【重磅综述】Nature | mTOR抑制剂如何干预衰老？

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翻译 by 刘定一，王子轩，蔡琳果，吴若晨，平佳乐，杨宽

近年来，越来越多的研究显示哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）信号通路与衰老密切相关，抑制mTOR可以延长模式动物的寿命。这些发现激起了科学家们对雷帕霉素临床应用的兴趣，而如何通过抑制mTOR延缓衰老也成为当下火热的研究方向之一。然而由于雷帕霉素的安全性尚不明确，能否找到更高效、安全的抑制mTOR的方法也尚未可知，人们对雷帕霉素的研究之路仍然“任重而道远”。2023年5月4日，美国威斯康星大学麦迪逊分校医学系的Dudley W. Lamming教授在Nature Aging上发表了题为“Targeting the biology of aging with mTOR inhibitors”的综述，该文整理了雷帕霉素对衰老调控的研究进展，并对抑制mTOR的药物能否安全有效地预防、延缓或治疗多种衰老相关疾病进行了讨论与展望。

摘要

雷帕霉素药物处理可以通过抑制mTOR改善多种模式动物的健康并延长寿命。目前，通过靶向抑制mTOR复合物1（mTORC1）来治疗衰老相关疾病已成为基础和转化研究科学家、临床医生和生物公司的目标。本文回顾了雷帕霉素对正常小鼠和疾病模型小鼠的寿命和生存情况的影响，并对现有的mTOR抑制剂是否能够安全地预防、缓解或治疗多种衰老相关疾病的临床研究进行讨论。最后，本文展望了在未来的十年中新的药物如何更安全和更具靶向性地抑制mTORC1，总结了mTOR抑制剂作为衰老相关疾病治疗标准之前，还需要做的工作和有待解决的问题。

正文

mTOR是一种进化上保守的丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶，存在于小鼠和人等不同物种中。mTOR参与形成两种蛋白质复合物（mTORC1和mTORC2），这两种复合物的蛋白组分有部分相同，但可以将不同的底物磷酸化。其中，mTORC1受多种营养物质和激素信号的调节，主要包括氨基酸、葡萄糖、氧气和胆固醇。当出现环境刺激时，mTORC1可以通过底物的磷酸化驱动多种合成代谢过程，包括核糖体蛋白S6激酶β1（Ribosomal protein S6 kinase β1，S6K1）和真核翻译起始因子4E结合蛋白（4E-binding proteins，4E-BPs），mTORC1也可以通过磷酸化Unc-51样自噬激活激酶（Unc-51-like autophagy-activating kinase，ULK1）等底物来抑制自噬。而mTORC2则通过调节包括激酶AKT、血清糖皮质激素调节激酶（Serum–glucocorticoid-regulated kinase，SGK）和蛋白激酶Cα（Protein kinase Cα，PKCα）在内的底物的活性，来参与调控磷酸肌醇3-激酶（Phosphoinositide 3-kinase，PI3K）信号通路。

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。科学家发现抑制酵母、线虫和果蝇中的mTORC1或mTORC1下游信号通路（包括S6K和翻译起始因子）可以延长寿命。研究人员还观察到相比于正常小鼠，mTORC1在长寿的艾姆斯（Ames）侏儒小鼠模型中水平更低。在其他小鼠模型研究中同样表明，mTORC1亚单位、S6K1（也称为Rps6kb1）或其他下游底物的缺失，抑或是在特定组织中表达突变的4E-BP1蛋白来破坏蛋白正常功能，都能延长小鼠的寿命和健康寿命。甚至在基因编辑的小鼠（例如，S6K1-/-、Mtor+/-、Mlst8+/-、Mtor△/△和Tsc1tg）中部分抑制mTORC1也可以延长小鼠的寿命及健康寿命。

这些结果激发了研究人员对mTORC1的小分子抑制剂—雷帕霉素的研究兴趣。大量研究表明，雷帕霉素不仅可以延长模式生物（包括酵母、线虫和果蝇）的寿命，还可以延长正常小鼠和多种疾病模型小鼠的寿命。本文将以这些研究结果为依据，讨论通过饮食和药物手段抑制mTORC1信号通路进而改善健康寿命的可能机制。

雷帕霉素具有多种副作用，例如诱发免疫抑制、高脂血症和高血糖症，因此研究人员十分关注雷帕霉素的安全性，这也减慢了雷帕霉素临床应用的研究进程。本文将参考近10年的研究成果进行讨论，大量证据表明雷帕霉素通过抑制mTORC1延长寿命及健康寿命，而雷帕霉素对葡萄糖和脂质代谢的副作用是由抑制mTORC2导致的。

值得注意的是，许多研究结果表明通过限制mTOR抑制剂的用量和作用时间，有望更有选择性地靶向抑制mTORC1，这种干预措施比长期给药的副作用更少。本文讨论了临床前的动物数据和临床试验数据，探索间歇性和低剂量给予mTOR抑制剂的治疗方案，其结果表明雷帕霉素类似物（Rapalogs）和其他mTOR抑制剂也许能更安全地延缓衰老。最后，本文参考最近对mTORC1感知营养物质和激素信号的分子机制的最新发现，展望了mTORC1靶向抑制分子的未来研究方向。

mTOR抑制剂雷帕霉素延长小鼠寿命

雷帕霉素是一种大环内酯类药物，大约50年前在复活节岛的土壤中首次被发现。雷帕霉素对mTORC1的抑制作用相较mTORC2更为灵敏。对雷帕霉素敏感性差异的原因是两复合物结构不同；mTOR相互作用蛋白RICTOR存在于mTORC2中，但不存在于mTORC1中，它掩盖了mTOR的雷帕霉素互作结构域。尽管雷帕霉素不能迅速抑制mTORC2，但随后的研究表明，当长时间暴露于高浓度的雷帕霉素时，mTORC2也会受到抑制，最可能的原因是雷帕霉素螯合了游离的mTOR，使其无法与mTORC2结合。雷帕霉素及其类似物可以抑制T细胞活化，并被批准用于预防器官移植排斥。此外，雷帕霉素类似物也可以抑制肿瘤细胞生长，被批准用于治疗部分肿瘤。最后，雷帕霉素类似物被批准用于治疗mTOR信号过度活跃的特定遗传疾病。

雷帕霉素是一种大环内酯类药物，大约50年前在复活节岛的土壤中首次被发现。雷帕霉素对mTORC1的抑制作用相较mTORC2更为灵敏。导致雷帕霉素敏感性差异的原因是两种复合物结构不同：mTOR互作蛋白RICTOR存在于mTORC2中，它掩盖了mTOR的雷帕霉素互作结构域，而mTORC1中则没有RICTOR。尽管雷帕霉素不能快速抑制mTORC2，但后来的研究表明，当长时间暴露于高浓度的雷帕霉素时，mTORC2也会受到抑制，最可能的原因是雷帕霉素螯合了游离的mTOR，使其无法与mTORC2结合。雷帕霉素在临床上具有多种作用，比如，雷帕霉素及其类似物可以抑制T细胞活化，并被批准用于预防器官移植排斥。此外，雷帕霉素类似物也可以抑制肿瘤细胞生长，被批准用于治疗部分肿瘤。最后，雷帕霉素类似物还被批准用于治疗mTOR信号过度活跃的特定遗传疾病。

多个团队研究了雷帕霉素对小鼠寿命的影响，首先是美国国家老龄化研究所的干预试验计划（NIAITP）在2009发表的具有里程碑意义的研究，该研究证明雷帕霉素可以延长遗传异质性小鼠的寿命。自此以后，除NIAITP外，全球至少有十个团队对雷帕霉素干预小鼠寿命进行研究（表1）。从这些研究中可见雷帕霉素是一种非常强大的衰老干预手段，可以延长多种正常小鼠的寿命，包括近交、远交和遗传异质性的雄性和雌性小鼠。不管是在单独给药或组合给药组中，都能观察到寿命延长的结果，并且在相同剂量的雷帕霉素影响下，雌性通常比雄性受益更多。值得注意的是，与热量限制（另一种长寿干预措施，在生命后期开始处理效果较差）不同，雷帕霉素在小鼠20月龄（相当于大约60岁的人）时才开始给药，也可以显著延长寿命。可见雷帕霉素的给药方案非常灵活，甚至间断给药、在出生后短时间内立刻给药、或对中年的小鼠给药，也能观察到雷帕霉素发挥延缓衰老的作用。最后，雷帕霉素与其它衰老保护剂如二甲双胍或阿卡波糖联合用药可能效果更好。

研究人员对雷帕霉素在多种疾病模型中的作用进行了测试，包括多种癌症、线粒体疾病和早衰症。结果显示，与正常小鼠相比，雷帕霉素对疾病小鼠模型的有益效果更加多样。雷帕霉素在mTOR通路相关疾病的小鼠模型中表现出明显的治疗作用，这类疾病由mTOR基因激活引起，包括结节性硬化症（Tuberous sclerosis complex，TSC）和多种癫痫。除此之外，雷帕霉素也可以显著提升癌症小鼠模型的存活率。最后，雷帕霉素有效延长了几种早衰症小鼠模型的寿命，这表明早衰症小鼠模型虽然不是完美的衰老模型，但可能具有快速评估延缓衰老药物的潜在作用。

迄今为止，关于雷帕霉素和衰老的大部分研究都是在小鼠模型进行的，但也有研究在灵长类动物中进行。其中一项研究就是在共计66只中年狨猴（Callithrix jacchus）的饮食中添加雷帕霉素，后续跟踪研究这些动物的健康状况和寿命。这项研究还在进行中，并对雌雄两性进行区分研究。但这项研究仍有不足之处，比如实验动物数量相对较少（每个性别的处理组少于20只）以及年龄范围和种群的遗传异质性。最初的研究表明，通过饮食给予约1 mg/kg的雷帕霉素具有良好的耐受性，雷帕霉素对血液参数仅有轻微影响，血糖、胆固醇或甘油三酯水平无统计学差异。在雷帕霉素给药9个月的6只动物中，2只给药组动物空腹血糖增加，2只给药组动物甘油三酯增加，这些结果表明在该剂量水平下TORC2可能受到抑制。人们对雷帕霉素在灵长类动物中的作用仍然不够了解，对雷帕霉素如何影响狨猴体内代谢，还需要在更长时间内对更多动物进行研究，以此来验证猜想。

除啮齿类动物外，也有研究人员研究雷帕霉素对狗衰老的影响。作为伴侣动物，狗共享人类环境，接受与人类相似的定期医疗护理，并与人类一样患有多种衰老相关疾病。已经有许多狗主人表示愿意用他们的狗助力科研，以帮助健康衰老的相关研究。一项小型研究发现，每周三次的0.05 mg/kg或0.1 mg/kg雷帕霉素给药不会引起明显的副作用，但心脏功能（收缩功能和舒张功能）将得到一定改善。一项更大的研究将在2023年完成招募，在该研究中，中年大型犬将接受为期一年的雷帕霉素治疗。

表1 雷帕霉素对野生型小鼠寿命的影响

本表显示了自2009年以来确定了寿命或死亡率的小鼠研究中雷帕霉素对中位寿命的影响。当存在性别特异性数据时，雄性和雌性的是分开列出的。饮食给药中列出的雷帕霉素剂量表示自主进食时的药物浓度；列出的水中给药或腹腔（i.p.）或皮下（s.c.）给药的剂量是指以mg/kg为单位的剂量。对照表示对照组的中位寿命，以天为单位；△寿命是中位寿命的百分比变化（*表示报告的是平均值）。MF表示寿命结果没有按性别分列，或者没有报告性别。当无法从作者处获得精确信息或参考研究中未列出精确信息时，通过估计来判断对照组的寿命和百分比变化。

雷帕霉素影响健康寿命和寿命的机制

雷帕霉素的衰老保护效应有多种可能的机制。在本节中，作者将讨论抑制mTORC1对特定疾病的影响，以及雷帕霉素对寿命和健康寿命产生有益作用的潜在分子机制。

蛋白质翻译

mTORC1通过S6K1和4E-BPs在调节翻译过程中起到重要作用，错误翻译长期以来一直被认为能促进衰老。衰老的错误灾难理论（Error catastrophe theory）认为，蛋白质翻译错误可能导致蛋白质合成越来越不准确，进而使得蛋白功能减弱。从概念上讲，用雷帕霉素处理来减缓蛋白质翻译速度可能会使mRNA以更高的保真度翻译成蛋白质，或使蛋白质更精确地折叠。与这种猜想相一致，在模式生物中的实验表明，编码核糖体亚基、S6K1或翻译起始因子的基因的缺失或敲低可以延长寿命。

然而，现代测量技术并没有证据表明蛋白质翻译错误随着年龄的增长而增加。此外，无论是雷帕霉素的mTOR抑制还是S6K1的缺失都没有显著减少小鼠或细胞中的蛋白质翻译。而且在秀丽隐杆线虫中的研究表明，缺乏真核翻译起始因子4E（Eukaryotic translation-initiation factor 4E，eIF4E）可以延长寿命、减少蛋白质合成，敲低编码TOR的基因可以进一步延长寿命。这些结果表明，雷帕霉素不仅仅通过下调蛋白质翻译来影响寿命。

雷帕霉素不但会改变特定种类mRNA翻译，而且雷帕霉素和其他完全抑制mTOR的方式都优先抑制具有5’末端寡嘧啶基序的mRNA翻译，这表明这些基因具有潜在延长寿命的功能。在酵母中，编码核糖体亚基基因的缺失可以延长寿命，这依赖于编码转录因子一般调控阻遏蛋白激酶4（Gcn4）的mRNA翻译。Gcn4蛋白的表达受到多个上游开放阅读框的限制，这些阅读框通常会隔离与mRNA结合的核糖体。在核糖体亚基丰度较大的条件下，通常绕过上游开放阅读框，以启动GCN4的翻译。尚不清楚该系统在哺乳动物中是否保守，因为在哺乳动物中，抑制mTORC1会降低哺乳动物Gcn4同源物ATF4的翻译。相反，ATF4可能作为mTORC1的制动器以响应线粒体损伤，ATF4通过上调sestrin 2和REDD1来抑制mTORC1活性。尽管存在这些差异，但特定种类mRNA的翻译变化可能反映了雷帕霉素对健康和延长寿命的有益影响。

这方面一个可能的例子是，在骨骼肌中过表达激活（去磷酸化）的4E-BP1的小鼠会免受增龄和饮食引起的胰岛素敏感性和代谢率下降的影响。这些效应可能是通过增加骨骼肌成纤维细胞生长因子21（FGF21）的产生，以非细胞自主方式激活棕色脂肪组织而产生的。有趣的是，4E-BP1的全身过表达对小鼠健康也有积极作用，可以避免雄性小鼠出现饮食引起的肥胖。在这种情况下由于肝脏Fgf21表达上调，这些小鼠的FGF21水平也升高。值得注意的是，Fgf21的表达部分受ATF4调控。最近发现的mTORC1和S6K1的下游效应因子是谷氨酰-脯氨酰tRNA合成酶（EPRS），其可以被S6K1磷酸化。当被磷酸化后，EPRS通过形成干扰素γ（Interferon γ，IFNγ）-激活的翻译抑制剂（Activated inhibitor of translation，GAIT）复合物来抑制特定种类mRNA的翻译，该复合物选择性地抑制含有GAIT成分的mRNA。表达不能被磷酸化的EPRSS99A的小鼠与缺乏S6K1的小鼠相似，它们的体重和脂肪含量减少，寿命延长。类似地，其他氨酰基-tRNA合成酶可能在对雷帕霉素的应答中起非经典功能。

自噬

自噬是细胞回收再利用其蛋白质和细胞器的过程，不仅使细胞在营养有限的条件下存活，而且是去除受损蛋白质和亚细胞器的核心机制。单从这一描述来看，自噬似乎非常重要，对酵母、线虫和果蝇的研究表明，抑制自噬会缩短寿命，而促进自噬则延长了寿命。重要的是，自噬也被证明是酵母和线虫中通过抑制mTOR信号来延长寿命所必需的。在哺乳动物中，自噬水平在热量限制小鼠和长寿Snell侏儒小鼠的细胞中上调，并且是热量限制对心脏、肾脏和肝脏产生有益影响所必需的。

当营养丰富时，mTORC1通过磷酸化ULK1和自噬相关蛋白13（Autophagy-related protein 13，ATG13）以及自噬起始下游的其他组分，对自噬起抑制作用。相反，当营养水平较低时，由于AMP依赖的蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）激活和mTORC1活性降低，自噬被激活。在多种类型的小鼠细胞中，自噬通常会随年龄增长而受损，而在衰老小鼠肝脏中自噬的遗传激活会使肝脏再生并改善功能。尽管与mTOR抑制剂相比，雷帕霉素本身不是自噬的强诱导剂，但雷帕霉素对阿尔茨海默症小鼠模型的影响部分归因于自噬的增强。

免疫功能增强

免疫系统的过早衰老已被证明会驱动小鼠多种器官系统衰老。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益。mTOR抑制已被证明具有改善小鼠和人类免疫系统衰老的作用。具体而言，6周的雷帕霉素短期疗程已被证实可恢复造血干细胞（Hematopoietic stem cell，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。值得关注的是，对衰老（26月龄）的小鼠仅给予了6周的雷帕霉素，小鼠的寿命就得到延长。在老年人中，6周的mTOR抑制剂治疗（单独使用雷帕霉素类似物或与其他mTOR抑制剂联合使用）也改善了对流感疫苗接种的免疫反应，并且与外周血中衰竭的PD-1+ T细胞百分比降低相关。此外，mTOR抑制剂已被证明可改善老年人的抗病毒免疫功能。这些临床研究将在下文中更详细地讨论。

然而，值得注意的是，雷帕霉素作为已获FDA批准的免疫抑制剂，却会容易引发感染，特别是在长期服用高剂量雷帕霉素的人中常见。在小鼠中，雷帕霉素已被证明具有免疫调节作用，可改善CD8+ T细胞免疫记忆功能，同时削弱对急性病毒和细菌感染的防御能力。但最近的一项荟萃分析表明，接受雷帕霉素治疗的小鼠在受到急性致病性感染后的存活率提高。因此，雷帕霉素会改善免疫功能的某些方面，同时损害其他方面，这需要权衡利弊。

表2 雷帕霉素对小鼠疾病模型的影响

本表显示了自2009年以来确定了寿命或死亡率的小鼠研究中雷帕霉素对中位寿命的影响。当存在性别差异数据时，雄性和雌性分开列出。饮食给药列出的雷帕霉素剂量表示自主饮食中的药物浓度；列出的水溶液给药或腹腔（i.p.）或皮下（s.c.）给药的剂量是指以mg/kg为单位的。对照表示对照组的中位寿命，以天为单位；△寿命是中位寿命的百分比变化（*表示报告的是平均值）。MF表示寿命结果没有按性别分列，或者没有报告性别。ALL，急性淋巴细胞白血病异种移植模型；BM，骨髓衰竭模型；DSS，用葡聚糖硫酸钠处理小鼠诱导结肠癌；E，胚胎期；ICR，癌症研究所；HFD，高脂肪饮食；i.v.，静脉注射；LM8，小鼠皮下同种异体移植肿瘤模型；MEF，小鼠胚胎成纤维细胞；NS，无统计学意义；Prp，朊病毒蛋白。Vil-Cre指在Vil1启动子控制下的Cre表达；K14-Cre指在KRT14启动子控制下的Cre表达；LSL-KrasG12d指的是Kras突变等位基因的表达被Lox-Stop-Lox阻断；SM22-Cre指Sm22a（也称为Tagln）启动子控制下的Cre；mgR是Fbn1的一个异形等位基因。当无法从作者处获得精确信息或参考研究中未列出精确信息时，对照寿命和百分比变化需要估算。a未确定寿命研究增加的百分比。b雷帕霉素治疗的小鼠100%存活到2岁，而对照组小鼠只有40%。c研究没有持续足够长的时间来确定平均寿命。d肿瘤诱导、肿瘤植入或淋巴结细胞输注（LN）后的存活率。e91%的雷帕霉素治疗小鼠存活至6月龄，而对照组小鼠为0%。f雷帕霉素治疗的小鼠100%存活到18个月大，而对照组小鼠为0%。g与100%死亡率的未治疗小鼠相比，治疗组在8周龄时没有死亡。

癌症

癌症是实验室小鼠最常见的死亡原因，雷帕霉素及雷帕霉素类似物能够抑制癌细胞系的增殖。目前，雷帕霉素已被批准用于治疗某些肿瘤适应症，如表2所示，雷帕霉素在延长癌症小鼠模型的寿命方面非常有效。Neff及其同事的一项研究发现，雷帕霉素可显著降低16月龄小鼠患癌和癌前病变的比例，并且雷帕霉素对寿命的影响是由其抗癌作用驱动的。虽然在25月龄处死的动物中未观察到雷帕霉素对癌症和癌前病变的影响，但这些结果未在自然死亡的小鼠中进行评估。相比之下，NIAITP的研究表明，接受雷帕霉素治疗的小鼠与对照组相比，死亡时癌症总体患病率以及观察到的癌症谱系非常相似。雷帕霉素对小鼠癌症有一定的预防作用，而癌症本身是一种与衰老相关的疾病，因此预防癌症也是衰老保护疗法的预期结果。

癌细胞常表达多能性标志物，而雷帕霉素可降低细胞大小和减缓增殖速率，并增强小鼠和人胚胎干细胞的分化能力。雷帕霉素对肿瘤干细胞也有调节作用，并且已被证明可以消除白血病起始细胞并且抑制婴儿血管瘤干细胞的自我更新和分化。雷帕霉素可以抑制肺癌干细胞和结直肠癌干细胞的增殖、上皮-间质转化和肿瘤干细胞特性。

干细胞

与其对肿瘤干细胞的作用不同的是，雷帕霉素已被证明对正常干细胞的自我更新和功能有益，这可能有助于雷帕霉素改善组织功能。老年小鼠的HSC中mTORC1活性升高，并且在mTORC1活性过高的小鼠模型中观察到类似的功能缺陷。用雷帕霉素治疗老年小鼠可以恢复HSC的功能，并增强对流感病毒的免疫应答能力。在另一项研究中，雷帕霉素可恢复小鼠自发性高氧化应激和功能降低的HSC亚群的自我更新能力。雷帕霉素还通过抑制相邻潘氏细胞中的mTORC1介导的非细胞自主机制来增加小鼠肠道干细胞的自我更新能力。

抑制衰老组织中过度活跃的mTOR

mTOR抑制剂可能对老年生物健康有益的一个原因是，随着年龄的增长，mTOR活性可能会变得异常高。老年小鼠、大鼠和人类肌肉中较高的mTORC1–S6K活性与肌少症相关，而且在大脑中，这也与阿尔茨海默症有关。在小鼠的其他组织中还发现了mTORC1信号随年龄改变，大多数研究证明mTORC1活性随年龄增加。雷帕霉素延长寿命的能力与mTOR活性是拮抗多效性的一个例子，高水平的mTOR信号对早期的发育和生殖有益，但在生殖后的老年期有害。在这种模式下，抑制mTOR的益处可能较少来自于对翻译过程的益处，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。实际上，雷帕霉素已显示出抑制小鼠中衰老细胞的积累以及抑制衰老相关分泌表型的作用。

mTORC2抑制

与mTORC1形成鲜明对比的是，抑制mTORC2主要对寿命产生负面影响。在线虫中，mTORC2抑制常与寿命缩短有关，而在果蝇中，通过过表达rictor增加mTORC2活性可延长寿命。在C57BL/6J小鼠中，全身缺乏mTORC2信号和脑、肝或脂肪组织中特异性抑制mTORC2都会缩短小鼠寿命。相反，阿卡波糖和17α雌二醇延长了雄性小鼠的寿命，并且这些化合物可以增加肝mTORC2活性。mTORC2活性在长寿Snell侏儒小鼠和Ghr-/-小鼠中也升高。

抑制mTORC2也会对代谢和免疫产生负面影响。mTORC2在小鼠的一个或多个组织中的遗传抑制可导致虚弱、摄食过多、胰岛素抵抗、高脂血症、高胆固醇血症、高血糖症、驼背和肥胖，这源于mTORC2在相应组织中被抑制。在小鼠中使用mTORC1特异性抑制剂对mTORC1的特异性抑制未导致高血糖症、葡萄糖耐量异常、高脂血症或高胆固醇血症，再次证明这些负面影响至少部分是由抑制mTORC2介导的。最后，许多研究显示mTORC2在免疫和伤口修复中具有关键作用。此外，根据mTORC2的这一重要作用，与雷帕霉素相比，选择性抑制mTORC1的化合物对免疫系统的影响降低。因此，较低或间歇性的给予雷帕霉素或者更特异性地靶向抑制mTORC1的治疗策略将减少mTORC2相关的副作用，如高脂血症和高血糖症，而不损害抑制mTORC1的延长寿命作用。

但这并不是说在特定情况下抑制mTORC2没有好处。在一定的温度和饮食条件下，抑制mTORC2信号可延长秀丽隐杆线虫的寿命、具有抗肿瘤作用、对线粒体相关疾病的小鼠模型有益，并且已被证明可以延缓人类细胞的衰老。某些副作用（无论由mTORC1或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此类药物对健康衰老的益处。然而，考虑到研究结果，特别是研究表明mTORC2活性与寿命相关且仅抑制mTORC1就能延长寿命的遗传研究，作者认为就雷帕霉素及其类似物对健康寿命和寿命的有益影响而言，抑制mTORC2是“脱靶”。

mTOR抑制剂治疗衰老相关疾病的临床试验

鉴于大量临床前数据证实抑制mTOR可延长寿命，因此人们对探究mTOR抑制剂是否对人类衰老有益产生了浓厚兴趣。如图1所示，基于小鼠研究，雷帕霉素和雷帕霉素类似物可能对多种组织系统有益，包括脑、心脏、免疫系统、肠、肝、皮肤、骨骼肌和肌腱。雷帕霉素类似物被批准以高剂量用于接受移植和患有癌症的患者，但强烈抑制mTORC1活性也会引起严重副作用，包括口腔溃疡、胃肠道副作用、高脂血症和高血糖症以及伤口愈合受损。批准剂量的雷帕霉素类似物也会抑制免疫功能，因此FDA批准的处方信息指出，服用雷帕霉素类似物可能会增加感染以及患上与免疫抑制相关癌症的风险。由于小鼠通常被关在特定的无菌设施中，所以临床前小鼠试验可能无法充分模拟与较高剂量雷帕霉素类似物相关的人类传染病风险。

图1 雷帕霉素延长健康寿命的潜在靶点。根据对啮齿类动物和人的研究，雷帕霉素和雷帕霉素类似物可能对改善或减缓与脑、心脏、肝脏、骨骼肌、肌腱、免疫系统、皮肤和肠道相关的衰老相关疾病具有潜在的益处。Me，甲基。

用高剂量雷帕霉素类似物进行长期治疗会产生与代谢相关的有害后果，包括高脂血症、高胆固醇血症、高甘油三酯血症、胰岛素抵抗和葡萄糖不耐受。尽管小鼠比人类更不容易发生高脂血症诱导的心血管疾病，但是在接受雷帕霉素或雷帕霉素类似物治疗的啮齿类动物中也观察到了高脂血症和高血糖症。Trelinska和他的同事在服用高剂量everolimus 15个月的结节性硬化症患者中发现66%的患者出现高血脂症，22%的患者出现高血糖症。在延长小鼠寿命的剂量下，雷帕霉素的另一个副作用是睾丸退化，并且在用雷帕霉素治疗的人类中已经观察到男性生育力降低。最后，延长小鼠寿命剂量的雷帕霉素也可以促进白内障的形成，但在人类研究中白内障尚未与雷帕霉素治疗相关。

最近的研究证明了在老年人中mTOR抑制剂的低剂量或间歇给药方案的安全性和有效性。这些研究初步表明，将mTOR活性降低至“更年轻”水平而不是关闭mTOR活性的较低剂量或间歇给药方案，有可能更安全的改善人类衰老器官的功能或控制衰老相关疾病。值得关注的是，迄今为止的临床试验表明，低剂量或间歇给予mTOR抑制剂均可增强而非抑制老年人的免疫功能，降低感染风险。表3总结了以往发表的mTOR抑制剂治疗衰老相关疾病的临床试验信息。

表3 已完成的mTOR抑制剂治疗衰老相关疾病的临床试验

关于已完成的临床试验的信息是从科学文献综述中汇编的。

mTOR抑制和免疫系统

迄今为止最大的临床试验已经研究了抑制mTOR是否可以改善衰老免疫系统的功能。第一项临床试验是在218名年龄≥65岁且无不稳定医疗状况的成年人中进行，旨在确定雷帕霉素类似物依维莫司是否能改善衰老免疫系统的功能，该功能通过对流感疫苗接种的反应来评估。该试验的理论依据是一项临床前研究，该研究表明雷帕霉素治疗6周可改善老年小鼠对流感疫苗接种的免疫反应。

在设计这项试验时，安全性是一个关键问题。因此，在疫苗接种试验中使用了非常低的每日剂量或间歇给药依维莫司（比批准用于移植和肿瘤患者的剂量低1/6-1/20）来降低而不是完全抑制mTORC1活性，预计可将不良反应降至最低。临床试验表明，每日一次0.5 mg或每周一次5 mg的依维莫司治疗6周后耐受性良好，并显著改善老年人对流感疫苗接种的反应。免疫表型分析显示，低剂量或间歇给药的依维莫司可降低老年人外周血中耗竭的PD-1+ T细胞的百分比，这可能是他们免疫功能改善的一种机制。这是第一项证明抑制mTOR可能改善人类衰老器官系统功能的研究。

随后的一项临床试验对264名年龄≥65岁的成年人进行进一步研究。确定使用依维莫司和/或mTOR催化位点抑制剂BEZ235，进行低剂量mTOR抑制治疗是否足以改善衰老免疫系统的功能，结果发现该研究不仅仅是改善流感疫苗接种反应，并且降低老年人的总感染率。该研究证实，使用低剂量mTOR抑制剂治疗6周是安全的，并且与流感疫苗接种反应的显著改善呈剂量依赖性。此外，低剂量mTOR抑制剂治疗还能显著降低感染率，其中大部分是呼吸道感染（Respiratory tract infectionRTI）。转录组分析发现，接受低剂量mTOR抑制剂治疗的老年人在1型干扰素诱导的抗病毒通路显著上调。由于大多数RTI源于病毒，这种抗病毒基因表达的上调可能是老年人接受mTOR抑制剂治疗后RTI减少的基础。

为确定16周的低剂量mTOR抑制剂治疗是否能提高老年人的抗病毒免疫能力并降低病毒性RTI发生，研究者进行大型随访2b期（n = 652）和3期（n = 1051）试验。研究者观察到受试者对低剂量mTOR抑制剂BEZ235耐受性良好，可降低实验室确诊的RTI发生率（2b期主要终点；优势比，0.601（90%置信区间CI: 0.39，0.92）；P值，0.025），但有临床症状的呼吸道疾病的发生率却没有降低，其定义为与RTI一致的症状，无论感染是否经实验室确认（3期主要终点；优势比，1.07（90%置信区间:0.80，1.42）；P值为0.65）。在这两项试验中，接受BEZ235治疗的患者体内干扰素诱导的抗病毒基因上调明显高于安慰剂治疗的患者。从2b期和3期联合试验结果中得出的结果表明，低剂量mTOR抑制剂疗法上调抗病毒免疫能力可能对以下方面产生更大的影响:（1）病毒性RTI的严重程度；（2）由冠状病毒、鼻病毒和流感病毒而非其他呼吸道病毒引起的RTI；以及（3）年龄≥75岁而非65-74岁的老年人病毒性RTI的发病率和严重程度。基于这些发现，在未来的临床试验中确定mTOR抑制剂是否能降低≥75岁人群中特定病毒性RTI的严重程度将至关重要。

雷帕霉素在老年人中的作用

一项为期8周的小型随机临床试验显示，与上述试验中对依维莫司或BEZ235耐受良好的参与者相反，25名70~95岁的老年人在接受雷帕霉素每天1 mg的治疗后出现了比接受安慰剂治疗的老年人更多的副作用，包括糖化血红蛋白（Glycated hemoglobin，A1C）的小幅增加（组内P = 0.03）和甘油三酯水平升高40%（组内P = 0.05）。虽然这些结果与长期雷帕霉素治疗可能导致高血糖和高血脂症的预期一致，但需要注意的是，小组研究规模小，组间比较未能达到统计学意义（A1C和甘油三酯变化分别为P = 0.07和0.12）。此外，葡萄糖代谢的其他参数，包括胰岛素敏感性和胰腺β细胞功能不受影响。较低剂量的雷帕霉素、间歇性雷帕霉素治疗或依维莫司治疗可能比上述每日1 mg剂量的雷帕霉素耐受性更好，但尚未进行直接试验。

雷帕霉素在皮肤中的作用

与全身用药相比，雷帕霉素局部用药的安全风险较小，全身暴露量可忽略不计。在一项随机安慰剂对照研究中，36名年龄≥40岁、有皮肤老化迹象的参与者在一只手上局部涂抹含有雷帕霉素（10 μM）的乳霜，在另一只手上涂抹相应的安慰剂乳霜，持续8个月。共有17名参与者完成了研究，13名参与者进行了皮肤活检，其中8名参与者有足够的活检材料来分析p16表达水平。与安慰剂治疗的参与者相比，根据p16表达水平进行评估，在雷帕霉素治疗的参与者中观察到衰老细胞的显著减少，胶原蛋白VII表达增加，临床和组织学评估显示皮肤外观改善。接受治疗的参与者血液中未检测到雷帕霉素水平，也没有出现与治疗相关的不良反应。

即将进行的临床试验

在过去两年中，美国、英国和新西兰已经提出了许多以干预衰老为重点的小型临床试验，其中许多已获得资助和/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岁以上的参与者中进行低剂量或间歇性给药的雷帕霉素或依维莫司试验，剂量范围为每天0.5-1 mg至每周5-6 mg。这些研究正在测试一系列衰老相疾病，包括阿尔茨海默症、糖尿病和肌少症；主要结果包括疾病特异性结果，如对认知能力、胰岛素敏感性变化和体能变化的影响。大多数计划研究的次要结果包括衰老生物标志物，如DNA甲基化时钟分析；大多数研究还评估了与安全性相关的终点，包括感染和代谢紊乱。这些研究计划的一个缺点是，即使规模最大的研究也最多只有150名参与者，而计划中最长的研究是18个月。因此，尽管这些研究对于收集这些抑制剂用于延缓衰老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，并开展有充分证据支持的双盲安慰剂对照随机临床试验。

抑制mTORC1的新方法

鉴于雷帕霉素和雷帕霉素类似物的缺点（最明显的是副作用和狭窄的潜在治疗窗口），人们对选择性抑制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前景。由于mTORC1活性受氨基酸调控，而mTORC2活性不受氨基酸调控，因此，减少常见的刺激mTORC1活性的膳食蛋白或特定膳食氨基酸的含量已被视为是促进健康衰老的一种方法。一些研究表明，限制蛋白质或特定限制蛋氨酸或一种或多种支链氨基酸（亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸）可降低mTORC1活性并延长模式动物的寿命。血液中低含量的异亮氨酸也与人类死亡率降低有关。其他可能降低mTORC1的饮食包括生酮饮食，也被证明在降低mTORC1活性的同时延长小鼠的寿命。

当然，任何饮食干预都会有依从性问题，而药物干预可以推广到更广泛的人群中。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。学者们也发现了调节mTORC1活性复合物的高分辨率结构，包括TSC复合物、与mTORC1和Ragulator形成复合物的Rag GTPases、以及与亮氨酸结合的sestrin 2。如下文所讨论的，这促进了选择性靶向mTORC1的潜在新方法和新分子的开发。

mTORC1只有在与Ras家族的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配对来激活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。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。十多年来，人们一直在研究如何将mTORC1招募到溶酶体表面，作者在图2中概述了主要的调节机制。简而言之，mTORC1通过与小GTPases的Rag家族的异二聚体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（例如RagAGTP-RagCGDP），从而使Rag蛋白与mTORC1相互作用并将其定位到溶酶体。Rag GTPases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 GTPases的鸟嘌呤核苷酸交换因子（Guanine nucleotide exchange factor，GEF）或Rag GTPase激活蛋白（GTPase-activating protein，GAP）活性。

GATOR复合物的活性是调控Rag GTPases核苷酸结合状态的最佳系统之一。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产物水平的调节，从而将mTORC1活性与营养可利用性联系起来。研究发现三种不同的氨基酸传感器通过控制GATOR1或GATOR2活性来调节mTORC1。sestrin和CASTOR蛋白家族分别将亮氨酸和精氨酸的可用性与mTORC1招募到溶酶体表面联系起来。具体来说，当亮氨酸水平较低时，sestrin家族蛋白结合并抑制GATOR2的活性，从而使GATOR1抑制mTORC1招募到溶酶体。而当sestrin（特别是sestrin 2）与亮氨酸结合，解除对GATOR2的抑制，导致GATOR1的GAP活性受到抑制，从而使mTORC1被招募到溶酶体。

CASTOR蛋白的功能类似；当精氨酸水平较低时，CASTOR蛋白结合并抑制GATOR2。当精氨酸水平高时，CASTOR蛋白结合精氨酸并释放GATOR2，从而使mTORC1被招募到溶酶体。SAMTOR蛋白作为蛋氨酸水平的间接传感器，在蛋氨酸代谢物S-腺苷蛋氨酸（Adenosylmethionine，SAM）水平较低时抑制GATOR1。由于SAM对蛋氨酸水平非常敏感，SAMTOR本质上起着蛋氨酸水平传感器的作用。最近的研究表明，胆固醇通过G蛋白偶联受体LYCHOS发出信号，该受体通过在胆固醇存在的情况下隔离GATOR1，将胆固醇水平与mTORC1活性联系起来。最后，虽然mTORC1不能直接感应葡萄糖，但糖酵解的中间产物二羟丙酮磷酸（Dihydroxyacetone phosphate，DHAP）可以通过GATOR依赖的机制调控mTORC1。

RagC和RagD的调控尚不清楚，但卵泡蛋白（Folliculi，FLCN）复合物已被证明为这些GTPases提供GAP。亮氨酸-tRNA合成酶（Leucyl-tRNA synthetase，LRS）已被证明是mTORC1的亮氨酸传感器，可以作为RagD的GAP。线粒体苏酰-tRNA合成酶TARS2作为苏氨酸传感器，与GTP-RagC相互作用，促进RagA的GTP装载，这可能是通过招募一个未知的RagA GEF实现。

在溶酶体表面，mTORC1的活性取决于mTOR蛋白激酶与RHEB-GTP的相互作用。冷冻电镜结果显示，RHEB-GTP以变构方式与mTOR结合，导致整体构象改变，活性位点残基重新排列，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，多种因素控制着TSC的溶酶体定位，其中最值得注意的是胰岛素-PI3K-AKT信号通路，其作用是在多个位点磷酸化TSC，导致TSC离开溶酶体，并允许GTP装载RHEB。据报道，TSC的定位也对氨基酸（包括精氨酸）敏感，但其发生机制尚不清楚。也有报道称，在氨基酸限制下，Rag GTPases可能通过GATOR2或sestrin 2依赖的机制将TSC招募到溶酶体中。

研究人员基于mTORC1调控的分子和结构信息，开发新的但仍处于早期阶段的选择性靶向药物（图2）。其中最好的例子之一是NR1化合物，它结合mTORC1激活剂RHEB并阻止其变构激活mTORC1。LRS被认为是mTORC1的亮氨酸传感器，可以作为RagD的GAP。最近发现的一些化合物，如（S）-4-异丁基氧杂唑烷-2-1和BC-LI-0186，通过干扰LRS的活性来抑制mTORC1。BC-LI-0186在小鼠体内抑制mTORC1活性，减缓非小细胞肺癌模型中的肿瘤生长。如图2所示，干扰氨基酸传感器或胆固醇传感器的小分子也可能被开发为mTORC1选择性抑制剂。

新发现的雷帕霉素类似物对mTORC1的选择性比雷帕霉素更强。一家公司筛选了一个修饰过的雷帕霉素类似物文库，发现了一种化合物DL001，它对mTORC1的选择性明显高于雷帕霉素。与雷帕霉素治疗的小鼠相比，使用DL001治疗的小鼠糖耐量降低程度、血脂异常和免疫紊乱程度均降低。其他多家公司也在致力于将更多的mTORC1选择性雷帕霉素类似物应用于临床。据报道，其中一种化合物NV-20494的临床前试验在多囊肾病的小鼠模型和体外人三维细胞培养中显示出疗效。最后，Rapalink-1是一种将mTOR抑制剂与雷帕霉素配对并以低剂量递送的化合物，实验表明有选择性抑制mTORC1激酶活性的能力。这种方法治疗衰老相关疾病的一个潜在问题是，这些抑制剂比雷帕霉素产生更广泛的mTORC1抑制作用，并且mTOR抑制剂能否在临床前研究中重现雷帕霉素的对寿命的益处仍有待确定。

图2：概述mTORC1信号通路，并强调潜在的药物抑制靶点。负向调节因子（CASTOR1, GATOR1, SAMTOR, sestrin 2, TSC）和正向调节因子（FLCN-FNIP2, GATOR2, KICKSTOR, LRS, Rag GTPases, Regulator, RHEB, SLC38A9，液泡型ATPase（V-ATPase））。开发mTORC1特异性抑制剂的潜在机制包括：鉴定阻断mTORC1上游感知亮氨酸、精氨酸或SAM的氨基酸传感器的小分子（a-d）；开发抑制 FLCN–FNIP2、LRS、Ragulator或TARS2的具有GAP或GEF活性的化合物，例如BC-LI-0186（e-g）；抑制mTORC1与RHEB的相互作用，如NR1（h）；阻断LYCHOS和SLC38A9感知胆固醇的小分子（i）；特异性抑制 mTORC1的雷帕霉素类似物，例如DL001（j）。TNF，肿瘤坏死因子-α。

结论

人们对使用mTOR抑制剂促进健康衰老和治疗、延缓多种衰老相关疾病的关注程度正迅速增长。目前小鼠研究中的强有力证据表明雷帕霉素可以延长寿命和健康寿命，但对于雷帕霉素治疗人类衰老相关疾病的安全性和有效性还需严格验证。虽然目前进行的试验中有许多未解决的问题，但可以从迄今为止进行的mTOR抑制剂临床试验中吸取一些经验教训。如图3所示，在人类和小鼠中，使用低剂量或间歇性给药雷帕霉素或依维莫司治疗，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抑制剂耐受性更好，代谢副作用更少，免疫抑制程度更低。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定的益处。

在将mTOR抑制剂应用于临床治疗与衰老相关疾病之前，仍有很多工作要做，目前依然有许多悬而未决的问题。虽然低剂量雷帕霉素和雷帕霉素类似物在人体中的安全性似乎有提高，但低剂量方案的长期安全性和有效性仍有待确定。我们还需要更好地了解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。人体内使用更高剂量（例如每天3 mg）的mTOR抑制剂如依维莫司可抑制T细胞功能，因此可用于抑制器官移植的排斥反应。相比之下，通过疫苗接种反应评估，应用降低6倍剂量的依维莫司6周与免疫功能改善相关。因此，剂量和持续时间都可能影响mTOR抑制剂对健康衰老的积极或消极影响，但一般来说，药物剂量越低，预期的副作用越少。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。

研究人员还需要确定哪些特定的老龄化人群和衰老相关疾病能从mTOR抑制剂用药方案中获益最大。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，因为雷帕霉素治疗或胰岛素-胰岛素样生长因子1（IGF1）-PI3K-AKT-mTOR-S6K1信号通路的遗传抑制通常（但并非总是）延长雌性而非雄性小鼠的寿命。我们还需要为衰老相关疾病（如衰弱和肌少症）确定新的监测途径，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，作者期望越来越多的人类临床试验以及在犬类和非人灵长类动物中的研究成果，来揭示抑制mTOR作为一种衰老相关疾病疗法的可行性。新的mTORC1特异性抑制剂可能有助于扩大雷帕霉素类似物的治疗窗口，限制全部或部分由抑制mTORC2引起的副作用。最后，期望能有更多的研究成果来确定mTOR抑制剂能否安全有效地应用到衰老相关疾病治疗中。

图3：雷帕霉素类似物给药方案对人类和小鼠的代谢、免疫系统、健康寿命和寿命的已知和未知影响。长期（每日）给药雷帕霉素与人类和小鼠的血糖调节受损和高血脂症有关，而依维莫司对小鼠葡萄糖稳态的影响有所减弱。间歇性或低剂量雷帕霉素或依维莫司给药可减少副作用，而mTORC1选择性抑制剂雷帕霉素类似物DL001不会损害血糖控制或改变循环中脂质水平。蓝色向上箭头，升高；红色向下箭头，表示降低；破折号表示没有变化；问号表示未知。

原标题：《【重磅综述】Nature | mTOR抑制剂如何干预衰老？》

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