Nature重磅综述：系统阐述mTOR 抑制剂在衰老领域的研究现状

来自美国威斯康辛大学医学院的Dudley W. Lamming教授在Nature Aging 杂志发表题为“Targeting the biology of aging with mTOR inhibitors”的综述。

该综述系统回顾了雷帕霉素对野生型小鼠和人类疾病小鼠模型的寿命和生存的影响。此外，还讨论了最近的临床试验，并探讨了现有的mTOR抑制剂是否可以安全的预防、延缓或治疗多种衰老疾病。

最后，本文作者展望了新分子如何在未来十年提供更安全、更有选择性地抑制mTOR复合物1 (mTORC1)的途径。

mTOR是一种进化上保守的丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶，存在于包括小鼠和人类在内的多种物种中。mTOR激酶形成两个不同的蛋白复合物mTORC1和mTORC2的催化核心，它们分别由共享和独特的蛋白质亚基组成，并磷酸化不同的底物。mTORC1受多种营养物质和激素的调控，最显著的是氨基酸的可用性，但也受葡萄糖、氧气和胆固醇的调控。mTORC1活性通过磷酸化底物驱动多种合成代谢过程，包括核糖体蛋白S6激酶(S6K) β1 (S6K1)和真核翻译起始因子4e结合蛋白(4e - bp)。mTORC1活性还通过磷酸化底物抑制自噬，包括unc -51样自噬激活激酶(ULK1)。与mTORC1不同，mTORC2主要通过调节底物的活性，包括激酶AKT、血清糖皮质激素调节激酶(SGK)和蛋白激酶Cα (PKCα)，作为磷酸肌肽3激酶(PI3K)信号传导的效应因子。mTORC1对许多不同的环境信号都有反应。

早在20年前，研究人员就发现了mTORC1信号在衰老过程中的作用。对酵母、线虫和果蝇的研究表明抑制mTORC1或mTORC1下游的信号通路，包括S6K和翻译起始因子，可以延长寿命。mTORC1信号也被观察到在长寿的Ames侏儒小鼠比在野生型对照中更低。对小鼠的研究同样表明，mTORC1亚基的基因缺失、S6K1(也称为Rps6kb1)或下游底物的缺失或特定组织中显性负4E-BP1的表达可延长小鼠的寿命和健康寿命。即使在遗传小鼠模型中部分抑制mTORC1(例如，S6K1−/−、Mtor+/−、Mlst8+/−和Tsc1tg)也可以延长小鼠的寿命和健康寿命。

这些结果很合乎逻辑地激发了人们对mTORC1的有效化学抑制剂雷帕霉素延长寿命的可能性的极大兴趣。事实确实如此，现在有大量研究表明，雷帕霉素不仅可以延长酵母、线虫和果蝇等模式生物的寿命，还可以延长野生型小鼠和许多疾病模型的寿命。在这篇综述中，将讨论这些研究的结果，以及通过饮食和药物手段减少mTORC1信号传导可能改善健康的可能机制。

雷帕霉素的许多副作用，包括免疫抑制、高脂血症和高血糖，引起了人们对使用雷帕霉素促进人类健康长寿的可行性的担忧，这也减缓了对mTOR抑制剂治疗衰老疾病的临床评估。在这篇综述中，研究人员讨论了过去十年产生的数据，这些数据表明雷帕霉素对健康寿命和寿命的有益影响是通过抑制mTORC1介导的，而雷帕霉素对糖和脂质代谢的负面影响是通过抑制mTORC2介导的。

在这篇综述，研究人员还讨论了临床前动物数据和人类数据，探索间歇性和低剂量mTOR抑制剂治疗方案的使用，结果表明雷帕霉素类似物(rapalogs)和其他mTOR抑制剂可能能够以一种更安全且具有老年保护作用的方式给药。最后，研究人员展望了未来的研究和对mTORC1选择性分子的探索，这些分子部分来源于最近关于mTORC1感知营养和激素信号的分子机制的发现。下面我们将一一进行讨论：

1、mTOR 抑制剂雷帕霉素可延长小鼠寿命

雷帕霉素属于大环内酯类物质，大约50年前首次在复活节岛的土壤中发现。雷帕霉素是mTORC1的强效抑制剂，但不是mTORC2的强效抑制剂。虽然mTORC2不受雷帕霉素的强效抑制，但随后的研究表明，当长时间暴露于高浓度雷帕霉素时，mTORC2在细胞培养和小鼠体内也会受到抑制，这很可能是由于雷帕霉素隔离了游离mTOR，使其无法并入mTORC2。

多个研究小组已经研究了雷帕霉素对小鼠寿命的影响，从2009年美国国家衰老干预测试计划研究所(NIA ITP)发表的一项具有里程碑意义的研究开始，该研究表明雷帕霉素延长了遗传异质性小鼠的寿命。从那时起，雷帕霉素对小鼠寿命的其他研究不仅由NIA ITP进行，还由全球至少十个其他小组进行。

表 雷帕霉素对小鼠寿命影响的部分研究

从这组研究中可以得出许多经验教训，主要是雷帕霉素是一种非常强大的衰老保护干预措施，延长了由多个团队处理的多种野生型小鼠品系的寿命，包括近亲繁殖、远交繁殖和遗传异质性的雄性和雌性小鼠。每项研究都观察到一个或多个剂量组的寿命延长，在相同剂量的雷帕霉素下，雌性通常比雄性受益更多。

重要的是，与热量限制不同（在生命后期开始时效果较差），雷帕霉素在小鼠20个月大(相当于60岁左右的人)的生命后期开始给药，依旧可以显著延长寿命。此外，雷帕霉素的给药方案非常灵活，即使雷帕霉素是间歇性给药的，出生后立即给药，或者老年小鼠给药都能观察到雷帕霉素对长寿的有益影响。最后，雷帕霉素与其他衰老保护剂联合使用时依旧有效，包括二甲双胍和碳糖素。

雷帕霉素也在多种疾病模型中进行了测试，包括多种不同的癌症、线粒体疾病和早衰症。在这里，雷帕霉素的有益作用比在野生型小鼠中更加多样化。正如预期的那样，雷帕霉素在mTOR疾病的小鼠模型中表现出显著的益处。雷帕霉素对小鼠癌症模型的存活也有实质性的积极作用。最后，雷帕霉素有效地延长了几种类早衰小鼠模型的寿命，这表明早衰小鼠模型虽然不是衰老的完美模型，但可能用于快速评估老年保护剂的潜在益处。

虽然到目前为止，大多数关于雷帕霉素和衰老的研究都是在小鼠身上完成的，但人们对探索雷帕霉素在灵长类动物身上的应用非常感兴趣。对66只中年狨猴(Callithrix jacchus)分别饲喂含雷帕霉素和含载体的饲料，并对其寿命和健康寿命进行纵向跟踪。最初的研究表明，通过饮食给药每公斤体重约1毫克的雷帕霉素耐受性良好，雷帕霉素对血液参数的影响很小，血糖、胆固醇或甘油三酯水平没有统计学上的显著变化。在用雷帕霉素或对照剂治疗9个月的6只动物的亚组中，两只雷帕霉素治疗的动物显示空腹血糖升高，两只雷帕霉素治疗的动物显示甘油三酯升高，这表明在这个剂量水平下可能对TORC2有一定的抑制作用。然而，要对雷帕霉素对狨猴的代谢影响进行明确的研究，需要在更长的时间内对更多的动物进行研究。

在啮齿类动物之外进行的关于雷帕霉素的第二个主要研究是研究雷帕霉素对狗衰老的影响。作为伴侣动物，狗与人类共享环境，接受与人类类似的定期医疗护理，并患上与人类相同的许多与年龄有关的疾病。此外，许多狗主人对让他们的狗参加促进健康老龄化的研究表现出了兴趣。狗的寿命很短，尤其是大型犬种，因此可以进行比人类更短的研究。一项小规模的初步研究发现，每周三次使用0.05 mg / kg或0.1 mg / kg雷帕霉素治疗，没有引起统计学上显著的副作用，但确实改善了心功能。一项更大规模的研究将于2023年完成，其中中年大品种狗将接受雷帕霉素或载体治疗1年。

2、雷帕霉素对健康和寿命影响的机制

雷帕霉素的衰老保护作用有许多可能的机制。在本节中，将讨论 mTORC1 抑制对特定疾病过程的影响以及可能有助于雷帕霉素对寿命和健康寿命产生有益影响的分子机制。

2.1蛋白质翻译

mTORC1通过S6K1和4e - bp在翻译调控中起核心作用，翻译缺陷一直被认为是导致衰老的原因。错误突变理论认为，蛋白质翻译中的错误可能导致蛋白质合成越来越不准确和功能下降。从概念上讲，通过雷帕霉素处理减缓蛋白质翻译可能使mRNA以更高的保真度翻译成蛋白质或更准确地折叠。与这一模型一致的是，在模式生物中进行的实验表明，编码核糖体亚基、S6K1或翻译起始因子的基因的缺失或敲低会导致寿命延长

2.2自噬

自噬是细胞循环利用其蛋白质和细胞器的过程，它不仅使细胞能够在营养有限的条件下存活，而且也是去除受损蛋白质和亚细胞细胞器的核心机制。虽然自噬本身似乎非常重要，但对酵母、线虫和果蝇的研究表明，自噬失活会缩短寿命，而促进自噬则会延长寿命。重要的是，自噬也被证明是酵母和线虫通过减少mTOR信号来延长寿命所必需的。在哺乳动物中，据报道，自噬在热量限制的小鼠和长寿的Snell侏儒小鼠的细胞中被上调，并且是限制热量饮食对心脏、肾脏和肝脏的一些有益作用所必需的。

2.3免疫

免疫系统的过早衰老已被证明会导致小鼠多个器官系统的衰老。这些发现表明，改善免疫衰老的疗法可能对全身健康和寿命有更多益处。mTOR 抑制已被证明可以改善小鼠和人类衰老免疫系统的功能。具体而言，为期 6 周的雷帕霉素疗程已被证明可以恢复造血干细胞 (HSC) 的功能，增加幼稚淋巴细胞的产生，并改善老年小鼠对流感疫苗接种的反应。有趣的是，在这项研究中，雷帕霉素治疗也延长了寿命。在老年人中，6周的 mTOR 抑制剂治疗也改善了对流感疫苗的反应，并且与耗尽的 PD-1+T 细胞百分比的降低有关。 此外，mTOR 抑制已被证明可以上调老年人的抗病毒免疫力。这些临床研究将在下面更详细地讨论。

2.4癌症

癌症是实验室小鼠最常见的死亡原因之一，雷帕霉素及其衍生物（rapalogs）可抑制癌细胞系的增殖。雷帕霉素被批准用于某些肿瘤学适应症，在延长小鼠癌症模型的寿命方面非常有效。Neff 及其同事的一项研究发现，雷帕霉素显著降低了 16 个月大小鼠患有癌症的风险。癌症预防显然在雷帕霉素对小鼠的益处中发挥着重要作用，而癌症本身是一种与年龄相关的疾病，因此预防癌症是老年保护疗法的预期结果。

2.5干细胞

与其对癌症干细胞的作用相反，雷帕霉素已被证明对正常干细胞的自我更新和功能有有益的影响，这可能有助于雷帕霉素对组织功能的益处。对造血干细胞进行了几项研究，发现老年小鼠的HSC中mTORC1活性升高，并且与在mTORC1活性过度活跃的小鼠模型中观察到的功能缺陷相似。用雷帕霉素治疗老年小鼠恢复了造血干细胞的功能能力，增强了对流感病毒的免疫反应。在另一项研究中，雷帕霉素被证明可以恢复小鼠HSC亚群的自我更新能力，这些HSC具有自发的高氧化应激和功能能力降低。雷帕霉素还通过抑制邻近Paneth细胞中的mTORC1介导的非细胞自主机制增加小鼠肠干细胞的自我更新能力。

2.6衰老组织中过度活跃的 mTOR 减少

抑制mTOR可能对老年生物体健康有益的一个原因是，随着年龄的增长，mTOR的活性可能会变高。老年小鼠、大鼠和人类肌肉中较高的mTORC1-S6K活性与肌肉减少有关，在大脑中与阿尔茨海默病有关。在小鼠的其他组织中也有mTORC1信号随年龄变化的报道，大多数研究报告mTORC1活性随年龄增加。雷帕霉素促进寿命的能力与mTOR活性是拮抗多效性的一个例子的观点是一致的，高mTOR信号有利于发育和繁殖，但在生殖后的老年期是有害的。在这种模型下，抑制mTOR的益处可能较少来自于对翻译等过程的特定益处，而更多来自于避免过度活跃的mTOR对细胞衰老等过程的负面影响。事实上，雷帕霉素已被证明可以抑制小鼠衰老细胞的积累，并抑制衰老相关的分泌表型。

2.7mTORC2 的抑制

与mTORC1形成鲜明对比的是，抑制mTORC2对寿命的影响主要是负面的。在线虫中，mTORC2抑制通常与寿命缩短有关，而在果蝇中，通过过表达rictor增加mTORC2活性可以延长寿命。mTORC2信号的全身缺乏或脑组织、肝脏或脂肪组织中mTORC2信号的组织特异性抑制会降低C57BL/6J小鼠的寿命。相反，阿卡波糖和17α雌二醇可延长雄性小鼠的寿命，并且这些化合物可增加肝脏mTORC2活性。mTORC2活性在长寿的Snell侏儒小鼠和Ghr -/-小鼠中也升高。

这并不是说在特定情况下抑制mTORC2没有好处。抑制mTORC2信号可以延长秀丽隐杆线虫在一定温度和饮食条件下的寿命，并已被证明可以抑制或逆转人类细胞的衰老。某些副作用，无论是由mTORC1还是mTORC2介导，甚至可能是雷帕霉素“靶向”作用的结果，避免这些副作用可能会限制这些药物对健康衰老的益处。然而，鉴于证据的平衡，特别是遗传学研究表明mTORC2活性与寿命相关，并且单独抑制mTORC1可以延长寿命，本文认为，就雷帕霉素和雷帕霉素对健康寿命和寿命的有益影响而言，抑制mTORC2是“脱靶”的。

3、mTOR抑制剂治疗衰老疾病的临床试验

鉴于大量的临床前数据证实mTOR抑制可以延长寿命和健康寿命，人们对确定mTOR抑制剂是否对人类衰老有益非常感兴趣。如图所示，基于小鼠研究，雷帕霉素可能对许多不同的系统有益，包括大脑、心脏、免疫系统、肠道、肝脏、衰老的皮肤细胞、骨骼肌和肌腱。

Rapalogs已被批准用于移植患者和癌症患者，其高剂量可强烈抑制mTORC1活性，并且具有显著的副作用，包括类似于口腔溃疡的口腔溃疡、胃肠道副作用、高血脂和高血糖以及伤口愈合受损。批准的Rapalogs剂量也会抑制免疫功能，因此FDA批准的处方信息说明，服用Rapalogs可能会增加与免疫抑制相关的感染和某些癌症的风险。临床前小鼠实验可能无法充分模拟与高剂量Rapalogs相关的人类传染病风险，因为小鼠通常被安置在特定的无病原体屏障设施中。

图 雷帕霉素对各系统的有益作用

最近的研究探讨了 mTOR 抑制剂较低或间歇给药方案对老年人的安全性和有效性。这些研究的初步结果表明，将 mTOR 活性降低至“年轻”水平而不是关闭 mTOR 活性的 mTOR 抑制剂的较低或间歇给药方案有可能安全地改善衰老器官系统的功能或改善衰老相关疾病。有趣的是，迄今为止的临床试验表明，低剂量或间歇剂量的 mTOR 抑制剂可以增强而不是抑制免疫功能，并降低老年人的感染风险。下表总结了迄今为止发表的 mTOR 抑制剂治疗衰老相关疾病的临床试验。

表 mTOR抑制剂相关临床实验

4、即将进行的临床试验

在过去的两年中，美国、英国和新西兰已经提出了一些小型临床试验，重点关注衰老保护结果，其中许多已获得资助或开始招募参与者。虽然每项研究的细节不同，但大多数研究都是在50岁以上的参与者中测试低剂量或间歇性剂量的雷帕霉素。

这些研究正在测试一系列与年龄相关的疾病，包括阿尔茨海默病、糖尿病和肌肉减少症，主要结局包括疾病特异性结局，包括对认知表现的影响、胰岛素敏感性的变化和身体表现的变化。这些计划研究的一个缺点是，即使是最大的研究队列也只有150名参与者，最长的计划研究是18个月。因此，尽管这些研究对于收集这些化合物作为人类老年保护剂的安全性和有效性的数据至关重要，并且在未来几年内可能会获得有趣的新数据，但仍有必要进行全面的随访，并进行有力的双盲安慰剂对照随机临床试验。

5、抑制 mTORC1 的新方法

考虑到雷帕霉素和市售雷帕霉素的缺点，最明显的是副作用和治疗窗口的狭窄，人们对寻找选择性抑制mTORC1的新方法非常感兴趣。在短期内，一些饮食干预已经显示出潜在的希望。由于mTORC1活性受氨基酸调控，而mTORC2活性不受氨基酸调控，因此，减少刺激mTORC1活性的膳食蛋白质或特定膳食氨基酸的含量已被探索为促进健康衰老的一种方式。

当然，任何饮食干预都会有坚持的问题，而药物干预可以将mTOR抑制作用带到更广泛的人群中。mTORC1的高分辨率结构为mTORC1如何被营养物质激活以及如何被雷帕霉素抑制提供了前所未有的视角

mTORC1只有在与大脑中富集的Ras同源物(RHEB) -GTP发生变构相互作用后才能磷酸化其底物，后者通过促进激酶位点残基的对齐来激活mTORC1 。为了将mTORC1和RHEB-GTP结合在一起，两个信号通路在溶酶体表面汇合。

其中第一条途径将mTORC1带到溶酶体表面，而第二条途径控制RHEB的GTP-GDP结合状态。mTORC1在溶酶体表面的募集已经研究了十多年，并在其他地方进行了详细的综述。下图概述了主要的监管机制。

简而言之，mTORC1通过与小GTPases的Rag家族的异二聚体对相互作用被招募到溶酶体中。在氨基酸存在的情况下，RagA或RagB结合GTP, RagC或RagD结合GDP，允许Rag蛋白与mTORC1相互作用并将其定位到溶酶体上。Rag gtpase的核苷酸结合状态由几种不同的蛋白复合物控制，这些蛋白复合物具有Rag gtpase的鸟嘌呤核苷酸交换因子(GEF)或gtase激活蛋白(GAP)活性。

调控Rag GTPases的核苷酸结合状态的最佳描述系统之一是GATOR复合物的活性。GATOR1作为RagA和RagB的GAP，而GATOR2则抑制GATOR1的活性。GATOR复合物受氨基酸、胆固醇和糖酵解中间体水平的调节，从而将mTORC1活性与营养可利用性联系起来。

在溶酶体表面，mTORC1的活性取决于mTOR蛋白激酶与gtp结合的RHEB的相互作用。冷冻电子显微镜显示RHEB-GTP与mTOR发生变构结合，导致整体构象改变，使活性位点残基变构重新排列，从而使底物磷酸化。在溶酶体表面，TSC通过作为RHEB的GAP抑制mTORC1活性。据报道，许多不同的因素控制着TSC的溶酶体定位，最值得注意的是胰岛素-pi3k-akt信号，其作用是使TSC在多个残基上磷酸化，导致TSC离开溶酶体，并允许GTP180装载RHEB。据报道，TSC的定位也对氨基酸敏感，包括精氨酸，尽管其发生的机制尚不清楚。也有报道称Rag gtpase在氨基酸限制下将TSC招募到溶酶体中，可能是通过GATOR2或sestrin 2依赖机制。

研究人员正在利用这一知识开发新的但仍处于早期阶段的mTORC1选择性药物，这些药物基于mTORC1激活的分子和结构信息。其中最好的例子之一是NR1化合物，它结合mTORC1激活剂RHEB并阻止其变变激活mTORC1。

新发现的Rapaplogs对mTORC1的选择性比雷帕霉素更强。一家公司筛选了一个修饰Rapamylogs文库，发现了一种化合物DL001，它对mTORC1的选择性明显高于雷帕霉素。正如预期的那样，与同时使用雷帕霉素治疗的小鼠相比，使用DL001治疗的小鼠葡萄糖耐受不良、血脂异常和免疫紊乱程度降低。其他多家公司也在致力于将更多的mTORC1选择性Rapalog应用于临床。

结论

人们对使用mTOR抑制剂促进健康衰老和治疗、延缓或逆转许多与年龄相关的疾病的兴趣迅速增长。虽然在小鼠身上有令人难以置信的强有力的临床前证据表明，雷帕霉素可以延长寿命和健康寿命，但对雷帕霉素的兴奋程度超过了雷帕霉素对人类衰老疾病既安全又有效的严格证据。迄今为止进行的试验中有许多未解决的问题，但可以从进行的mTOR抑制剂临床试验中吸取一些教训。

如图所示，在人类和小鼠中，使用低剂量或间歇性剂量的雷帕霉素治疗或使用mTORC1选择性抑制剂DL001治疗小鼠，比目前批准用于器官移植和肿瘤适应症的高剂量mTOR抑制剂耐受性好得多，且代谢副作用和免疫抑制更少。此外，低剂量的mTOR抑制剂已被证明对衰老的人体器官系统，特别是免疫系统的功能有一些有益的影响。

要将mTOR抑制剂应用于临床治疗与年龄相关的疾病，还有很多工作要做，而且，许多悬而未决的问题仍然存在。虽然低剂量雷帕霉素在人体中的安全性似乎很有希望，但低剂量方案的长期安全性和有效性仍有待确定。需要更好地了解mTOR抑制剂的具体剂量和持续时间，以使疗效最大化和风险最小化。在人类中，更高剂量的mTOR抑制剂可抑制T细胞功能，因此用于抑制患者免疫介导的器官移植排斥反应。

此外，由于物种之间的生物利用度、半衰期、代谢、血浆蛋白结合和组织分布等因素的差异，延长寿命的动物给药方案不能直接转化为人类给药方案。在估计可能延长健康寿命或寿命的人体剂量时，需要考虑到这些因素。

还需要确定从安全mTOR抑制剂方案中获益最大的特定老龄化人口和特定老龄化相关疾病。未来研究的一个重要问题是发现为什么mTOR抑制剂具有性别特异性或性别偏倚的益处。还需要为衰老相关疾病(如虚弱和肌肉减少症)确定新的监管途径，并开发新的mTOR抑制剂，以提高目前批准的mTOR抑制剂的安全性和有效性。

在接下来的5年里，希望迅速扩大的人类临床试验清单以及在犬类和非人类灵长类动物中的工作结果，揭示mTOR抑制作为一种治疗衰老相关疾病的可行性。新的mTORC1特异性分子可能有助于扩大药物的治疗窗口，限制全部或部分由mTORC2抑制引起的不良副作用。总的来说，期望研究人员很快能够确定临床医生是否能够安全有效地将mTOR抑制剂带到老年人的床边。