Sammenlignet med mTORC1 er der meget mindre viden om opstrømsaktivatorerne af mTORC2-vejen. mTORC2 reagerer på vækstfaktorer såsom insulin via direkte tilknytning til ribosomer på en PI3K-afhængig måde . mTORC2 aktiverer direkte Akt ved at fosforylerer dets hydrofobiske motiv (Ser473) og SGK1, en kinase, der kontrollerer iontransport og vækst . Tab af mTORC2 forhindrer ikke fosforylering af nogle Akt-mål såsom TSC2, men ophæver helt aktiviteten af SGK1 . Således kontrollerer PI3K/Akt, ud over aktiveringen af mTORC2 ved at fremme dets associering med ribosomer, også mTORC1-aktiveringen gennem Akt-afhængig TSC1/TSC2-hæmning . Bortset fra Akt og SGK1 er PKC-α en anden kinase, der aktiveres af mTORC2, som regulerer celleformen ved at påvirke actincytoskelettet .

Originalt troede man, at akut behandling med rapamycin i modsætning til mTORC1-hæmning ikke forstyrrer mTORC2-signalering, men nyere data bekræfter, at der er en celletypespecificitet for rapamycinsensitiviteten af mTORC2-sammensætningen . Selv om mTORC2 reagerer mindre på rapamycin og rapaloger, fører en længerevarende eksponering for disse forbindelser til en undertrykt mTORC2-samling med en deraf følgende hæmning af Akt-signalering . Samtidig resulterer rapalogsbehandling i en reduceret eller ændret effektivitet på grund af eksistensen af talrige negative feedbacksløjfer i mTOR-vejen. Den direkte fosforylering af IRS1 af mTOR-S6K1-vejen, som fremmer nedbrydning af IRS1 og PI3K/Akt-nedregulering, er allerede blevet nævnt . Derfor fører rapaloger til et fald i den negative feedback fra mTOR-S6K1-systemet på IRS-systemet, hvorved vækstfaktor- og Akt-signaleringen øges med et nedsat apoptotisk potentiale. Dette er en af årsagerne til utilstrækkelig antitumoraktivitet af mTOR-hæmmerne.

Uanset sammenhængen mellem mTOR-overaktivering og insulinresistens kan rapalogs imidlertid også forårsage insulinresistens og hyperglykæmi. For at forklare dette fænomen er det nødvendigt at se på virkningerne af mTOR-hæmning i flere organer, herunder i første omgang bugspytkirtlen og leveren.

3. Metaboliske konsekvenser af overaktiveret mTOR

Den postprandiale stigning i glukose og insulin aktiverer mTOR og dermed proteinkinase B (Akt) gennem mTORC2. Aktiveringen af Akt fører til glukoseoptagelse ved en øget GLUT4-translokation til membranen i adipocytter . GSK-3-fosforylering og deaktivering af Akt nedsætter fosforyleringshastigheden for glykogensyntase og øger glykogensyntaseaktiviteten og ophobningen af glykogen, især i leveren og musklerne . Akt kontrollerer desuden glukosehomeostase ved at fosforylerer og hæmme FOXO1, en transkriptionsfaktor, der regulerer glukoneogenese . Desuden fremmer mTORC2 glykogensyntese og mindsker glukoneogenese i leveren .

Som vi allerede har nævnt, er det vigtigt at understrege, at både næringsstoffer og insulin aktiverer mTOR, men den overaktiverede mTOR forårsager yderligere insulinresistens ved mindst to mekanismer . S6K1 aktiveret af mTORC1 forårsager fosforylering og nedbrydning af insulinreceptorsubstrat 1/2, hvorved insulinsignaleringen forringes. Ved at påvirke det vækstfaktorreceptorbundne protein 10 kan mTORC1 også forårsage insulinresistens ved at påvirke det vækstfaktorreceptorbundne protein 10. Deletion af S6K1 er tilstrækkelig til at forbedre insulinfølsomheden hos mus og hos fedtfodrede gnavere, mens den aktiverede mTOR-bane fører til en forringet insulinsignalering og insulinresistens . Hos mennesker aktiverer infusion af aminosyrer mTOR/S6K1-vejen og forårsager følgelig insulinresistens i skeletmuskulaturen .

Sådan fører overaktivering af mTOR i lever, muskler, fedtvæv og bugspytkirtel til insulinresistens. I første omgang stimulerer mTORC1 β-cellefunktioner, hvilket forårsager en øget insulinsekretion og udvidelse og hypertrofi af β-celler. mTORC2-Akt-aksen påvirker β-cellemassen positivt ved at fremme proliferation og overlevelse . I det videre forløb af den kroniske mTOR-stimulering gør mTOR β-cellerne resistente over for IGF-1 og insulin, hvilket fremmer celledød . Det betyder, at den overaktiverede mTORC1 i pancreas β-celler forårsager en øget insulinsekretion for at kompensere for insulinresistens, men i sidste ende fører det til β-cellesvigt.

Den mTOR-aktivitet påvirker også lipidmetabolismen. Signalering fremmer lipogenese i leveren. Gennem sterol regulatory element-binding protein (SREBP) fremmer mTOR lipogenese i leveren . Den insulinstimulerede mTORC1 øger lipogenese og lipidlagring, mens den hæmmer lipolyse, β-oxidation og ketogenese. Den aktiverede mTORC1 har en indvirkning på tre lipaser: adipose triglycerid lipase (ATGL), hormonfølsom lipase (HSL) og lipoprotein lipase (LPL) . I adipocytter katalyserer ATGL lipolysen af triacylglycerol til diacylglycerol, og derefter omdanner HSL diacylglycerol til monoacylglycerol. mTORC1 reducerer HSL-aktiviteten og nedsætter aktiviteten af ekstracellulær LPL, som er vigtig for lipoproteinoptagelsen i vævene. Aktiveringen af mTORC1 reducerer produktionen af ketonlegemer ved at hæmme PPAR-α-aktiviteten i leveren.

Gennem koordinering af forskellige niveauer af genekspressionen kontrollerer mTORC1 mitokondriernes masse og funktioner. Tab af mTORC1 i musklen hos mus reducerer oxidativ funktion og muskelmasse, hvilket fører til en tidlig død . Tab af mTORC1 eller rapamycinbehandling reducerer ekspressionen af peroxisome proliferator-aktiveret receptor coactivator 1-alpha (PGC-1α) og hæmmer komplekset af PGC-1α med transkriptionsfaktoren yin-yang 1 YY1 . Rapamycin nedsætter genekspressionen af PGC-1alpha, østrogenrelateret receptor alfa og nukleære respiratoriske faktorer, som er mitokondrielle transkriptionelle regulatorer, hvilket resulterer i et fald i mitokondriel genekspression og iltforbrug. YY1 regulerer mitokondriel genekspression og er et fælles mål for mTOR og PGC-1alpha. Hæmning af mTOR resulterer i en manglende interaktion mellem YY1 og har coaktiveret af PGC-1alpha, hvorved mitokondriernes oxidative funktion nedtrykkes .

I sidste ende fører insulinresistens på grund af forhøjet mTOR-aktivitet, karakteriseret ved øget hepatisk glukoneogenese, nedsat glukoseoptagelse i musklerne og pancreatisk β-celleapoptose, til type II-diabetes. Når man tager i betragtning, at insulinresistens og tilknyttede komplikationer som retinopati, neuropati og nefropati kan gå forud for diagnosen type II-diabetes, rejser spørgsmålet om muligheden for forebyggelse af diabetiske komplikationer ved hjælp af farmakologisk hæmning af mTOR-vejen.

4. Glukoseintolerance induceret af mTOR-hæmmere

Det er indlysende, at mTOR har flere roller i metabolismen og, når den overaktiveres af overbelastning med næringsstoffer og fedme, medvirker til at forårsage glukoseintolerance og insulinresistens. Kalorirestriktion, som betyder en reduktion i kalorieindtaget, samtidig med at der opretholdes tilstrækkelig ernæring, forbedrer glukosetolerance og insulinfølsomhed og forlænger levetiden . Da det antages, at rapamycin er et sultemimetikum, er dets rolle blevet foreslået i forbindelse med omvendelse af insulinresistens. Akut behandling med rapamycin (enkelt injektion) øger insulinfølsomheden og glukoseoptagelsen . Hos raske frivillige ophæver en enkelt dosis rapamycin som forbehandling den næringsstofinducerede insulinresistens . I modsætning til resultaterne af akut eller intermitterende rapamycinbehandling forringer kronisk behandling med rapamycin glukosehomøostase . Paradoksalt nok fører kronisk rapamycinbehandling til glukoseintolerance hos både dyr og mennesker . Selv om kronisk rapamycinbehandling reducerer fedtindholdet, fremmer den også insulinresistens, glukoseintolerance og glukoneogenese i leveren. På trods af den forbedrede insulinsignalering i leveren hos rapamycinbehandlede rotter, som kom ud af blokaden af mTOR/S6K1-negative feedbackloop, potenserer induktionen af glukoneogen vej i leveren glukoseintolerance . Selv om hvidt fedtvæv og skeletmuskler optager glukose normalt som reaktion på kontinuerlig insulinstimulering under den kroniske rapamycinbehandling, er hepatisk insulinresistens en vigtig bidragyder til den forringede glukosehomeostase . Det er blevet vist, at den insulinmedierede undertrykkelse af hepatisk glukoneogenese er direkte medieret af rapamycin-induceret mTORC2-forstyrrelse . Bortset fra mTORC2-hæmningen bidrager den kroniske rapamycinbehandling til insulinresistens på grund af manglende evne til at aktivere fedtsyre-β-oxidation og ketogenese, hvilket fører til en ubalance i lipidmetabolismen . Desuden fører en langvarig rapamycinbehandling til en nedsat β-celle-levedygtighed og nedsat insulinsekretion, sandsynligvis via hæmning af mTORC2 . Denne øgede β-celletoksicitet induceret af kronisk mTOR-hæmmerbehandling kan være en bro, der fører til udvikling af nyopstået diabetes mellitus efter transplantationer af solide organer, hvilket gør det nødvendigt at udvikle strategier til at undgå denne negative virkning.

5. Metformins rolle i omvendelsen af insulinresistens induceret af mTOR-hæmmere

Den kliniske betydning af insulinresistens er forbundet med koronararteriesygdom og iskæmisk slagtilfælde . Metformin, et bredt ordineret antidiabetesmedicin, er et biguanid og repræsenterer den første linje i behandlingen af type II-diabetes mellitus . Det mindsker ikke kun hyperglykæmi primært ved at sænke hepatisk glukoneogenese, men øger også insulinfølsomheden og sænker blodlipidniveauet . Ud over behandlingen af type II-diabetes mellitus har metformin imidlertid også vist sin gavnlige virkning på aldersrelaterede sygdomme som kræft og hjerte-kar-sygdomme . I alle disse aldersrelaterede tilstande har metformin opnået virkninger, der svarer til virkningerne af rapamycinbehandling. Adskillige epidemiologiske undersøgelser har bekræftet, at behandling af diabetes type II med metformin var forbundet med en reduceret kræftforekomst og kræftrelateret død . Forskellige dyreeksperimentelle modeller har ligeledes vist varierende kræftbekæmpende og prolongevante virkninger afhængigt af dosering, køn og alder ved metforminbehandlingens begyndelse .

De molekylære mekanismer for metformin er kun delvist forstået. De mange virkningsmekanismer er blevet undersøgt, hvilket tyder på hæmning af den mitokondrielle respiratoriske kæde (kompleks I) som den primære virkningsmekanisme. . Som følge heraf aktiverer et fald i den cellulære energistatus med et øget cellulært AMP : ATP-forhold AMP-aktiveret proteinkinase (AMPK), som hæmmer mTORC1-signalering i leveren, det primære sted for metformins virkning, med forskellige downstream-effekter . Ved en lavere dosis kræver metformin AMPK og TSC for at hæmme mTORC1, mens denne virkning ved en højere dosis er AMPK- og TSC-uafhængig . Under alle omstændigheder nedsætter metformin den hepatiske proteinsyntese gennem en mekanisme, der indebærer en hæmmende virkning på mTORC1. Ved at inducere fosforylering af GLUT4-forstærkerfaktoren øger metformin den perifere glukoseoptagelse og øger derved insulinfølsomheden. Desuden mindsker metformin en insulininduceret undertrykkelse af fedtsyreoxidation . Effekten synes at kunne tilskrives en stimulering af AMPK og en reduktion af malonyl-CoA-indholdet i musklerne.

Alle disse metaboliske virkninger er næsten identiske med virkningerne af sult, dvs. diætrestriktion. Det er blevet vist, at metforminbehandlede mus havde en transkriptionsprofil, der ligner mus, der udsættes for diætrestriktion . Selv om både rapamycin og diætrestriktion hæmmer lipogenese og aktiverer lipolyse med deraf følgende øgede serumniveauer af ikke-esterificerede fedtsyrer, aktiverer rapamycin i modsætning til diætrestriktion ikke β-oxidation . I betragtning af at de to vigtigste karakteristika ved stofskifteforstyrrelser forårsaget af rapamycin er stimulering af glukoneogenese i leveren og faldet i β-oxidation, er metformin pålagt som en potentiel løsning. Da nedsat fedtsyreoxidation er forbundet med udviklingen af insulinresistens, kan den metformin-inducerede fedtsyreoxidation bidrage til at øge insulinfølsomheden. Tilføjelse af metformin til kronisk rapamycinbehandling kan give en terapeutisk tilgang til behandling af insulinresistens og dyslipidæmi. Det meste af litteraturen omhandler den kombinerede anvendelse af metformin og rapamycin med henblik på behandling af aldring og aldersrelaterede sygdomme. En anden mulighed, der foreslås til forebyggelse, dvs. behandling af stofskifteforstyrrelser forårsaget af rapamycin, er en intermitterende anvendelse af rapamycin, idet der tages hensyn til, at efter ophør af rapamycinbehandling er insulinresistens og glukoseintolerance reversible. Det er klart, at denne fremgangsmåde ikke kan anvendes hos patienter, der behandles med immunosuppressiv behandling for at forhindre transplantationsafstødning, eller hos patienter, der tager mTOR-hæmmere som kræftbehandling, hvor behandlingen med mTOR-hæmmere skal være kontinuerlig.

Den hidtil gennemførte undersøgelse opsummerede rapamycins virkninger på mTORC1 og mTORC2, hvilket peger på, at en langtidsbehandling med rapamycin ud over mTORC1 også forstyrrer mTORC2 og derved forårsager β-celletoksicitet og insulinresistens . Denne virkning af mTORC2-hæmning blev bekræftet in vivo i flere væv, herunder lever, hvidt fedtvæv og skeletmuskulatur . I betragtning af antagelsen om, at de immunosuppressive virkninger af rapamycin hovedsageligt formidles via mTORC1, kan man antage, at de mTORC1-specifikke hæmmere ville opnå de samme immunosuppressive virkninger som rapamycin, men uden mTORC2-medieret toksicitet. Denne antagelse kunne være opererende, når mTOR-hæmmere anvendes som antiaging-terapeutika, fordi mTORC1-hæmning ville opnå de ønskede virkninger ved at undgå metaboliske forstyrrelser forårsaget af mTORC2-hæmning .

Vil det være sådan, hvis de mTORC1-specifikke hæmmere blev anvendt som immunosuppressive lægemidler? Det ser ud til, at vigtige immunosuppressive virkninger af mTOR-hæmmerbehandling formidles af hæmning af både mTORC1 og mTORC2. Ud over hæmning af T-celleproliferation og blokering af dendritiske cellers modning er et af kendetegnene for mTOR-hæmmeres immunregulerende egenskaber udviklingen af Tregs, hvis differentiering og ekspansion undertrykkes af mTORC2-aktivitet . Det betyder, at den specifikke mTORC1-hæmning i de celler, der tilhører immunsystemet, uden mTORC2-forstyrrelse kan føre til en utilstrækkelig immunosuppression.

Der er visse indikationer på, at andre rapaloger, såsom everolimus og temsirolimus, opnår en lavere grad af mTORC2-hæmning og dermed en lavere grad af insulinresistens, men dette mangler stadig at blive bekræftet i andre undersøgelser .

Den nødvendige konstante anvendelse af mTOR-hæmmere efter transplantationer af solide organer, som f.eks. nyretransplantation, forhindrer dog regimet med intermitterende anvendelse af rapamycin eller anvendelse af rapamycin i mindre doser. I et forsøg på at løse dette problem, dvs. at forebygge insulinresistens og nyopstået diabetes efter en nyretransplantation, er der blevet foreslået en kombineret behandling med rapamycin og metformin . Ved at inducere AMPK i klinisk relevante doser hæmmer metformin mTORC1, hvilket bidrager til at reducere rapalogsdosis og de dermed forbundne negative metaboliske virkninger. Hvis patienterne med nyretransplantation har , kan metformin ordineres til behandling af præeksisterende type 2-diabetes mellitus eller nyopstået diabetes mellitus .

6. Konklusion

Vi forsøger at vise, at metforminbrug også er muligt for at forebygge forekomsten af diabetes mellitus efter en nyretransplantation. Indtil videre er der ikke gennemført undersøgelser, der har undersøgt metformins rolle i forebyggelsen af nyopstået diabetes mellitus efter en transplantation. Den fremtidige forskning kan resultere i kliniske retningslinjer, som vil give os mulighed for bedre at modvirke rapalog-medierede bivirkninger.

Interessekonflikter

Forfatterne erklærer, at de ikke har nogen interessekonflikter.

Akkreditering

Denne artikel blev støttet af tilskud fra Republikken Serbiens ministerium for videnskab og teknologi (nr. 175089 og 175097). Forfatterne takker også Hemofarm AD for yderligere støtte til, at denne artikel kunne offentliggøres.