mTOR與非小細胞肺癌

王亮 綜述 許紹發(fā) 岳文濤 審校

肺癌是當今世界上嚴重威脅人類健康與生命的惡性腫瘤，每年有超過100萬人死于肺癌。世界衛(wèi)生組織報告肺癌和艾滋病將是21世紀危害人類健康最嚴重的兩種疾病。近年來隨著分子生物學的發(fā)展，磷脂酰肌醇3激酶（phosphatidylinositol 3-kinase, PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B, AKT）/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammal target of rapamycin, mTOR）PI3K/AKT/mTOR信號通路的研究逐漸成為熱點[1]。mTOR信號通路處于細胞生長繁殖、細胞周期調(diào)控、生物合成、細胞遷移等調(diào)控中心位置，扮演著重要角色[2]。mTOR的活化和其下游信號遞質(zhì)的研究為肺癌發(fā)生、發(fā)展和治療打開了一個非常有前景的領域。本文將對mTOR與非小細胞肺癌（non-small cell lung cancer, NSCLC）的關系做一綜述。

1 mTOR的分子結構及功能

雷帕霉素靶蛋白（target of rapamycin, TOR），是一種非典型的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，1994年Brown等[3]證實并克隆了哺乳動物TOR基因，即mTOR。它是一類進化上非常保守的蛋白激酶，廣泛存在于各種生物細胞中。它屬于PI3K蛋白激酶類家族，是PI3K信號通路下游的一個效應蛋白，其底物主要控制與細胞生長和增殖密切相關的蛋白質(zhì)合成。mTOR的分子結構復雜，由2 549個氨基酸殘基組成，分子中有數(shù)個各自獨立而保守的結構域，mTOR分子的氨基端存在20個串聯(lián)重復序列，每一個重復序列包含2個分別由40個氨基酸殘基組成的α螺旋，每個螺旋都有1個親水基團和1個疏水基團。這種重復結構介導蛋白質(zhì)之間的相互作用，有利于mTOR定位于漿膜。mTOR分子羧基端的中部是蛋白激酶域，結構和激酶的催化域相似[4]。mTOR主要功能是參與膜蛋白轉運、蛋白質(zhì)降解、蛋白激酶C信號和核糖體合成等一系列過程。mTOR被磷酸化激活后，通過調(diào)控4EBP和P70S6K兩條不同的下游通路，分別控制特定亞組mRNA的翻譯，mTOR調(diào)控著翻譯的生物合成，是蛋白質(zhì)生物合成的基礎[5]。

2 mTOR與NSCLC的關系

2.1 mTOR在NSCLC發(fā)生、發(fā)展中的作用 mTOR能夠加快細胞周期G1期-S期的轉換，促進細胞增殖。mTOR主要通過兩種信號通路調(diào)控細胞的生長和增殖：一條是PI3K/AKT/mTOR通路。AKT可直接磷酸化mTOR從而激活它的下游途徑，控制著細胞增殖和轉化所需特殊蛋白質(zhì)的翻譯，調(diào)控細胞生長與增殖。另外一條是AKT/TSC1-TSC2/mTOR通路，TSC是腫瘤抑制因子，TSC基因發(fā)生突變或缺失時會引起細胞粘附、生長和遷移。哺乳動物細胞中TSC1-TSC2復合物是mTOR的抑制因子，因此在TSC1-TSC2異常的細胞中，mTOR和它下游的效應分子被激活，使得細胞可以不斷生長[6]。腫瘤發(fā)生的主要特點是喪失正常細胞周期調(diào)控、細胞過度增殖等。mTOR是G1期細胞周期蛋白合成的核心調(diào)控者，不僅在正常的細胞生長增殖中起主要作用，而且與正常細胞向癌細胞轉化以及癌細胞的生長、增殖密切相關，是細胞生長的中心調(diào)控因子。

mTOR信號通路的活化在人類多種腫瘤中均有發(fā)生，該通路可以通過多種機制促進腫瘤的發(fā)生。這些機制主要包括：①第10染色體丟失的磷酸酶基因（phosphatase and tensinhomologue deleted on chromosome 10, PTEN）被認為是一種重要的腫瘤抑制基因，它與一些腫瘤的發(fā)生、發(fā)展有密切關系。PTEN的失活可導致PI3K/AKT/mTOR通路活性增加、PI3K突變或者擴增、癌基因受體的活化等[7-8]；②PI3K/AKT/mTOR信號通路主要是通過AKT蛋白過度活化和擴增該通路上游的相關受體：c-Met、c-Kit、VEGF、IGF-IR，從而引起該通路的活化[9-10]；③血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）是強大的促血管因子，可以刺激內(nèi)皮細胞的增殖和遷移，并且增加血管通透性，為腫瘤的生長提供必要的氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)。VEGF還是體內(nèi)外血管內(nèi)皮細胞生長特異的有絲分裂原，通過選擇性地與血管內(nèi)皮細胞膜上高親和力的受體酪氨酸激酶結合使受體磷酸化，然后進一步激活其下游的相關基因，刺激內(nèi)皮細胞遷移與增殖；④有研究[11]表明：趨化因子受體（chemokine receptor 4, CXCR4）是一種細胞表面受體，它在NSCLC呈過表達。PI3K激酶活化下游AKT、mTOR和P70S6激酶可引起低氧誘導因子-1α（hypoxia inducible factor, HIF-1α）活性增加而引起CXCR4表達增加。HIF-1α是誘導低氧基因和修復細胞氧內(nèi)環(huán)境的核心調(diào)節(jié)因子，它可引起CXCR4的過表達和趨化行為。PI3K和mTOR抑制劑可抑制HIF-1α的活性和CXCR4的表達，另外誘導野生型PTEN進入NSCLC細胞也可抑制CXCR4的表達。

PI3K/AKT/mTOR通路在NSCLC中呈現(xiàn)活化狀態(tài)，在NSCLC患者切除的腫瘤組織中，通過免疫組織化學方法可以分析檢測到PI3K、AKT、mTOR高水平磷酸化表達。該通路的活化在原發(fā)的NSCLC組織中表達，也見于惡變前和惡變的人類支氣管上皮細胞，而在正常細胞中基本不表達，可見PI3K/AKT/mTOR通路的活化在從癌前病變向惡性腫瘤的轉變中起著重要作用[12]。Balsara等[13-14]運用免疫組織化學方法檢測62例肺癌組織和12例非肺癌組織（4例肺結核和8例炎性假瘤）mTOR蛋白的表達。研究結果顯示：mTOR在肺良性疾病組中表達很低，而在NSCLC組織中表達的陽性率為41.7%，明顯高于肺良性疾病組，表明mTOR在NSCLC中被激活。mTOR的表達也與NSCLC的pTNM分期有關，隨pTNM分期的增加，mTOR的表達也隨之增加，提示mTOR的激活與腫瘤進展有關。Tsurutani等[15]運用免疫組織化學方法分析NSCLC病人300例、正常組織100例，結果顯示：NSCLC病人中大多數(shù)PI3K/AKT/mTOR通路活化，而在正常組織中幾乎沒有（73.4% vs 0%; P＜0.01）。在300例NSCLC病人中腺癌高于鱗癌（8.1% vs 68.5%; P=0.04），各期的病人生存時間均較短，該通路的活化對于I期和腫瘤＜5 cm的早期病人預后較差，提示PI3K/AKT/mTOR通路的活化提示預后不良。Herberger等[16]使用免疫染色方法對88例NSCLC病人腫瘤組織進行檢測，其中有56例mTOR表達陽性?；罨膍TOR和病理類型沒有關系。所有mTOR陽性的腫瘤病人的生存期明顯短于mTOR陰性的腫瘤病人（死亡危險率=2.57；95%CI：1.35-4.89；P=0.004）。多變量Cox比例風險回歸分析顯示，mTOR對于死亡來說是一個獨立的預后因素（修正死亡危險率=2.44，95%CI：1.24-4.80；P=0.01）。有研究表明尼古丁可以活化PI3K/AKT/mTOR信號通路，另外尼古丁還與肺癌患者對化療藥物的耐受相關。活化過程中可使內(nèi)源性乙酰膽堿釋放，它可作為自分泌或者旁分泌生長因子受體而促進肺癌細胞的發(fā)展。PI3K/AKT/mTOR通路的活化同尼古丁誘導細胞相關，尼古丁活化PI3K也可有效地導致Bax（Bcl-2蛋白家族的一員）增加，因此凋亡的功能被抑制。NNK（一種煙草特定的癌基因）的發(fā)現(xiàn)更支持尼古丁與肺癌的關系[17,18]。以上研究結果表明mTOR在肺癌的發(fā)生、發(fā)展、轉移中可能起到一定作用。

2.2 mTOR通路抑制劑與NSCLC的靶治療 mTOR信號的異常與許多人類疾病有關，因此對該信號系統(tǒng)的研究將有助于這些疾病的靶治療。由于與腫瘤密切相關，mTOR成為腫瘤治療的一個重要新靶點。目前研究的比較明確的mTOR抑制劑主要有以下幾種：

2.2.1 雷帕霉素（rapamycin） 雷帕霉素是mTOR的特異性抑制劑，其也是最早被發(fā)現(xiàn)的mTOR抑制劑，是20世紀70年代從細菌中分離出來的一種大環(huán)內(nèi)酯類抗生素。1997年FDA批準雷帕霉素作為免疫抑制劑應用于腎移植。由于它還具有抗冠狀動脈再狹窄的作用，可用于藥物洗脫支架。雷帕霉素結合FK506結合蛋白而抑制mTOR， 阻止P70S6K和4EBP磷酸化，同時也間接抑制了其它相關蛋白轉錄和翻譯，具有抗菌、免疫抑制和抗腫瘤作用[19]。后來，人們發(fā)現(xiàn)了雷帕霉素具有抗腫瘤活性。在許多腫瘤組織培養(yǎng)和動物模型中，雷帕霉素均具有濃度依賴性抑制腫瘤細胞生長的活性。實驗證明它們可以抑制非小細胞肺癌、前列腺癌、惡性膠質(zhì)瘤、骨肉瘤、胰腺癌和腎細胞癌中腫瘤細胞的分化并可以誘導其凋亡。雷帕霉素對PTEN失活伴有PI3K/AKT/mTOR信號通路激活的腫瘤效果比較好。野生型PTEN阻止細胞由靜止期向增殖期發(fā)展，PTEN的失活使得該通路過度活化[20]。PTEN的失活大都伴隨著PI3K/AKT/mTOR通路被激活，也有報道認為PTEN的失活是PI3K/AKT/mTOR通路激活的原因之一，從而導致mOTR的過度激活，使得下游效應蛋白P70S6K和4EBP過度磷酸化，從而提高了P70S6K和4EBP的活性，而這個過程可被雷帕霉素類藥物靶性阻斷[21]。

2.2.2 Sirolimus Sirolimus是由Wyeth-Ayest公司研究并開發(fā)的新型大環(huán)內(nèi)酯類抗真菌藥。與雷帕霉素相比，Sirolimus等雷帕霉素衍生物具有較好的水溶性和更好的穩(wěn)定性。Sirolimus通過抑制mTOR下游P70S6K和eIF4的磷酸化，從而抑制其蛋白合成，對細胞周期的G1期-S期有阻斷作用，還能減少cdc-2激酶的活性，促進細胞凋亡。在乳腺、肺、腎等多種人類腫瘤模型中，Sirolimus單獨應用或與細胞毒藥物聯(lián)合應用均顯示良好的抗癌活性，在體外試驗中，特異性抑制劑Sirolimus的抗血管形成作用可以被5-FU加強[22]。Neshat等[23]發(fā)現(xiàn)，對PTEN缺失的腫瘤雜交小鼠使用Sirolimus治療4周，腫瘤明顯縮小，缺失PTEN的小鼠細胞和人類腫瘤細胞系對于Sirolimus的治療有效，可見Sirolimus對PTEN的缺失、突變的腫瘤細胞作用明顯。Margolin等[24,25]關于Sirolimus單藥治療腫瘤的臨床可行性研究已經(jīng)完成，表現(xiàn)出較好的抗腫瘤活性，其藥物毒性主要包括消化系統(tǒng)不適、皮膚毒性反應和粘膜炎等。Tsao等[26]研究Sirolimus可使對于順鉑耐受的NSCLC病人減少耐受。還可以導致細胞凋亡和減少腫瘤細胞的生長。不幸的是它并不能延長病人的存活率。目前的Sirolimus臨床前評估以及I期、II期臨床試驗已經(jīng)完成，都顯示出良好的抗腫瘤作用，因而具有更廣泛的臨床應用前景[27]。

2.2.3 其它靶向治療 Everolimus是新型的口服mTOR抑制劑，在歐美國家用于器官移植后的免疫抑制劑，在腫瘤治療的早期臨床研究中表現(xiàn)出很好的療效。Everolimus先與FKBP12形成二聚體后再直接與mTOR結合，從而抑制mTOR活性并阻斷mTOR信號通路。單藥有抗腫瘤活性，且與細胞毒性藥物聯(lián)合具有協(xié)同作用，值得在今后進一步開展其單藥或與化療聯(lián)合治療肺癌的臨床研究[28]。早期試驗證明，Everolimus不僅對NSCLC有效，同時對小細胞肺癌（small cell lung cancer, SCLC）同樣有效[29]。其它的mTOR的特異性抑制劑還包括Temsirolimus、Deforolimus等，在臨床前期試驗中也表現(xiàn)出較好療效[30]。大量的臨床試驗[31]顯示，上述mTOR抑制劑雖然不能使腫瘤逆轉，但可以抑制腫瘤細胞的增殖，與其它的化療藥物聯(lián)合應用有望獲得更好的治療效果。

3 小結與展望

肺癌靶向治療經(jīng)過近十多年來的研究，已取得了許多具有里程碑意義的成績，但仍存在許多問題困擾肺癌靶向治療的發(fā)展[32]。mTOR同p53等其它腫瘤標志物一樣，不是NSCLC所特有，在人類多種腫瘤中均有其高表達，所以尋找特定的NSCLC標志物仍是日后人們研究的熱點。mTOR作為細胞生長中心協(xié)調(diào)器的作用已為人們所認識，mTOR信號通路被認為是一個調(diào)節(jié)細胞周期進程和細胞生長的信號匯聚，mTOR信號通路與細胞的生長、分裂、存活、遷移、自我更新和細胞周期進程等生理過程密切相關。隨著分子生物學的研究進展，越來越多的科研單位對mTOR進行了較為深入的研究，但目前仍然還有一些問題亟待解決：比如是否有其它信號通道與PI3K/ AKT/mTOR信號通道存在協(xié)同或抑制作用？mTOR抑制劑對NSCLC治療是否還存在其他機制？隨著對mTOR更深入的研究，透徹了解mTOR信號通路和mTOR抑制劑的具體作用機制，不僅能進一步完善細胞信號轉導通路，還將有助于解釋一些腫瘤的發(fā)生機制，并且為腫瘤診斷和治療提供新的思路。