mTOR — mechanistyczny cel rapamycyny

1. Profil kinazy

1.1. Definicja i nazwa

mTOR (mechanistic target of rapamycin, dawniej mammalian target of rapamycin) to kinaza serynowo-treoninowa z rodziny kinaz pokrewnych fosfatydyloinozytolo-3-kinazie (PIKK).

Nazwa pochodzi od okoliczności odkrycia: rapamycynę wyizolowano w latach siedemdziesiątych z bakterii Streptomyces hygroscopicus znalezionej w glebie Wyspy Wielkanocnej (Rapa Nui). Poszukiwanie jej celu molekularnego w komórkach drożdży doprowadziło do identyfikacji genów TOR1 i TOR2, a następnie ich odpowiednika u ssaków.

1.2. Dwa kompleksy o odmiennych funkcjach

Kinaza mTOR wchodzi w skład dwóch kompleksów białkowych o różnym składzie, regulacji i wrażliwości na rapamycynę [1]:

Rozdzielenie to ma znaczenie praktyczne: większość działań przypisywanych „hamowaniu mTOR” dotyczy w istocie mTORC1. Hamowanie mTORC2 — zachodzące przy przewlekłym stosowaniu rapamycyny — odpowiada natomiast za część działań niepożądanych, w tym za pogorszenie tolerancji glukozy.

1.3. Rys historyczny

Rapamycynę opisano w 1975 roku jako antybiotyk przeciwgrzybiczy; szybko wykazano jej działanie immunosupresyjne i przeciwnowotworowe — szlak ten należy bowiem do najczęściej rozregulowanych w nowotworach [9]. Cel molekularny zidentyfikowano na początku lat dziewięćdziesiątych w drożdżach, a wkrótce potem u ssaków. W 2009 roku opublikowano wyniki wskazujące, że rapamycyna wydłuża życie myszy nawet przy podaniu rozpoczętym w wieku podeszłym — obserwacja, która przesunęła badania nad tym szlakiem z onkologii ku biologii starzenia [2].

2. Mechanizmy i funkcje

2.1. Jak mTORC1 odbiera sygnały

Kompleks aktywuje się na powierzchni lizosomu, gdzie zbiegają się dwie niezależne drogi:

Droga aminokwasowa. Obecność aminokwasów — zwłaszcza leucyny i argininy — wykrywana przez czujniki cytozolowe (sestryna 2 dla leucyny, CASTOR1 dla argininy) prowadzi do aktywacji białek Rag, które przyciągają mTORC1 do błony lizosomu. Bez aminokwasów kompleks nie zostaje przywołany i pozostaje nieaktywny niezależnie od pozostałych sygnałów.

Droga czynników wzrostu. Insulina i IGF-1 działają przez szlak PI3K–Akt, który hamuje kompleks TSC1/TSC2. Uwolnione w ten sposób białko Rheb aktywuje mTORC1 już przywołany do lizosomu.

Sygnały hamujące. Niedobór energii (przez AMPK), niedotlenienie (przez REDD1), uszkodzenie DNA i stres — wszystkie działają w znacznej mierze przez kompleks TSC.

Układ ten działa jak bramka koniunkcyjna: wzrost następuje tylko wtedy, gdy dostępne są jednocześnie budulec (aminokwasy), energia i sygnał hormonalny.

2.2. Co uruchamia mTORC1

Synteza białek. Główna funkcja. Poprzez fosforylację kinazy S6K1 i białka 4E-BP1 uwalnia czynnik inicjacji translacji eIF4E i zwiększa wydajność tworzenia rybosomów. Regulacja nie jest przy tym jednorodna — mTORC1 preferencyjnie zwiększa translację określonych klas mRNA, w tym kodujących same białka rybosomalne [3].

Synteza lipidów i nukleotydów, biogeneza rybosomów, metabolizm glukozy przez HIF-1α.

Zahamowanie autofagii. mTORC1 fosforyluje kinazę ULK1, blokując inicjację autofagii. Jest to zależność kluczowa dla biologii starzenia: dopóki mTORC1 jest aktywny, komórka nie usuwa uszkodzonych organelli i zagregowanych białek.

2.3. Para mTOR–AMPK

AMPK hamuje mTORC1 dwiema drogami: aktywując kompleks TSC2 i bezpośrednio fosforylując raptor. Zależność ta wyjaśnia zjawisko interferencji treningowej — trening wytrzychościowy bezpośrednio przed lub po siłowym może osłabiać odpowiedź hipertroficzną.

2.4. mTOR w mięśniu

Szlak mTORC1 jest konieczny dla hipertrofii mięśniowej. Uruchamiają go trzy bodźce działające synergistycznie:

1. napięcie mechaniczne — trening oporowy, przez mechanoczujniki niezależne od insuliny
2. leucyna — bezpośredni aktywator drogi aminokwasowej
3. insulina i IGF-1

Zablokowanie mTORC1 rapamycyną znosi przyrost masy mięśniowej mimo treningu — dowód, że jest to szlak niezbędny, a nie tylko towarzyszący.

2.5. mTOR w mózgu

W neuronach mTORC1 uczestniczy w syntezie białek niezbędnej do późnej fazy LTP — czyli do utrwalania pamięci długotrwałej. Jest też jednym z ogniw szybkiego działania przeciwdepresyjnego ketaminy: pobudzenie receptorów AMPA → BDNF → TrkB → mTORC1 → synaptogeneza.

Jednocześnie nadmierna aktywność mTORC1 w mózgu ma znaczenie patologiczne. Mutacje genów TSC1/TSC2 powodują stwardnienie guzowate — chorobę z padaczką, guzami i zaburzeniami rozwoju; leki hamujące mTOR są w niej stosowane. Podwyższona aktywność szlaku opisywana jest także w części zaburzeń ze spektrum autyzmu i w padaczkach lekoopornych związanych z zaburzeniami rozwoju kory.

2.6. mTOR, autofagia i post

Najbardziej praktyczną konsekwencją działania mTORC1 jest jego wpływ na autofagię — proces, w którym komórka rozkłada i przetwarza własne, uszkodzone lub zbędne składniki. Dopóki mTORC1 jest aktywny, autofagia pozostaje zahamowana, ponieważ kinaza ta bezpośrednio fosforyluje i wyłącza kinazę ULK1 inicjującą cały proces.

Zależność ta ma prostą wymowę biologiczną: przy obfitości składników odżywczych komórka buduje, a przy ich niedostatku — porządkuje i odzyskuje surowce. Jest to układ przeciwstawny do AMPK, która działa dokładnie odwrotnie.

Stąd zainteresowanie postem i ograniczeniem kalorycznym. Zmniejszenie podaży aminokwasów, zwłaszcza leucyny, oraz spadek stężenia insuliny obniżają aktywność mTORC1 i uwalniają autofagię. W modelach zwierzęcych przekłada się to na wydłużenie życia i poprawę wskaźników metabolicznych. U ludzi wykazano zmiany parametrów pośrednich — poprawę insulinowrażliwości i profilu lipidowego — natomiast wpływ na długość życia pozostaje nieudowodniony, a badania z twardymi punktami końcowymi są z natury trudne do przeprowadzenia.

Istotne jest zastrzeżenie dotyczące proporcji. Autofagia jest procesem ciągłym, zachodzącym również po posiłku, a post nie „włącza” jej z zera. Popularne twierdzenia o konkretnej liczbie godzin, po której autofagia się rozpoczyna, nie mają oparcia w danych z badań u ludzi — pomiar tego procesu w żywej tkance człowieka pozostaje metodologicznie trudny.

3. Zaburzenia i modyfikacja

3.1. Nadmierna aktywność

Nowotwory. Szlak PI3K–Akt–mTOR należy do najczęściej aktywowanych w chorobie nowotworowej. Inhibitory mTOR (ewerolimus, temsyrolimus) mają zarejestrowane wskazania onkologiczne.

Starzenie. Przewlekła aktywacja mTORC1 przy stałej nadpodaży energii utrzymuje zahamowanie autofagii, co sprzyja gromadzeniu uszkodzonych białek i organelli. Jest to jeden z lepiej udokumentowanych mechanizmów łączących nadmiar kalorii z przyspieszonym starzeniem [2].

Insulinooporność. Aktywny S6K1 fosforyluje serynowo białko IRS-1, osłabiając sygnał insulinowy — mechanizm ujemnego sprzężenia zwrotnego, który przy przewlekłej nadaktywności staje się patologiczny.

Przerost narządowy — kardiomiopatia przerostowa, przerost mięśni gładkich naczyń, włóknienie.

3.2. Niedostateczna aktywność

Utrata masy mięśniowej i sarkopenia · upośledzenie gojenia · osłabienie odpowiedzi immunologicznej (na czym opiera się zastosowanie rapamycyny w transplantologii) · zaburzenia konsolidacji pamięci · u dzieci — zaburzenia wzrostu.

Oporność anaboliczna wieku podeszłego to zjawisko polegające na osłabionej odpowiedzi mTORC1 mięśnia na leucynę i trening. Jest jednym z mechanizmów sarkopenii i uzasadnia zalecenie wyższej podaży białka u osób starszych.

3.3. Rapamycyna i długowieczność — stan wiedzy

Hamowanie mTOR jest jedyną interwencją farmakologiczną, która powtarzalnie wydłużała życie u wszystkich badanych organizmów modelowych — od drożdży po myszy — także przy rozpoczęciu w wieku zaawansowanym [2].

Przeniesienie tego na ludzi napotyka jednak trzy problemy:

1. Działania niepożądane przy przewlekłym stosowaniu — immunosupresja, zaburzenia gojenia, hiperlipidemia, nietolerancja glukozy (w znacznej mierze przez wtórne hamowanie mTORC2), afty.
2. Brak badań z twardymi punktami końcowymi u ludzi. Prowadzone badania dotyczyły markerów pośrednich — na przykład odpowiedzi na szczepienie u osób starszych — a nie długości życia.
3. Poszukiwanie selektywności. Rozwijane są związki hamujące wybiórczo mTORC1 z pominięciem mTORC2, mające zachować korzyści przy mniejszym profilu ryzyka [2].

Wniosek dla praktyki: stosowanie rapamycyny „na długowieczność” poza badaniami klinicznymi nie ma podstaw — jest to lek o istotnych działaniach niepożądanych i zarejestrowanych wskazaniach.

3.4. Jak zbadać

Nie istnieje badanie kliniczne oceniające aktywność mTOR. Wymagałoby ono biopsji tkanki i oznaczenia fosforylacji S6K1 lub 4E-BP1 metodą western blot — jest to metoda badawcza.

Ocena pośrednia opiera się na skutkach metabolicznych i czynnościowych:

Komercyjne „testy aktywności mTOR” nie mają uznanej wartości.

3.5. Modyfikacja behawioralna i dietetyczna

Kluczowe jest rozdzielenie w czasie dwóch przeciwstawnych stanów, a nie stałe utrzymywanie jednego z nich:

Okresy aktywacji mTORC1 — pożądane dla utrzymania masy mięśniowej:

• trening oporowy
• posiłek białkowy o odpowiedniej zawartości leucyny (produkty zwierzęce, nabiał, soja)
• podaż białka 1,2–1,6 g/kg, u osób starszych wyższa

Okresy hamowania mTORC1 — pożądane dla autofagii i zdrowia metabolicznego:

• nocna przerwa w jedzeniu i post przerywany
• ograniczenie kaloryczne
• wysiłek wytrzymałościowy
• unikanie stałego podjadania

Zasada praktyczna: cykliczność. Przewlekła aktywacja mTORC1 przez stałą nadpodaż energii i częste posiłki jest niekorzystna, ale jego stałe hamowanie prowadzi do utraty mięśni. Fizjologiczny jest rytm naprzemienny — okresy budowania i okresy sprzątania.

3.6. Wsparcie suplementacyjne

Trzy uwagi praktyczne.

1. Nie należy dążyć do jednostronnego hamowania mTOR — to szlak niezbędny do utrzymania mięśni, gojenia i pamięci.
2. Suplementy „aktywujące autofagię” działają w większości przez AMPK, a ich wpływ u ludzi jest udokumentowany słabo i niemal wyłącznie markerami pośrednimi.
3. Rapamycyna i jej pochodne nie są suplementami — ich stosowanie poza wskazaniami rejestracyjnymi nie ma podstaw.

3.7. Rapamycyna u ludzi — co wiadomo, a czego nie

Rapamycyna jest jedyną substancją, która wydłużała życie we wszystkich badanych modelach zwierzęcych, łącznie z myszami, u których podano ją dopiero w wieku odpowiadającym ludzkiej sześćdziesiątce. Jest to wynik bez odpowiednika w biologii starzenia i stąd bierze się zainteresowanie tą cząsteczką.

Stan wiedzy u ludzi wygląda jednak inaczej i warto go przedstawić bez upiększeń:

• Rapamycyna i jej pochodne są zarejestrowanymi lekami — stosuje się je w zapobieganiu odrzuceniu przeszczepu i w onkologii, w dawkach wywołujących immunosupresję
• W małym badaniu u osób starszych analog rapamycyny poprawił odpowiedź na szczepienie przeciw grypie, co było pierwszym sygnałem, że układ odpornościowy może odzyskiwać sprawność
• Nie przeprowadzono dotąd badania z twardymi punktami końcowymi — takim jak śmiertelność lub zapadalność na choroby wieku podeszłego — u osób zdrowych
• Schematy przerywane, badane w celu oddzielenia korzyści od immunosupresji, pozostają na etapie wczesnych badań
• Działania niepożądane przy stosowaniu przewlekłym obejmują immunosupresję, zaburzenia gojenia, owrzodzenia jamy ustnej, hiperlipidemię i nietolerancję glukozy

Wniosek praktyczny: przyjmowanie rapamycyny poza wskazaniami rejestracyjnymi nie ma dziś podstaw pozwalających ocenić stosunek korzyści do ryzyka. Uzasadnione pozostają natomiast interwencje wpływające na ten sam szlak w sposób fizjologiczny — wysiłek, kontrola masy ciała i unikanie stałego nadmiaru energii w diecie.

4. Karta praktyczna

Jak to zbadać

Nie ma badania bezpośredniego. Ocena pośrednia: HOMA-IR i insulina na czczo, IGF-1, skład ciała i siła uchwytu, obwód talii, lipidogram, ALT z USG jamy brzusznej. Komercyjne „testy aktywności mTOR” nie mają uznanej wartości.

Na co uważać

• Jednostronne hamowanie mTOR nie jest celem — szlak jest niezbędny dla mięśni, gojenia i pamięci.
• Rapamycyna nie jest suplementem; jej stosowanie „na długowieczność” poza badaniami klinicznymi nie ma podstaw.
• Przewlekłe podawanie rapamycyny hamuje także mTORC2, pogarszając tolerancję glukozy.
• Trening wytrzymałościowy bezpośrednio przed siłowym może osłabiać odpowiedź hipertroficzną.
• U osób starszych występuje oporność anaboliczna — wymagają wyższej podaży białka, nie niższej.
• Dane o wydłużeniu życia pochodzą z modeli zwierzęcych; ekstrapolacja na człowieka jest nieuprawniona.