中医药通过PI3K/AKT/mTOR 信号通路防治肿瘤的研究进展

马寅瑞，李杨,4，明海霞,2,3*

(1.甘肃中医药大学，甘肃 兰州 730000；2.甘肃中医药大学中西医结合研究所，甘肃 兰州 730000；3.甘肃省中药药理与毒理学重点实验室，甘肃 兰州 730000；4.敦煌医学与转化教育部重点实验室，甘肃 兰州 730000)

0 引言

根据中国疾病负担研究报告[1]显示，心脑血管疾病和慢性阻塞性肺疾病的发病率及死亡率位于首位，癌症位于之后，在各种癌症中肺癌位于首位，占各疾病总死亡率的6.6%，其次是肝癌。基于分子水平、信号通路研究肿瘤的发生发展是目前的研究热点。信号通路中关键因子的激活或沉默是肿瘤形成中必不可少的一环，在众多信号通路中PI3K/AKT/mTOR 信号通路的过度激活[2]与其密切相关。该通路的过度活化，不但促进肿瘤细胞的增殖和转移以及抗细胞凋亡，而且促进肿瘤微环境血管的形成增加血供。故通过对PI3K/AKT/mTOR 信号通路的研究，可以从分子水平提供肿瘤的防治方法。

1 PI3K/AKT/mTOR 信号通路

1.1 PI3K 即磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)

PI3K 是一组质膜相关脂质激酶，由三个亚基组成：p85 调节亚基，p55 调节亚基和p110 催化亚基[3]。PI3K 分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型，但只有Ⅰ型与肿瘤的形成有关[4]。研究发现[5]，Ⅰ型PI3K 有4 种起催化作用的亚型，分别为p110α、β、γ 和δ，分别由PIK3CA、PIK3CB、PIK3CG 和PIK3CD 基因编码，其中p110α 和p110β 表达广泛而p110γ 和p110δ 的表达富集于免疫细胞。 110α、β、δ 与p58 构成ⅠA 类PI3K，p110γ 构成ⅠB 类PI3K，其中ⅠA 在人类癌症中最明显。生理状态下，PI3K 可被生长因子、细胞因子等细胞外刺激物激活；在肿瘤形成中以PIK3CA 和PTEH 突变常见，从而激活PI3K 的活化，Ⅰ型PI3K 的活化须刺激受体酪氨酸激酶(PTK)及G 蛋白偶联受体(GPCR)，活化的PI3K 可磷酸化PIP2 为PIP3，AKT 可与PIP3 结合，从而激活细胞生长和存活途径[3-6]。脂质磷酸酶PTEN 可将PIP3 去磷酸化为PIP2 来调节该途径，从而阻止下游激酶的活化。升高的PI3K 可以促进肿瘤的发生、同时也是肿瘤的标志[5]。

1.2 PKB 即丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶(protein kinase B，PKB/AKT)

研究发现，AKT 存在于胞质中，有三个结构域，即C-末端调节结构域、N-末端的PH 结构域及内部激酶结构域[7]，是PI3K 下游的关键蛋白当。其中PH 结构与的改变影响了AKT 的功能。目前已知AKT 家族主要有3 种亚型，分别为AKT1(PKBα)、AKT2(PKBβ)和AKT3(PKBγ)，三者通过相互协调对细胞的生长、代谢、增殖和存活起到调节作用[5,8]。AKT1在全身广泛表达，具有促进细胞增殖、存活的作用[9]；AKT2 在胰岛素依赖性组织显著表达，具有调节胰岛素分泌，参与糖代谢的作用[10]；AKT3 可在大脑中观察到，与学习、记忆以及行为功能有关[11]。PI3K 通过生成三磷酸磷脂酰肌醇(PIP3)导致AKT1(T308 和S473)，AKT2(T309 和S474)，AKT3(T305 和S472)两个关键残基磷酸化。AKT 由胞质进入胞膜并改变构象，暴露苏氨酸残基(T308、T309、T305)，被磷脂酰肌醇依赖性蛋白激酶1(Phosphatidylinositol-dependent protein kinase 1，PDK1)磷酸化；暴露丝氨酸残基(S473、S474、S472)，被磷脂酰肌醇依赖性蛋白激酶2(Phosphatidylinositol-dependent protein kinase 2，PDK2)即mTORC2 磷酸化，同时磷酸化后，AKT 才能活化[7-8,12]。研究发现[13]，活化的AKT 进入胞质或细胞核，调控下游信号分子，如激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)抑制细胞自噬；抑制Bad 和FOXO 直接调节细胞存活；抑制Fas 配体(FasL)和肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体(TRAIL)等。同时磷酸酯酶PTEN、INPP4B 可抑制AKT 的活化。

1.3 mTOR 即哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)

该酶属于磷脂酰肌醇激酶相关激酶(Phosphatidyl inositol kinase related kinase，PIKK)家族，mTOR 属非典型高保守丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶[14]，调节细胞的存活、生长、代谢、自噬；蛋白质的合成及体内平衡[15]。研究发现[14,16-17]，在哺乳动物中，mTOR 有两种存在形式：RAPTOR 蛋白和mTOR 结合形成复合物1，即mTORC1，可感知生长因子并响应细胞能量。AKT 通过抑制结节性硬化症复合物(TSC)1/2，磷酸化TSC2 使TSC1-TSC2 复合物解离，抑制Rheb 的活化，从而激活mTOR1。mTORC1 可以磷酸化真核翻译起始因子4E 结合蛋白1(4EBP1)、S6 激酶(S6K)和固醇调节元件结合蛋白(SREBP)，以促进蛋白质翻译，核苷酸和脂质的合成，溶酶体的生物发生，并抑制自噬过程；RICTOR 蛋白和mTOR结合形成复合物2，即mTORC2。mTORC2 受PI3K/AKT 和mTORC1 的调节，PI3K 可激活mTORC2，使其与核糖体结合，激活AKT。mTORC2 可磷酸化血清和糖皮质激素激酶(SGK)及蛋白质激酶C(PKC)调节参与肿瘤发生的细胞骨架重组和细胞运动。同时S6K1 降解胰岛素受体底物(IRS)1/2，从而抑制mTORC2，mTORC1 可通过生长因子受体- 结合蛋白10(Grb10)负反馈抑制mTORC2。

2 中医药通过PI3K/AKT/mTOR 信号通路防治肿瘤的机制

中医药作为我国传统医学，以阴阳学说为轴心，一整体观和辨证论治为重要手段，以自然疗法为主要形式。肿瘤在发生发展过程中伴随着机体的气血、阴阳失衡以及脏腑功能紊乱，从而出现精亏气虚、气滞血瘀等表现，在治疗过程中应解毒散结、益气养精[18]。近年来，研究发现，中医药能通过调节PI3K/AKT/mTOR 信号通路防治肿瘤。

2.1 调节细胞凋亡

促凋亡分子Bax、抗凋亡分子Bcl-xL、caspase 酶在细胞凋亡中起着至关重要的作用，其表达是凋亡的标志。AKT 作为凋亡分子的上游蛋白磷酸化Bax、Bcl-2 等凋亡分子，抑制细胞凋亡的发生[19]。通过下调PI3K/AKT/mTOR 信号通路的表达，解除对凋亡分子的抑制是目前肿瘤防治的一个途径。张星星[20]研究发现，芪玉三龙汤通过抑制miRNA21 的转录上调PTEN，使PI3K/AKT/mTOR 信号通路表达降低，从而上调了Bax 的表达、下调Bcl-2 促进肺癌细胞的凋亡发生。由此可见，中医药通过降低该通路调控下游促凋亡分子和抗凋亡分子，调节凋亡。

2.2 调节细胞周期

细胞周期的失调是肿瘤最常见的变化，正常的细胞周期由周期蛋白(cyclin) 和CDK 调控，依次经历G1 期、S 期、G2 期和M 期，CDK 与相应的cyclin 形成复合物磷酸化下游分子调控细胞周期进程[21]。Dai 等[22]在胃癌细胞中发现，lncRNA-MALAT1 的表达升高，上调PI3K/AKT/mTOR 通路，并促进细胞周期由G1 期向S 期过度和细胞侵袭性，从而促进胃癌细胞的发生。CDK-4/6 和cyclin D 主要存在于G1期，在有丝分裂信号的刺激下形成复合物，磷酸化肿瘤抑制基因RB，使E2F 解离与DP1 结合，调控cyclin A、cyclin E、DNA 复制和有丝分裂的进程，细胞由G1 期进入S 期[23]。可见PI3K/AKT/mTOR 信号通路可通过调节cyclin-CDK 复合物对细胞周期起到一定的调节作用。Kathy 等[24]研究发现，ASP 能显著升高HT-29 结肠癌细胞中PTEN 表达，使mTOR表达降低，同时发现细胞周期停滞于S 期(主要)和G2/M 期。Fei 等[25]研究显示，麦门冬汤加味精汤简称金配方对非小细胞肺癌有抑制作用，金配方可降低CDK4 和CyclinD3 的表达，金配方和DDP 联合使用可显著降低p-AKT(Thr308)的表达，诱导细胞凋亡。由此可见，中医药能降低该通路的表达调节cyclin-CDK 复合物，阻滞细胞周期。

2.3 调节p53 基因

p53 基因是一种重要的肿瘤抑制基因，在DNA 损伤，癌基因激活，缺氧等多种应激反应中被激活，通过诱导p21WAF1/CIP1 转录，使细胞周期停滞于G1 期从而阻止DNA 合成，通过Cyclin B1，CDC2 等基因将细胞周期阻滞于G2 期；并诱导DNA 修复基因GADD45 的转录，当细胞周期未能停滞于G1期，p53 诱导细胞凋亡[26-28]。p53 与PI3K/AKT/mTOR 信号通路之间存在双向调控，AKT 可促进下游分子MDM2 磷酸化，参与p53 的降解作用，相反的，p53 可促进PTEN 的表达，水解PIP3 从而抑制AKT 的活化，同时p53 可诱导sestrin1和sestrin2 的表达来促进AMPKβ1 的活化和TSC2 的表达来抑制mTORC1[27]。Ye 等[29]研究发现，中药丹参的提取物丹参酮(CTN) 在NSCLC 中升高了p53 和p21，诱导细胞凋亡，同时PTEN、Caspase-3/9、Bax 的表达升高，AKT(Thr308 和Ser473)磷酸化和Bcl-2/xl 的表达降低。可以认为p53 通过升高PTEN 抑制了PIP3 的形成从而截断PIP3 对AKT 的磷酸化，Bax 和Bcl-2 作为AKT 的下游分子失去了AKT 的磷酸化解除Bax 的抑制作用。中医药通过对p53 的调节分别从细胞周期和细胞凋亡两方面来防治肿瘤或是一种方法。

2.4 调节细胞自噬

自噬调节中存在多种转导途径，其中依赖mTOR 信号转导途径尤其重要[30]。在细胞错综复杂的自噬通路中，负向调节的核心基因便是mTOR，它可起到逆向调控者的作用[31]，PI3K/AKT/mTOR 是其主要的作用途径之一。在自噬调节能量缺乏和饥饿的反应中mTORC1 起到主要作用，营养充足时，ULK1 的Ser758 被mTORC1 磷酸化并抑制其与AMPK的作用阻断自噬，而处于饥饿状态或营养不足时mTORC1 从ULK1 复合物中解离，从而减轻对ULK1 的抑制，ULK1 通过磷酸化AKMP 来下调后者的活性，启动自噬[32]。Zhao 等[33]研究发现，中药姜黄的提取物姜黄素能诱导人黑素瘤细胞发生自噬，并能下调PI3K/AKT/mTOR 信号通路的表达。用CQ等自噬抑制剂来抑制乳腺癌细胞自噬后，姜黄素降低AKT 的作用降低[34]。因此，姜黄素能通过下调PI3K/AKT/mTOR 的表达，促进ULK1 启动自噬。由此可见，中医药能下调该通路表达调控ULK1 的活性，促进细胞自噬的发生。

对人类中32 种不同类型的肿瘤进行蛋白组学的分析，发现PI3K/AKT/mTOR 信号通路中相关因子的mRNA 与磷酸化蛋白水平之间并无强相关性；分别对PI3K/AKT 途径和mTOR途径进行分析发现在许多肿瘤中mTOR 活性都较高但PI3K/AKT 的活性较低，PI3K/AKT 与mTOR 的活性高度相关，并且之间有一定程度的解偶联现象[35]。中医药能通过降低PI3K/AKT/mTOR 信号通路分别调节细胞周期和自噬诱导细胞凋亡来发挥抗肿瘤作用。

2.5 中医药对骨髓的保护作用

放疗及化疗是肿瘤的主要治疗方式，但放化疗会损伤骨髓组织，研究发现中医药在防治肿瘤放化疗后的骨髓抑制有一定的缓解作用，其多以补肾滋阴血及健脾益气生学为方法，从肾、脾、肝论治[36]。师林等[37]研究发现，加味龟鹿二仙胶汤从中医角度具有阴阳双补、补肾益精、益气养血等功效，其与顺铂(DDP)联合使用，降低PI3K、p-AKT 蛋白和mTOR 蛋白表达，抑制肿瘤体积的增长，增强顺铂的抗肿瘤作用及抑瘤率，保护由顺铂引起的骨髓有核细胞降低，并可能调控骨髓间充质细胞。Sheng 等[38]研究发现，在缺氧能诱导骨髓间充质细胞的增殖和分化，骨髓间充质细胞内AKT 表达升高，并有CD31 和VEGF 的升高，用LY294002 处理后CD31 和VEGF的表达都出现降低。因此PI3K/AKT/mTOR 可能通过CD31和VEGF 的表达促进骨髓间充质细胞的增殖和分化。故某些中医药可发挥双重调控作用，如：上调的PI3K、p-AKT、mTOR 蛋白在骨髓组织中表达、下调在肺癌组织中mTOR 蛋白的表达。

3 PI3K/AKT/mTOR 信号通路抑制剂的应用

3.1 PI3K 抑制剂

根据作用目标将PI3K 抑制剂分为PI3K 选择抑制剂、泛PI3K 抑制剂和PI3K-mTOR 双重靶向抑制剂[39]。泛PI3K 抑制剂可抑制四类亚型(p110α、β、γ 和δ)，其中LY294002 是最早的药物，但对机体产生的副作用较大[40]。PI3K 选择抑制剂可针对性的作用于某一亚型发挥作用，如Alpelisib(BYL719)选择作用于p110α 亚型，Idelalisib(CAL-101) 特异性抑制p110δ。PI3K 的p110 亚基与mTOR 激酶的结构与相似，因此PI3K-mTOR 双重靶向抑制剂同时作用，并能抑制mTORC1对上游AKT 的激活，如Bimiralisib(PQR309)抑制p110 四各亚型和mTORC1、mTORC2[39,41]。随着长期的药物使用，肿瘤细胞逐渐出现耐药，耐药机制或通过调节不同的信号通路实现，联合治疗可降低肿瘤细胞的耐药。紫杉醇(PTX)作为宫颈癌的主要治疗药物，在长期应用后可产生获得性化疗抗性，对晚期的宫颈癌治疗是一个挑战。Liu 等[42]研究发现，在宫颈癌细胞中存在PIK3CA 的突变，并且在存在耐药性的宫颈癌细胞内PIK3CA 的mRNA 水平明显上调，说明对紫杉醇内耐药可能与PI3K/AKT 通路有关，紫杉醇上调了AKT 的表达，紫杉醇分别与BYL719 和LY294002 联合作用具有协同作用，阻断PI3K-110α/p-PTEN/p-PDK1/p-GSK-3β 信号通路降低AKT 的活化，解除对下游分子的限制，Bax、caspase-9 等与调往有关蛋白表达升高，同时抑制了CDC2、CCNB1 等将细胞周期阻滞于G2/M 期，从而促进了细胞凋亡的发生，研究发现联合使用还可以促进肿瘤细胞DNA 的损伤，降低肿瘤细胞的迁徙能力。

3.2 AKT 抑制剂和mTOR 抑制剂

根据作用部位不同将AKT 抑制剂分为变构抑制剂、ATP竞争性抑制剂和PH 结构域抑制剂。与PIP3 竞争性结合AKT的PH 结构域从而阻止AKT 的活化是PH 结构域抑制剂的作用机制，并能抑制PDK1 与mTORC2 的磷酸化，如PX316；封闭AKT 磷脂结合的位点，从而阻断AKT 的激活是变构抑制剂的作用机制，如MK-2206；与ATP 竞争性结合AKT 的激酶域的ATP 位点，从而阻断AKT 的活化是ATP 竞争性抑制剂的作用机制，如GSK-690693(泛AKT 激酶抑制剂)、BAY-1125976(针对AKT1 和AKT2)等[43,44]。mTOR 抑制剂分为一代mTOR 抑制剂和二代ATP 竞争性mTOR 激酶抑制剂两种，一代属于大环内酯类药，能特异性抑制mTORC1，如雷帕霉素等。二代与ATP 竞争性结合mTOR 激酶上的ATP 结合位点从而发挥作用，如Sapanisertib(MLN0128)、Tokinib(PP242)。与一代相比二代抑制剂不但阻止细胞生长还诱导细胞凋亡[14]。

4 展望

PI3K/AKT/mTOR 信号通路在恶性肿瘤中都存在过度表达，对肿瘤的发生于发展起到至关重要的作用。因此，抑制PI3K/AKT/mTOR 信号通路的过度表达是肿瘤的治疗的一个方法。但是现在仍有一些肿瘤中的机制未研究清楚，这对抗癌起到了一定的限制因素。PI3K/AKT/mTOR 信号通路的表达机制在肿瘤发生发展的情况仍是现在一大研究热点，随着PI3K/AKT/mTOR 信号通路以及在肿瘤组织中表达机制的研究逐渐清晰，能提供更多治疗肿瘤的方法。中医药对于PI3K/AKT/mTOR 信号通路中的关键蛋白也参与调节，从而降低通路的表达，调节肿瘤细胞的细胞周期，诱导自噬和凋亡，从而对肿瘤起到抑制作用，并且中医药能提高骨髓组织中PI3K、AKT、mTOR 蛋白的表达，预防及缓解作用由放化疗产生的骨髓抑制作用。从中医角度来看，中医药还具有益气养血、活血化瘀、化痰散结、扶正祛邪、增强自身抵抗力的作用，对肿瘤发生中机体阴阳失衡、脏腑功能紊乱等起到对证治疗。基于PI3K/AKT/mTOR 信号通路探究中医药对肿瘤的影响及机制也是目前的一大热点，结合我国对中医药的大力扶持，中医药对于肿瘤的治疗机制会更明了。