MTORC1:een verrattuna mTORC2-reitin ylävirran aktivaattoreista tiedetään paljon vähemmän. mTORC2 reagoi kasvutekijöihin, kuten insuliiniin, suorilla liitoksilla ribosomiin PI3K-riippuvaisella tavalla . mTORC2 aktivoi suoraan Akt:n fosforyloimalla sen hydrofobisen motiivin (Ser473) ja SGK1:n, joka on ionien kuljettamista ja kasvua säätelevä kinaasi . mTORC2:n menetys ei estä joidenkin Aktin kohteiden, kuten TSC2:n, fosforylaatiota, mutta poistaa kokonaan SGK1:n aktiivisuuden . Näin ollen PI3K/Akt sen lisäksi, että se aktivoi mTORC2:n edistämällä sen liittymistä ribosomeihin, se myös kontrolloi mTORC1:n aktivoitumista Akt-riippuvaisen TSC1/TSC2:n eston kautta . Aktia ja SGK1:tä lukuun ottamatta PKC-α on toinen mTORC2:n aktivoima kinaasi, joka säätelee solun muotoa vaikuttamalla aktiinisytoskelettiin .

Alun perin ajateltiin, että akuutti rapamysiinihoito ei mTORC1:n estosta poiketen häiritse mTORC2:n signalointia, mutta viimeaikaiset tiedot vahvistavat, että mTORC2:n kokoonpanon herkkyydellä rapamysiinille on solutyyppispesifisyys . Joka tapauksessa, vaikka mTORC2 reagoi heikommin rapamysiiniin ja rapalogeeneihin, pitkäaikainen altistuminen näille yhdisteille johtaa mTORC2-kokoonpanon tukahduttamiseen, minkä seurauksena Akt-signalointi estyy . Samaan aikaan rapalogihoito johtaa heikentyneeseen tai muuttuneeseen tehoon, koska mTOR-reitillä on lukuisia negatiivisia takaisinkytkentöjä. IRS1:n suora fosforylaatio mTOR-S6K1-reitillä, joka edistää IRS1:n hajoamista ja PI3K/Akt-alasääntelyä, on jo mainittu . Siksi rapalogit johtavat mTOR-S6K1-reitin negatiivisen palautteen vähenemiseen IRS-reittiin, jolloin kasvutekijä- ja Akt-signalointi lisääntyy ja apoptoottinen potentiaali vähenee. Tämä on yksi syy mTOR:n estäjien riittämättömään kasvainvastaiseen aktiivisuuteen.

Mutta riippumatta mTOR:n yliaktivoitumisen ja insuliiniresistenssin yhteydestä rapalogit voivat aiheuttaa myös insuliiniresistenssiä ja hyperglykemiaa. Tämän ilmiön selittämiseksi on tarkasteltava mTOR:n eston vaikutuksia useissa elimissä, ensisijaisesti myös haimassa ja maksassa.

3. Yliaktivoituneen mTOR:n metaboliset seuraukset

Glukoosin ja insuliinin postprandiaalinen lisääntyminen aktivoi mTOR:n ja sitä kautta proteiinikinaasi B:n (Akt) mTORC2:n kautta. Aktin aktivaatio johtaa glukoosin ottoon lisääntyneen GLUT4-translokaation kautta kalvoon rasvasoluissa . GSK-3:n fosforylaatio ja Aktin deaktivoituminen vähentävät glykogeenisyntaasin fosforylaationopeutta ja lisäävät glykogeenisyntaasin aktiivisuutta ja glykogeenin kertymistä, ennen kaikkea maksassa ja lihaksissa . Lisäksi Akt kontrolloi glukoosin homeostaasia fosforyloimalla ja estämällä FOXO1:tä, transkriptiotekijää, joka säätelee glukoneogeneesiä . Lisäksi mTORC2 edistää glykogeenisynteesiä ja vähentää glukoneogeneesiä maksassa .

Kuten olemme jo maininneet, on tärkeää korostaa, että sekä ravintoaineet että insuliini aktivoivat mTOR:ia, mutta yliaktivoitunut mTOR aiheuttaa edelleen insuliiniresistenssiä ainakin kahdella mekanismilla . mTORC1:n aktivoima S6K1 aiheuttaa insuliinireseptorin substraatin 1/2 fosforylaatiota ja hajoamista, mikä heikentää insuliinin signalointia. Vaikuttamalla kasvutekijäreseptoriin sitoutuneeseen proteiiniin 10 mTORC1 voi myös aiheuttaa insuliiniresistenssiä. S6K1:n poistaminen riittää parantamaan insuliiniherkkyyttä hiirillä ja rasvalla ruokituilla jyrsijöillä, kun taas aktivoitu mTOR-reitti johtaa heikentyneeseen insuliinisignalointiin ja insuliiniresistenssiin . Ihmisillä aminohappojen infuusio aktivoi mTOR/S6K1-reitin ja aiheuttaa sen seurauksena insuliiniresistenssiä luurankolihaksissa .

MTOR:n yliaktivoituminen maksassa, lihaksissa, rasvakudoksissa ja haimassa johtaa siis insuliiniresistenssiin . Aluksi mTORC1 stimuloi β-solujen toimintaa aiheuttaen lisääntynyttä insuliinin eritystä ja β-solujen laajenemista ja hypertrofiaa. mTORC2-Akt-akseli vaikuttaa myönteisesti β-solujen massaan edistämällä proliferaatiota ja selviytymistä . Kroonisen mTOR-stimulaation jatkuessa mTOR tekee β-soluista vastustuskykyisiä IGF-1:lle ja insuliinille, mikä edistää solukuolemaa . Se tarkoittaa, että haiman β-solujen yliaktivoitunut mTORC1 aiheuttaa lisääntynyttä insuliinin eritystä insuliiniresistenssin kompensoimiseksi, mutta lopulta se johtaa β-solujen vajaatoimintaan.

MTOR-aktiivisuus vaikuttaa myös rasva-aineenvaihduntaan. Signalointi edistää lipogeneesiä maksassa. Sterolia säätelevää elementtiä sitovan proteiinin (SREBP) kautta mTOR edistää lipogeneesiä maksassa . Insuliinin stimuloima mTORC1 lisää lipogeneesiä ja lipidien varastointia, kun taas se estää lipolyysiä, β-oksidaatiota ja ketogeneesiä. Aktivoitunut mTORC1 vaikuttaa kolmeen lipaasiin: rasvan triglyseridilipaasi (ATGL), hormoniherkkä lipaasi (HSL) ja lipoproteiinilipaasi (LPL) . Rasvasoluissa ATGL katalysoi triasyyliglyserolin lipolyysiä diasyyliglyseroliksi, minkä jälkeen HSL muuntaa diasyyliglyserolin monoasyyliglyseroliksi. mTORC1 vähentää HSL:n aktiivisuutta ja vähentää solunulkoisen LPL:n aktiivisuutta, mikä on tärkeää lipoproteiinien ottamiseksi kudoksiin. mTORC1:n aktivoituminen vähentää ketonikappaleiden tuotantoa estämällä PPAR-α:n aktiivisuutta maksassa .

Koordinoimalla geeniekspression eri tasoja mTORC1ohjaa mitokondrioiden massaa ja toimintoja. mTORC1:n menetys hiirten lihaksissa vähentää oksidatiivista toimintaa ja lihasmassaa, mikä johtaa varhaiseen kuolemaan . mTORC1:n menetys tai rapamysiinihoito vähentää peroksisomi proliferaattori-aktivoituneen reseptorin koaktivaattorin 1-alfa (PGC-1α) ilmentymistä ja estää PGC-1α:n ja transkriptiotekijä yin-yang 1 YY1:n kompleksia . Rapamysiini vähentää PGC-1alfa:n, estrogeeniin liittyvän reseptori alfan ja ydinhengitystekijöiden, jotka ovat mitokondrioiden transkription säätelijöitä, geeniekspressiota, mikä johtaa mitokondrioiden geeniekspression ja hapenkulutuksen vähenemiseen. YY1 säätelee mitokondrioiden geeniekspressiota ja on mTOR:n ja PGC-1alfa:n yhteinen kohde. mTOR:n estäminen johtaa siihen, että YY1 ei pysty olemaan vuorovaikutuksessa ja on PGC-1alfa:n koaktivoima, jolloin mitokondrioiden oksidatiivinen toiminta heikkenee .

Viime kädessä insuliiniresistenssi, joka johtuu kohonneesta mTOR:n aktiivisuudesta ja jolle on ominaista lisääntynyt maksan glukoneogeneesi, vähentynyt glukoosinotto lihaksissa ja haiman β-solujen apoptoosi, johtaa tyypin II diabetekseen. Kun otetaan huomioon, että insuliiniresistenssi ja siihen liittyvät komplikaatiot, kuten retinopatia, neuropatia ja nefropatia, voivat edeltää tyypin II diabeteksen diagnoosia, herää kysymys mahdollisuudesta ehkäistä diabeteksen komplikaatioita mTOR-reitin farmakologisella estolla.

4. mTOR:n estäjien aiheuttama glukoosi-intoleranssi

On ilmeistä, että mTOR:lla on moninaisia tehtäviä aineenvaihdunnassa, ja kun se aktivoituu liikaa ravintoaineiden ylikuormituksen ja liikalihavuuden seurauksena, se osallistuu glukoosi-intoleranssin ja insuliiniresistenssin aiheuttamiseen. Kalorimäärän rajoittaminen eli kalorien saannin vähentäminen säilyttäen samalla riittävä ravitsemus parantaa glukoosinsietokykyä ja insuliiniherkkyyttä sekä pidentää elinikää . Koska oletetaan, että rapamysiini on nälänhätää jäljittelevä aine, sen roolia on ehdotettu insuliiniresistenssin kääntämisessä. Akuutti hoito rapamysiinillä (yksittäinen injektio) lisää insuliiniherkkyyttä ja glukoosinottoa . Terveillä vapaaehtoisilla rapamysiinin kerta-annos esihoitona kumoaa ravinnon aiheuttaman insuliiniresistenssin . Toisin kuin akuutin tai ajoittaisen rapamysiinihoidon tulokset, krooninen rapamysiinihoito heikentää glukoosin homeostaasia. Paradoksaalisesti krooninen rapamysiinihoito johtaa glukoosi-intoleranssiin sekä eläimillä että ihmisillä . Vaikka krooninen rapamysiinihoito vähentää rasvapitoisuutta, se myös edistää insuliiniresistenssiä, glukoosi-intoleranssia ja glukoneogeneesiä maksassa. Huolimatta parantuneesta insuliinin signaloinnista rapamysiinillä käsiteltyjen rottien maksassa, joka tuli ulos mTOR / S6K1-negatiivisen takaisinkytkentäsilmukan estämisestä, glukoneogeenisen reitin induktio maksassa voimistaa glukoosi-intoleranssia . Vaikka valkoinen rasvakudos ja luurankolihakset ottavat glukoosia normaalisti vastauksena jatkuvaan insuliinistimulaatioon kroonisen rapamysiinihoidon aikana, maksan insuliiniresistenssi on merkittävä tekijä heikentyneessä glukoosin homeostaasissa . On osoitettu, että insuliinivälitteinen maksan glukoneogeneesin tukahduttaminen välittyy suoraan rapamysiinin aiheuttaman mTORC2-häiriön kautta . Paitsi mTORC2:n esto, krooninen rapamysiinihoito edistää insuliiniresistenssiä, koska se ei kykene aktivoimaan rasvahappojen β-oksidaatiota ja ketogeneesiä, mikä johtaa epätasapainoon rasva-aineenvaihdunnassa . Lisäksi pitkäaikainen rapamysiinihoito johtaa β-solujen elinkelpoisuuden ja insuliinin erityksen vähenemiseen todennäköisesti mTORC2:n eston kautta . Tämä kroonisen mTOR-inhibiittorihoidon aiheuttama lisääntynyt β-solujen toksisuus saattaa olla silta, joka johtaa uuden diabetes mellituksen kehittymiseen kiinteiden elinten siirtojen jälkeen, mikä edellyttää strategioiden kehittämistä tämän haittavaikutuksen välttämiseksi.

5. Metformiinin rooli mTOR-estäjien aiheuttaman insuliiniresistenssin kumoamisessa

Insuliiniresistenssin kliininen merkitys liittyy sepelvaltimotautiin ja iskeemiseen aivohalvaukseen . Metformiini, laajalti määrätty diabeteslääke, on biguanidi ja edustaa tyypin II diabetes mellituksen ensisijaista hoitoa . Se ei ainoastaan vähennä hyperglykemiaa ensisijaisesti alentamalla maksan glukoneogeneesiä vaan myös lisää insuliiniherkkyyttä ja alentaa veren rasva-arvoja . Tyypin II diabetes mellituksen hoidon lisäksi metformiinilla on kuitenkin osoitettu olevan suotuisia vaikutuksia ikääntymiseen liittyvissä sairauksissa, kuten syövässä ja sydän- ja verisuonitaudeissa . Kaikissa näissä ikääntymiseen liittyvissä sairauksissa metformiinilla on saavutettu samanlaisia vaikutuksia kuin rapamysiinihoidolla. Useat epidemiologiset tutkimukset ovat vahvistaneet, että tyypin II diabeteksen hoitoon metformiinilla liittyi syövän ilmaantuvuuden ja syöpäkuolemien väheneminen . Myös erilaiset eläinkokeelliset mallit ovat osoittaneet vaihtelevia syöpää ehkäiseviä ja pidentäviä vaikutuksia riippuen annoksesta, sukupuolesta ja iästä metformiinihoidon alkaessa.

Metformiinin molekyylimekanismit tunnetaan vain osittain. Moninaisia vaikutusmekanismeja on tutkittu, mikä viittaa mitokondrioiden hengitysketjun (kompleksi I) estämiseen ensisijaisena vaikutustapana. . Tämän seurauksena solun energiatilanteen heikkeneminen solun AMP : ATP -suhteen kasvaessa aktivoi AMP-aktivoituneen proteiinikinaasin (AMPK), joka estää mTORC1-signalointia maksassa, joka on metformiinin ensisijainen vaikutuskohde, ja sillä on erilaisia myöhempiä vaikutuksia . Pienemmillä annoksilla metformiini vaatii AMPK:ta ja TSC:tä estääkseen mTORC1:n, kun taas suuremmilla annoksilla tämä vaikutus on AMPK:sta ja TSC:stä riippumaton . Joka tapauksessa metformiini vähentää maksan proteiinisynteesiä mekanismilla, johon liittyy mTORC1:n estovaikutus. Indusoimalla GLUT4:n tehostamistekijän fosforylaatiota metformiini parantaa perifeeristä glukoosinottoa ja lisää siten insuliiniherkkyyttä. Lisäksi metformiini vähentää insuliinin aiheuttamaa rasvahappojen hapettumisen suppressiota . Vaikutus näyttää johtuvan AMPK:n stimulaatiosta ja malonyyli-CoA-pitoisuuden vähenemisestä lihaksissa.

Kaikki nämä aineenvaihdunnalliset vaikutukset ovat lähes identtisiä nälän eli ruokavalion rajoittamisen vaikutusten kanssa. On osoitettu, että metformiinilla hoidetuilla hiirillä oli transkriptioprofiili, joka muistutti ruokavaliorajoitukselle altistuneita hiiriä . Vaikka sekä rapamysiini että ruokavalion rajoittaminen estävät lipogeneesiä ja aktivoivat lipolyysiä, minkä seurauksena esteröimättömien rasvahappojen pitoisuudet seerumissa nousevat, toisin kuin ruokavalion rajoittaminen, rapamysiini ei aktivoi β-oksidaatiota . Kun otetaan huomioon, että rapamysiinin aiheuttaman aineenvaihduntahäiriön kaksi pääpiirrettä ovat glukoneogeneesin stimulointi maksassa ja β-oksidaation väheneminen, metformiinia pidetään mahdollisena ratkaisuna. Koska rasvahappojen vähentynyt hapettuminen liittyy insuliiniresistenssin kehittymiseen, metformiinin aiheuttama rasvahappojen hapettuminen saattaa osaltaan lisätä insuliiniherkkyyttä. Metformiinin lisääminen krooniseen rapamysiinihoitoon voi tarjota terapeuttisen lähestymistavan insuliiniresistenssin ja dyslipidemian hoitoon. Suurin osa kirjallisuudesta käsittelee metformiinin ja rapamysiinin yhteiskäyttöä ikääntymisen ja ikääntymiseen liittyvien sairauksien hoidossa. Toinen ennaltaehkäisyyn eli rapamysiinin aiheuttaman aineenvaihduntahäiriön hoitoon ehdotettu vaihtoehto on rapamysiinin ajoittainen käyttö ottaen huomioon, että rapamysiinihoidon lopettamisen jälkeen insuliiniresistenssi ja glukoosi-intoleranssi ovat palautuvia. On selvää, että tätä lähestymistapaa ei voida käyttää potilailla, joita hoidetaan immunosuppressiivisella hoidolla elinsiirron hylkimisen estämiseksi, tai potilailla, jotka käyttävät mTOR:n estäjiä syöpähoitona, jolloin mTOR:n estäjien hoidon on oltava jatkuvaa.

Tässä toistaiseksi tehdyssä tutkimuksessa tehtiin yhteenveto rapamysiinin vaikutuksista mTORC1:een ja mTORC2:een, mikä viittaa siihen, että pitkäaikainen rapamysiinihoito häiritsee mTORC1:n lisäksi myös mTORC2:ta aiheuttaen siten β-solutoksisuutta ja insuliiniresistenssiä . Tämä mTORC2:n eston vaikutus vahvistettiin in vivo useissa kudoksissa, kuten maksassa, valkoisessa rasvakudoksessa ja luurankolihaksessa . Koska oletetaan, että rapamysiinin immunosuppressiiviset vaikutukset välittyvät pääasiassa mTORC1:n kautta, voidaan olettaa, että mTORC1-spesifisillä inhibiittoreilla saavutettaisiin samat immunosuppressiiviset vaikutukset kuin rapamysiinillä, mutta ilman mTORC2-välitteistä toksisuutta. Tämä oletus saattaisi toimia, kun mTOR:n estäjiä käytetään ikääntymisen vastaisina terapeuttisina lääkkeinä, koska mTORC1:n estolla saavutettaisiin halutut vaikutukset välttämällä mTORC2:n eston aiheuttamat aineenvaihduntahäiriöt .

Olisiko näin, jos mTORC1-spesifisiä estäjiä käytettäisiin immunosuppressiivisina lääkkeinä? Näyttää siltä, että mTOR-inhibiittorihoidon tärkeät immunosuppressiiviset vaikutukset välittyvät sekä mTORC1:n että mTORC2:n estosta. T-solujen proliferaation estämisen ja dendriittisten solujen kypsymisen estämisen lisäksi yksi mTOR-inhibiittoreiden immunosäätelyominaisuuksien tunnusmerkeistä on sellaisten Tregien kehittyminen, joiden erilaistumista ja laajenemista tukahduttaa mTORC2:n aktiivisuus . Tämä tarkoittaa, että spesifinen mTORC1:n esto immuunijärjestelmään kuuluvissa soluissa ilman mTORC2:n häirintää voi johtaa riittämättömään immunosuppressioon.

On joitakin viitteitä siitä, että muilla rapalogeilla, kuten everolimuusilla ja temsirolimuusilla, saavutetaan vähäisempi mTORC2:n esto ja siten vähäisempi insuliiniresistenssi, mutta tämä on vielä vahvistettava muissa tutkimuksissa .

MTOR:n estäjien jatkuvan käytön välttämättömyys kiinteiden elinsiirtojen, kuten munuaisensiirron, jälkeen estää joka tapauksessa rapamysiinin ajoittaisen käytön tai rapamysiinin käytön pienempinä annoksina. Tämän ongelman ratkaisemiseksi eli insuliiniresistenssin ja uuden diabeteksen ehkäisemiseksi munuaisensiirron jälkeen on ehdotettu rapamysiinin ja metformiinin yhdistelmähoitoa. Indusoimalla AMPK:ta kliinisesti merkityksellisillä annoksilla metformiini estää mTORC1:tä, mikä auttaa vähentämään rapamysiinin annosta ja siihen liittyviä metabolisia haittavaikutuksia. Jos munuaisensiirtopotilailla on , metformiinia voidaan määrätä jo olemassa olevan tyypin 2 diabetes mellituksen tai vasta alkaneen diabetes mellituksen hoitoon .

6. Johtopäätökset

Pyrimme osoittamaan, että metformiinin käyttö on mahdollista myös diabetes mellituksen puhkeamisen ehkäisemiseksi munuaisensiirron jälkeen. Toistaiseksi ei ole tehty tutkimuksia, joissa olisi selvitetty metformiinin merkitystä uuden alkavan diabetes mellituksen ehkäisyssä elinsiirron jälkeen. Tulevien tutkimusten tuloksena voidaan laatia kliinisiä ohjeita, joiden avulla voidaan paremmin torjua rapalogin välittämiä haittavaikutuksia.

Eristiriidat

Tekijät ilmoittavat, ettei heillä ole eturistiriitoja.

Kiitokset

Tämän artikkelin julkaisemista ovat tukeneet Serbian tasavallan tiede- ja teknologiaministeriön apurahat (nro 175089 ja 175097). Kirjoittajat kiittävät myös Hemofarm AD:tä lisätuesta tämän artikkelin julkaisemista varten.