Abstract
mTOR-proteinkinas (mechanistic target of rapamycin) fungerar som en central integratör av näringsämnenas signalvägar. Förutom den immunosuppressiva rollen efter transplantationer av fasta organ eller vid behandling av vissa cancerformer har en annan lovande roll för mTOR-hämmare som terapi mot åldrande vuxit fram under de senaste åren. Akut eller intermittent rapamycinbehandling har vissa likheter med kalorirestriktion när det gäller metaboliska effekter, t.ex. ökad insulinkänslighet. Kronisk hämning av mTOR med makrolidrapamycin eller andra rapaloger har dock förknippats med glukosintolerans och insulinresistens och kan till och med framkalla typ II-diabetes. Dessa metabola biverkningar begränsar användningen av mTOR-hämmare. Metformin är ett allmänt använt läkemedel för behandling av typ 2-diabetes som aktiverar AMP-aktiverat proteinkinas (AMPK) och fungerar som kaloribegränsningsmimetikum. Förutom den glukossänkande effekten till följd av den minskade hepatiska glukosproduktionen och det ökade glukosutnyttjandet inducerar metformin fettsyraoxidationer. Här granskar vi de senaste framstegen i vår förståelse av de metabola konsekvenserna avseende glukosmetabolism som induceras av mTOR-hämmare och jämför dem med den metabola profil som framkallas av metforminanvändning. Vi föreslår vidare metforminanvändning samtidigt med rapaloger för att farmakologiskt åtgärda den försämrade glukosmetabolismen och förhindra utvecklingen av nytillkommen diabetes mellitus efter transplantationer av fasta organ som induceras av den kroniska rapalogbehandlingen.
1. Introduktion
Mammalian target of rapamycin (mTOR) är ett cytoplasmatiskt serin/treoninproteinkinas som tillhör phosphoinositid 3-kinas, PI3K-relaterad kinasfamilj, som fungerar som en central regulator av cellmetabolism, tillväxt, proliferation och överlevnad. Det aktiveras av näringsämnen (glukos, aminosyror och lipider), tillväxtfaktorer, insulin och inflammatoriska cytokiner . mTOR har en unik intracellulär signalposition som integrerar alla dessa faktorer och är en kritisk regulator av immunsvaret eftersom den spelar en central roll när det gäller att känna av tillgången på näringsämnen, signalering av cytokiner/tillväxtfaktorer och kostimulerande faktorer. Förutom inhiberingen av interleukin-2-inducerad T-cellsproliferation inducerar mTOR-hämmare utvecklingen av Treg-celler, undertrycker dendritiska cellers proliferation och mognad och spelar så många komplexa roller i immuncellsövergångarna, inklusive främjandet av proinflammatorisk cytokinproduktion under vissa omständigheter .
Den ökande användningen av mTOR-hämmare under de senaste åren, som immunosuppressiva medel både vid transplantation av fasta organ och vid behandling av vissa tumörer, t.ex. avancerad njurcellscancer, har också konfronterat oss med utvecklingen av de oönskade effekterna av denna behandling. Utvecklingen av de oönskade effekterna är främst en följd av pleiotropi, en central roll för mTOR i en mängd olika signalvägar som reglerar metabolism, tillväxt och senescens. Bland de vanligaste oönskade effekterna av behandling med mTOR-hämmare är det metabola syndromet som innebär hyperglykemi med de novo diabetes mellitus (DM) och dyslipidemi.
Den retrospektiva analysen av data från US Renal Data System ( njurtransplantationspatienter) har visat att sirolimus var oberoende förknippat med en ökad risk för nytillkommen DM . Patienter som behandlas med everolimus kan utveckla nytillkommen diabetes mellitus i upp till 32 % av fallen till följd av hyperglykemi och insulinresistens . Prevalensen av hyperlipidemi är betydligt högre och förekommer hos så många som 75 % av de patienter som behandlas med mTOR-hämmare .
De redan kända fakta att den ökade mTOR-aktiviteten är förknippad med insulinresistens och att kalorirestriktion och korttidsbehandling med rapamycin har lett till en ökning av insulinkänsligheten och glukosupptaget tyder dock på att mTOR och mTOR-hämmare har en motsägelsefull eller dubbel roll. I denna översikt kommer vi att belysa och jämföra mekanismerna för behandling med mTOR-hämmare med mekanismerna för överdriven aktivering av mTOR som leder till metabola avvikelser. Dessutom kommer vi att diskutera potentiella terapeutiska strategier för att mildra dessa avvikelser.
2. mTOR-signalvägar och farmakologisk hämning
mTOR består av två distinkta multiproteinkomplex med olika cellulära funktioner som heter mTORC1 och mTORC2 . mTORC1-komplexet innehåller fem komponenter: mTOR, som är den katalytiska underenheten, regulatoriskt associerat mTOR-protein (Raptor), mammalian lethal with Sec13 protein8 (mLST8), prolinrikt Akt-substrat 40 kDa (PRAS40) och DEP-domän som innehåller mTOR-interagerande protein (Deptor) . Raptor och mLST8 reglerar positivt mTOR:s aktivitet och funktioner, medan PRAS40 och Deptor är negativa regulatorer av mTORC1 .
Den viktigaste hämmaren av mTORC1 är tuberous sclerosis complex 1 (TSC1) och TSC2. Tillväxtfaktorer, näringsämnen, cytokiner, hormoner som insulin och den cellulära energinivån aktiverar flera vägar som PI3K-Akt och RAS-mitogenaktiverat proteinkinas (MAPK), vilket leder till hämning av TSC1-TSC2-komplexet . Som en följd av detta främjar den oinhiberade, dvs. aktiverade mTORC1, vidare genom S6-kinas 1 (S6K1), 4E-bindande protein-1 (4EBP1), cyklinberoende kinaser (CDK) och den hypoxiinducerbara faktorn 1α (HIF1α), energimetabolism, proteinsyntes och lipogenes, proliferation och tillväxt . Egentligen fosforylerar den aktiverade mTORC1 via en interaktion mellan Raptor och ett TOR-signalmotiv (TOS) i S6K och 4EBP1 S6K1 och 4EBP1 . Det fosforylerade S6K1 fosforylerar sedan S6 (40S ribosomalt protein S6) och ökar därmed översättningen av mRNA. 4EBP1:s roll är att hämma initieringen av proteinöversättning. Den binder och inaktiverar den eukaryotiska translationsinitieringsfaktorn 4E (eIF4E) . När 4EBP1 fosforyleras av mTORC1 dissocieras den från eIF4E, vilket möjliggör ökad översättning av mRNA och övergång från G1- till S-fas . mTORC1 främjar också tillväxten genom att negativt reglera autofagi, som är den centrala nedbrytningsprocessen i cellerna, men det ligger utanför ramen för den här artikeln .
PI3K/Akt- och mTOR-signaleringarna är nära sammankopplade. Bindningen av tillväxtfaktorer till receptorn för insulinliknande tillväxtfaktor (IGFR), receptorn för trombocytavledd tillväxtfaktor (PDGFR) eller receptorn för epidermal tillväxtfaktor (EGFR) genererar nedströmssignaler, som aktiverar PI3K/Akt-systemet. När insulin binder till sin receptor på cellytan främjas rekryteringen av insulinreceptorsubstrat 1 (IRS) med aktivering av PI3K och produktion av fosfatidylinositol (3,4,5)-trisfosfat (PIP3) (figur 1). PIP3 binder till Akt och engagerar sedan detta kinas till cellmembranet för att aktiveras genom fosforylering av PDK1 . Aktiverad Akt fosforylerar flera substrat nedströms, inklusive TSC1/TSC2-komplexet, och aktiverar därmed mTORC1 och mTORC1:s effektorer nedströms. IRS-vägen uppströms regleras negativt av mTOR-S6K1-vägen genom direkt fosforylering på specifika rester . Denna ökade nedbrytning av IRS1, som orsakas av hyperfosforylering på serin/treoninrester, kan leda till insulinresistens i samband med överaktivering av mTOR.
Vad gäller mTORC1 är mycket mindre känt om uppströmsaktivatorerna för mTORC2-vägen. mTORC2 reagerar på tillväxtfaktorer, t.ex. insulin, via direkta kopplingar till ribosomen på ett PI3K-beroende sätt . mTORC2 aktiverar direkt Akt genom fosforylering av dess hydrofoba motiv (Ser473) och SGK1, ett kinas som kontrollerar jontransport och tillväxt . Förlusten av mTORC2 förhindrar inte fosforylering av vissa måltavlor för Akt, t.ex. TSC2, men upphäver helt och hållet aktiviteten hos SGK1 . Således kontrollerar PI3K/Akt, förutom aktiveringen av mTORC2 genom att främja dess förening med ribosomer, även mTORC1-aktiveringen genom den Akt-beroende TSC1/TSC2-hämningen . Förutom Akt och SGK1 är PKC-α ett annat kinas som aktiveras av mTORC2 och som reglerar cellformen genom att påverka aktincytoskelettet .
Originellt trodde man att akut behandling med rapamycin i motsats till mTORC1-hämning inte stör mTORC2-signaleringen, men nya data bekräftar att det finns en celltypsspecificitet i rapamycinkänsligheten för mTORC2-samlingen . Även om mTORC2 är mindre känslig för rapamycin och rapaloger leder en långvarig exponering för dessa föreningar till att mTORC2-sammansättningen undertrycks, vilket leder till en hämning av Akt-signaleringen . Samtidigt leder rapalogsbehandling till minskad eller modifierad effekt på grund av förekomsten av många negativa återkopplingsslingor i mTOR-systemet. Den direkta fosforyleringen av IRS1 av mTOR-S6K1-vägen, som främjar IRS1-nedbrytning och PI3K/Akt-nedreglering, har redan nämnts . Därför leder rapalogs till en minskning av den negativa återkopplingen från mTOR-S6K1-banan på IRS-banan, vilket ökar tillväxtfaktor- och Akt-signalering med en minskad apoptotisk potential. Detta är en av orsakerna till otillräcklig antitumöraktivitet hos mTOR-hämmare.
Oavsett sambandet mellan överaktivering av mTOR och insulinresistens kan rapalogs emellertid också orsaka insulinresistens och hyperglykemi. För att förklara detta fenomen är det nödvändigt att titta på effekterna av mTOR-hämning i flera organ, i första hand inklusive bukspottkörteln och levern.
3. Metaboliska konsekvenser av överaktiverat mTOR
Den postprandiala ökningen av glukos och insulin aktiverar mTOR och följaktligen proteinkinas B (Akt) genom mTORC2. Aktiveringen av Akt leder till glukosupptag genom en ökad GLUT4-translokation till membranet i adipocyter . GSK-3-fosforylering och deaktivering av Akt minskar fosforyleringshastigheten för glykogensyntas och ökar glykogensyntasaktiviteten och ackumuleringen av glykogen, framför allt i levern och musklerna . Dessutom kontrollerar Akt glukoshomeostasen genom att fosforyla och hämma FOXO1, en transkriptionsfaktor som reglerar glukoneogenesen . Dessutom främjar mTORC2 glykogensyntesen och minskar glukoneogenesen i levern .
Som vi redan har nämnt är det viktigt att betona att både näringsämnen och insulin aktiverar mTOR, men den överaktiverade mTOR orsakar ytterligare insulinresistens genom minst två mekanismer . S6K1 som aktiveras av mTORC1 orsakar fosforylering och nedbrytning av insulinreceptorsubstrat 1/2, vilket försämrar insulinsignalering. Genom att påverka det tillväxtfaktorreceptorbundna proteinet 10 kan mTORC1 också orsaka insulinresistens. Det räcker att ta bort S6K1 för att förbättra insulinkänsligheten hos möss och fettätande gnagare, medan den aktiverade mTOR-banan leder till försämrad insulinsignalering och insulinresistens . Hos människor aktiverar infusionen av aminosyror mTOR/S6K1-vägen och orsakar följaktligen insulinresistens i skelettmusklerna .
Därmed leder överaktivering av mTOR i levern, musklerna, fettvävnaden och bukspottkörteln till insulinresistens. Initialt stimulerar mTORC1 β-cellernas funktioner vilket orsakar en ökad insulinutsöndring och expansion och hypertrofi av β-cellerna. Axeln mTORC2-Akt påverkar β-cellmassan positivt genom att främja proliferation och överlevnad . I det fortsatta förloppet av den kroniska mTOR-stimuleringen gör mTOR β-cellerna resistenta mot IGF-1 och insulin, vilket främjar celldöd . Det innebär att den överaktiverade mTORC1 i β-celler i bukspottkörteln orsakar en ökad insulinutsöndring för att kompensera för insulinresistens, men i slutändan leder det till β-cellsvikt.
Den mTOR-aktiviteten påverkar även lipidmetabolismen. Signalering främjar lipogenes i levern. Genom sterol regulatory element-binding protein (SREBP) främjar mTOR lipogenes i levern . Den insulinstimulerade mTORC1 ökar lipogenes och lipidlagring, medan den hämmar lipolys, β-oxidation och ketogenes. Den aktiverade mTORC1 har en inverkan på tre lipaser: adipos triglyceridlipas (ATGL), hormonkänsligt lipas (HSL) och lipoproteinlipas (LPL) . I adipocyter katalyserar ATGL lipolysen av triacylglycerol till diacylglycerol, och därefter omvandlar HSL diacylglycerol till monoacylglycerol. mTORC1 minskar HSL-aktiviteten och minskar aktiviteten hos extracellulärt LPL, som är viktigt för lipoproteinupptaget i vävnader. Aktiveringen av mTORC1 minskar produktionen av ketonkroppar genom att hämma PPAR-α-aktiviteten i levern .
Då mTORC1 samordnar olika nivåer av genuttrycket, kontrollerar mTORC1 mitokondriernas massa och funktioner. Förlusten av mTORC1 i muskeln hos möss minskar den oxidativa funktionen och muskelmassan, vilket leder till en tidig död . Förlust av mTORC1 eller behandling med rapamycin minskar uttrycket av peroxisome proliferator-activated receptor coactivator 1-alpha (PGC-1α) och hämmar PGC-1α-komplexet med transkriptionsfaktorn yin-yang 1 YY1 . Rapamycin minskar genuttrycket av PGC-1alpha, östrogenrelaterad receptor alfa och nukleära andningsfaktorer, som är mitokondriella transkriptionsregulatorer, vilket resulterar i en minskning av mitokondriellt genuttryck och syreförbrukning. YY1 reglerar mitokondriellt genuttryck och är ett gemensamt mål för mTOR och PGC-1alpha. Hämning av mTOR resulterar i att YY1 inte kan interagera och har koaktiverats av PGC-1alpha, vilket dämpar mitokondriernas oxidativa funktion .
I slutändan leder insulinresistens på grund av förhöjd mTOR-aktivitet, som kännetecknas av ökad hepatisk glukoneogenes, minskad glukosupptagning i musklerna och apoptos av β-cellerna i bukspottkörteln, till typ II-diabetes. Med hänsyn till att insulinresistens och associerade komplikationer som retinopati, neuropati och nefropati kan föregå diagnosen typ II-diabetes väcks frågan om möjligheten att förebygga diabeteskomplikationer med hjälp av farmakologisk hämning av mTOR-vägen.
4. Glukosintolerans inducerad av mTOR-hämmare
Det är uppenbart att mTOR har flera roller i ämnesomsättningen och att det, när det överaktiveras av näringsöverskott och fetma, medverkar till att orsaka glukosintolerans och insulinresistens. Kalorirestriktion, dvs. en minskning av kaloriintaget med bibehållen adekvat näring, förbättrar glukostoleransen och insulinkänsligheten och förlänger livslängden . Med tanke på antagandet att rapamycin är ett svältmimetikum har dess roll föreslagits för att vända insulinresistens. Akut behandling med rapamycin (enkel injektion) ökar insulinkänsligheten och glukosupptaget . Hos friska frivilliga personer upphäver en engångsdos av rapamycin som förbehandling den näringsinducerade insulinresistensen . I motsats till resultaten av akut eller intermittent rapamycinbehandling försämrar kronisk behandling med rapamycin glukoshomeostasen. Paradoxalt nog leder kronisk rapamycinbehandling till glukosintolerans hos både djur och människor . Även om kronisk rapamycinbehandling minskar fettinnehållet främjar den också insulinresistens, glukosintolerans och glukoneogenes i levern. Trots den förbättrade insulinsignalering i levern hos rapamycinbehandlade råttor, som kom från blockeringen av den negativa återkopplingsslingan mTOR/S6K1, potentierar induktionen av den glukoneogena vägen i levern glukosintolerans . Även om vit fettvävnad och skelettmuskulatur tar upp glukos normalt som svar på kontinuerlig insulinstimulering under den kroniska rapamycinbehandlingen är hepatisk insulinresistens en viktig bidragande orsak till den försämrade glukoshomeostasen . Det har visats att det insulinmedierade undertrycket av hepatisk glukoneogenes direkt förmedlas av rapamycininducerad mTORC2-störning . Förutom mTORC2-hämningen bidrar den kroniska rapamycinbehandlingen till insulinresistens på grund av oförmågan att aktivera β-oxidation av fettsyror och ketogenes, vilket leder till en obalans i lipidmetabolismen . Dessutom leder en långvarig rapamycinbehandling till minskad livsduglighet hos β-cellerna och minskad insulinutsöndring, troligen via hämning av mTORC2 . Denna ökade β-cellstoxicitet som induceras av kronisk behandling med mTOR-hämmare kan vara en bro som leder till utveckling av nytillkommen diabetes mellitus efter transplantationer av fasta organ, vilket gör det nödvändigt att utveckla strategier för att undvika denna negativa effekt.
5. Metformins roll i reverseringen av insulinresistens inducerad av mTOR-hämmare
Den kliniska betydelsen av insulinresistens är förknippad med kranskärlssjukdom och ischemisk stroke . Metformin, ett allmänt förskrivet antidiabetesläkemedel, är en biguanid och utgör första linjen i behandlingen av diabetes mellitus typ II . Det minskar inte bara hyperglykemi främst genom att sänka hepatisk glukoneogenes utan ökar också insulinkänsligheten och sänker blodfettnivån . Utöver behandlingen av diabetes mellitus typ II har metformin visat sig ha en positiv effekt på åldersrelaterade sjukdomar som cancer och hjärt- och kärlsjukdomar . I alla dessa åldersrelaterade tillstånd har metformin uppnått effekter som liknar effekterna av rapamycinbehandling. Flera epidemiologiska studier har bekräftat att behandling av diabetes typ II med metformin var förknippad med minskad cancerincidens och cancerrelaterad död . Olika experimentella djurmodeller har också visat varierande effekter mot cancer och prolongevitet beroende på dosering, kön och ålder när metforminbehandlingen inleds .
De molekylära mekanismerna för metformin är endast delvis förstådda. De flera verkningsmekanismerna har studerats, vilket tyder på att hämning av mitokondriernas andningskedja (komplex I) är den primära verkningsmekanismen. . Som ett resultat av detta aktiverar en minskning av den cellulära energistatusen med ett ökat cellulärt AMP : ATP-förhållande AMPK (AMPK), vilket hämmar mTORC1-signalering i levern, den primära platsen för metformins verkan, med olika nedströms effekter . Vid lägre dosering kräver metformin AMPK och TSC för att hämma mTORC1, medan denna effekt vid högre dosering är AMPK- och TSC-oberoende . Hur som helst minskar metformin den hepatiska proteinsyntesen genom en mekanism som inbegriper en hämmande effekt på mTORC1. Genom att inducera fosforylering av GLUT4 enhancer factor ökar metformin det perifera glukosupptaget och ökar därmed insulinkänsligheten. Dessutom minskar metformin ett insulininducerat undertryckande av fettsyraoxidation . Effekten tycks bero på en stimulering av AMPK och en minskning av malonyl-CoA-innehållet i musklerna.
Alla dessa metaboliska effekter är nästan identiska med effekterna av hunger, det vill säga kostrestriktion. Det har visats att metforminbehandlade möss hade en transkriptionsprofil som liknade möss som utsattes för kostrestriktion . Även om både rapamycin och dietrestriktion hämmar lipogenesen och aktiverar lipolysen med ökade serumnivåer av icke-esterifierade fettsyror som följd, aktiverar rapamycin till skillnad från dietrestriktion inte β-oxidation . Med tanke på att de två huvuddragen i den metaboliska störning som orsakas av rapamycin är stimulering av glukoneogenes i levern och minskning av β-oxidation, är metformin påtvingat som en potentiell lösning. Eftersom minskad fettsyraoxidation är förknippad med utvecklingen av insulinresistens kan den metformininducerade fettsyraoxidationen bidra till att öka insulinkänsligheten. Tillägg av metformin till kronisk rapamycinbehandling kan ge ett terapeutiskt tillvägagångssätt för att behandla insulinresistens och dyslipidemi. I den största delen av litteraturen diskuteras den kombinerade användningen av metformin och rapamycin i syfte att behandla åldrande och åldersrelaterade sjukdomar. Ett annat alternativ som föreslås för att förebygga, det vill säga behandla metabolisk störning orsakad av rapamycin, är en intermittent applicering av rapamycin, med hänsyn till att insulinresistens och glukosintolerans är reversibla efter avslutad rapamycinbehandling. Det är uppenbart att detta tillvägagångssätt inte kan användas hos patienter som behandlas med immunosuppressiv behandling för att förhindra transplantationsavstötning eller hos patienter som tar mTOR-hämmare som cancerbehandling, där behandlingen med mTOR-hämmare måste vara kontinuerlig.
Den hittills genomförda studien sammanfattade rapamycins effekter på mTORC1 och mTORC2, vilket pekar på det faktum att en långtidsbehandling med rapamycin förutom mTORC1 även stör mTORC2 och därmed orsakar β-cellstoxicitet och insulinresistens . Denna effekt av mTORC2-hämning bekräftades in vivo i flera vävnader, inklusive lever, vit fettvävnad och skelettmuskulatur . Med tanke på antagandet att rapamycins immunosuppressiva effekter främst förmedlas via mTORC1 kan man anta att mTORC1-specifika hämmare skulle uppnå samma immunosuppressiva effekter som rapamycin, men utan någon mTORC2-medierad toxicitet. Detta antagande skulle kunna fungera när mTOR-hämmare används som terapeutiska medel mot åldrande eftersom mTORC1-hämning skulle uppnå de önskade effekterna genom att undvika metaboliska störningar som orsakas av mTORC2-hämning .
Skulle det vara så om de mTORC1-specifika inhibitorerna användes som immunosuppressiva läkemedel? Det verkar som om viktiga immunosuppressiva effekter av behandling med mTOR-hämmare förmedlas av hämning av både mTORC1 och mTORC2. Förutom inhibering av T-cellsproliferation och blockering av mognad av dendritiska celler är ett av kännetecknen för de immunreglerande egenskaperna hos mTOR-hämmare utvecklingen av Tregs vars differentiering och expansion undertrycks av mTORC2-aktivitet . Detta innebär att den specifika mTORC1-hämningen i de celler som tillhör immunsystemet utan mTORC2-störning kan leda till en otillräcklig immunosuppression.
Det finns vissa indikationer på att andra rapaloger, såsom everolimus och temsirolimus, uppnår en lägre grad av mTORC2-hämning och därmed en lägre grad av insulinresistens, men detta måste fortfarande bekräftas i andra studier .
Nödvändigheten av konstant användning av mTOR-hämmare efter transplantationer av fasta organ, t.ex. njurtransplantationer, förhindrar regimen med intermittent tillämpning av rapamycin eller användning av rapamycin i mindre doser. I ett försök att lösa detta problem, dvs. att förhindra insulinresistens och nytillkommen diabetes efter en njurtransplantation, har kombinationsbehandling med rapamycin och metformin föreslagits . Genom att inducera AMPK i kliniskt relevanta doser hämmar metformin mTORC1, vilket bidrar till att minska dosen av rapalogen och tillhörande negativa metaboliska effekter. Om patienterna med njurtransplantation har , kan metformin förskrivas för behandling av befintlig diabetes mellitus typ 2 eller nytillkommen diabetes mellitus .
6. Slutsats
Vi försöker visa att metforminanvändning också är möjlig för att förebygga uppkomsten av diabetes mellitus efter en njurtransplantation. Hittills har inga studier genomförts för att undersöka metformins roll för att förebygga nytillkommen diabetes mellitus efter en transplantation. Den framtida forskningen kan resultera i kliniska riktlinjer som gör att vi bättre kan motverka rapalog-medierade biverkningar.
Intressekonflikter
Författarna förklarar att de inte har några intressekonflikter.
Acknowledgments
Denna uppsats stöddes av bidrag från Republiken Serbiens ministerium för vetenskap och teknik (nr 175089 och 175097). Författarna tackar också Hemofarm AD för ytterligare stöd för att denna artikel skulle kunna publiceras.