mTOR信號通路在脊髓損傷中的研究進展

孔祥龍 綜述 劉建宇 審校

脊髓損傷較為常見，神經損傷后的修復再生要經過十分復雜的生理生化過程，機制尚未明確。很多研究顯示，哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）信號通路，在各種中樞神經系統疾病和中樞神經系統創傷中起著重要作用。Sekiguchi等[1]研究證明，在小鼠脊髓損傷模型中，應用雷帕霉素抑制mTOR信號通路，能夠減輕神經組織損傷，促進運動功能恢復。mTOR信號通路在細胞代謝、增殖與存活中非常重要，并具有神經保護和促進神經再生的功能。通過抑制mTOR，從而在脊髓損傷和中樞神經系統退變性疾病中產生神經保護、神經再生效應的作用，進而為脊髓損傷的臨床治療提供新的參考。

1 mTOR信號通路

mTOR是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，屬于磷脂酰肌醇激酶相關激酶（PIKK）超家族。在細胞內存在著mTORC1和mTORC2兩種功能復合體，而雷帕霉素能夠特異性的抑制mTORC1蛋白激酶的活性。mTOR信號通路的轉導主要經PI3K/Akt/mTOR和ERK/mTOR兩條通路，能夠調節細胞代謝、增殖、存活與死亡，并與轉錄、翻譯、核糖體合成、囊泡的運輸、自噬作用以及細胞支架的構成密切相關[2]。

mTOR信號通路在中樞神經系統創傷性疾病和神經退變性疾病，如阿爾茨海默病、帕金森等病中具有重要作用[3-6]。Sekiguchi等[1]研究證明，在脊髓損傷中應用雷帕霉素能夠明顯下調p70s6K蛋白的磷酸化作用，增加LC3和Beclin1的表達水平，抑制mTOR信號通路。Carloni等[7]研究發現，由創傷和缺血缺氧引起的中樞神經系統損傷，通過抑制mTOR能夠減輕神經組織損害。有研究顯示，mTOR能夠在脊髓損傷后調節軸突再生，并限制星形膠質細胞在損傷部位增殖[8-10]。然而，中樞神經系統損傷后調節mTOR信號通路產生神經保護效應的具體分子機制仍未明確闡述，有待進一步研究。

2 mTOR信號通路在脊髓損傷后不同時期具有不同作用

2.1 脊髓損傷后的不同時期

脊髓損傷以后會發生多種多樣的病理生理變化，從一開始的外源性創傷，發展到最后的出血性壞死[11]。最初的24h是第一階段（急性期），到第3天是第二階段亞急性期。第二階段是神經炎癥損傷期，包括細胞壞死、感染、巨噬細胞和小膠質細胞的激活、軸突再生以及脫髓鞘作用。然后是慢性期，軸突再生和髓鞘再生主要發生在脊髓損傷后1周[12]，損傷部位周邊的星形膠質細胞增生出現在脊髓損傷后2周[13]。因此，mTOR信號通路在脊髓損傷后的不同時期發揮的作用也各不相同，有必要深入探討。

2.2 脊髓損傷后調節mTOR信號通路產生神經保護效應

Sekiguchi等[1]研究顯示在急性期通過抑制mTOR能夠減少神經細胞死亡，降低促炎癥反應標志物的表達水平，減低NO合酶和小神經膠質細胞的活性[14]；也有研究發現，在亞急性期和慢性期，通過抑制mTOR，能夠抑制新蛋白質合成和減低星形膠質細胞增殖活性，從而促進軸突再生和髓鞘形成，調節少突膠質細胞分化[15－17]。

Pan等[18]指出，抑制mTOR所產生的神經保護效應的細胞分子機制，可能是由于激活細胞自噬作用，阻斷了細胞凋亡而產生的。首先，細胞自噬作用能夠提高線粒體的清除率，從而減少細胞色素C的釋放，并降低下游區半胱天冬酶活性，進而阻斷細胞凋亡。在心肌缺血-再灌注模型和新生兒缺血缺氧腦損傷模型中，抑制mTOR能夠激活細胞自噬作用，阻斷細胞凋亡，產生細胞保護效應。同時，David等[19]指出，脊髓損傷后將引發炎癥反應，外周的巨噬細胞逐漸聚集到損傷部位和小神經膠質細胞一起被激活，釋放各種促炎癥反應細胞因子，如IL-1β和TNFα，加重第二階段損傷。而抑制mTOR，能夠減低巨噬細胞和小神經膠質細胞的活性，從而減輕神經炎癥[14]。

3 脊髓損傷后mTOR信號通路調節血管生成

脊髓損傷后會導致局部血管結構的破裂，引發第二階段神經炎癥損傷。既往的研究顯示，在脊髓損傷后，應用血管生成因子，如VEGF等，能夠刺激創傷后血管新生，促進神經再生和功能恢復。而mTOR信號通路能夠調節正常組織或癌癥組織中血管生成因子，如血管內皮生長因子、NO、血管生成素類等的表達，從而調節血管生成[20]。Guba等[21]研究發現，通過抑制mTOR能夠減少血管生成，減低血管生成因子的分泌。因此，通過調節mTOR信號通路刺激血管形成，將成為脊髓損傷后促進神經再生的一種很有前景的治療方法。

4 脊髓損傷后mTOR信號通路與細胞衰老

Jaerve等[22]研究發現，脊髓損傷后，運動功能的恢復是隨年齡增長而減低的。這是由于隨著年齡的增長神經元再生的能力會降低，細胞發生衰老，而且運動神經元的數量也會減少。其中β淀粉樣蛋白與衰老神經元神經再生過程密切相關，脊髓損傷發生后β淀粉樣蛋白表達增加，同時發生的氧化反應會引起DNA損害，加速細胞衰老。有研究證明，在阿爾茨海默病模型中，應用雷帕霉素抑制mTOR能夠提高神經細胞自噬作用標記物的表達水平，降低β淀粉樣蛋白的表達[23]，增加抗氧化防御，減輕DNA損害，并減緩組織老化過程[24-25]。因此，抑制mTOR信號通路能夠延緩細胞衰老，減緩中樞神經系統組織的老化，從而延緩神經再生能力隨著年齡增長而減低。近年來許多研究顯示，mTOR信號通路與各種年齡相關性疾病，如脂肪沉滯性動脈硬化癥、代謝綜合癥、骨質疏松癥、神經退行性病變等有關[26]。Garelick等[27]的研究表明，應用雷帕霉素能夠減輕中樞神經系統神經退行性疾病的病理改變。由此可見，雷帕霉素抑制mTOR即使對于老年脊髓損傷患者仍是一種非常有效的治療方式。

5 mTOR抑制劑的臨床應用

mTOR抑制劑具有免疫抑制效應和抗腫瘤效應[28]，目前被廣泛應用于器官移植術后，如腎移植、肝移植、腸移植等，預防移植物與宿主之間產生的排斥反應；同時，也被作為治療腎癌、胰腺癌、淋巴癌、星形細胞瘤、肉瘤、肺癌和乳腺癌的抗癌劑[29-30]。mTOR抑制劑的種類很多，如雷帕霉素和其類似物（坦西莫司、依維莫司、地磷莫司等），都被廣泛地應用于臨床[31]；與VEGF及細胞毒類藥物等聯合應用，可提高抗癌治療效果，減少耐藥性的產生[32]。由于mTOR與神經退行性疾病關系密切，其抑制劑也被應用于治療阿爾茨海默病等，但尚處于研究中[33]。然而，將mTOR抑制劑應用于臨床治療中樞神經系統損傷至今還沒有。已經有很多研究證明，在中樞神經系統損傷模型中，應用mTOR抑制劑能夠明顯減輕神經組織損害。因此，在脊髓損傷患者中應用mTOR抑制劑，很可能會產生很好的治療效果，具體的臨床試驗研究還有待進一步開展。而在急性脊髓損傷患者的治療中，mTOR信號通路調節神經再生的具體機制還需要進一步的研究加以闡釋。

[1]Sekiguchi A,Kanno H,Ozawa H,et al.Rapamycin promotes autophagy and reduces neural tissue damage and locomotor impairment after spinal cord injury in mice[J].J Neurotrauma 2012,29(5):946-956.

[2]Wullschleger S,Loewith R,Hall MN.TOR signaling in growth and metabolism[J].Cell,2006,124(3):471-484

[3]Ravikumar B,Vacher C,Berger Z,et al.Inhibition of mTOR induces aurophagy and mouse models of Huntington disease[J].Nat Genet,2004,36(6):585-595.

[4]Santini E,Heiman M,Greengard P,et al.Inhibition of mTOR signaling in Parkinson's disease prevents L-DOPA-induced dyskinesia[J].Sci Signal,2009,2(80):ra36.

[5]Ma T,Hoeffer CA,Capetillo-Zarate E,et al.Dysregulation of the mTOR pathway mediates impairment of synaptic plasticity in a mouse model of Alzheimer's disease[J].PLoS ONE,2010,5(9):e12845.

[6]Spilman P,Podlutskaya N,Hart MJ,et al.Inhibition of mTOR by rapamycin abolishes cognitive deficits and reduces amyloid-beta levels in a mouse model of Alzheimer's disease[J].PLoS ONE,2010,5(4):e9979.

[7]Carloni S,Bunonocore G,Balduini W.Protective role of autophagy in neonatal hypoxia-ischemia induced brain injury[J].Neurobiol Dis,2008,32(3):329-339.

[8]Park KK,Liu K,Hu Y,et al.Promoting axon regeneration in the adult CNS by modulation of the PTEN/mTOR pathway[J].Science 2008,322(5903):963-966.

[9]Liu K,Lu Y,Lee JK,et al.PTEN deletion enhances the regenerative ability of adult corticospinal neurons[J].Nat Neurosci,2010,13(9):1075-1081.

[10]Codeluppi S,Svensson CI,Hefferan MP,et al.The Rheb-mTOR pathway is upregulated in reactive astrocytes of the injured spinal cord[J].J Neurosci,2009,29(4):1093-1104

[11]Schwab ME,Bartholdi D.Degeneration and regeneration of axons in lesioned spinal cord[J].Physiol Rev,1996,76(2):319-370.

[12]Totoiu MO,Keirstead HS.Spinal cord injury is accompanied by chronic progressive demyelination[J].J Comp Neurol,2005,486(4):373-383.

[13]Tokunaga S,Ozawa H,Kokubun S.Astrocytic response to spinal cord injury[J].East Jpn Orthop Traumatol,2005,17:550-558.

[14]Dello Russo C,Lisi L,Tringali G,et al.Involvement of mTOR kinase in cytokine-dependent microglial activation and cell proliferation[J].Biochem Pharmacol,2009,78(9):1242-1251.

[15]Hu LY,Sun ZG,Wen YM,et al.ATP-mediated protein kinase BAkt/mammalian target of rapamycin mTOR/p70 ribosomal S6 protein p70S6 kinase signaling pathway activation promotes improvement of locomotor function after spinal cord injury in rats[J].Neuroscience,2010,169(3):1046-1062.

[16]Narayanan SP,Flores AI,Wang F,et al.Akt signals through the mammalian target of rapamycin pathway to regulate CNS myelination[J].J Neurosci,2009,29(21):6860-6870.

[17]Tyler WA,Gangoli N,Gokina P,et al.Activation of the mammalian target of rapamycin(mTOR)is essential for oligodendrocyte differentiation[J].J Neurosci,2009,29(19):6367-6378.

[18]Pan T,Kondo S,Zhu W,Le W.Neuroprotection of rapamycin in lactacystin-induced neurodegeneration via autophagy enhancement[J].Neurobiol Dis,2008,32(1):16-25.

[19]David S,Kroner A.Repertoire of microglial and macrophage responses after spinal cord injury[J].Nat Rev Neurosci,2011,12(7):388-399.

[20]Karar J,Maity A.PI3K/AKT/mTOR pathway in gngiogenesis[J].Front Mol Neurosci,2011,4:51.

[21]Guba M,von Breitenbuch P,Steinbauer M,et al.Rapamycin inhibits primary and metastatic tumor growth by antiangiogenesis:involvement of vascular endothelial growth factor[J].Nat Med,2002,8(2):128-135.

[22]Jaerve A,Schiwy N,Schmitz C,et al.Differential effect of aging on axon sprouting and regenerative growth in spinal cord injury[J].Exp Neurol,2011,231(2):284-294.

[23]Caccamo A,Majumder S,Richardson A,et al.Molecular interplay between mammalian target of rapamycin(mTOR),amyloid-beta,and Tau:effects on cognitive impairments[J].Biol Chem,2010,285(17):13107-13120.

[24]Pani G.P66SHC and ageing:ROS and TOR[J].Aging(Albany NY),2010,2(8):514-518.

[25]Bjedov I,Toivonen JM,Kerr F,et al.Mechanisms of life span extension by rapamycin in the fruit fly Drosophila melanogaster[J].Cell Metab,2010,11(1):35-46

[26]Zhao C,Vollrath D.mTOR pathway activation in age-related retinal disease[J].Aging(Albany NY),2011,3(4):346-347.

[27]Garelick MG,Kennedy BK.TOR on the brain[J].Exp Gerontol,2011,46(2-3):155-163.

[28]Araki K,Ellebedy AH,Ahmed R.TOR in the immune system[J].Curr Opin Cell Biol,2011,23(6):707-715.

[29]Pópulo H,Lopes JM,Soares P.The mTOR signalling pathway in human cancer[J].Int J Mol Sci,2012,13:1886-1918.

[30]Fleming GF,Ma CX,Huo D,et al.Phase II trial of temsirolimus in patients with metastatic breast cancer[J].Breast Cancer Res Treat,2012,136(2):355-363.

[31]Fasolo A,Sessa C.Targeting mTOR pathways in human malignancies[J].Curr Pharm Des,2012,18(19):2766-2777.

[32]鄒金凱,車寧,孫春華.mTOR功能及其抑制劑研究進展[J].現代腫瘤學雜志,2008,16(10):1793-1795.

[33]汝文娟,唐少君,鐘翎.mTOR信號通路及其與阿爾茨海默病的關系[J].中國比較醫學雜志,2010,20(8):71-74.