mTOR信號通路在急性肺損傷中調(diào)控作用的研究進(jìn)展

高可飛 劉小碣 李言 張永

作者單位：233000 安徽 蚌埠，蚌埠醫(yī)學(xué)院 1.研究生院 2.病理生理教研室 3. 233000 安徽 蚌埠，蚌埠醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院呼吸與危重癥科

急性肺損傷(acute lung injury，ALI)是一種毀滅性的呼吸系統(tǒng)疾病，導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞障礙和細(xì)胞骨架改變，從而進(jìn)展為肺水腫、呼吸衰竭及多器官功能障礙綜合征(multiple organ dysfunction syndrome，MODS)，最終導(dǎo)致死亡的發(fā)生[1]。雖然近些年對于肺損傷的研究和治療取得了巨大的進(jìn)展，但是死亡率仍然較高[2]，幸存者可能存在嚴(yán)重的肺纖維化，而導(dǎo)致低氧血癥和呼吸窘迫[3]，對患者造成重大的心理和生理損傷[4-6]，給患者家庭和社會(huì)造成重大的醫(yī)療負(fù)擔(dān)。目前在急性肺損傷/急性呼吸窘迫綜合征治療方面仍然以液體療法和支持性治療為主，缺乏行之有效的治療方法。隨著對mTOR信號通路的研究深入，最近發(fā)現(xiàn)mTOR信號通路不僅可以調(diào)節(jié)腫瘤基因的表達(dá)，還可以作為炎癥及腎臟疾病、糖尿病、衰老的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[7-9]，在許多疾病的治療中發(fā)揮著重要作用。因此， mTOR信號通路可能成為治療肺損傷有希望的作用靶點(diǎn)。

急性肺損傷

急性肺損傷(ALI)是一種嚴(yán)重的臨床疾病，其特征是呼吸窘迫、難治性低氧血癥和非心源性肺水腫，病理上表現(xiàn)為廣泛的肺部炎癥和上皮及內(nèi)皮完整性的喪失[10]。細(xì)胞特征包括肺泡毛細(xì)血管膜的損傷、過度的跨上皮中性粒細(xì)胞遷移和ALI中促炎細(xì)胞毒性介質(zhì)的釋放[10]。由于各種病原體和刺激物引起肺毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞和肺泡上皮之間細(xì)胞屏障破壞，導(dǎo)致屏障通透性增高，肺毛細(xì)血管液體外滲和血管外液體積聚，造成肺間質(zhì)水腫形成。由于水腫液中富含大量的蛋白和中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞等炎癥細(xì)胞，釋放大量促炎細(xì)胞因子，導(dǎo)致組織和細(xì)胞的損傷。另一方面中性粒細(xì)胞可聚集在受損的血管內(nèi)皮細(xì)胞表面，并向肺間質(zhì)和肺泡腔內(nèi)移動(dòng)，通過分泌細(xì)胞毒性物質(zhì)，如顆粒酶、促炎細(xì)胞因子、活性氧和生物活性脂質(zhì)，進(jìn)一步誘導(dǎo)組織損傷。而各種細(xì)胞毒性物質(zhì)會(huì)通過使血管內(nèi)皮鈣黏蛋白的磷酸化、內(nèi)吞和F-actin (F-肌動(dòng)蛋白)重構(gòu)引起肺血管內(nèi)皮屏障破壞，增加肺毛細(xì)血管通透性[11-12]。此外，凝血系統(tǒng)和纖溶系統(tǒng)也在其中發(fā)揮重要作用。ALI早期內(nèi)皮細(xì)胞和肺泡上皮損傷等可直接激活凝血因子Ⅻ，促凝系統(tǒng)增強(qiáng)，導(dǎo)致大量血栓形成和纖維蛋白沉積。另外ALI使緩激肽大量釋放，毛細(xì)血管通透性增加，進(jìn)一步加重水腫的發(fā)生，最終導(dǎo)致死亡。急性肺損傷在危重癥的研究領(lǐng)域越來越受到重視，其致死率約為50%[13]，并發(fā)肺炎或膿毒癥的死亡率也很高，分別為37%或43%[10]。內(nèi)毒素是引起急性肺損傷的主要物質(zhì)，脂多糖(LPS)作為其類似物，可直接刺激體內(nèi)和體外引起多種感染，包括威脅生命的肺炎和敗血癥。

mTOR信號通路

mTOR屬于PI3K(一種胞內(nèi)磷脂酰肌醇激酶)相關(guān)激酶家族，與幾種蛋白質(zhì)形成兩種不同的復(fù)合物，分別命名為mTOR復(fù)合物1 (mTORC1)和mTORC2[14]。mTOR抑制劑雷帕霉素能夠抑制mTORC1而不是mTORC2。mTORC1主要促進(jìn)合成代謝，如蛋白質(zhì)的合成、脂肪生成和能量代謝，抑制自噬和溶酶體形成。mTORC2激活時(shí)則可調(diào)控胞內(nèi)存活、細(xì)胞代謝，以及細(xì)胞骨架的形成[14]。 mTOR信號通路上游受多種細(xì)胞信號的調(diào)控，包括有絲分裂生長因子、胰島素等激素、營養(yǎng)素(氨基酸、葡萄糖)、細(xì)胞能量水平和應(yīng)激條件。通過激活mTOR信號通路從而發(fā)揮促進(jìn)細(xì)胞生長、增殖、血管生成等作用(見圖1)。

一、mTORC1信號通路

mTORC1和mTORC2均含有 mTOR、RAPTOR (mTOR相關(guān)的調(diào)節(jié)蛋白)和mLST8(也稱為GβL)組分。GβL是一種可與mTOR的激酶結(jié)構(gòu)域結(jié)合的蛋白質(zhì)，主要參與將營養(yǎng)物質(zhì)和生長因子介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)至mTOR下游效應(yīng)器S6K1，并控制細(xì)胞大小[15]。RAPTOR和PRAS40(一種負(fù)性調(diào)節(jié)劑)為mTORC1所特有[8]。mTORC1下游主要通過調(diào)節(jié)p70S6激酶1 (S6K1)和eIF4E結(jié)合蛋白(4EBP)的磷酸化來促進(jìn)mRNA的轉(zhuǎn)錄和翻譯以及蛋白質(zhì)合成和細(xì)胞增殖[16]。另外mTORC1還可通過抑制atg13/ULK(自噬起始復(fù)合物)復(fù)合物[17]的激活來進(jìn)一步調(diào)控自噬活性。mTORC1上游為外界的細(xì)胞因子、生長因子等刺激物，激活PI3K-AKT通路，AKT(蛋白激酶B)抑制TSC1(結(jié)節(jié)性硬化復(fù)合物C1)和TSC2(結(jié)節(jié)性硬化復(fù)合物C2)進(jìn)一步調(diào)控小分子 GTP 酶 Rheb(小G蛋白R(shí)as同源蛋白)。當(dāng)Rheb在與 GTP 耦合形成復(fù)合物時(shí)，是 mTORC1 激酶的強(qiáng)效刺激劑，并且受到其 GAP(即結(jié)節(jié)性硬化異二聚體 TSC1/2)的負(fù)性調(diào)控。絕大多數(shù)上游輸入信號通過 Akt 和 TSC1/2 來調(diào)節(jié) Rheb，包括AMPK(AMP活化蛋白激酶)通路直接激活mTORC1。與此相反，氨基酸信號激活則不通過PI3K/Akt 軸的方式將信號指向 mTORC1 ，并促進(jìn) mTORC1 調(diào)控下游信號。

二、mTORC2信號通路

mTOR 復(fù)合體 2 (mTORC2)，由 mTOR、Rictor(mTOR的雷帕霉素不敏感蛋白)、 GβL、 mSin1(哺乳動(dòng)物應(yīng)激激活的MAP激酶相互作用蛋白1)、PROTOR(Rictor相關(guān)的蛋白質(zhì))和 DEPTOR (含DEP結(jié)構(gòu)域的mTOR相互作用蛋白)構(gòu)成。mTORC2 可以通過激活 Akt 促進(jìn)細(xì)胞存活，通過激活 PKCα (蛋白激酶Cα)調(diào)節(jié)細(xì)胞骨架動(dòng)力學(xué)，以及通過磷酸化 SGK1 (血清和糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)的蛋白激酶1)控制離子轉(zhuǎn)運(yùn)和生長[8]。

mTOR通路對急性肺損傷調(diào)控作用的雙面性

近年來，mTOR信號通路在腫瘤性疾病中的作用一直備受關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)其不僅參與多種腫瘤的病理生理過程，而且也是治療腫瘤的關(guān)鍵靶點(diǎn)，其中包括肺癌、胃癌等。最近發(fā)現(xiàn)，mTOR信號通路不僅在腫瘤領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，其在急性肺損傷中也起著關(guān)鍵性的調(diào)控作用。有研究報(bào)道表明mTOR信號通路的激活在急性肺損傷中可能發(fā)揮著相反的調(diào)控作用。一方面可以減少促炎細(xì)胞浸潤，抑制自噬，表現(xiàn)出對急性肺損傷的保護(hù)作用。另一方面，也可表現(xiàn)出激活自噬，促使細(xì)胞凋亡、炎癥因子風(fēng)暴的形成，從而誘導(dǎo)加重肺損傷。目前對mTOR信號通路的這種矛盾性和雙面性的機(jī)制尚不清楚。

一、mTOR信號通路激活可保護(hù)急性肺損傷

ULK/ATG復(fù)合物(如圖1)是自噬的關(guān)鍵起始物，其活性主要通過mTORC1和AMP活化蛋白激酶(AMPK)的結(jié)合，在不同部位的磷酸化來調(diào)節(jié)[17-18]。研究表明mTOR信號通路的激活可通過磷酸化P757位點(diǎn)的ULK1來干擾AMPK和ULK1的相互作用，抑制自噬[17]。溶酶體是細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)降解和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要中心之一。溶酶體降解來源于細(xì)胞內(nèi)、外的各種底物，如內(nèi)吞膜蛋白及小分子物質(zhì)、凋亡細(xì)胞、病原菌和自噬小體等。溶酶體的功能紊亂可導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病。mTOR通路激活(mTORC1)不僅可以抑制自噬，還可以通過磷酸化溶酶體生成的轉(zhuǎn)錄因子TFEB和TFE3，抑制細(xì)胞內(nèi)的溶酶體生成[19]另外TLR4(toll樣受體4)-My88(髓性分化因子88)也可調(diào)節(jié)mTOR磷酸化，并進(jìn)一步抑制自噬，干擾溶酶體或自噬體的形成。mTOR通路的激活還可增加免疫細(xì)胞的活性，從而起到減弱炎癥反應(yīng)和對肺損傷的保護(hù)作用。Wu等人[20]通過研究發(fā)現(xiàn)空氣中顆粒物可以通過使mTOR失活促使支氣管上皮和小鼠氣道上皮細(xì)胞的自噬活性增加，進(jìn)一步削弱溶酶體的活性，從而引起肺損傷的產(chǎn)生。因此，他們認(rèn)為激活mTOR和抑制自噬是治療肺損傷的一個(gè)有效治療策略[21]。近期有研究表明[9]大鼠的膿毒癥模型(CLP)中激活的PI3K/Akt/mTOR途徑可顯著減少炎癥因子釋放、抑制細(xì)胞造成的自噬損傷[22-24]和細(xì)胞凋亡，從而減輕肺水腫，提高存活率。不僅如此，PI3K/Akt/mTOR通路還可誘導(dǎo)肺DCs(樹突狀細(xì)胞)的成熟和增強(qiáng)其抗原提呈能力，顯著升高髓系DCs，增強(qiáng)肺DCs的粘附和趨化能力[25]，最終對肺損傷的保護(hù)作用。

圖1 mTOR簡要通路圖

二、mTOR信號通路的激活加重急性肺損傷

然而與之相反的是，mTOR通路的激活也可通過調(diào)控自噬的發(fā)生，誘導(dǎo)內(nèi)皮屏障破壞加重，增加細(xì)胞凋亡、從而加重肺損傷，增加死亡率。最近Fu[26]等發(fā)現(xiàn)，利用一種被稱之為富氫鹽水(HRS)的抗氧化劑通過抑制mTOR/TFEB信號通路，可減少細(xì)胞凋亡和炎癥因子浸潤，并激活自噬，從而在LPS誘導(dǎo)的肺損傷模型中起到保護(hù)作用。Hu[27]在另一項(xiàng)對小鼠LPS誘導(dǎo)的肺損傷模型中發(fā)現(xiàn)在支氣管或肺泡上皮細(xì)胞中特異性敲除mTOR基因的小鼠表現(xiàn)出顯著減弱的氣道炎癥、屏障破壞和肺水腫，存活時(shí)間明顯延長等現(xiàn)象，從而進(jìn)一步證實(shí)了上述結(jié)論和觀點(diǎn)。Li[28]等在另一項(xiàng)研究中也證實(shí)了，抑制了mTOR/HIF-1α的表達(dá)，可減輕LPS誘導(dǎo)的大鼠肺損傷。

mTOR的激活同樣可在急性肺損傷作為并發(fā)癥的很多疾病中發(fā)揮重要的作用。重癥胰腺炎，作為消化系統(tǒng)一種急危重癥，具有病情險(xiǎn)惡、并發(fā)癥多、病死率較高的特點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)重癥胰腺炎死亡率約為15%[29-30]，其中60%為并發(fā)肺損傷引起的死亡[31]。最近有研究發(fā)現(xiàn)抑制mTOR通路可減輕胰腺炎引起的肺損傷[32-34]，從而減輕重癥胰腺炎死亡率。有趣的是，機(jī)體的自我調(diào)節(jié)也在急性肺損傷保護(hù)中起著關(guān)鍵性作用。Xu[35]在一項(xiàng)研究中也證實(shí)創(chuàng)傷后腦損傷并發(fā)肺損傷時(shí)機(jī)體可通過ERK1/2/mTOR/Stat3途徑進(jìn)一步激活自噬，從而減輕急性肺損傷，改善肺屏障功能、氧合功能和靜態(tài)順應(yīng)性。這也從另一角度闡明機(jī)體可自我保持穩(wěn)態(tài)而不是使用外界藥物，表明自噬對于急性肺損傷的治療是個(gè)重要策略[36]。PI3K/Akt/mTOR通路作為激活炎癥介質(zhì)的主要通路對于肺損傷、炎癥浸潤、組織破壞都起著關(guān)鍵的作用。許多證據(jù)表明，抑制PI3K/Akt/mTOR通路可明顯降低炎癥引起的肺損傷[37]，從而起到治療作用。

mTOR主要通過上游分子調(diào)控使其磷酸化而激活，并進(jìn)一步激活下游的炎癥通路來發(fā)揮加重肺損傷作用。如：(1)病原體和外界刺激介導(dǎo)TLR4通過磷酸化mTOR，使之激活，從而抑制自噬的發(fā)生，調(diào)控NF-κB炎癥通路，使免疫細(xì)胞生成增加，促炎因子浸潤增加，造成血管內(nèi)皮細(xì)胞屏障的破壞，導(dǎo)致細(xì)胞的凋亡和組織的損傷。(2)機(jī)體通過ERK1/2(細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶)/mTOR/Stat3 (信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子)激活發(fā)揮抑制自噬的作用，而自噬進(jìn)一步通過HMGB1(高遷移率族蛋白B1)/RAGE(晚期糖基化終產(chǎn)物受體)/NF-κB(核因子-κB)/途徑調(diào)節(jié)炎性小體、氧化應(yīng)激以及細(xì)胞凋亡，從而對肺組織和血管內(nèi)皮細(xì)胞造成損傷。(3)mTOR磷酸化而激活，從而激活下游靶點(diǎn)p70S6K(p70核糖體蛋白S6激酶)和eIF4E(真核起始因子4E)的mRNA表達(dá)，并激活HIF-1α(缺氧誘導(dǎo)因子1α)及其下游的VEGF(血管內(nèi)皮生長因子)基因，最終引起促炎介質(zhì)釋放[28]。(4)mTOR通路的激活，可以激活下游的 p70S6K、4EBP1(重組人翻譯起始因子4E結(jié)合蛋白1)、TGF-β(轉(zhuǎn)化生長因子-β)和CTGF(結(jié)締組織生長因子)的表達(dá)[34]，并可導(dǎo)致高濃度氧誘導(dǎo)的肺纖維化發(fā)生。(5)mTOR的激活還可通過TLR4/p65/NLRP3(炎癥小體)/Caspase1(胱冬肽酶-1)增加炎癥因子浸潤和血管內(nèi)皮破壞，最終導(dǎo)致肺損傷的發(fā)生[35]。

三、mTOR信號通路的激活對急性肺損傷作用輕微

雖然，mTOR信號通路在急性肺損傷中關(guān)鍵作用研究較多。然而，有趣的是，最近有報(bào)道認(rèn)為mTOR信號通路在肺損傷中作用輕微，不起關(guān)鍵作用，不能成為治療的靶點(diǎn)。 Gao[38]發(fā)現(xiàn)mTOR信號通路在LPS誘導(dǎo)的肺損傷和肺組織細(xì)胞自噬中不起主要作用。Wang[39]也在研究中得到了相似的結(jié)果即：雖然LPS誘導(dǎo)的ALI過程中mTOR確實(shí)被激活，且mTOR抑制劑降低了炎癥介質(zhì)的水平，但ALI小鼠模型的整體嚴(yán)重程度和存活率沒有變化。

綜上所述，雖然mTOR在不同的上下游分子調(diào)節(jié)中起到作用可能相反，并且也有調(diào)節(jié)mTOR通路對肺損傷并無作用的報(bào)道，但大部分研究表明mTOR信號通路對于ALI有明顯調(diào)節(jié)作用，雖然未改變動(dòng)物模型的死亡率和嚴(yán)重程度，但卻明顯降低了炎癥因子水平，且可調(diào)控下游自噬的產(chǎn)生，是個(gè)有希望的治療靶點(diǎn)[40]。

展 望

肺損傷可導(dǎo)致細(xì)胞骨架受損，細(xì)胞間粘連減少，內(nèi)皮屏障破壞，滲出增多，mTOR信號通路作為肺損傷重要的調(diào)控因子起著關(guān)鍵作用。然而mTOR通路對肺損傷的調(diào)節(jié)具有雙面性，一方面可通過激活mTOR通路增加DCs的成熟、抗原提呈能力，減輕炎癥因子導(dǎo)致的損傷。而另一方面也可發(fā)揮相反作用，誘導(dǎo)和加重凋亡的發(fā)生，從而促進(jìn)肺損傷的進(jìn)展，產(chǎn)生這種矛盾效果的具體機(jī)制和在其他疾病中是否存在這種矛盾情況均尚不清楚，可能與其不同的激活通路有關(guān)。另外mTOR信號通路在肺損傷細(xì)胞骨架破壞、內(nèi)皮屏障損傷中的研究仍較少?？傊?，mTOR信號通路對于急性肺損傷的治療是個(gè)重要的治療靶點(diǎn)，闡明對其的調(diào)控作用有利于急性肺損傷和ARDS的診斷、治療。