 nell’enzima bovino, serina-102 nell’enzima umano). La fosforilazione della PDE5 da parte della protein chinasi G (PKG) aumenta l’attività enzimatica e l’affinità dei siti allosterici della PDE5 per il cGMP.14,15 È stato dimostrato che il livello di attività enzimatica aumenta parallelamente alla fosforilazione, e l’aumento di attività è tipicamente di circa 1,6 volte.

Nell’aorta di ratto e nelle cellule muscolari lisce umane, l’attivazione della PKG da parte di 8-Br-cGMP porta alla fosforilazione e all’attivazione della PDE5, mentre 8-Br-cAMP non ha alcun effetto.16,17 Questo rappresenta un controllo di feedback negativo nelle cellule muscolari lisce, poiché l’aumento del cGMP stimola la degradazione del cGMP. Il blocco di questo meccanismo di feedback negativo attraverso l’occupazione del sito catalitico è in parte responsabile dell’effetto degli inibitori della PDE5 sull’erezione del pene.

In quanto aumentano il livello di cGMP, gli inibitori della PDE5 potenziano la loro stessa azione, poiché il legame del cGMP al sito allosterico stimola un ulteriore legame dell’inibitore della PDE5 al sito catalitico. Si pensa che ogni inibitore della PDE5 esibisca lo stesso meccanismo, ma questo non è stato stabilito.

Diversi meccanismi di feedback negativo entrano in gioco per abbassare il livello di cGMP quando è elevato. L’aumento della degradazione avviene semplicemente per effetto dell’azione di massa (cioè, una maggiore disponibilità di substrato per la PDE5.) Inoltre, la PKG fosforila la PDE5, causandone l’attivazione. Questo si traduce in una degradazione ancora maggiore di cGMP. La fosforilazione aumenta anche il legame del sito allosterico della PDE5 al cGMP, che rende meno cGMP disponibile per l’attivazione della PKG. Infine, l’aumento del legame del cGMP al sito allosterico stimola la degradazione del cGMP da parte del sito catalitico della PDE5 e aumenta ulteriormente la fosforilazione di questo enzima.

In conclusione, proprietà molecolari e farmacologiche specifiche conferiscono agli inibitori della PDE5 caratteristiche uniche. Grazie a queste distinzioni, gli inibitori selettivi della PDE5 sono promettenti per applicazioni farmacologiche innovative. Tuttavia, importanti domande sulle proprietà e sulla funzione degli inibitori della PDE devono ancora trovare risposta. Per esempio:

• La fosforilazione della PDE5 influenza il legame degli inibitori, come il vardenafil e il tadalafil?

• Il legame degli inibitori alla molecola PDE5 aumenta quando la PDE5 è fosforilata?

• Il legame dell’inibitore alla molecola PDE5 aumenta quando il cGMP si lega ai suoi siti allosterici?

• La clearance degli inibitori della PDE5 dalle cellule muscolari lisce è ritardata dallo stretto legame di questi inibitori alla PDE5 nelle cellule?