[摘要] PI3K是一种脂质激酶，控制着细胞生长、增殖、迁移、存活和血管生成，以及通过激活磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)、AKT和雷帕霉素靶蛋白(mTOR)促进肿瘤发展。哺乳动物mTOR的作用靶点是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，它在细胞中广泛地表达，是一种治疗癌症的靶向目标。本文将主要论述癌症细胞系PI3K-mTOR信号通路的改变，包括乳腺癌、前列腺癌、肺癌、胰腺癌、肝癌等的作用机制。PI3K-mTOR是肿瘤治疗的有前途的靶向目标。多靶点抑制是肿瘤治疗最有效的方法，通过讨论临床试验中研究的PI3K-mTOR抑制剂药物，为将来临床抗肿瘤药物的研发提供新途径。
[关键词] 中华临床营养杂志论文发表,PI3K-mTOR,PI3K-mTOR抑制剂,肿瘤治疗
Research new progress on inhibitors antitumor of PI3K-mTOR signaling pathway
WU SONG1 YU Guiping1 XUE Tao2
1.Department of Thoracic Surgery， Jiangyin Hospital Affiliated to Medical School of Southeast University， Jiangsu Province， Jiangyin 214400， China; 2.Department of Thoracic Surgery， Zhongda Hospital Affiliated to Medical School of Southeast University， Jiangsu Province， Nanjing 210000， China
[Abstract] PI3K is a kind of lipid kinase， controlling the cell growth， proliferation， migration， survival， angiogenesis and by activating PI3K， and AKT and mTOR to promote the development of tumor. mTOR for mammals rapamycin targets is a serine/threonine protein kinase， which is widely expressed in the cell， is a kind of targeted target for the treatment of cancer. This paper mainly shows PI3K cancer cell line-the change of the mTOR signaling pathways， including the mechanism of action of breast cancer， prostate cancer， lung cancer， pancreatic cancer， liver cancer， etc.. PI3K-mTOR is promising targeting tumor treatment goals. Multiple targets for inhibiting tumor is the most effective method of treatment， by discussing research in clinical trials of PI3K-mTOR inhibitor drugs， for the future clinical antitumor drug research and development to provide a new way.
[Key words] PI3K-mTOR; PI3K-mTOR inhibitors; Cancer treatment
哺乳动物的雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rap-amycin，mTOR)是一种磷脂酰肌醇3-激酶(phosphoinositide 3-kinase，PI3K)相关激酶，可通过mTOR信号复合物(mTOR complex，mTORC)1和mTORC2参与肿瘤细胞周期、细胞凋亡、细胞自噬等多种生物学过程，进而调节肿瘤细胞的存活、生长和增殖。在一些肿瘤细胞中经常出现mTOR信号通路的异常活化。例如DNA损伤、饥饿和缺氧都可以抑制mTORC1的活性，但另一方面，肿瘤细胞中多种因素可激活mTOR，使得胞内mTOR信号通路异常。本文介绍细胞内mTORC1与mTOR2上下游相关的胞内信号转导途径，为进一步基于mTOR为靶点的肿瘤药物研究与开发提供思路。
1 PI3K-AKT-mTOR信号通路的组成
PI3K-AKT-mTOR信号通路是细胞内三大主要信号通路之一，包括RTK-P13K-PKB/AKT-TSC2/TSCl-Rheb-mTOR1/mTOR2-S6Ks/4E-BP1[1]。酪氨酸蛋白激酶受体(receptor tyrosine kinases，RTK)位于细胞表面，它通过接收胞外多种生长因子[如胰岛素(Insulin)、成纤维细胞生长因子(FGF)、人生长因子(HGF)、血管内皮生长因子(VEGF)、血管位蛋白Ⅰ(AngⅠ)[3]]等配体的信号刺激而被激活[2]，激活的RTK通过PI3K将信号转递到细胞内，再次激活蛋白激酶B(protein kinase B，PKB)，又称为AKT，属于PI3K重要的下游分子，包括AKT1、AKT2和AKT3至少3种形式[4]，其中AKT1促进细胞增殖和存活;AKT2参与胰岛素调节的糖类物质代谢;AKT3则对细胞的数目以及大小起着关键的调节作用。AKT作用广泛：一方面AKT可以通过多种途径对下游靶蛋白进行磷酸化而发挥细胞抗凋亡作用[5]，例如AKT磷酸化Bcl-2家族成员BAD，阻止其与Bcl-XL结合起始凋亡;ATK激活IκB激酶(IKKα)进而导致NF-κB的抑制剂IκB的降解，使NF-κB从细胞质中释放出来进行核转位，激活其靶基因使细胞存活。另一方面AKT能抑制蛋白水解酶Caspase-9的活性，阻止凋亡级联反应的激活。同时AKT可以通过磷酸化p53结合蛋白MDM2来调节p53的活性，促进p53蛋白的降解而影响细胞存活[6]，以及AKT可以磷酸化FoxO1，抑制其核转位而阻止其转录激活作用。 mTOR属于丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶家族，是一个细胞生长和增殖的重要调节因子[7]。当细胞受到外界营养因素或生长因子信号刺激时，胞内mTOR可以激活下游一些相关靶蛋白，进而对整个细胞的代谢与生长进行正向或负向调控。该过程中pS6K和4E-BP1是两个重要的下游蛋白[8]。其中pS6K活化后可以促进核糖体蛋白的合成。另一方面4E-BPl可以与elF4E结合发挥抑制其活性的作用，进而抑制了翻译的开始[9]。当活化的mTOR磷酸化4E-BPl后，可以解除eIF4E/4E-BPl的结合，进而激活蛋白质的转录翻译。
PI3K-AKT-mTOR信号通路在肿瘤发生发展中起重要作用，其中PI3K/AKT下游的mTOR是该通路的关键激酶，主要调节肿瘤细胞的增殖、生长、存活和血管生成等生物学作用[10]。主要机制有：①通过磷酸化作用激活PI3K-AKT-mTOR信号通路，抑制凋亡因子活性，同时激活抗凋亡因子表达。②通过抑癌基因PTEN的磷酸化作用实现PI3K的负反馈调节，PTEN表达的减少间接刺激PI3K-AKT-mTOR活动从而导致肿瘤形成。③最近研究表明，PI3K-AKT-mTOR信号通路在肿瘤干细胞自我更新和抗化疗或放疗中也起着重要的作用[11]，被认为是肿瘤复发和转移的一个重要原因。
2 PI3K和mTOR通路及其抑制剂的抗肿瘤作用
2.1泌尿生殖系统肿瘤
Everolimus于2003年在欧洲首次获得批准，主要用来预防心脏移植和肾移植手术后的排斥反应。主要机制包括抗肿瘤作用、免疫抑制作用、血管保护作用、抗病毒作用。在一项针对晚期子宫内膜癌的治疗过程中，研究表明对于胞内PI3K-mTOR信号通路中的某些蛋白表达量的检测(如PI3K、PTEN等)，并不能推导出Everolimus的临床治疗效果，二者之间并没有存在一定的相关性。另外，子宫内膜癌中K-RAS基因突变患者也不能从Everolimus临床药物治疗中受益[12]。
先前研究表明男性前列腺癌的发展与抑癌基因PTEN的缺失有关，进而引起的细胞内PI3K-AKT-mTOR信号通路的异常激活，进而导致对各种治疗产生耐受，当使用AKT抑制剂AZD5363治疗过程中，可引起前列腺癌PC-3细胞发生自噬和细胞周期阻滞，同时联用自噬抑制剂阻断细胞自噬时，可显著增加AZD5363诱导的前列腺癌PC-3细胞的凋亡。体内研究表明当AZD5363与氯喹连用时，可明显减少荷瘤小鼠体内的肿瘤体积，这为一些前列腺癌患者的临床治疗提供了新的思路[13-14]。
肿瘤转移性肾细胞癌(metastatic renal cell carcinoma，mRCC)是泌尿生殖系统中另外一种常见的转移性肿瘤，其发病率在泌尿系肿瘤中居第2位，仅次于膀胱癌。针对肿瘤细胞内PI3K-mTOR信号通路靶向治疗抑制剂药物，已经成为RCC标准治疗方案。针对胞内mTOR信号通路中其他蛋白为靶点的抑制剂药物，正在积极进行Ⅰ～Ⅲ期临床药物试验，测试单独或联合应用治疗RCC的临床药物作用。在原发性乳腺肿瘤的研究中Nagai等[15]发现， 联合应用PI3K-mTOR信号通路抑制剂与JAK2信号抑制剂可产生药物协同作用，明显降低乳腺癌细胞的数量并抑制肿瘤的生长，同时可以降低肿瘤种植和转移，大大提高了乳腺癌患者的整体生存率。另外，在三阴性乳腺癌治疗中，联用PI3K-mTOR通路抑制剂和JAK2-STAT5通路抑制剂，同样取得较好的临床治疗效果。
另外一项研究也证实对PI3K-mTOR耐药的乳腺癌细胞，其耐药机制可能是通过激活JAK2信号途径，即当PI3K-mTOR信号通路受抑制时，可以激活IRS1依赖的JAK2/STAT5和IL-8的分泌，进而获得的耐药，有学者认为针对JAK2通路的抑制剂，或许是解决临床上肿瘤患者使用PI3K-mTOR通路抑制剂过程中，频发出现药物耐药的新思路[16-17]。使用计算机生物信息学方法，对既往发表论文中的临床数据进行分析后发现，当肿瘤细胞内PI3K-AKT-mTOR信号通路发生突变时，尤其是PIK3CA的突变，反而可能会使部分乳腺癌患者对PI3K-AKT-mTOR通路抑制剂药物，获得高度敏感[18]。另外，在对与宫颈癌相关的HPV16病毒感染性疾病研究中发现，病毒通过感染宿主宫颈上皮细胞过程中，HPV16病毒与细胞之间的相互作用可以异常激活细胞内PI3K-AKT-mTOR信号通路，同时病毒可以抑制被感染细胞的自噬，研究显示针对细胞内PI3K-AKT-mTOR信号通路的临床靶向治疗，可能对由于某些病毒慢性感染引起的肿瘤疾病，发挥一定的阻断或预防作用[19]。
2.2 血液系统肿瘤
在探讨白介素(IL)-7对急性急性T淋巴细胞白血病(T-cell acute lymphoblastic leukemia，T-ALL)或慢性粒细胞白血病发病机制中的作用时，研究发现细胞内PI3K-AKT-mTOR和JAK-STAT5信号通路被异常激活，同时证据显示IL-7及其受体专递的相关信号能参与T-ALL疾病的发展，因此PI3K-mTOR信号通路抑制剂，或许具有治疗T-ALL的潜在的应用潜力[20]。同时也有学者发现，在急性粒细胞白血病和淋巴系白血病等恶性或预后较差的疾病治疗过程中，患者体内的PI3K-AKT-mTOR信号通路的高度活化常常引起普通化疗药物的耐药，同时PI3K和mTOR共享的催化位点的序列的同源性高，所以像PI-103、NVP-BEZ235等针对mTOR和PI3K的一些小分子双效抑制剂，在杀伤白血病细胞的疗效和细胞毒作用，效果要显著高于单独使用PI3K或mTOR单一位点抑制剂，其主要药理作用机制是能够同时抑制mTORC1和mTORC2两个位点，因此这种针对PI3K-mTOR通路的双效抑制剂，是一项非常具有临床应用前景的血液系统肿瘤治疗策略[21]。 另外一项针对弥漫性大B细胞淋巴瘤的发病机制研究中，也发现细胞内PI3K-AKT-mTOR信号通路异常激活并持续活化，临床使用单一mTOR抑制剂如RAD001治疗过程中，只能抑制胞内mTOR的活化，但NVP-BEZ235是PI3K和mTOR双效抑制剂，机制是通过抑制Mcl-1的表达以及诱导4EBP1去磷酸化，进而引起B细胞淋巴瘤DLBCL细胞发生凋亡[22]，该研究显示双效抑制剂的作用与上述一致。
多发性骨髓瘤(multiple myeloma，MM)是一种血液系统中的恶性肿瘤，未治疗患者的生存期只有7～8个月。研究发现临床治疗MM过程中时常发生耐药，其主要机制与胞内PI3K-AKT-mTOR信号通路异常活化有关，并且使用mTORC1单一抑制剂的治疗效果并不理想，因为活化的AKT可以反馈性激活mTORC2。使用AKT单一抑制剂MK-2206，虽然在原代肿瘤细胞或MM细胞系能够很好抑制肿瘤增殖和诱导细胞凋亡，但是个体差异波动较大。同时联合使用MEK1/2抑制剂U0126和mTORC1抑制剂LY294002，可以显著抑制ERK介导的下的AKT抑制剂耐药的发生，这种选择性治疗策略可能是未来临床治疗中新的备选方案[23]。在分子靶向药物以外，选择运用其他的治疗策略如BCL-2等基因敲除，可以显著的大幅提升PI3K-mTOR抑制剂BEZ235、AKT抑制剂ABT-737等药物的治疗效果，极大丰富了肿瘤分子靶向治疗的理论[24]。
2.3消化系统肿瘤
在研究PI3K-mTOR双效抑制剂BEZ235对人胰腺导管癌(pancreatic ductal adenocarcinoma，PDAC)中发现，单独应用BEZ235或联用泛组蛋白去乙酰化酶抑制Panobinostat均可得到显著的疗效，其主要机制是通过诱导p21WAF1和p27kip1细胞周期抑制性蛋白的表达，进而阻滞了肿瘤细胞周期的进程。同时体内实验研究发现两者联合应用更能有效减少PDAC荷瘤小鼠肿瘤模型的增长[25]。
在胃癌组织研究中同样也发现，肿瘤细胞内mTOR信号的表达与PTEN呈现一定的负相关，但是在胃癌的肿瘤分期侵润、发展和转移过程中却呈现一定的正相关，因此联合检测PTEN和mTOR信号表达情况，临床可适用于评估肿瘤的转移和恶性程度，两个指标的检测将来可能用于胃癌的早期诊断及预后评估[26]。一项对肝癌临床病理标本进行数据分析发现，肝癌细胞中mTOR表达量显著升高同时伴有细胞周期抑制性蛋白p27kip1的表达缺失[27]。mTOR信号通路的活化情况，同时也可以作为肝癌治疗评估的一个靶标，虽然mTOR的抑制剂RAD001在肝癌治疗过程中，表现较为温和的抗肿瘤效果，其机制这可能与AKT活化mTOR信号的反馈相关。当RAD001联合AKT通路抑制剂MK-2206联合给药治疗时，体内和体外结果显示能较大幅度提高RAD001的治疗效果，证明多种抑制剂联合疗法，在原发性肝癌临床治疗过程中可能是一个潜在的治疗策略[97]。
对结肠癌体外研究发现，使用顺铂药物干预结肠癌细胞株RKO、HCT116、SW620和KM12C治疗后，肿瘤细胞可通过激活mTOR信号，进而诱导AKT1、4EBP1等磷酸化并促进Livin抗凋亡蛋白表达，应用PI3K抑制剂LY294002与顺铂联用，可显著降低顺铂单用所致肿瘤耐药的发生[28]。运用组织染色方法分析食管腺癌OAC病理标本结果显示，约19.7%食管腺癌患者组织标本中的高表达p-mTOR，同时伴有OAC患者的低生存率，提示p-mTOR可能是食管腺癌分子靶向药物开发中一个重要的生物学靶点[29]。
2.4 呼吸系统肿瘤
体外肺癌研究发现，使用AKT信号抑制剂GSK690693和mTOR信号抑制剂替Sirolimus，联合应用处理NCI-H460和A549肺癌细胞系，结果显示两者可以协同诱导细胞凋亡同时伴有细胞自噬的升高，而当抑制细胞自噬情况下，则可以显著增强药物联合应用药用效果[30]。使用岩藻多糖处理肺癌细胞系A549，结果显示可下调ERK1、ERK2的表达量，和抑制PI3K-AKT-mTOR通路，进而抑制肺癌细胞的增殖与侵袭转移[31]。对小细胞肺癌(small cell lung cancer，SCLC)的临床研究发现，肺癌病理组织标本中PI3K的异构体p110-α和p110-β过度表达，使用药物抑制p110-α的表达可大大减弱mTOR信号通路，进而抑制SCLC细胞增殖和提高凋亡率，针对PI3K异构体p110-α的靶标抑制剂，可能是治疗这种恶性度较高肺癌的策略[32]。
2.5 其他系统肿瘤
在皮肤肿瘤研究中，恶性黑色素瘤组织标本发现PI3K-AKT-mTOR通路常常高度激活，双效的抑制剂NVP-BEZ235可能是恶性黑色素瘤临床治疗中非常具有前景的药物之一[33]。使用microRNA技术发现miR-223可通过调节HSP90的表达，显著渐弱PI3K-mTOR的活化程度，抑制骨肉瘤细胞MG63的生长[34]。另外，细胞内miR-125b的异位过表达可抑制Hela细胞的增殖，其机制是通过下调PI3K-AKT-mTOR的活性，诱导宫颈癌细胞凋亡[35-37]。
3 小结与展望
过去十年， PI3K-mTOR通路信号抑制剂和针对mTOR的抗癌疗法的潜力，在TSC、和肾癌T细胞淋巴瘤有关的肿瘤治疗过程中，已经展示出良好的治疗效果。对PI3K-mTOR通路信号抑制在肿瘤细胞中作用机制的研究，优先于其在临床有限的应用，也包括mTORC1底物选择性抑制和激活的反馈回路等，这些研究揭示了mTOR激酶抑制剂具有巨大的发展潜力。
关于mTOR和PI3K的抑制是否也能通过新的途径引起反馈回路激活，是否还存在尚未发现的自动调节机制，这些都需要临床试验、应用肿瘤活检等进行信号分子相关研究来求证或发现。此外通过对TOR-KIS和PI3K/TOR-KIs进行分析和评估，来确定临床上肿瘤治疗药物的有效性和耐药性的概率也将成为新的研究热点。目前已有学者建立起PI3K-AKT-mTOR的信号通路计算模型，可用于计算通路中AKT在肿瘤细胞糖酵解及能量代谢中的作用[38]。 [参考文献]
[1] Djukom C，Porro LJ，Mrazek A，et al. Dual Inhibition of PI3K and mTOR Signaling Pathways Decreases Human Pancreatic Neuroendocrine Tumor Metastatic Progression [J]. Pancreas，2013，10(20)：61-72.
[2] Badura S，Tesanovic T，Pfeifer H，et al. Differential Effects of Selective Inhibitors Targeting the PI3K/AKT/mTOR Pathway in Acute Lymphoblastic Leukemia [J]. PLoS One，2013，14(2)：120-130.
[3] Bartalucci N，Tozzi L，Bogani C，et al. Co-targeting the PI3K/mTOR and JAK2 signalling pathways produces synergistic activity against myeloproliferative neoplasms [J]. J Cell Mol Med，2012，28(1)：177-181.
[4] Mackay HJ，Eisenhauer EA，Kamel-Reid S，et al. Molecular determinantks of outcome with mammalian target of rapamycin inhibition in endometrial cancer [J]. Cancer，2013，25(3)：123-133.
[5] Ellis L，Ku SY，Ramakrishnan S，et al. Combinatorial antitumor effect of HDAC and the PI3K-Akt-mTOR pathway inhibition in a Pten defecient model of prostate cancer [J]. Oncotarget，2013，27(5)：122-135.
[6] Hales EC，Taub JW，Matherly LH，et al. New insights into Notch1 regulation of the PI3K-AKT-mTOR1 signaling axis：Targeted therapy of γ-secretase inhibitor resistant T-cell acute lymphoblastic leukemia [J]. Cell Signal，2014，26(1)：149-161.
