PDE4A

On July 9th, 2024, the U.S. FDA approved Arcutis Biotherapeutics' ZORYVE® (roflumilast) for treating atopic dermatitis (AD), the most common type of eczema affecting millions in the U.S. This once-daily, steroid-free cream could become a new standard of care for AD. The approval underscores the growing importance of researching Phosphodiesterase 4 (PDE4) and other PDEs as immunomodulatory targets for various inflammatory diseases. Sino Biological, and its subsidiary SignalChem Biotech, support drug discovery and development targeting PDEs by providing a broad range of PDE families and isoforms. Mechanism of Action Roflumilast is a phosphodiesterase-4 (PDE4) inhibitor that reduces inflammation by increasing cyclic adenosine monophosphate (cAMP) levels, an important molecule in regulating inflammation. PDE4, which breaks down cAMP, has four subtypes (PDE4A, PDE4B, PDE4C, PDE4D) and about 20 isoforms. The anti-inflammatory effects of PDE4 inhibitors are mainly due to inhibiting PDE4B and PDE4D, which are highly expressed in immune cells. By inhibiting these subtypes, roflumilast raises cAMP levels, decreasing pro-inflammatory mediators (e.g., TNF alpha, IL-4, IL-5, IL-13, IL-17A, IL-17F, IL-22) and increasing the anti-inflammatory mediator IL-10. This helps manage inflammatory conditions like atopic dermatitis, alleviating symptoms such as redness, itching, and swelling. PDE4 inhibitors mechanism of action. DOI:10.1517/13543784.2015.1094054 Phosphodiesterases (PDEs) as drug targets PDE enzymes control essential body functions by managing cAMP and cGMP levels. Various PDE inhibitors are developed for diseases: PDE1/2 for cardiovascular and neurological disorders; PDE4 for COPD and atopic dermatitis; PDE5 for erectile dysfunction and pulmonary arterial hypertension; PDE6 for retinal diseases; and PDE7 for inflammatory and autoimmune problems. In summary, PDE inhibitors are powerful tools and hold great promise as drug targets for wide-ranging therapeutic applications. Sino Biological’s Offering to Support Phosphodiesterases (PDEs) Research Sino Biological, along with its subsidiary SignalChem Biotech, is at the forefront of advancing drug development, offering a wide variety of recombinant PDE families and isoforms, to facilitate research on PDEs. Partner with us and visit our website to learn more about how we can best work together to accelerate the PDEs research.

在呼吸系统领域泛PDE4抑制剂开发中，口服给药制剂受制于其耐受性问题，而吸入给药制剂又受制于疗效不足，一直难有突破，如今这一局面正在改观—— 6月26日，Verona Pharma公司宣布，美国食品药品管理局（FDA）批准Ohtuvayre（ensifentrine）用于成人慢性阻塞性肺病（COPD）的维持治疗。 Ohtuvayre是一种first-in-class的选择性磷酸二酯酶3和磷酸二酯酶4（PDE3和PDE4）双重抑制剂，将支气管扩张和非甾体抗炎作用合二为一。不过，Ohtuvayre的PDE3/4双重作用机制中，其支气管扩功能可能要远大于其抗炎作用[1]。 在吸入给药PDE4抑制剂已经历了多次因疗效不足而失败之后，Ohtuvayre终于取得成功，进而凸显其增加PDE3抑制的重要性了。 Ohtuvayre也是20多年来首款用于COPD维持治疗的具有新型作用机制（PDE3/4抑制剂）的吸入剂型药物。 与此同时，除意大利Chiesi仍在坚守吸入给药PDE4抑制剂开发，而国内恒瑞和正大天晴已成为Ohtuvayre的追随者，正在开发吸入给药PDE3/4双重抑制剂（表1）。 在作用机制方面，Ohtuvayre克服单靶点PDE4抑制的疗效不足，与此同时，其吸入给药途也避免了口服PDE4抑制剂耐受性问题。 目前，阿斯利康开发的Daliresp（罗氟司特片）是仅有的一款获批可用于慢性阻塞性肺疾病的口服PDE4抑制剂产品。Daliresp于2011年获FDA批准治疗患有慢性支气管炎相关重度慢性阻塞性肺疾病且有疾病恶化史的患者，以降低慢性阻塞性肺疾病恶化的风险。在大型临床试验中，罗氟司特明显改善了严重COPD患者的肺功能并降低了病情恶化率，尤其是在加入长效支气管扩张剂（LABA或LAMA）时。 口服PDE4抑制剂的主要问题是治疗指数较低，严重限制了可给药的剂量。基于机制的不良反应包括恶心、呕吐、腹泻和头痛。提高口服生物型PDE4抑制剂治疗指数的一个潜在方法是将PDE4亚型的选择性导向PDE4B，因为PDE4B具有许多抗炎作用[2]。 呼吸系统领域口服PDE4抑制剂开发方面：恒翼生物于2018年从vTv Therapeutics引进PDE4抑制剂HPP737正在进行治疗COPD的Ⅱ期研究。值得关注的是，勃林格殷格翰开发的选择性PDE4B抑制剂Nerandomilast （BI 1015550）目前已进入到治疗特发性肺纤维化和进行性纤维化性间质性肺疾病Ⅲ期临床试验阶段。 PDE3/4机制探究 环状3′,5′-腺苷酸（cAMP）和环状3′,5′-鸟苷酸（cGMP）是两种第二信使分子，参与传递神经递质、激素和其他细胞效应物质的作用，从而促进各种生理过程的调节。这些核苷酸还能通过与细胞内调控靶点结合，放大许多功能反应的信号强度。多项研究表明，细胞内cAMP水平过低与呼吸系统疾病（如COPD和哮喘）以及以免疫系统失调为特征的疾病（包括银屑病和其他慢性炎症）的发病机制有关。 cAMP，能调节各种细胞功能，包括细胞迁移、炎症介质释放和免疫细胞增殖。因此，提高细胞内cAMP水平可以通过减少促炎细胞因子的产生和增加抗炎介质的产生来抑制T细胞、单核细胞、巨噬细胞和中性粒细胞的免疫功能。细胞内的cAMP水平在亚细胞水平上受到环核苷酸磷酸二酯酶（PDE）的严格控制（图1）[3]。 图1 PDE4抑制剂和cAMP参与消除炎症示意图 增加的cAMP水平通过同时抑制PKA-NFkB和Epac1/2-NFkB通路，抑制促炎细胞因子的产生；通过激活PKA-CREB通路，促进抗炎介质的产生。细胞内的cAMP水平主要受腺苷酸环化酶（AC）和磷酸二酯酶4（PDE4）的活性控制。受到刺激时，AC通过将ATP转化为cAMP来提高cAMP水平。PDE4通过催化cAMP降解为AMP来控制cAMP信号的幅度和持续时间。抑制PDE4会增加细胞内的cAMP水平。 PDE是一个酶家族，通过水解环状核苷酸（cAMP和cGMP）的磷酸二酯键而起作用，从而终止这种第二信使的下游信号传导。 根据其结构、序列同源性和对cAMP或cGMP的选择性，PDE可分为11个不同的家族（亚型）。通过选择性剪接或mRNA的转录修饰，这些基因可产生近百种PDE同工酶。组成PDE超家族的结构相互关联，但在功能上却各不相同。这些差异包括组织分布、细胞功能、主要结构、对cAMP和cGMP的亲和力、催化特性以及对特定激活剂、抑制剂和效应物及其调控机制的反应。PDE4、PDE7和PDE8是专门降解cAMP的PDE，而一些PDE则专门降解cGMP（PDE5、PDE6和PDE9）。大多数细胞都含有一种以上的PDE家族成员，但其数量、比例和亚细胞位置各不相同。虽然PDE的组织分布广泛，但有些细胞相对富含特定的PDE（表2）[4，5]。 与此同时，PDE3的作用近年来也越来越受到重视。PDE3可水解cAMP和cGMP，但对cAMP的催化率比对cGMP的催化率高5-10倍。 PDE3是气道平滑肌中主要的PDE，与PDE4B和PDE4D一起表达，但PDE4抑制剂无法诱导急性支气管扩张，开发针对炎症细胞的PDE4抑制剂和主要针对气道平滑肌的PDE3抑制剂开始受到重视。 既然抑制PDE3而不是PDE4会导致气道平滑肌松弛，而PDE4同工酶是大多数与COPD和哮喘发病机制有关的炎症细胞中的主要同工酶，开发对PDE3和PDE4具有双重抑制活性的药物就顺理成章了。事实上，同时抑制PDE3和PDE4的化合物应能应能通过松弛平滑肌来增加气道口径，同时抑制气道炎症反应[6]。 总之，PDE3/4抑制剂可增加细胞内cAMP水平，引起支气管扩张，具有抗炎作用，改善内皮和上皮屏障功能。 作为PDE3和PDE4双重抑制剂，目前尚无可靠证据表明Ensifentrine能够在COPD或哮喘患者中激发类似PDE4抑制剂的抗炎活性，而且Ensifentrine的大部分临床效果可能仅归因于PDE3抑制作用。 磷酸二酯酶4（PDE4）由四个亚家族（PDE4A、B、C和D）组成，都能水解cAMP，主要在大脑、免疫系统细胞和心血管组织中表达。通过催化cAMP的水解，PDE4在干扰肿瘤坏死因子α（TNF-α）、白细胞介素10（IL-10）和白细胞介素12（IL-12）等促炎和/或抗炎介质的释放和作用方面起着至关重要的作用，在调节炎症反应方面有多种影响。抑制PDE4亚型可提高细胞内cAMP水平，影响炎症和免疫反应以及纤维化过程，包括减少促炎介质的释放和炎症细胞的招募。因此，PDE4是治疗肺纤维化的潜在靶点。每个PDE4亚家族又包括一些由独特基因编码的亚型，每种异构体在细胞和组织中都有不同的表达水平和功能（表3，图2）[5]。 ØPDE4A普遍存在，在脂肪组织、大脑、心脏和睾丸中表达相对较高； ØPDE4B也广泛分布，特别是在肺、免疫细胞、大脑、心脏和骨骼肌中具有高水平表达； ØPDE4C主要表达于睾丸和其他组织，在肺中表达低，在血液和免疫细胞中没有表达； ØPDE4D主要表达于脑、免疫细胞和骨骼肌细胞。 图2 泛磷酸二酯酶4 （PDE4）/PDE4B在体内平衡和疾病中的作用 PDE4A、PDE4B和PDE4D被发现在大多数免疫系统细胞中高度表达。抑制PDE4B和PDE4D亚型被认为是PDE4抑制剂抗炎作用的主要驱动因素，因为这两种亚型是唯一在免疫细胞（如人类CD4+T细胞和外周血单核细胞（PBMC））中高水平表达的亚型。相反，PDE4C在免疫细胞和血液细胞中基本不存在[3]。 研究显示，PDE4B/D，尤其是PDE4B2、PDE4D1和PDE4D2，是阻断以达到抗炎效果的关键同工酶。由于PDE4B亚型相比其他亚型在肺部表达程度更高，PDE4B具有许多抗炎作用，而PDE4D则与呕吐有关，因此，目前口服PDE4抑制剂的不良反应似乎与PDE4D的抑制有关。 参考资料： [1]Ensifentrine, a Novel Phosphodiesterase 3 and 4 Inhibitor for the Treatment of Chronic Obstructive Pulmonary Disease: Randomized, Double-Blind, Placebo-controlled, Multicenter Phase III Trials (the ENHANCE Trials) [2]Inhaled Phosphodiesterase 4 （PDE4） Inhibitors for Inflammatory Respiratory Diseases [3]Next Generation PDE4 Inhibitors that Selectively Target PDE4B/D Subtypes: A Narrative Review [4]Perspectives of PDE inhibitor on treating idiopathic pulmonary fibrosis [5]Phosphodiesterase 4B inhibition_ a potential novel strategy for treating pulmonary fibrosis [6]Ensifentrine （RPL554）: an investigational PDE3/4 inhibitor for the treatment of COPD 本文由「新药前沿」微信公众号根据公开资料整理编辑，欢迎个人转发至朋友圈。媒体或机构转载授权请在「新药前沿」微信公众号留言公众号名称，审核通过后开通白名单获取转载授权，转载请标识来源。 免责声明：本文仅作信息交流之目的，非投资建议或者治疗方案推荐，「新药前沿」微信公众号不对任何主体因使用本文内容而导致的任何损失承担责任。 限于作者水平和专业知识所限，如有谬误，欢迎指正！

2024年2月24日，上海药物所徐石林/蒙凌华团队在Journal of Medicinal Chemistry在线发表了题为“Discovery of Pyrido[2,3‑d]pyrimidin-7-one Derivatives as Highly otent and Efficacious Ectonucleotide Pyrophosphatase/ hosphodiesterase 1 (ENPP1) Inhibitors for Cancer Treatment”的文章。作者团队开发了一系列基于吡啶并[2,3 d]嘧啶-7-酮支架的ENPP1抑制剂，其中活性最好的化合物31有优秀的体外一直ENPP1活性，且可以高效激活STING通路。化合物31在4T1小鼠三阴性乳腺癌模型中也有良好的抑制肿瘤活性。尽管免疫疗法在人类癌症治疗领域掀起了一场革命，但只有少数癌症患者对这些疗法有反应。有究表明，免疫检查点抑制剂的疗效取决于患者原有免疫力，因此免疫疗法在T细胞浸润不足的癌症（免疫"冷"肿瘤）中应用受到限制。其中一种将"冷"肿瘤转化为具有高T细胞反应性的免疫"热"肿瘤的机制是激活干扰素基因刺激器（STING）通路。激活STING通路可增强宿主免疫监视和重塑肿瘤微环境（TME）。STING 可由cGAMP激活，cGMP-AMP合成酶（cGAS）会对与病毒感染和肿瘤增殖相关的细胞DNA作出反应，生成cGMP-AMP。STING与cGAMP结合后，会启动肿瘤和宿主免疫细胞中的TANK结合激酶1(TBK1)-干扰素调节因子3(IRF3)信号级联，IFN的产生和肿瘤浸润淋巴细胞(TIL)的浸润，最终产生抗肿瘤免疫。STING激动剂已在临床前研究中显示出良好的抗肿瘤效果。然而，由于不理想的药代动力学特性和STING通路的过度激活，这些药物的全身给药并未显示出理想的临床疗效和安全性。最近的研究表明，刺激STING活化的一种新策略是抑制外核苷酸焦磷酸酶/磷酸二酯酶1（ENPP1）。ENPP1是一种细胞外酶，可水解核苷酸三磷酸酯（主要是ATP），ENPP1能通过水解细胞外cGAMP 促进癌症的免疫逃避、转移和抗药性。在乳腺癌、肺癌、卵巢癌和星形胶质细胞肿瘤等癌症细胞中，都能观察到ENPP1的高表达。与STING激动剂相比，用ENPP1抑制剂激活STING 通路可能会提高安全性。因此，阻断ENPP1是一种极具吸引力的癌症免疫疗法策略。作者团队设计并合成了一系列母核为吡啶并[2,3-d]嘧啶-7-酮衍生物的强效ENPP1抑制剂。在ENPP1酶切实验中，代表性化合物31抑制ENPP1的IC50为皮摩尔级别。化合物31能上调STING下游信号蛋白TBK1和IFR3的磷酸化水平，促进IFNB1和CXCL10的表达。它还能激活THP1-Dual细胞中由cGAMP-STING信号介导的免疫反应。此外，化合物31在4T1乳腺癌小鼠模型中显示出良好的体内抗肿瘤作用。ENPP1抑制剂的设计与构效关系作者对已知的ENPP1抑制剂4（IC50=16.7nM）与人ENPP1蛋白的共晶结构进行分析，发现其喹唑啉母核夹在Phe257和Tyr340间，形成π-π共轭，且Asp326残基离母核很近，设计将苯环替换成吡啶酮环，以形成额外的氢键作用；为了与蛋白活性催化位点的锌离子能有相互作用，设计将磺酰胺基团替换为磷酸基团，以此为设计思路进行第一步构效关系优化。图1 化合物4/8与ENPP1蛋白共晶结构结果表明磷酸基团替换策略大大提升了酶抑制活性（化合物5 IC50=0.8nM），在此基础上进行吡啶并[2,3-d]嘧啶-7-酮替换喹唑啉环的改造，进一步提升了ENPP1的抑制活性（化合物8 IC50=0.3nM）。接着作者探究了磷酸基团和母核之间linker长短和类型改变与抑制活性间的关系，在维持链长的基础上改变环的大小/在链中的位置，以及将脂肪环替换为芳香环，得到活性最好的化合物31（IC50=0.09nM）图2 探究linker对于抑制活性的影响化合物31在THP-1细胞中激活STING通路的能力ENPP1的同工酶ENPP3结构与其最相似，作者也进行了化合物31对ENPP3的抑制实验，其IC50=5.0nM，与ENPP1的抑制活性相差50倍，具有良好的选择性。抑制ENPP1可增加cGAMP含量，从而诱导通路下游TBK1和IRF3的磷酸化，化合物5/31在THP-1细胞中，明显提升了TBK1和IRF3的磷酸化水平，且延长了磷酸化的时间。STING通路的激活可触发IFN的应答，实验结果表明化合物31可以显著提升IFN应答相关基因IFNB1和CXCL10的表达。图3 化合物5/31在THP-1细胞中对STING通路的激活和对IFN刺激的应答化合物31通过激活STING通路增强免疫应答STING信号的激活会刺激肿瘤微环境内宿主细胞的I型干扰素反应，促进抗原呈递和细胞毒性T细胞的招募。将化合物31与三阴性乳腺癌细胞MDA-MB-231孵育后取其基质，用于培养THP-1 Dual细胞。实验结果表明，化合物31可浓度依赖性的激活THP-1 Dual细胞的干扰素刺激应答原件荧光酶报告子，与化合物31在MDA-MB-231中的抑制活性表现一致。图4 化合物31增强了TME中由cGAMP-STING信号介导的免疫应答化合物31对肿瘤生长和转移的抑制作者在4T1三阴乳腺癌小鼠模型中验证了化合物31的抗肿瘤能力。皮下注射给药50mg/kg或100mg/kg（因该化合物在口服和静注中生物利用度低，且半衰期短，所以更改给药方式，并提高剂量），可抑制肿瘤生长，且对小鼠体重无明显影响，说明化合物31毒性较小。并且化合物31可显著降低肿瘤肺转移结节数量，说明其也有抑制肿瘤转移的能力。图5 化合物31抑制TNBC小鼠肿瘤生长和肿瘤转移总结在本研究中，作者以之前报道的一种抑制剂（4,QS1）为起点，采用骨架跃迁和锌结合基团置换策略设计了一类新型ENPP1抑制剂。通过对骨架和linker进行优化，进一步完善了ENPP1抑制剂，最终发现了一种高活性、高选择性的化合物31。化合物31在ENPP1酶活性实验中表现出显著的抑制活性，IC50=0.09 nM，在MDA-MB-231细胞抑制实验中的IC50值为8.8 nM。此外，化合物31还对其他磷酸二酯酶（包括ENPP3和PDE4A）表现出显著选择性。根据ENPP1在STING通路中的已知作用，用化合物31处理可有效提高THP-1细胞中TBK1和IFR3等下游信号蛋白的磷酸化水平，并显著上调IFNB1和CXCL10的表达水平。此外，化合物31对 THP1-Dual 细胞中ISRE报告器的激活具有剂量依赖性，证明了其对STING通路的激活。在 4T1 TBNC小鼠模型中，皮下注射化合物31作为单一疗法可有效抑制肿瘤生长和转移。但化合物31口服吸收生物利用度低，半衰期短，作者正在进行进一步的结构优化和广泛的药代动力学评估。总之，这些研究结果不仅为进一步的药物开发提供了骨架新颖的先导化合物，而且证实了小分子ENPP1抑制剂作为癌症免疫疗法的可行性。原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jmedchem.3c02288声明：发表/转载本文仅仅是出于传播信息的需要，并不意味着代表本公众号观点或证实其内容的真实性。据此内容作出的任何判断，后果自负。若有侵权，告知必删！长按关注本公众号   粉丝群/投稿/授权/广告等请联系公众号助手 觉得本文好看，请点这里↓