哺乳動物雷帕霉素靶蛋白在慢性炎癥性肺部疾病中的研究進展

周秀 張慧 鐘小寧

廣西醫科大學第一附屬醫院呼吸與危重癥醫學科（南寧530021）

呼吸道持續性炎癥是許多慢性肺部疾病發病機制的基礎，包括慢性阻塞性肺疾病，支氣管哮喘，肺纖維化等，可能與遺傳引起的易感性和環境因素有關，包括暴露于微生物，過敏原，有毒分子顆粒等［1］。細胞因子及炎癥介質的產生促進氣道和肺部分泌釋放粘液，粘蛋白等病理生理過程加重小氣道阻塞，可能與哺乳動物的雷帕霉素作用靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）密切相關［2］。KENNEDY［3］等報道稱，細胞因子等炎癥信號激活mTOR 信號通道并增強慢性炎癥和其他信號，繼而引發肺部炎癥等一系列病理生理過程，繼而促發細胞老化［3］。目前，肺部慢性炎癥性疾病缺乏有效的臨床治療藥物，探究新的藥物靶點開發新藥具有重要的臨床意義。mTOR 是否參與肺部慢性炎癥反應，通過具體何種途徑參與肺部慢性炎癥性疾病，值得進一步研究探討，本文就哺乳動物的雷帕霉素作用靶蛋白mTOR 在肺部慢性炎癥性疾病中的影響作用進行綜述。

1 mTOR 概述

mTOR 具有重要的生物學功能，主要以哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合物1（mammalian target of rapamycin complexe 1，mTORC1）和mTORC2 形式存在，通過mTORC1 和mTORC2 參與調節細胞生長和代謝［4-5］。mTOR 是細胞代謝和生長存活及蛋白質合成的核心調節點，涉及癌癥，神經退行性疾病神經變性，肥胖癥，Ⅱ型糖尿病及風濕性疾病。主要包括調節腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK）-mTOR 和磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositide3-kinases，PI3K）信號途徑［6-8］。mTOR 參與炎癥過程并介導凋亡細胞死亡［9］。其中，mTORC1 對大環內酯類免疫抑制劑雷帕霉素具有敏感性，主要通過激活核糖體蛋白S6 激酶（activation of ribosomal protein S6 kinase，RPS6K）和抑制其真核轉錄起始因子4E 結合蛋白1（eIF4E-binding protein 1，4E-BP1）來調節細胞周期和蛋白質合成，而mTORC2 主要通過磷酸化絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶B（protein kinase B，AKT∕PKB）和糖原合酶激酶1（Glycogen synthase kinase，GSK1）與mTORC1 共同參與調節細胞存活與代謝［10］。與此同時，mTORC1 能夠調節小GTP 酶整合生長因子家族信號Rheb 和Rag（the small GTPase Rheb and Rag，Rheb∕Rag）。結節性硬化癥復合體蛋白TSC（tuberous sclerosis complex 1∕2，TSC1∕TSC2）結合小GTP 激活蛋白GAP 負調節Rheb 和mTORC1 啟動生長抑制信號途徑，即通過激活TSC 降低Rheb-GTP 進而抑制mTORC1，從而抑制細胞生長［11］。在慢性肺部炎癥性疾病中，mTOR 常見的參與調節的信號途徑主要有兩條通路，即AMPK-TSC1∕TSC2-mTOR 和PI3K-AKT-mTOR 信 號 通路［2］。mTORC1 上游信號TSC1 和TSC2 一起形成功能復合體，負調節mTORC1。JIANG 等［12］研究發現，小鼠施萬細胞祖細胞TSC1 消融導致mTOR 信號激活，引起施萬細胞過度增殖阻礙其分化［12］。KIM 等［13］研究報道稱，自噬在細胞穩態和不同代謝反應中發揮重要作用。在代謝反應中，mTOR 的一個重要功能是抑制自噬［13］。在香煙誘導的氣道炎癥中TSC2 升高，mTOR 降低，自噬標志性蛋白LC3B（microtubule-associated protein L chain 3B，LC3B）升高，誘導自噬。這與自噬參與氣道炎癥反應相一致［2］。由此得出mTOR 可能與自噬聯系參與肺部慢性炎癥，進而在肺部慢性炎癥性疾病中起到重要的調節作用。

2 mTOR 和支氣管哮喘

支氣管哮喘（bronchial asthma，Asthma）是一種以多種細胞浸潤為主的氣道慢性炎癥性疾病，主要包括嗜酸性粒細胞、T 淋巴細胞和肥大細胞，特征性表現為氣道重塑、氣流受限的可逆性和氣道的高反應性［2，5，14］。在支氣管哮喘氣道炎癥反應中，2 型輔助性T 細胞（T helper type 2，Th2）高表達，嗜酸性粒細胞增多，白細胞介素4（interleukin-4，IL-4）∕IL-5 表達升高［15］。研究發現，mTORC1 敏感性抑制劑雷帕霉素減弱Th2 驅動的過敏性結膜炎［16］，繼而減輕過敏反應。由此推想，雷帕霉素可能對過敏性哮喘中高表達的Th2 同樣具有調節作用，具體機制有待進一步深入研究。MUSHABEN 等［17］人研究稱，雷帕霉素干預下，過敏性哮喘小鼠的氣道炎癥及高反應性有所控制。除此之外，可觀察到雷帕霉素阻斷過敏性哮喘小鼠的特異性Ig1 和IgE 表達增高，這也顯示持續使用雷帕霉素可防止過敏反應［17］。Th9 細胞在過敏性氣道炎癥反應中具有重要的調節作用。由卵清蛋白誘導的過敏性哮喘小鼠研究，特異性敲除mTORC2 的重要組成成分mTOR 不敏感伴侶蛋白（rapamycin insensitive companion of mTOR，Rictor），發現，Rictor 缺失促使初始CD4+T 細胞向Th9 細胞分化減少，繼而使肺部病理改變減輕，從而使過敏性炎癥減輕［18］。在過敏性性哮喘發病機制中肥大細胞起到重要作用，其免疫識別過程為：過敏原-抗原提程細胞-T 細胞活化-B 細胞活化-IgE 分泌增加-IgE 與肥大細胞表面受體結合形成復合體-過敏原再次進入體內-與致敏的肥大細胞表面IgE 結合-肥大細胞脫顆粒-啟動炎癥病理過程。SHIN 等［19］研究中發現，肥大細胞內特異性TSC1 基因缺乏使TSC1 下游信號分子FcεRI ∕c-kit（mTOR signaling in mast cells downstream of FcεRI and c-Kit）調節mTOR 活性，繼而導致細胞因子的產生和受損肥大細胞脫顆粒，啟動炎癥病理過程，促進過敏反應［2，19］，由此可見，TSC1∕TSC2-mTOR 構成的信號通道對于肥大細胞存活及激活具有重要作用，在過敏性哮喘調節中具有重要作用，TSC1∕TSC2-mTOR 構成的信號通道為哮喘的臨床藥物治療探究提供了新的靶點。嗜酸性粒細胞浸潤是過敏性氣道炎癥的重要標志。mTOR 在調節細胞生長中具有重要作用。研究發現，雷帕霉素能夠抑制過敏性氣道炎癥中嗜酸性粒細胞的分化，主要是通過調節mTOR 和細胞內信號調解酶（extracellular signal-regulated kinase，mTOR-Erk）信號通道。此外，髓樣細胞特異性敲除mTOR 或Rheb 加重暴露于過敏原小鼠的過敏性氣道炎癥［20］。綜上研究可見，mTOR 在哮喘的氣道炎癥反應中具有重要作用，機制仍需深入研究。

3 mTOR 和肺纖維化

肺纖維化是一種進展性慢性氣道肺部炎癥，發病率和死亡率高［21］。肺纖維化是導致包括間質性肺病，特發性間質性肺炎等多種肺部疾病發病及死亡的重要因素［22］。其中，特發性間質性肺纖維化（idiopathic interstitial pulmonary fibrosis）是最常見特發性間質性肺炎，是典型的慢性、進行性纖維增生性肺病，簡稱IPF［23］，目前，沒有有效治療肺纖維化的臨床藥物，尋求及研究有效治療藥物極其重要［24］。MERCER 等［25］研究發現，聯合使用PI3K-mTOR 選擇性抑制劑GSK2126458 干預治療IPF，能夠減弱IPF 中血清誘導的成纖維細胞增值和腫瘤壞死因子β1（tumor necrosis factorβ 1，TGFβ1）誘導的膠原產生［25］，減輕肺纖維化。由此可見，PI3K-mTOR 信號途徑作為臨床藥物研究靶點具有重要的臨床意義。在已知的生物學效應中，mTOR 下游信號分子S6K 在纖維化中包括很多細胞過程如蛋白質合成，細胞生長和細胞增值具有重要作用［26］。MADALA 等［27］研究發現，TGF-α過度表達促使S6K 表達磷酸化。而在TGF-α和血小板衍生生長因子PDGFβ（platelet derived growth factorβ，PDGFβ）刺激誘導的肺纖維化小鼠體內研究中發現，p70S6K 激酶選擇性抑制劑LY2584702 干預作用下能夠選擇性阻斷S6K 磷酸化及纖維增生。同時還觀察到LY2584702 通過抑制S6K 磷酸化從而減弱肺纖維化的進程。此外，在LY2584702 體內干預作用下，可以抑制TGFα過度表達引起的肺纖維化發展及炎癥的加強，同時也可以減弱肺成纖維細胞中膠原含量的積累［27］。由此可見，mTOR-p70S6K 信號通道作為臨床藥物研究靶點，具有重要意義。PI3K∕AKT-mTOR 信號通路在細胞代謝，生長，增殖分化及存活中發揮重要調節作用。該通路紊亂表現在多種疾病中，如瘤形成、免疫調節疾病和纖維增生性疾病包括肺纖維化。在肺纖維化中，mTORC1 和mTORC2 參與促進成纖維細胞激活，釋放膠原蛋白。目前mTORC1 抑制劑已被用于輻射和博來霉素誘導的肺纖維化干預治療研究，能夠有效緩解纖維增生［22］。在特發性間質性肺纖維化（IPF）中，肺上皮-間質（Lung epithelial-mesenchymal，EMT）轉化是重要的病理生理過程。研究發現抑制mTOR 可減輕博來霉素誘導的肺纖維化小鼠的IPF。主要是通過阻斷mTOR，進而降低S6K 磷酸化和TGFβ1 誘導的Smad 蛋白2∕3（Smad2∕3）磷酸化，從而減輕肺纖維化［28］。由此得出，mTOR-S6K∕mTOR- Smad2∕3 可能是IPF 和EMT 治療研究中的重要靶點。

4 mTOR 和慢性阻塞性肺疾病

慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD），是常見的呼吸道疾病，預計2020年COPD將成為世界上引起死亡的第三大病因［29］，是全球一個重要的公共衛生問題，迄今，沒有明確的治療藥物能夠延緩其疾病變化，給社會帶來一定的經濟負擔。目前認為，COPD是一種進行性發展的疾病，主要特征是肺氣腫形成和小氣道持續性慢性炎癥，氣流受限且具有不完全可逆性，與肺部對香煙煙霧等有害氣體或顆粒的異常炎癥反應放大有關［30-31］。mTOR可參與炎癥反應，調節細胞凋亡［32］。自噬參與炎癥反應是mTOR 機制的一個重要功能。通過這種功能可能與COPD 炎癥反應有一定聯系，然而，mTOR 在COPD 中的功能尚未闡明，以及mTOR 怎樣通過自噬調節COPD 發病機制仍不清楚，有待進一步研究探討。WANG等［35］研究中，體外培養來自肺氣腫和COPD 病人及mTOR-∕-小鼠的肺上皮細胞及支氣管上皮細胞，發現，香煙激活COPD 肺組織、小鼠肺組織及支氣管上皮細胞的mTOR 是通過TSC2∕TSC1-mTOR 信號通道。在COPD 病人中，負調節mTORC1 的TSC2 及自噬下游LC3B 升高，與其他研究者之前在自噬與COPD 中的研究結果相一致［33-35］。與之類似，暴 露 于 香 煙 下 的mTOR-∕-小 鼠 模 型 顯 示，p-RPS6 和mTOR 降低，觀察到mTOR 下游自噬標志性LC3B 蛋白升高，mTOR 降低可能轉向激活自噬。綜上研究顯示，mTOR發揮對香煙誘導的氣道炎癥反應及肺氣腫的調節可能通過TSC2-mTOR 信號途徑調節自噬，凋亡及程序性壞死［35］。HOUSSAINI 等［36］研究報道，mTOR 激活促進肺部細胞衰老及肺氣腫。通過分離培養COPD 病人和肺功能正常吸煙者的肺組織上皮細胞，研究觀察mTOR 在COPD 中對細胞衰老及肺氣腫的影響。結果顯示，mTOR 激活與COPD病人肺部細胞衰老具有聯系。體外培養肺血管內皮細胞（pulmonary vascular endothelial cells，P-ECs）及肺動脈平滑肌細胞（pulmonary artery smooth muscle cells，PA-SMCs）發現，COPD 患者細胞中的促炎因子IL-6，IL-8 及趨化因子CC 配體2（chemokine CC ligand 2，CCL2）高于對照組（健康志愿者）。而加入10 nM mTORC1 敏感性抑制劑雷帕霉素干預下促炎因子IL-6，IL-8，CCL2 在兩者中都有減少。當雷帕霉素濃度為5 nM～20 nM 時，觀察到細胞因子減少，10 nM 減少相對明顯。進一步檢測抑制核因子KB（nuclear factor KB，NF-KB）后細胞因子的表達情況發現，在PA-SMCs中雷帕霉素干預下，NF-kB 抑制因子（inhibitory factor，IκΒαM）表達增加，抑制NF-kB 表達進而減少IL-6，IL-8，CCL2 表達，減輕炎癥。由此得出，低劑量雷帕霉素抑制mTOR 能夠保護細胞衰老抑制促炎因子釋放，可能通過抑制NF-kB 作用［36］。由于TSC1 對mTOR 具有負調節作用，在PA-SMCs 細胞建 立PDGF-TSC1-∕-和SPC-TSC1-∕-小鼠模型 研究發現，TSC 缺失下mTOR 激活進而誘導細胞衰老和炎癥，除此之外在P-ECs 細胞中還觀察到在敲除TSC1-∕-及沒有外界刺激下，自發發展肺氣腫，由此得出TSC1-mTOR 途徑在COPD 中具有重要作用［36］，為將來進一步研究mTOR 在COPD 中的影響作用提供了有力的依據。

5 總結與展望

肺部慢性炎癥性疾病中哮喘，肺纖維化及COPD 的治療始終是醫學工作者關注的問題。目前沒有明確的特異性有效治療藥物，探究新的治療藥物及方案，減輕病人的經濟負擔及疾病發展尤為重要，具有重要的臨床意義。

mTOR 作為藥物治療研究靶點現已用于多種疾病的探究，如腫瘤、自身免疫性疾病、肺部炎癥性疾病和移植排斥反應的實驗探究。然而，mTOR 在肺部慢性炎癥性疾病的臨床治療研究證據仍不足，基礎實驗研究也相對較少，需要醫學科研工作者繼續深入研究。目前，大量基礎實驗研究表明，mTOR 信號通道PI3K-AKT-mTOR、mTOR-p70S6K及TSC1∕TSC2-mTOR 等參與肺部慢性炎癥反應，調節自噬及炎癥，研究者可以通過不同的mTOR 信號通道進一步研究具體炎癥反應機制，為mTOR 在肺部慢性炎癥性疾病中的深入研究提供更多有力的醫學實驗依據。