Mechanisms of action of PDE5 inhibition in erectile dysfunction

In de afgelopen jaren heeft een dieper begrip van de regulatie van de gladde spieren van de penis geleid tot meer inzicht in de fysiologie van normale erectiele functie en erectiele dysfunctie (ED), en tot de introductie van fosfodiësterase (PDE) remmers voor de behandeling van ED. De orale PDE5-remmer – sildenafil – is een veilige en effectieve behandeling voor deze aandoening gebleken en heeft verder onderzoek naar de onderliggende mechanismen van dergelijke geneesmiddelen bevorderd. In dit artikel wordt een overzicht gegeven van de biochemische routes die een rol spelen bij erectie, de rol van PDE5 in deze routes, en de moleculaire mechanismen die een rol spelen bij PDE-activiteit.

Een erectie ontstaat door ontspanning van de gladde spieren in de penis. Dit proces wordt bemiddeld door een spinale reflex en omvat zintuiglijke en mentale prikkels. Het evenwicht tussen factoren die contractie en relaxatie stimuleren, bepaalt de tonus van de penisvaten en de gladde spieren van het corpus cavernosum.

Bij primaten, waaronder de mens, is de L-arginine-nitric oxide-guanylyl cyclase-cyclisch guanosinemonofosfaat (cGMP)-route het belangrijkste mechanisme van de penile erectie1,2,3,4 (figuur 1). Stikstofmonoxide (NO) wordt geproduceerd uit zuurstof en L-arginine onder controle van stikstofmonoxide synthase (NOS). Seksuele opwinding stimuleert neurale paden die resulteren in het vrijkomen van NO uit zenuwen en endotheelcellen rechtstreeks in de penis. NO dringt door tot in het cytoplasma van gladde spiercellen en bindt zich aan guanylyl cyclase. De interactie van NO met guanylylcyclase veroorzaakt een conformatieverandering in dit enzym, die resulteert in de katalytische productie van 3′-5′-cyclisch guanosinemonofosfaat uit guanosine-5′-trifosfaat. Cyclisch GMP is de intracellulaire trigger voor de penile erectie. Cyclisch GMP activeert cGMP-afhankelijk proteïnekinase (PKG), dat op zijn beurt verschillende eiwitten fosforyleert. Deze proteïnekinase-interacties resulteren in verlaagde intracellulaire calciumniveaus en een daaruit voortvloeiende ontspanning van arteriële en trabeculaire gladde spieren, wat leidt tot arteriële dilatatie, veneuze vernauwing en de stijfheid van de penile erectie.

Omdat cGMP een sleutelrol in dit proces speelt, kan bij onvoldoende relaxatie van gladde spieren worden ingegrepen door het niveau van intracellulair cGMP te verhogen. PDE5 remt normaliter de penile erectie door cGMP af te breken. Deze afbraak vindt plaats op de katalytische plaats in aanwezigheid van gebonden zink. PDE5-remmers verlagen de activiteit van PDE5 door te concurreren met cGMP en verhogen daardoor het cGMP-niveau. Als de NO-route niet wordt gestimuleerd, is remming van PDE5 niet effectief. In geïsoleerde stroken van het corpus cavernosum ontspant sildenafil de gladde spier door de effecten van de normale, endogene cGMP-afhankelijke ontspanningsmechanismen te versterken, maar het heeft weinig effect bij afwezigheid van een NO-donor.5

Omdat seksuele opwinding deze route specifiek in de penis stimuleert, hebben PDE5-remmers een relatief klein effect op gladde spieren in andere weefsels.

PDE5 is het voornaamste fosfodiësterase in het corpus cavernosum. Er zijn echter ten minste 11 PDE-families geïdentificeerd bij zoogdieren6,7,8,9 (figuur 2, tabel 1). Sommige PDE-types zijn met meer dan één gen geassocieerd en sommige mRNA’s vertonen twee of meer splice-varianten; het resultaat is meer dan 50 soorten PDE. Sommige PDE-types zijn specifiek voor hetzij cyclisch adenosinemonofosfaat (cAMP) hetzij cGMP, en sommige breken beide af. PDE11 bijvoorbeeld breekt zowel cAMP als cGMP af, terwijl PDE4 specifiek is voor cAMP en PDE5 specifiek voor cGMP. De kruisreactiviteit van PDE-remmers kan grotendeels worden toegeschreven aan overeenkomsten in hun homologe katalytische domein. In menselijk corpus cavernosumweefsel is boodschapper-RNA aangetoond voor de menselijke PDE-isovormen PDE1A, PDE1B, PDE1C, PDE2A, PDE3A, PDE4A, PDE4B, PDE4C, PDE4D, PDE5A, PDE7A, PDE8A en PDE9A.10 De meeste PDE’s van zoogdieren zijn dimers, maar de functionele betekenis van deze dimerisatie is onbekend. Sommige, zoals PDE5, hebben twee identieke subeenheden (homodimeren), en andere, zoals PDE6, hebben twee verschillende subeenheden (heterodimeren).

De PDE’s verschillen ook in de aard van het reguleringsdomein van het enzym en in de rol van fosforylering. In alle gevallen bevindt het katalytische domein zich bij de carboxyl-terminus, en het regulerende domein bij de aminoterminus. Een monomeer PDE5-fragment behoudt de essentiële katalytische eigenschappen van het dimere, volledige enzym.11 De regulatiedomeinen verschillen per subtype. Bij PDE1 bijvoorbeeld wordt het enzym gereguleerd door binding aan calcium. Bij sommige, waaronder PDE5, is fosforylering belangrijk. Sommige hebben een of meer GAF-domeinen, die in PDE5 cGMP binden en dus allosterische (niet-katalytische) plaatsen vertegenwoordigen. Naast de cGMP-selectieve katalytische plaats bevat PDE5 twee potentiële allosterische cGMP-bindingsplaatsen en ten minste één fosforyleringsplaats voor PKG op elke subeenheid12,13 (figuur 3). cGMP kan zich binden aan allosterische bindingsplaatsen van PDE5, en bezetting door cGMP van een of beide van deze plaatsen stimuleert de katalytische plaats voor cGMP. Bezetting van de allosterische bindingsplaats door cGMP verandert de conformatie van PDE5, waardoor een fosforyleringsplaats vrijkomt (serine-92 in het runderenzym, serine-102 in het humane enzym). Fosforylering van PDE5 door proteïnekinase G (PKG) verhoogt zowel de enzymatische activiteit als de affiniteit van de allosterische PDE5-locaties voor cGMP.14,15 Gebleken is dat de enzymactiviteit parallel met de fosforylering toeneemt, en dat de toename van de activiteit gewoonlijk ongeveer 1,6-voudig is.

In rat-aorta en menselijke gladde spiercellen leidt activering van PKG door 8-Br-cGMP tot fosforylering en activering van PDE5, terwijl 8-Br-cAMP geen effect heeft.16,17 Dit betekent een negatieve terugkoppeling in gladde spiercellen, aangezien verhoging van cGMP de afbraak van cGMP stimuleert. Blokkade van dit negatieve terugkoppelingsmechanisme door bezetting van de katalytische plaats is deels verantwoordelijk voor het effect van PDE5-remmers op de penile erectie.

Doordat zij het cGMP-niveau verhogen, versterken PDE5-remmers hun eigen werking, aangezien binding van cGMP aan de allosterische plaats verdere binding van PDE5-remmers aan de katalytische plaats stimuleert. Men denkt dat elke PDE5-remmer hetzelfde mechanisme heeft, maar dit is niet vastgesteld.

Er zijn verschillende negatieve terugkoppelingsmechanismen die het cGMP-niveau verlagen als het verhoogd is. Verhoogde afbraak treedt eenvoudigweg op door een massa-effect (d.w.z. een grotere beschikbaarheid van substraat voor PDE5). Ook fosforyleert PKG PDE5, waardoor het wordt geactiveerd. Dit leidt tot een nog grotere afbraak van cGMP. Fosforylering verhoogt ook de binding van cGMP aan de allosterische plaats van PDE5, waardoor minder cGMP beschikbaar is voor activering van PKG. Tenslotte stimuleert een verhoogde binding van cGMP aan de allosterische site de cGMP-afbraak door de katalytische site van PDE5, waardoor de fosforylering van dit enzym nog verder toeneemt.

In conclusie: specifieke moleculaire en farmacologische eigenschappen geven individuele PDE5-remmers unieke eigenschappen. Door deze verschillen zijn selectieve PDE5-remmers veelbelovend voor innovatieve farmacologische toepassingen. Belangrijke vragen over de eigenschappen en functie van PDE-remmers moeten echter nog worden beantwoord. Bijvoorbeeld:

• Heeft fosforylering van PDE5 invloed op de binding van remmers, zoals vardenafil en tadalafil?

• Vermeerdt de binding van remmers aan het PDE5-molecuul wanneer PDE5 gefosforyleerd is?

• Neemt de binding van remmers aan het PDE5-molecuul toe wanneer cGMP zich bindt aan zijn allosterische plaatsen?
• Wordt de klaring van PDE5-remmers uit gladde spiercellen vertraagd door de nauwe binding van deze remmers aan PDE5 in de cellen?