mTOR信号通路在急性肺损伤中调控作用的研究进展

高可飞 刘小碣 李言 张永

作者单位：233000 安徽 蚌埠，蚌埠医学院 1.研究生院 2.病理生理教研室 3. 233000 安徽 蚌埠，蚌埠医学院第一附属医院呼吸与危重症科

急性肺损伤(acute lung injury，ALI)是一种毁灭性的呼吸系统疾病，导致内皮细胞障碍和细胞骨架改变，从而进展为肺水肿、呼吸衰竭及多器官功能障碍综合征(multiple organ dysfunction syndrome，MODS)，最终导致死亡的发生[1]。虽然近些年对于肺损伤的研究和治疗取得了巨大的进展，但是死亡率仍然较高[2]，幸存者可能存在严重的肺纤维化，而导致低氧血症和呼吸窘迫[3]，对患者造成重大的心理和生理损伤[4-6]，给患者家庭和社会造成重大的医疗负担。目前在急性肺损伤/急性呼吸窘迫综合征治疗方面仍然以液体疗法和支持性治疗为主，缺乏行之有效的治疗方法。随着对mTOR信号通路的研究深入，最近发现mTOR信号通路不仅可以调节肿瘤基因的表达，还可以作为炎症及肾脏疾病、糖尿病、衰老的关键调节因子[7-9]，在许多疾病的治疗中发挥着重要作用。因此， mTOR信号通路可能成为治疗肺损伤有希望的作用靶点。

急性肺损伤

急性肺损伤(ALI)是一种严重的临床疾病，其特征是呼吸窘迫、难治性低氧血症和非心源性肺水肿，病理上表现为广泛的肺部炎症和上皮及内皮完整性的丧失[10]。细胞特征包括肺泡毛细血管膜的损伤、过度的跨上皮中性粒细胞迁移和ALI中促炎细胞毒性介质的释放[10]。由于各种病原体和刺激物引起肺毛细血管内皮细胞和肺泡上皮之间细胞屏障破坏，导致屏障通透性增高，肺毛细血管液体外渗和血管外液体积聚，造成肺间质水肿形成。由于水肿液中富含大量的蛋白和中性粒细胞、巨噬细胞等炎症细胞，释放大量促炎细胞因子，导致组织和细胞的损伤。另一方面中性粒细胞可聚集在受损的血管内皮细胞表面，并向肺间质和肺泡腔内移动，通过分泌细胞毒性物质，如颗粒酶、促炎细胞因子、活性氧和生物活性脂质，进一步诱导组织损伤。而各种细胞毒性物质会通过使血管内皮钙黏蛋白的磷酸化、内吞和F-actin (F-肌动蛋白)重构引起肺血管内皮屏障破坏，增加肺毛细血管通透性[11-12]。此外，凝血系统和纤溶系统也在其中发挥重要作用。ALI早期内皮细胞和肺泡上皮损伤等可直接激活凝血因子Ⅻ，促凝系统增强，导致大量血栓形成和纤维蛋白沉积。另外ALI使缓激肽大量释放，毛细血管通透性增加，进一步加重水肿的发生，最终导致死亡。急性肺损伤在危重症的研究领域越来越受到重视，其致死率约为50%[13]，并发肺炎或脓毒症的死亡率也很高，分别为37%或43%[10]。内毒素是引起急性肺损伤的主要物质，脂多糖(LPS)作为其类似物，可直接刺激体内和体外引起多种感染，包括威胁生命的肺炎和败血症。

mTOR信号通路

mTOR属于PI3K(一种胞内磷脂酰肌醇激酶)相关激酶家族，与几种蛋白质形成两种不同的复合物，分别命名为mTOR复合物1 (mTORC1)和mTORC2[14]。mTOR抑制剂雷帕霉素能够抑制mTORC1而不是mTORC2。mTORC1主要促进合成代谢，如蛋白质的合成、脂肪生成和能量代谢，抑制自噬和溶酶体形成。mTORC2激活时则可调控胞内存活、细胞代谢，以及细胞骨架的形成[14]。 mTOR信号通路上游受多种细胞信号的调控，包括有丝分裂生长因子、胰岛素等激素、营养素(氨基酸、葡萄糖)、细胞能量水平和应激条件。通过激活mTOR信号通路从而发挥促进细胞生长、增殖、血管生成等作用(见图1)。

一、mTORC1信号通路

mTORC1和mTORC2均含有 mTOR、RAPTOR (mTOR相关的调节蛋白)和mLST8(也称为GβL)组分。GβL是一种可与mTOR的激酶结构域结合的蛋白质，主要参与将营养物质和生长因子介导的信号传导至mTOR下游效应器S6K1，并控制细胞大小[15]。RAPTOR和PRAS40(一种负性调节剂)为mTORC1所特有[8]。mTORC1下游主要通过调节p70S6激酶1 (S6K1)和eIF4E结合蛋白(4EBP)的磷酸化来促进mRNA的转录和翻译以及蛋白质合成和细胞增殖[16]。另外mTORC1还可通过抑制atg13/ULK(自噬起始复合物)复合物[17]的激活来进一步调控自噬活性。mTORC1上游为外界的细胞因子、生长因子等刺激物，激活PI3K-AKT通路，AKT(蛋白激酶B)抑制TSC1(结节性硬化复合物C1)和TSC2(结节性硬化复合物C2)进一步调控小分子 GTP 酶 Rheb(小G蛋白Ras同源蛋白)。当Rheb在与 GTP 耦合形成复合物时，是 mTORC1 激酶的强效刺激剂，并且受到其 GAP(即结节性硬化异二聚体 TSC1/2)的负性调控。绝大多数上游输入信号通过 Akt 和 TSC1/2 来调节 Rheb，包括AMPK(AMP活化蛋白激酶)通路直接激活mTORC1。与此相反，氨基酸信号激活则不通过PI3K/Akt 轴的方式将信号指向 mTORC1 ，并促进 mTORC1 调控下游信号。

二、mTORC2信号通路

mTOR 复合体 2 (mTORC2)，由 mTOR、Rictor(mTOR的雷帕霉素不敏感蛋白)、 GβL、 mSin1(哺乳动物应激激活的MAP激酶相互作用蛋白1)、PROTOR(Rictor相关的蛋白质)和 DEPTOR (含DEP结构域的mTOR相互作用蛋白)构成。mTORC2 可以通过激活 Akt 促进细胞存活，通过激活 PKCα (蛋白激酶Cα)调节细胞骨架动力学，以及通过磷酸化 SGK1 (血清和糖皮质激素诱导的蛋白激酶1)控制离子转运和生长[8]。

mTOR通路对急性肺损伤调控作用的双面性

近年来，mTOR信号通路在肿瘤性疾病中的作用一直备受关注。研究发现其不仅参与多种肿瘤的病理生理过程，而且也是治疗肿瘤的关键靶点，其中包括肺癌、胃癌等。最近发现，mTOR信号通路不仅在肿瘤领域发挥重要作用，其在急性肺损伤中也起着关键性的调控作用。有研究报道表明mTOR信号通路的激活在急性肺损伤中可能发挥着相反的调控作用。一方面可以减少促炎细胞浸润，抑制自噬，表现出对急性肺损伤的保护作用。另一方面，也可表现出激活自噬，促使细胞凋亡、炎症因子风暴的形成，从而诱导加重肺损伤。目前对mTOR信号通路的这种矛盾性和双面性的机制尚不清楚。

一、mTOR信号通路激活可保护急性肺损伤

ULK/ATG复合物(如图1)是自噬的关键起始物，其活性主要通过mTORC1和AMP活化蛋白激酶(AMPK)的结合，在不同部位的磷酸化来调节[17-18]。研究表明mTOR信号通路的激活可通过磷酸化P757位点的ULK1来干扰AMPK和ULK1的相互作用，抑制自噬[17]。溶酶体是细胞内物质降解和信号转导的重要中心之一。溶酶体降解来源于细胞内、外的各种底物，如内吞膜蛋白及小分子物质、凋亡细胞、病原菌和自噬小体等。溶酶体的功能紊乱可导致神经退行性疾病。mTOR通路激活(mTORC1)不仅可以抑制自噬，还可以通过磷酸化溶酶体生成的转录因子TFEB和TFE3，抑制细胞内的溶酶体生成[19]另外TLR4(toll样受体4)-My88(髓性分化因子88)也可调节mTOR磷酸化，并进一步抑制自噬，干扰溶酶体或自噬体的形成。mTOR通路的激活还可增加免疫细胞的活性，从而起到减弱炎症反应和对肺损伤的保护作用。Wu等人[20]通过研究发现空气中颗粒物可以通过使mTOR失活促使支气管上皮和小鼠气道上皮细胞的自噬活性增加，进一步削弱溶酶体的活性，从而引起肺损伤的产生。因此，他们认为激活mTOR和抑制自噬是治疗肺损伤的一个有效治疗策略[21]。近期有研究表明[9]大鼠的脓毒症模型(CLP)中激活的PI3K/Akt/mTOR途径可显著减少炎症因子释放、抑制细胞造成的自噬损伤[22-24]和细胞凋亡，从而减轻肺水肿，提高存活率。不仅如此，PI3K/Akt/mTOR通路还可诱导肺DCs(树突状细胞)的成熟和增强其抗原提呈能力，显著升高髓系DCs，增强肺DCs的粘附和趋化能力[25]，最终对肺损伤的保护作用。

图1 mTOR简要通路图

二、mTOR信号通路的激活加重急性肺损伤

然而与之相反的是，mTOR通路的激活也可通过调控自噬的发生，诱导内皮屏障破坏加重，增加细胞凋亡、从而加重肺损伤，增加死亡率。最近Fu[26]等发现，利用一种被称之为富氢盐水(HRS)的抗氧化剂通过抑制mTOR/TFEB信号通路，可减少细胞凋亡和炎症因子浸润，并激活自噬，从而在LPS诱导的肺损伤模型中起到保护作用。Hu[27]在另一项对小鼠LPS诱导的肺损伤模型中发现在支气管或肺泡上皮细胞中特异性敲除mTOR基因的小鼠表现出显著减弱的气道炎症、屏障破坏和肺水肿，存活时间明显延长等现象，从而进一步证实了上述结论和观点。Li[28]等在另一项研究中也证实了，抑制了mTOR/HIF-1α的表达，可减轻LPS诱导的大鼠肺损伤。

mTOR的激活同样可在急性肺损伤作为并发症的很多疾病中发挥重要的作用。重症胰腺炎，作为消化系统一种急危重症，具有病情险恶、并发症多、病死率较高的特点。据统计重症胰腺炎死亡率约为15%[29-30]，其中60%为并发肺损伤引起的死亡[31]。最近有研究发现抑制mTOR通路可减轻胰腺炎引起的肺损伤[32-34]，从而减轻重症胰腺炎死亡率。有趣的是，机体的自我调节也在急性肺损伤保护中起着关键性作用。Xu[35]在一项研究中也证实创伤后脑损伤并发肺损伤时机体可通过ERK1/2/mTOR/Stat3途径进一步激活自噬，从而减轻急性肺损伤，改善肺屏障功能、氧合功能和静态顺应性。这也从另一角度阐明机体可自我保持稳态而不是使用外界药物，表明自噬对于急性肺损伤的治疗是个重要策略[36]。PI3K/Akt/mTOR通路作为激活炎症介质的主要通路对于肺损伤、炎症浸润、组织破坏都起着关键的作用。许多证据表明，抑制PI3K/Akt/mTOR通路可明显降低炎症引起的肺损伤[37]，从而起到治疗作用。

mTOR主要通过上游分子调控使其磷酸化而激活，并进一步激活下游的炎症通路来发挥加重肺损伤作用。如：(1)病原体和外界刺激介导TLR4通过磷酸化mTOR，使之激活，从而抑制自噬的发生，调控NF-κB炎症通路，使免疫细胞生成增加，促炎因子浸润增加，造成血管内皮细胞屏障的破坏，导致细胞的凋亡和组织的损伤。(2)机体通过ERK1/2(细胞外调节蛋白激酶)/mTOR/Stat3 (信号转导与转录激活因子)激活发挥抑制自噬的作用，而自噬进一步通过HMGB1(高迁移率族蛋白B1)/RAGE(晚期糖基化终产物受体)/NF-κB(核因子-κB)/途径调节炎性小体、氧化应激以及细胞凋亡，从而对肺组织和血管内皮细胞造成损伤。(3)mTOR磷酸化而激活，从而激活下游靶点p70S6K(p70核糖体蛋白S6激酶)和eIF4E(真核起始因子4E)的mRNA表达，并激活HIF-1α(缺氧诱导因子1α)及其下游的VEGF(血管内皮生长因子)基因，最终引起促炎介质释放[28]。(4)mTOR通路的激活，可以激活下游的 p70S6K、4EBP1(重组人翻译起始因子4E结合蛋白1)、TGF-β(转化生长因子-β)和CTGF(结缔组织生长因子)的表达[34]，并可导致高浓度氧诱导的肺纤维化发生。(5)mTOR的激活还可通过TLR4/p65/NLRP3(炎症小体)/Caspase1(胱冬肽酶-1)增加炎症因子浸润和血管内皮破坏，最终导致肺损伤的发生[35]。

三、mTOR信号通路的激活对急性肺损伤作用轻微

虽然，mTOR信号通路在急性肺损伤中关键作用研究较多。然而，有趣的是，最近有报道认为mTOR信号通路在肺损伤中作用轻微，不起关键作用，不能成为治疗的靶点。 Gao[38]发现mTOR信号通路在LPS诱导的肺损伤和肺组织细胞自噬中不起主要作用。Wang[39]也在研究中得到了相似的结果即：虽然LPS诱导的ALI过程中mTOR确实被激活，且mTOR抑制剂降低了炎症介质的水平，但ALI小鼠模型的整体严重程度和存活率没有变化。

综上所述，虽然mTOR在不同的上下游分子调节中起到作用可能相反，并且也有调节mTOR通路对肺损伤并无作用的报道，但大部分研究表明mTOR信号通路对于ALI有明显调节作用，虽然未改变动物模型的死亡率和严重程度，但却明显降低了炎症因子水平，且可调控下游自噬的产生，是个有希望的治疗靶点[40]。

展 望

肺损伤可导致细胞骨架受损，细胞间粘连减少，内皮屏障破坏，渗出增多，mTOR信号通路作为肺损伤重要的调控因子起着关键作用。然而mTOR通路对肺损伤的调节具有双面性，一方面可通过激活mTOR通路增加DCs的成熟、抗原提呈能力，减轻炎症因子导致的损伤。而另一方面也可发挥相反作用，诱导和加重凋亡的发生，从而促进肺损伤的进展，产生这种矛盾效果的具体机制和在其他疾病中是否存在这种矛盾情况均尚不清楚，可能与其不同的激活通路有关。另外mTOR信号通路在肺损伤细胞骨架破坏、内皮屏障损伤中的研究仍较少。总之，mTOR信号通路对于急性肺损伤的治疗是个重要的治疗靶点，阐明对其的调控作用有利于急性肺损伤和ARDS的诊断、治疗。