男性勃起功能障碍的基础研究进展

中国男科学杂志 2006年第=10卷第9期 47 男性勃起功能障碍的基础研究进展 美国加州大学旧金山分校 (旧金山 CA94775) 林桂亭综述 辛钟成 Tom F Lue审校 男性勃起功能障碍是指男性持续性或反复发作的 难以达到和维持阴茎勃起来完成性交和满意的性活动 的病理现象。阴茎的勃起依赖于一系列正常的神经和 血管性反应，包括正常的性心理反应，正常的生理结 构，正常的内分泌，神经和血管功能。任何一个环节的 异常必将导致勃起功能障碍。白1998年万艾可的问世 以来，男性勃起功能障碍领域取得了突飞猛进的发展， 尤其是在基础研究领域 。 一 、 流行病学研究进展 (一 )前列腺癌与男性勃起功能障碍 前列腺癌作为男性常见的恶性肿瘤，对男性性功 能有着显著的影响。勃起功能障碍是最常见的治疗后 并发症 。在介入性最小的观察性治疗中，约有45％ 的病人患有不同程度的勃起功能障碍，而放射性治疗 可导致34％-62％的勃起功能障碍。前列腺癌根治术 后，85％的病人患有不同程度的勃起功能障碍 。而 在另一项临床试验中发现，虽然59．9％病人在术后 l8 个月有不同程度的阴茎勃起，仅有22％的病人在24个 月时恢复可以完成性交的勃起，即使在术后60个月， 也仅有28％病人的重新恢复正常的性功能 。 目前认为，神经血管性损害是前列腺癌导致男性 勃起功能障碍的主要机理。首先，阴茎勃起神经的损伤 可引起阴茎海绵体平滑肌细胞，尤其是白膜下阴茎海 绵体平滑肌细胞的凋亡，导致海绵体功能不良；其次 是海绵体内胶原成分的显著增加，临床病理活检和动 物实验均发现在双侧阴茎勃起神经损伤时，TGF—p和 胶原 I／III的表达显著增加 。另外，静脉漏亦是前 列腺癌根治术后的另一项病理改变。 (二 )下尿路综合征 (LUTS)和前列腺良性增 生 (BPH)症与男性勃起功能障碍 近 l0年来，越来越多的流行病学研究证明了下 尿路综合征 (LUTS)和前列腺良性增生症 (BPH) 与男性勃起功能障碍有密切关系 。在美国和欧洲完 成的一项关于 12815例老年病人的调查 (MsAM一7) 表明49％的LUTS病人患有勃起功能障碍。澳大利亚 的调查发现，84％的20—80岁的男性患有不同程度的 LUTS，其中32％的患有勃起功能障碍。日本亦有类 似 的报道 。 虽然具体的分子生物学机理并不清楚，几类可能 北京大学第一医院男科中心 的下尿 路综 合征 (L U T S)和 前列腺 良性 增生 (BPH)导致男性勃起功能障碍原理已经被提出。 包 括交感性神经活性和 白发活动的增加；调控阴茎海绵 体平滑肌细胞收缩信号通路RhoA／ROCK的改变；以 一 氧化氮合成酶／一氧化氮释放障碍为表现的内皮功能 不全 ； 动脉硬化导致的盆腔缺血；以及老年性激素 失调等。以上诸多因素最终导致阴茎海绵体平滑肌细 胞萎缩和海绵体内胶原成分的增加。 (三 )糖尿病与男性勃起功能障碍 WHO的报告指出，目前世界上约有 1．5亿病人患 有不同程度的糖尿病， 并预计在 2025年将会增加 l 倍。I型和 II型糖尿病病人患勃起功能障碍的可能性 是正常人的 3倍。研究表明， 50％一75％的糖尿病病 人患有不同程度的勃起功能障碍 。 大量动物实验和临床病理活检表明，多因素机制 是糖尿病导致勃起功能障碍的主要机理。糖尿病病人 阴茎海绵体平滑肌细胞松弛能力的减低与NO生物活 性 的低下有关 ，这主要是 阴茎海 绵体 内皮细胞 中 eNOS表达降低，eNOS活性减弱，eNOS蛋白Ser— l177磷酸化的减少等所致。最新的研究发现，HSP90 是 eNOS的主要活化因子，而高血糖可影响eNOS与 HSP90的正常相互作用；另一方面，caveolin一1则通 过与eNOS竞争其钙调蛋白结合位点而抑~1]eNOS的酶 活性，实验发现，糖尿病时caveolin—l的表达显著增 加。其次，阴茎海绵体内皮细胞的损伤亦导致了NO非 依赖性内皮松弛因子的减少，包括内皮源性多极因子 (EDHF)和前列环素 (prostacyclin)等 。 近年来，二条调控阴茎海绵体平滑肌收缩的信号 通路Rho A／ROCK引起了广泛关注。大量的体外和动 物实验研究发现， 高血糖及糖尿病可导致 Rho A和 ROCKI／II表达及活性的提高，从而使阴茎海绵体平滑 肌难以松弛并完成正常勃起。 (四)阴茎硬结症与男性勃起功能障碍 阴茎硬结症在男性的发病率为0．38％ 3％不等 ， Lindsay调查了19,-~83岁的男性，阴茎硬结症的发病率为 0．38％，而La Pera等发现在50-69岁男性中发病率高 达 7．1％。虽然阴茎硬结症并不常见，但男性勃起功 能障碍在此类病人中具有非常高的发生率。Jarow和 Lowe报告80％的阴茎硬结症患者为勃起功能障碍，而 维普资讯 http://www.cqvip.com 48 Chinese Journal of Andrology Vo1．20 No．9 2006 Jordan和Angermerier则发现几乎100％的阴茎硬结症 病人患有勃起功能障碍。 目前 ，有关的具体机理并不清楚 。可能的原理 包括阴茎白膜硬结斑块形成过程中一些特殊部位形成 的静脉漏，血管性 因素，阴茎硬结症继发的心理性 因素等。我们的研究发现，阴茎硬结症时TGF／SMAD 信号通路的高度活化是勃起功能障碍形成的一个重要 分子生物学机制。 (五 )心血管疾病与男性勃起功能障碍 心血管疾病，尤其是冠心病与男性勃起功能障碍 有密切关系，它们具有相同的高发因素，包括糖尿病、 高血压、高脂血症、肥胖和嗜烟等 。Montoris等调查 了700例冠心病人，发现42％一57％患有男性勃起功 能障碍 ；而在隐性冠心病人 中，勃起功能障碍的发 生率亦高达33．8％。在另一面，勃起功能障碍又是许 多心血管疾病的预警指标。研究表明，100％的I型糖 尿病人在发生冠心病之前已忠有男性勃起功能障碍， 而且多在 33．8个月之前 “。 正常的血管内皮细胞产生许多血管疏缩因子 ， 包括NO，前列腺素尤其是前列环素和TXA2等。心 血管疾病导致男性勃起功能障碍的主要机制是血管内 皮细胞功能损伤。 (六 )帕杰金氏病与男性勃起功能障碍 自1990年Brown等首次调查帕杰金氏病与男性勃 起功能障碍的相关性以来，已有诸多研究报告发表。 2003年，Hobson等的调查表明，60％一65％ 帕杰金 氏病人患有男性勃起功能障碍，是同年龄正常人的2倍 (P<0．007)。 而 Sakakibara的研究进一步指出，当 帕杰金氏病人出现盆腔脏器功能不全时，79％的病人 将患勃起功能障碍。 但是，其具体的病理机制 目前并不 明确 。普遍 认为：心理压力、慢性病负担、行为改变、疲劳、卧床 所致活动减少、手指活动困难、自我活动独立性的减低 等，均是勃起功能障碍的致病因素。最新的研究发现， 中枢神经系统中的多巴胺信号通路是帕杰金氏病导致 男性勃起功能障碍一个主要因素。中枢神经系统调控 阴茎勃起主要依赖于大脑海马回的PVN区中的多巴胺 系统，中枢性的性信号输出通过脊髓至外周运动神经 到达阴茎并控制其勃起。动物实验研究表明，Dz型多 巴胺受体诱发阴茎勃起，而D 型多巴胺受体则抑制阴 茎勃起。在帕杰金氏病时，大脑海马回的多巴胺系统严 重受损，从而导致勃起功能障碍。 二、PDE5及其抑制剂的研究进展 (一 )PDE5亚型活性的研究 PDE是细胞内调控第二信使cAMP~WcGMP细胞 内浓度的关键活性酶，人类基因编码了21个 PDEs基 因并被分为l2个家族，目前发现共有60余个PDE酶 亚型分布于全身各个脏器组织。其中PDEs是分布于 阴茎最主要的功能亚型，调控阴茎的勃起与松弛。 PDE5共有 3个亚型，包括 PDE5 ，PDE5 2和 PDEs 。研究表明，PDEs z是人类阴茎中的功能酶， 但对 PDEs 和 PDEs 的功能及其意义了解甚少。我 们 克隆了PDEs 3个亚型的全长cDNA，并构建了 其杵状病毒表达系统在蝴蝶昆虫表达细胞中表达纯化 了PDE5 ，PDE5 2和PDE5 3 3个活性酶。通过两步 法酶活性研究发现，它们的cGMP水解活性(Km)分别 是PDEsAI[4．76+0．37 uM】，PDE5A2[4．52~0．09 uM】和 PDEsA3[1 1．39~0．22 uM】。它们的cGMP结合活性(Kd) 分别是PDEsAl[1．20~0．34 laM]，PDE5A2[2．83~0．56 uM】 和PDEsA3[2．28~0．38 u M】。Vardenafil对PDE5共有3 个亚型抑制的半数有效率(ic5o)分别是PDE5 [0．41~0．15 M】，PDEsA2[0．23~0．08 uM】和PDE5A3[0．45~0．06 uM】， 其效率是 Sildenafil的 3 l2倍。 (二 )PDE5蛋白三维结构的研究 PDEs由一个氨基酸端调节域和一个碳端金属离子 结合水化域构成。PDEs的碳端金属离子结合水化域在 PDE5的各个亚型中高度保守，也是其功能域和 PDEs 抑制剂的结合位点。PDEs的水化域又包括多个亚功能 域，包括3个发夹状亚功能域：1个N．端的折截区， 1个连接区和 1个C端的发夹状结构束。虽然PDE 在 其水化域仅有 PDE 的 23％的同源序列，但其拓谱构 相却与PDE 非常相近，其活性位点位于c端发夹束 的中央，底物袋深约 10h，开 口狭小而内袋宽敞，容 积约330 A ，其中包括金属结合位M 点，中心 Q袋， 水化H袋和盖L区。而H袋和L区是PDE5区别于PDE 的主要点。 Byung．Je Sung等的研究发现， 目前临床 上广泛应用的3种PDE 抑制剂，各有其独特的方式与 PDE5结合。Tadalafil并不和PDE5的L区结合 ，而与 H袋具有相当强的结合；另一方面，Vardenafil拥有 与 Sildenafil非常相似的结合方式 。 (三 )PDE5与淫羊霍甙 近年来，淫羊霍甙作为常用的治疗男性勃起功能障 碍中药，已经引起了广泛的关注。大量的体外实验证明， 淫羊霍甙对各种来源的Pc 均有明显的抑制效应。我们 的研究发现，淫羊霍甙对PDE5共有3个亚型抑制的半数 有效率(IC50)，分别是 PDE5Al[0．41~0．15 u M，PDE5A2 [0．23~0．08 u M】和PDE5A3[0．45~0．06 u M】，其效率是 Sildenafil的1／100倍。最新来 自美国北卡罗林那大学的 研究表明，淫羊霍甙除对野生型PDE 有抑制作用外， 其对PDE 的一些体外突变型也有明显的抑制作用[IDI~ 维普资讯 http://www.cqvip.com 中国男科学杂志 2006年第 2O卷第 9期 49 通过蛋白晶体三维构像研究发现，淫羊霍甙可与 PDE 的活性位点结合，并在PDEs的H环袋中形成两个 B一束，使H环袋收紧从而完全关闭PDEs的活性位点。 淫羊霍甙可与 PDEs结合形成了5个结合氧。 (四 )PDE5 siRNA的研究及应用 siRNA技术是近年来形成的一项新技术，并被广 泛应用在基因的转录调控中，是调低阴茎中PDEs表达 水平的一条提高勃起功能的分子生物学捷径。 我们 将编码一段PDE siRNA的基因序列克隆 到 pSUPER 载体中，并在包装细胞中形成反转录病 毒。在体外，该病毒感染人类阴茎海绵体平滑肌细胞 后，在细胞 内表达 PDE s siRNA从而调低阴茎中的 PDE5表达水平。通过 RT-PCR和 Western Blot证实， PDEs的表达被调低了88．2％。细胞内的cGMP水平也 被明显提高，SNP刺激之后，cGMP可保持较高水平 达 4h。 进一步的动物实验发现，PDEs siRNA可显著 提高大白鼠的勃起功能。 三、神经性勃起功能障碍的研究 虽然大多数勃起功能障碍可以通过口服药物得以 治疗，但是神经性男性勃起功能障碍的治疗效果并不 理想。导致神经性男性勃起功能障碍的因素包括全身 性和局部神经损害。糖尿病是引起阴茎勃起神经损害 的常见全身原因，而盆腔手术，尤其是前列腺癌根治术 是导致阴茎勃起神经损害的常见局部原因。 (一 )阴茎神经再生的体外研究 如何促进损伤的阴茎勃起神经恢复与再生是男科 学的重要研究课。我们利用大鼠阴茎勃起神经的盆 腔大神经节 (MPG)，在体外构建了一个三维培养体 系来研究各种生长因子对神经再生的影响⋯ 。结果表 明，VEGF，BDNF，NT3，NT4和它们的组合均能够显著 促进神经纤维从MPG中再生，其 中VEGF和NT 的组 合效果最好。通过对新生神经纤维中的TH，NOS和 Ache表达的免疫组化检测发现，VEGF与BDNF可等 量诱导TH和NOS神经纤维的再生，而BDNF在诱导 Ache神经纤维的再生方面弱于 VEGF。 实际上，这个盆腔大神经节三维培养体系可用来 研究其他因素对神经再生的影响，如PGE。、FK1706和 cGMP等。 (二 )阴茎神经再生的动物实验研究 多年 以来，我们一直致力于寻找促进阴茎神经再 生的方法，并在动物试验中取得了满意效果。神经性勃 起功能障碍的动物模型是通过双侧阴茎勃起神经的钳夹 或冷冻来达到局部神经损害，或通过STZ诱导糖尿病来 达到全身神经损害的。将BDNF基因重组克隆到腺病毒 载体中构成AAV-BDNF，并将其注射到勃起功能障碍 的大鼠阴茎中，4 8周后，勃起功能与对照相 比显著 改善，ICP分别为 (58．5~11．7)cmn2O和 (61．3±12．5) cmH2O，而同期的对照分别为 (28．4~5．5)cmH2O和 (37．7~7．9)cmH2O。进一步的研究表明，VEGF可以 协同促进 AAV-BDNF的神经恢复功能 ” 。 最新的研究发现，亲免素配体除了免疫抑制作用 外，具有显著的促进神经恢复之功效。但是目前临床 上常用的亲免素如FK506等对FKBP-12的结合具有非 常强的免疫抑制作用，难以用于神经修复中。而另一 类不具备免疫抑制作用的亲免素配体则被用于治疗神 经损伤中，如GPI一1485已在临床试验治疗前列腺癌根 治术所导致的阴茎勃起神经损害。我们在神经性勃起功 能障碍的动物模型中试验了另一种非免疫抑制亲免素配 体FK1706，结果发现，FK1706可显著改善勃起功能并有 剂量依赖性。低剂量FK1706(0．1mg／kg)可提高ICP到 (44．1±12．9)cmH2O；高剂量FK1706(1．0mg／kg)可 提高ICP到 (80．1±7．8)cmH2O ⋯。 (三 )调控阴茎神经再生的细胞信号通路 目前的研究表明，4条主要的细胞信号通路参入 了阴茎神经的再生，包括 JAK／STAT、MAPK、IP3和 PLC，其中JAK／STAT最为重要。 将大鼠的双侧阴茎神经切断，在不同时间收集 MPG并检测其中的JAK2，p-JAK2，STATl，P—STATl， STAT3和 P—STAT3，结果发现 JAK／STAT细胞信号通 路被激活并在损伤后24h达高峰，之后逐渐回落。同 时，MPG和阴茎中的BDNF表达显著提高，并有同样 的时间曲线。进一步的体外实验发现，BDNF可在体 外激活 MPG中的 JAK／STAT细胞信号通路。 (四 )其他 2006年，Nelson B．A等在 27例接受前列腺癌根 治术治疗的病人中，试验了神经植片在神经损伤修复 中的作用，发现神经植片术可一定程度上提高前列腺 癌根治术后病人的勃起功能恢复率。 四、干细胞技术与男性勃起功能障碍 众所周知，干细胞技术是近年来生物学领域的一 项高新技术，在各个学科得到了广泛应用。虽然其在 男性勃起功能障碍的应用和研究尚少，但也已经起步。 (一 )胚胎干细胞 来 自胚胎 内细胞团的胚胎干细胞具有多极分化 性，可以分化成平滑肌细胞、内皮细胞、神经细胞等， 而且可以分泌各种细胞因子。我们在体外将从胚胎内细 胞团分离到的干细胞诱导分化成神经性干细胞，然后 将该类细胞注射到神经性勃起功能障碍模型的大鼠阴 茎和盆腔大神经节中。结果发现，阴茎中NOS源性神 经纤维明显增加，勃起功能显著改善 “。 维普资讯 http://www.cqvip.com 50 Chinese Journal of Andrology Vo1．20 No．9 2006 (二 )骨 髓 干 细胞 骨髓干细胞是来 自骨髓具有多极分化潜能的一类 成体干细胞，可分化成骨细胞、平滑肌细胞 、心肌 细胞和脂肪细胞等。骨髓干细胞在体外培养扩增后， 转染AdRSVeNOS，并注射到老年大鼠阴茎中。7d后， 阴茎中的NOS表达明显提高；21d后，NOS仍然维持 在高水平，而且 ICP明显提高，勃起功能得到改善。 (三 )循环性 内皮 多分化细胞 最新的研究发现，机体循环系统中存在着一些内 皮多分化细胞，它们可以随时到达全身内皮损伤的部位， 并修复维持正常的内皮功能。在心血管疾病和男性勃 起功能障碍时，循环性内皮多分化细胞显著减少。此 可作为诊断勃起功能障碍的一项指标，而且也是将来 干细胞治疗勃起功能障碍的一个途径。 五、基因治疗在男性勃起功能障碍中的应用 基因治疗已经研究了近20年，虽然未有非常 成功的方法，目前仍然有许多在研究之中。在治疗 男性勃起功能障碍方面，亦有不少基因治疗方法 。 (一 )eNOS基因治疗 NO作为阴茎勃起的主要递质，是有NOS合成的， 大量的研究表明随着年龄的增长，NOS活性的减低是老 年性勃起功能障碍的主要原因。因此，Kadowitz PJ 等将eNOS基因克隆到重组腺病毒载体AdCMV中构成 AdCMVeNOS并转染到成年老鼠阴茎中。结果表明， eNOS基因和蛋白显著提高，而且勃起功能也有明显改 善。作者进一步将AdCMVeNOS应用于治疗 STZ诱 导的糖尿病模型老鼠的勃起功能障碍并取得实效。 (二 )CGRP基因治疗 CGRP是一个由37个氨基酸构成的神经多肽，是 潜在的血管松弛因子。分布在阴茎中的CGRP也协助 阴茎海绵体平滑肌的松弛。研究表明，老年时该基因显 著下调。目前已有学者将CGRP基因重组到腺病毒载 体构建了AdRSVprepro—CGRP，并转染老年大鼠，结 果表明可显著提高大鼠的勃起功能。 (三)SOD基因治疗 导致老年勃起功能障碍的另外一个因素是过氧化 物增加，因此提高SOD酶活性可减低阴茎中的过氧化 物负荷，提高cGMP的细胞内浓度。研究表明，将SOD 基因重组到腺病毒载体构建的AdCMVEC—SOD可显著 提高老年大鼠的勃起功能。 (四)RhoA，Rho激酶基因治疗 已如前述，RhoA／Rho激酶信号通路是调控阴茎 海绵体平滑肌细胞收缩的关键因素。RhoA／Rho激酶 和MYPTt磷酸化的增加可导致阴茎海绵体平滑肌细胞 中MLC磷酸化的增加，从而使细胞处于收缩状态 ， ~tHSTZ诱导的大鼠糖尿病模型的勃起功能障碍就是由 此而来。将 RhoA的突变型 19N RhoA重组到腺病毒 载体构建成AAVTCMV19N RhoA并注射到糖尿病模型 大鼠阴茎中可改善其勃起功能。 六 、展 望 随着干细胞技术、分子生物学技术的进一步发 展，男性勃起功能障碍的基础研究必将取得以下的突 破：成体干细胞在治疗男性勃起功能障碍方面的应 用；糖尿病所致神经性男性勃起功能障碍的机理与治 疖 阴茎海绵体平滑肌细胞收缩信号通路的调控及其在 治疗男性勃起功能障碍中的应用；新的PEIB抑制剂的 研制，尤其是中药等天然药物的研制与开发；基因工程 及其组织工程在治疗男性勃起功能障碍中的应用等。 关键词 阴茎； 勃起功能障碍； 基础研究 中图分类号 R 697．14 参 考 文 献 l Burnett AL．Erectile dysfunction．J Urol 2006；1 75(3Pt2)： $25．3l 2 Kendirci M，Bejma J，Hellstrom WJ．Update on erectile dysfunction in prostate cancer patients．Curr Opin Urol 2006；l6(3)；l86-l95 3 Crawford ED，Bennett CL，Stone NN，et a1．Comparison of perspectives on prostate cancer：analyses of survey data． Urology 1997；50(3)：366-372 4 Penson D F'Feng Z，Kuniyuki A，et a1．General quality of life 2 years following treatment for prostate cancer： what influences outcomes?Results from the prostate canceroutcomes study．JClinOncol2003；21(6)；l147一l154 5 Kendirci M．Hellstrom W J．Current concepts in the management of erectile dysfunction in men with prostate cancer．CIin Prostate Cancer 2004；3(2)：87—92 6 LeungwattanakIj S，Bivalacqua TJ，Usta MF，et a1． Cavernous neurotomy causes hypoxia and fibrosis in rat corpus cavernosum．J Androl 2003；24(2)：239—245 7 Rosen RC．Update on the relationship between sexual dysfunction and lower urinary tract symptoms／benign prostatic hyperpl~ia．Curr Opin Urol 2006；l6(1)：ll-l9 8 McVary K．Lower urinary tract symptoms and sexual dysfunction：epidemiology and pathophysiology．BJU lnt 2006；97(Suppl 2)：23-8；discussion 44-45 9 MusickiB，BurnettAL．Endothefi~dysfunctionindiabetic erectile dysfunction．Int J Impot Res 2006：1-10 l 0 Deveci S，Palese M ，Parker M，et a1．Erectile function 维普资讯 http://www.cqvip.com 中国男科学杂志 2006年第 20卷第 9期 5l (上接第 4 6页 ) 24 25 2o00；1 5(4)：925—928 Layman LC，Cohen D XJe J，et a1．Fertil Steril 2002；78 f6)：1317．1320 Rovio AT,M archin【gton DR，Donat S，et a1．Nat Genet 2o01；29(3)：261．262 Vogt PH．Curr Pharm Des 2004；10(5)：471·500 Ruiz—Pesini E，Lapena AC，Diez·Sanchez C，et a1．Am J Hum Genet 2000；67(3)：682．696 Lin YM，Chen CW ，Sun HS， a1．MolHum Reprod 2001；7(11)：1015·1022 Blocher S，Behr R，Weinbauer GF,et a1．Theriogenology 2003；60(7)：1357．1369 Kleiman SE，Lagziel A，Yogev L，et a1．Fertil Steril 29 30 32 33 2o01：75(1)：166—173 WHght WE，Shay JW ，Piatyszek MA， a1．Nucleic Acids Res 1995：23(18)：3794—3795 Schrader M ，M uller M，Heicapell R，et a1．Fertil steril 2o00：73(4)：706．71 1 叶哲伟，陈晓春，范民，等．华中科技大学学报 ·医学版 2003；32(11：58—61 Yuan L，Liu JG，Zhao J，eta1．Mol fj 2000；5(1)：73—83 Miyamoto T'Hasuike S，Yogev L，et a1．Lancet 2003； 362(9397)：1714．1719 Hansen M ，Kurinczuk JJ，Bower C，et a1．N Engl J Med 2002；346(1 01：725．730 (2006 08—08收稿) 维普资讯 http://www.cqvip.com