吳加東，王愛飛，徐又佳，孫煥建

[1.南京醫(yī)科大學鹽城臨床醫(yī)學院骨科，鹽城 224005；2.江蘇醫(yī)藥職業(yè)學院臨床學院(鹽城市第三醫(yī)院)骨科，鹽城 224005；3.蘇州大學附屬第二醫(yī)院骨科，蘇州 215200]

哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)信號通路是細胞生長和代謝的調(diào)節(jié)器。mTOR通路失調(diào)與許多人類疾病有關，如癌癥、糖尿病、肥胖癥、神經(jīng)疾病和遺傳病[1-5]。雷帕霉素是mTOR的特異性抑制藥，筆者在本文討論雷帕霉素的作用機制、多重作用及臨床應用等。

1 雷帕霉素的作用機制與歷史

雷帕霉素最初是從復活島土壤中的吸水鏈霉菌產(chǎn)生的一種抗真菌代謝產(chǎn)物，隨后被發(fā)現(xiàn)在哺乳動物細胞中具有免疫抑制性和抗增殖特性，激發(fā)了人們研究其作用模式的興趣[6]。雷帕霉素是核糖體蛋白S6激酶1(ribosomal protein S6 kinase 1，S6K1)激活的有效抑制藥以及磷酯酰肌醇3激酶信號傳導的重要介質(zhì)，S6K1是一種由多種激動劑激活的絲氨酸/蘇氨酸激酶。雷帕霉素和FK506結合蛋白(FKBP12)形成復合體，結合mTORC1并抑制其活性。生物化學及遺傳分析顯示，mTOR主要存在2種功能不同的復合物：mTORC1和mTORC2。mTORC1由 mTOR、 raptor、PRAS40、mLST8、DEPTOR等組成。mTORC2由mTOR、rictor、mSIN1、mLST8等組成，protor1/2和DEPTOR是另外的調(diào)節(jié)成分。S6K1和真核抑制因子eIF4E結合蛋白1(4EBP1)是mTORC1的2種具有良好特性的底物。只有mTORC1對雷帕霉素的抑制敏感，長期暴露于雷帕霉素通過鰲合新合成的mTOR分子來抑制某些細胞類型的mTORC2。

人們對mTORC1在疾病中的作用和調(diào)控了解較多，它能感應外界生長因子、營養(yǎng)素、能量和氧狀態(tài)的多個信號，從而控制細胞生長和增殖所需的過程，包括mRNA的生物合成、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核苷酸合成、能量代謝和自噬。mTORC1信號失調(diào)在癌癥和一些遺傳疾病中經(jīng)常被發(fā)現(xiàn)，同時和衰老及年齡相關疾病有密切關系。mTORC2可通過激活絲氨酸激酶和蛋白激酶1參與細胞的存活，還可通過激活PKCa等調(diào)節(jié)肌動蛋白細胞骨架[7]。

2 雷帕霉素的多重作用及相關應用

2.1雷帕霉素在癌癥中的作用 由于癌基因(如磷酯酰肌醇3激酶、絲氨酸激酶或Ras)的功能增益突變和(或)腫瘤抑制因子(如PTEN、LKB1或TSC1/2)功能喪失突變，在許多人類癌癥中可觀察到mTORC1的激活增加。這些突變?yōu)榘┘毎峁┝伺c正常細胞相比具有選擇性生長的優(yōu)勢。為了滿足細胞增殖的高度需求，癌細胞在營養(yǎng)吸收和能量代謝方面經(jīng)常發(fā)生根本性的改變，這些過程直接由mTORC1調(diào)控[8]。因此，除了驅(qū)動蛋白質(zhì)合成外，mTORC1的致癌激活促進了參與癌細胞代謝的基因表達程序。mTORC1的激活通過上調(diào)缺氧誘導因子α(hypoxia-inducible factors α，HIFα)和c-Myc促進糖酵解，通過固醇調(diào)節(jié)元件結合蛋白1(sterol regulatory element binding protein-1，SREBP-1)刺激脂質(zhì)生物合成和戊糖磷酸途徑，并通過SIRT4抑制正性調(diào)控谷氨酰胺代謝。因此，選擇性靶向mTORC1的藥物(如雷帕霉素)有望抑制癌癥新陳代謝，被認為是有前途的抗癌療法。雷帕霉素溶解性差，現(xiàn)在主要研發(fā)其衍生物。2種水溶性衍生物，如替西羅莫司和依維莫司，已被美國食品藥品管理局(FDA)分別在2007年和2009年批準用于治療晚期腎癌。2011年，F(xiàn)DA批準使用依維莫司治療進展的胰腺源性神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤。此外，依維莫司用于晚期胃癌、非小細胞肺癌、肝細胞癌；地磷莫司用于晚期骨軟組織肉瘤、實體瘤；替西羅莫司用于晚期神經(jīng)內(nèi)分泌癌、晚期或復發(fā)性子宮內(nèi)膜癌、復發(fā)或難治性套細胞淋巴瘤等研究正在進行檢驗和評價?？傮w而言，這些衍生物在臨床上僅對主要實體瘤取得有限的療效，可能與mTOR相關的負反饋回路有關[9]。

2.2雷帕霉素在淋巴管平滑肌瘤病(lymphangio-leiomyomatosis，LAM)、結節(jié)性硬化癥(tuberous sclerosis complex，TSC)、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、骨代謝中的作用 LAM是一種罕見的肺疾病，其特征是平滑肌樣細胞異常增殖。這些細胞通過特殊機制浸潤肺，可導致抗炎反應，囊腫形成，并最終呼吸衰竭。它幾乎只在育齡婦女中出現(xiàn)，可作為孤立性疾病單發(fā)，或與TSC相關聯(lián)。TSC是一種遺傳性疾病，其特征是涉及多個器官系統(tǒng)的良性錯構瘤的發(fā)生[10]。LAM和TSC均因TSC基因(TSC1或TSC2)的功能缺失突變引起，TSC的蛋白產(chǎn)物可抑制mTORC1活性。因此，過度活躍的mTORC1信號直接和不受控制的細胞生長相關聯(lián)，使用mTORC1抑制藥有潛在的益處。一項雙盲、隨機、安慰藥對照試驗中，89例患有中度肺損害的LAM患者予以雷帕霉素或安慰藥治療1年，隨后進行為期1年的觀察。結果表明，使用雷帕霉素后能穩(wěn)定肺功能，改善患者生活質(zhì)量，然而，一旦患者停止服用雷帕霉素后肺功能再次惡化，同時需要更多的試驗來調(diào)查雷帕霉素的治療持續(xù)時間和長期安全性[11]。約80%的TSC患者和50%的LAM女性患者也發(fā)展成血管平滑肌脂肪瘤，這是腎臟良性腫瘤。在TSC或LAM中進行的 兩個單獨試驗評估西羅莫司或依維莫司對血管平滑肌脂肪瘤的作用，結果表明西羅莫司或依維莫司可以縮小血管平滑肌脂肪瘤體積，然而，當西羅莫司停用時，腫瘤恢復到原來的狀態(tài)，強調(diào)了雷帕霉素和其衍生物對細胞的抑制作用，而不是細胞毒性作用。由于雷帕霉素為基礎的治療抑制免疫功能，并可能導致嚴重的不良反應，如血小板減少、高脂血癥、傷口難愈合、腎毒性、胰島素敏感性改變，長期使用的安全性仍然不確定。越來越多的證據(jù)表明mTORC1通路也可能參與許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病。例如，TSC患者易患有神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如癲癇、神經(jīng)認知功能障礙和自閉癥等[12]。在TSC小鼠模型中，雷帕霉素治療顯示可以抑制癲癇，逆轉與自閉癥相關的社會交往障礙，這表明，TSC基因缺乏小鼠表現(xiàn)出的異常行為與mTOR信號中涉及的基因和蛋白表達的改變有關，因此，抑制mTORC1是一種潛在的治療選擇。2012年，F(xiàn)DA批準使用依維莫司治療患有室管膜下巨細胞星形細胞瘤的TSC患者。室管膜下巨細胞星形細胞瘤是TSC的一種神經(jīng)學表現(xiàn)。許多研究表明mTORC1藥物抑制藥可以在幾種體內(nèi)神經(jīng)退行性疾病模型中提供神經(jīng)保護，包括阿爾茨海默病、帕金森病等[13]。錯誤折疊和聚集的蛋白質(zhì)積累是這些疾病的共同特征，可能由mTORC1驅(qū)動的蛋白質(zhì)合成和缺陷性自噬降解引起。因此，雷帕霉素抑制蛋白質(zhì)合成和誘導自噬可以防止或減少蛋白質(zhì)聚集。雷帕霉素可改善Leigh綜合征小鼠模型(Ndufs4—/—)的存活并減弱疾病進展。在骨代謝中，2017年YIN等[14]報道，給SD大鼠使用雷帕霉素，能增加股骨干骨折模型中斷端骨架形成，提高自噬，抑制骨折端細胞死亡，使成骨活性增加，從而促進骨折愈合。2019年WU等[15]報道雷帕霉素可抑制mTORC1，偶聯(lián)血管生成與骨形成，有效改善鐵蓄積高轉換骨質(zhì)疏松小鼠骨量。同年GAMBACURTA等[16]利用人血源性干細胞作為合適的成骨分化模型來研究太空骨質(zhì)疏松問題，分析了在微重力條件下雷帕霉素誘導的成骨分化過程中人血源性干細胞的蛋白質(zhì)組學和表觀遺傳學變化，認為雷帕霉素通過增加GATA4和Sox17調(diào)節(jié)下游轉錄因子(如Runx2)，誘導人血源性干細胞向成骨分化的轉錄激活，對骨形成至關重要。在原發(fā)性或轉移性骨腫瘤中，mTOR異?；钴S，破骨活性增強，常伴有骨破壞，mTOR抑制藥(聯(lián)合或不聯(lián)合抗腫瘤藥物)能抑制腫瘤，改善骨量，防治骨質(zhì)疏松及病理性骨折等[17]。

2.3雷帕霉素對壽命的影響 mTOR信號是壽命調(diào)節(jié)的重要參與者，它的遺傳或藥理學抑制，可延長無脊椎動物的壽命，包括酵母、線蟲和果蠅。2009年HARRISON等[18]發(fā)現(xiàn)雄性和雌性遺傳異質(zhì)性小鼠在9個月齡或者20個月齡時開始接受雷帕霉素治療并維持1.5～2年，能延長它們的平均壽命和最大壽命，這是在哺乳動物中的首次發(fā)現(xiàn)。其他組的后續(xù)研究也證實雷帕霉素對不同遺傳背景小鼠和其他模型生物體的壽命有積極影響?；谏鲜鼋Y果，有2種可能解釋：①雷帕霉素通過減緩衰老來延長壽命；②雷帕霉素抑制有害的代謝性疾病或致死性腫瘤性疾病，與衰老效應無關。為了驗證雷帕霉素減緩衰老的假說，有學者說使用遺傳異質(zhì)性小鼠模型并在小鼠9個月齡開始給予雷帕霉素治療(持續(xù)1年)，分析其年齡相關的病理及年齡依賴的自發(fā)性活動。結果表明，雷帕霉素治療的小鼠，其年齡依賴的生理變化發(fā)生變慢，包括心臟、肝臟、子宮內(nèi)膜、腎上腺和肌腱彈性的改變，年齡依賴的自發(fā)性活動也下降。雷帕霉素在許多腫瘤中具有適度的抗增殖性，其帶來的壽命延長也可以通過抑制特定的生命限制性病理(如癌癥)而產(chǎn)生。

2.4雷帕霉素對代謝的影響 響應于營養(yǎng)素和生長因子，mTOR信號作為細胞新陳代謝的關鍵調(diào)節(jié)器來協(xié)調(diào)合成代謝和分解代謝過程的平衡?？崭箷r，肌肉和肝臟通過糖原分解和糖異生產(chǎn)生葡萄糖，脂肪組織通過脂肪分解產(chǎn)生脂肪酸，而在喂食時，糖原合成在肌肉和肝臟中是有利的，脂肪攝取在脂肪組織中是有利的。mTOR信號失調(diào)與一些代謝性疾病如糖尿病、肥胖癥的發(fā)展有關。雷帕霉素抑制mTOR信號后對代謝既有益處，也有破壞性作用，具體機制未明。例如，雷帕霉素治療通過破壞S6K介導的反饋回路提高了體內(nèi)和體外胰島素敏感性，同時抑制脂肪細胞分化并防止C57BL/6J小鼠高脂飲食誘導的肥胖。此外有報道，雷帕霉素治療營養(yǎng)依賴的2型糖尿病小鼠模型2周，能使高血糖癥惡化，促進大鼠胰島素抵抗和高脂血癥；雷帕霉素治療飲食誘導的肥胖KK/HIJ小鼠6周，能使葡萄糖耐受不良加重。2012年LAMMING等[19]發(fā)現(xiàn)雖然mTORC1的減少可以延長壽命并維持正常的葡萄糖穩(wěn)態(tài)，但mTORC2的破壞有助于體內(nèi)胰島素抵抗。這些看似有爭議的發(fā)現(xiàn)可以通過雷帕霉素治療的持續(xù)時間來解釋，其他代謝如脂質(zhì)分布、氧消耗、酮生成等也根據(jù)雷帕霉素治療的持續(xù)時間不同而變化。

3 展望

自從偶然發(fā)現(xiàn)雷帕霉素以來，在mTOR作用機制及揭示復雜信號通路的認識上已取得相當可觀的發(fā)展。不受控制的mTORC1介導信號常常出現(xiàn)在人類疾病中，雷帕霉素對mTOR的抑制作用具有廣泛的臨床效果。雖然以雷帕霉素為基礎的治療已顯示出對腎癌、TSC、淋巴管平滑肌瘤病相關疾病患者的益處，但雷帕霉素治療代謝性疾病，特別是在治療癌癥方面由于療效不佳而受到限制。這可由雷帕霉素不能完全阻斷mTORC1介導的信號系統(tǒng)、存在若干反饋回路以及促進細胞存活和生長的代償通路上調(diào)來解釋。雷帕霉素還可產(chǎn)生一些不良反應，主要包括頭痛、惡心、頭暈、鼻出血、關節(jié)疼痛等。因此，迫切需要進一步定義這些新信號通路過程并開發(fā)能夠克服這些缺點的新策略，雷帕霉素聯(lián)合治療有望進一步提高療效，集中于探索具有最佳劑量的新藥物組合的研究將會改善療效和安全性，這也是未來需要重點研究的方向。