雷帕霉素藥理作用的研究進(jìn)展*

吳加?xùn)|，王愛飛，徐又佳，孫煥建

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

哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)信號(hào)通路是細(xì)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(guān)，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(jī)制、多重作用及臨床應(yīng)用等。

1 雷帕霉素的作用機(jī)制與歷史

雷帕霉素最初是從復(fù)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(dòng)物細(xì)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(hào)傳導(dǎo)的重要介質(zhì)，S6K1是一種由多種激動(dòng)劑激活的絲氨酸/蘇氨酸激酶。雷帕霉素和FK506結(jié)合蛋白(FKBP12)形成復(fù)合體，結(jié)合mTORC1并抑制其活性。生物化學(xué)及遺傳分析顯示，mTOR主要存在2種功能不同的復(fù)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(jié)合蛋白1(4EBP1)是mTORC1的2種具有良好特性的底物。只有mTORC1對(duì)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(xì)胞類型的mTORC2。

人們對(duì)mTORC1在疾病中的作用和調(diào)控了解較多，它能感應(yīng)外界生長因子、營養(yǎng)素、能量和氧狀態(tài)的多個(gè)信號(hào)，從而控制細(xì)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(hào)失調(diào)在癌癥和一些遺傳疾病中經(jīng)常被發(fā)現(xiàn)，同時(shí)和衰老及年齡相關(guān)疾病有密切關(guān)系。mTORC2可通過激活絲氨酸激酶和蛋白激酶1參與細(xì)胞的存活，還可通過激活PKCa等調(diào)節(jié)肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架[7]。

2 雷帕霉素的多重作用及相關(guān)應(yīng)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┘?xì)胞提供了與正常細(xì)胞相比具有選擇性生長的優(yōu)勢。為了滿足細(xì)胞增殖的高度需求，癌細(xì)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(dòng)蛋白質(zhì)合成外，mTORC1的致癌激活促進(jìn)了參與癌細(xì)胞代謝的基因表達(dá)程序。mTORC1的激活通過上調(diào)缺氧誘導(dǎo)因子α(hypoxia-inducible factors α，HIFα)和c-Myc促進(jìn)糖酵解，通過固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)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(rèn)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(zhǔn)用于治療晚期腎癌。2011年，F(xiàn)DA批準(zhǔn)使用依維莫司治療進(jìn)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(xì)胞肺癌、肝細(xì)胞癌；地磷莫司用于晚期骨軟組織肉瘤、實(shí)體瘤；替西羅莫司用于晚期神經(jīng)內(nèi)分泌癌、晚期或復(fù)發(fā)性子宮內(nèi)膜癌、復(fù)發(fā)或難治性套細(xì)胞淋巴瘤等研究正在進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)?？傮w而言，這些衍生物在臨床上僅對(duì)主要實(shí)體瘤取得有限的療效，可能與mTOR相關(guān)的負(fù)反饋回路有關(guān)[9]。

2.2雷帕霉素在淋巴管平滑肌瘤病(lymphangio-leiomyomatosis，LAM)、結(jié)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(xì)胞異常增殖。這些細(xì)胞通過特殊機(jī)制浸潤肺，可導(dǎo)致抗炎反應(yīng)，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(guān)聯(lián)。TSC是一種遺傳性疾病，其特征是涉及多個(gè)器官系統(tǒng)的良性錯(cuò)構(gòu)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(hào)直接和不受控制的細(xì)胞生長相關(guān)聯(lián)，使用mTORC1抑制藥有潛在的益處。一項(xiàng)雙盲、隨機(jī)、安慰藥對(duì)照試驗(yàn)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(jìn)行為期1年的觀察。結(jié)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(shí)需要更多的試驗(yàn)來調(diào)查雷帕霉素的治療持續(xù)時(shí)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(jìn)行的 兩個(gè)單獨(dú)試驗(yàn)評(píng)估西羅莫司或依維莫司對(duì)血管平滑肌脂肪瘤的作用，結(jié)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(dāng)西羅莫司停用時(shí)，腫瘤恢復(fù)到原來的狀態(tài)，強(qiáng)調(diào)了雷帕霉素和其衍生物對(duì)細(xì)胞的抑制作用，而不是細(xì)胞毒性作用。由于雷帕霉素為基礎(chǔ)的治療抑制免疫功能，并可能導(dǎo)致嚴(yán)重的不良反應(yīng)，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(rèn)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(zhuǎn)與自閉癥相關(guān)的社會(huì)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(hào)中涉及的基因和蛋白表達(dá)的改變有關(guān)，因此，抑制mTORC1是一種潛在的治療選擇。2012年，F(xiàn)DA批準(zhǔn)使用依維莫司治療患有室管膜下巨細(xì)胞星形細(xì)胞瘤的TSC患者。室管膜下巨細(xì)胞星形細(xì)胞瘤是TSC的一種神經(jīng)學(xué)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(hù)，包括阿爾茨海默病、帕金森病等[13]。錯(cuò)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(dòng)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(dǎo)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(jìn)展。在骨代謝中，2017年YIN等[14]報(bào)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(xì)胞死亡，使成骨活性增加，從而促進(jìn)骨折愈合。2019年WU等[15]報(bào)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(zhuǎn)換骨質(zhì)疏松小鼠骨量。同年GAMBACURTA等[16]利用人血源性干細(xì)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(dǎo)的成骨分化過程中人血源性干細(xì)胞的蛋白質(zhì)組學(xué)和表觀遺傳學(xué)變化，認(rèn)為雷帕霉素通過增加GATA4和Sox17調(diào)節(jié)下游轉(zhuǎn)錄因子(如Runx2)，誘導(dǎo)人血源性干細(xì)胞向成骨分化的轉(zhuǎn)錄激活，對(duì)骨形成至關(guān)重要。在原發(fā)性或轉(zhuǎn)移性骨腫瘤中，mTOR異常活躍，破骨活性增強(qiáng)，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(duì)壽命的影響 mTOR信號(hào)是壽命調(diào)節(jié)的重要參與者，它的遺傳或藥理學(xué)抑制，可延長無脊椎動(dòng)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(gè)月齡或者20個(gè)月齡時(shí)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(dòng)物中的首次發(fā)現(xiàn)。其他組的后續(xù)研究也證實(shí)雷帕霉素對(duì)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(jié)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(yīng)無關(guān)。為了驗(yàn)證雷帕霉素減緩衰老的假說，有學(xué)者說使用遺傳異質(zhì)性小鼠模型并在小鼠9個(gè)月齡開始給予雷帕霉素治療(持續(xù)1年)，分析其年齡相關(guān)的病理及年齡依賴的自發(fā)性活動(dòng)。結(jié)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(dòng)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(duì)代謝的影響 響應(yīng)于營養(yǎng)素和生長因子，mTOR信號(hào)作為細(xì)胞新陳代謝的關(guān)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。空腹時(shí)，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(shí)，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(hào)失調(diào)與一些代謝性疾病如糖尿病、肥胖癥的發(fā)展有關(guān)。雷帕霉素抑制mTOR信號(hào)后對(duì)代謝既有益處，也有破壞性作用，具體機(jī)制未明。例如，雷帕霉素治療通過破壞S6K介導(dǎo)的反饋回路提高了體內(nèi)和體外胰島素敏感性，同時(shí)抑制脂肪細(xì)胞分化并防止C57BL/6J小鼠高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖。此外有報(bào)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(jìn)大鼠胰島素抵抗和高脂血癥；雷帕霉素治療飲食誘導(dǎo)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(shí)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(shí)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(jī)制及揭示復(fù)雜信號(hào)通路的認(rèn)識(shí)上已取得相當(dāng)可觀的發(fā)展。不受控制的mTORC1介導(dǎo)信號(hào)常常出現(xiàn)在人類疾病中，雷帕霉素對(duì)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(chǔ)的治療已顯示出對(duì)腎癌、TSC、淋巴管平滑肌瘤病相關(guān)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(dǎo)的信號(hào)系統(tǒng)、存在若干反饋回路以及促進(jìn)細(xì)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(yīng)，主要包括頭痛、惡心、頭暈、鼻出血、關(guān)節(jié)疼痛等。因此，迫切需要進(jìn)一步定義這些新信號(hào)通路過程并開發(fā)能夠克服這些缺點(diǎn)的新策略，雷帕霉素聯(lián)合治療有望進(jìn)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(huì)改善療效和安全性，這也是未來需要重點(diǎn)研究的方向。