В связи со своей значительной ролью регуляторов многих внутри - и межклеточных взаимодействий ферменты фосфодиэстеразы давно стали привлекательной мишенью для терапевтического воздействия. Так, в клинике широко используется Sildenafil («Виагра») — ингибитор фосфодиэстеразы-5. Фермент фосфодиэстераза 4 типа (PDE4) регулирует концентрации циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) — универсального посредника при передаче внутриклеточного сигнала от клеточной мембраны к эффекторным системам клетки, вызывая реакцию клетки на воздействие внешнего биологически активного вещества, например гормона.

Во многих исследованиях ранее была показана роль PDE4 в развитии таких заболеваний, как шизофрения, инсульт, астма, остеопороз и рак простаты. Несмотря на большое количество созданных регуляторов, ингибирующих активность PDE4, их применение сопровождалось побочными эффектами, такими как головная боль, тошнота и рвота. Основная сложность в поиске эффективного селективного ингибитора для фософдиэстеразы-4 заключается в том, что синтез этого фермента кодируется четырьмя генами PDE4 (A/B/C/D) и в клетках присутствует до 25 его пространственных изоформ, отличающихся уникальными N-концевыми участками. Предыдущие усилия по созданию ингибитора, который мог бы выборочно воздействовать на нужную форму PDE4, были не очень удачными в связи с большим сходством активных центров этих ферментов.

Международная группа генетиков из США и Исландии провела обширные исследования строения и пространственной структуры фосфодиэстеразы-4 и на основе полученных данных проанализировала более 800 потенциальных агентов, способных повлиять на активность этого фермента. Наиболее эффективными оказались некоторые аллостерические модуляторы активности PDE4, так как при их воздействии не наблюдалось побочных эффектов, обычно возникающих при ингибировании фосфодиэстеразы-4. Действия аллостерических модуляторов основывается на изменении степени активности фермента за счёт изменения его пространственного строения: когда молекула связывается с одним из сайтов на поверхности белка, это вызывает изменения конформации, которые открывают активные сайты в других участках белка.

Особенно удачными оказались результаты ингибирования отобранными аллостерическими модуляторами изоформ фосфодиэстеразы, синтезируемых с гена PDE4D. Подробное изучение строения PDE4D позволило выявить отличия в строении одной из спиралей этого белка — он оказался мутантен по шестому аминокислотному остатку — вместо тирозила (как у форм PDE4A/B/C) содержал фенилаланил. В результате замена всего одного аминокислотного остатка сказывается на изменении строения боковых цепей белка и открывает доступ к активному каталитическому участку фермента.

Исследователи предположили, что побочные эффекты терапевтического применения ингибиторов фосфодиэстеразы-4 объясняются неизбирательным воздействием ингибитора без поправки на пространственное строение. По их мнению, ингибирование именно изоформы PDE4D в клетках головного мозга вызывает побочные эффекты в виде тошноты, рвоты и головокружения. На основе этих предположений авторы разработали ряд высоко селективных ингибиторов фосфодиэстеразы-4, которые не только не вызывали побочных эффектов, но и показали снижение чувствительности при воздействии на рвотные центры в головном мозге (area postrema) и улучшили характеристики когнитивных процессов. Полученные результаты могут способствовать разработке новых подходов для терапии заболеваний центральной нервной системы, связанных с нарушением сигнальных путей цАМФ, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Хантингтона, шизофрения и депрессия.