mTOR Segnalazione di mTOR nella Malattia Cardiometabolica, Cancro e Invecchiamento

Il bersaglio mammifero della rapamicina (mTOR), una serina/treonina chinasi evolutiva conservata, svolge un ruolo significativo nell’integrazione degli stimoli cellulari e ambientali che modulano il metabolismo cellulare, la crescita, la proliferazione, la sopravvivenza e l’omeostasi. I ruoli distinti di mTOR sono stati identificati nella trascrizione genica, sintesi proteica, rigenerazione e riparazione dei tessuti, stress ossidativo, immunità, invecchiamento e morte cellulare che includono autofagia e apoptosi(Figura 1(a)). Le prove emergenti nell’ultimo decennio indicano che la deregolamentazione della segnalazione mTOR è stata implicata in molte malattie umane, tra cui il cancro, l’obesità, le complicazioni diabetiche, l’ipertensione polmonare, le malattie cardiovascolari e la neurodegenerazione(Figura 1(b)). Inoltre, lo stress ossidativo è stato anche coinvolto eziologicamente in questa grande varietà di processi e stati patologici. In particolare, il percorso mTOR è attivato durante i vari processi cellulari tra cui la formazione del tumore e l’angiogenesi, la resistenza all’insulina, l’adipogenesi, e l’attivazione dei linfociti T. Sulla base della sua importanza fisiopatologica, il percorso di segnalazione mTOR ha attirato un ampio interesse scientifico e clinico come potenziale bersaglio terapeutico per il trattamento di una varietà di malattie associate a stress ossidativo, invecchiamento, disturbi proliferativi e anomalie metaboliche. L’obiettivo di questo numero speciale è di far progredire la nostra comprensione dei percorsi di segnalazione mTOR nelle malattie metaboliche e cardiovascolari, così come nel cancro e nell’invecchiamento, che potrebbero essere fondamentali per lo sviluppo di nuove strategie terapeutiche per il trattamento di molte malattie umane. Esperti riconosciuti a livello internazionale evidenziano il ruolo distinto della segnalazione mTOR nelle malattie cardiovascolari e metaboliche e nel cancro con una presentazione approfondita per arricchire le nostre conoscenze nell’applicazione terapeutica emergente degli inibitori mTOR.

L’infarto miocardico acuto (AMI) è una delle principali cause di morte in tutto il mondo. La riperfusione del flusso coronarico è obbligatoria per rianimare il miocardio ischemico; tuttavia, può causare una paradossale disfunzione del cardiomiocita, nota come “lesione da riperfusione”. Non esiste ancora una terapia efficace per prevenire la lesione da riperfusione del miocardio. Utilizzando il modello di occlusione dell’arteria coronarica sinistra nei topi C57, S. M. Filippone et al. hanno rivelato che la somministrazione di rapamicina all’inizio della riperfusione attenua l’infarto miocardico. La rapamicina migliora la funzione cardiaca post-MI/R (ischemia miocardica / riperfusione) con riduzione dello stress ossidativo e dell’apoptosi cardiomiocitaria. Considerando l’importante ruolo del percorso di recupero della chinasi da lesione da riperfusione (RISK) (in particolare AKT e ERK1/2), hanno ulteriormente chiarito gli effetti della rapamicina sui complessi mTOR (mTORC1 e mTORC2) e sulle vie di segnalazione delle MAP chinasi (ERK e p38). Questo studio ha confermato che la terapia di riperfusione con rapamicina protegge il cuore contro le lesioni MI/R mediante l’attivazione selettiva di mTORC2 (indicata dall’induzione della fosforilazione di AKT S473) e ERK con inibizione simultanea di mTORC1 (indicata dall’attenuazione della fosforilazione della proteina ribosomiale S6) e p38.

L’instabilità e la rottura della placca aterosclerotica è la causa principale dell’infarto miocardico acuto e dell’ictus. La cellula della muscolatura liscia vascolare (VSMC) è uno dei principali fattori che contribuiscono alla progressione della placca aterosclerotica e alla vulnerabilità. Lo squilibrio dell’autofagia di VSMC nel cappello fibroso potrebbe causare l’instabilità della placca. mTOR è un regolatore chiave dell’autofagia che può essere coinvolto nello sviluppo della placca aterosclerotica. Utilizzando il modello murino di aterosclerosi, Z. Luo et al. hanno rivelato che il trattamento cronico con basse dosi (50 mg / kg / d per 16 settimane) di rapamicina (un inibitore mTOR specifico) allevia la progressione dell’aterosclerosi e promuove la stabilità della placca inducendo moderatamente l’autofagia di VSMC. Hanno dimostrato che l’autofagia moderata indotta dalla rapamicina a basso dosaggio è stata in grado di attenuare la senescenza della VSMC. Inibizione di mTORC1 da rapamicina repressa ULK1 che ha portato alla formazione di un ATG1-ATG13-ATG17 complesso attivo e la stimolazione di autofagia. La famiglia p53 svolge un ruolo fondamentale nella senescenza cellulare e l’inibizione di questa via impedisce lo sviluppo di aterosclerosi sopprimendo efficacemente le citochine proinfiammatorie, così come la senescenza cellulare. In questo studio, hanno anche dimostrato che l’inattivazione di mTORC1 con la rapamicina ha anche inibito la senescenza delle VSMC reprimendo l’espressione di p53. Pertanto, l’autofagia cellulare vascolare indotta dalla rapamicina può fornire nuovi spunti per il trattamento clinico dell’aterosclerosi.

La terapia sonodinamica (SDT), un nuovo approccio non invasivo, ha mostrato un effetto benefico sull’aterosclerosi inducendo l’autofagia e l’apoptosi dei macrofagi con la stabilizzazione delle placche aterosclerotiche. Y. Jiang et al. hanno studiato se la combinazione di giallo idrossisafflor A (la frazione idrofila della pianta di cartamo) e di ultrasuoni (HSYA-SDT) possa indurre autofagia e inibire l’infiammazione dei macrofagi THP-1. Hanno dimostrato che l’autofagia è stata indotta da HSYA-SDT nei macrofagi THP-1 umani con inibizione dei fattori infiammatori. Sulla base dei loro risultati, hanno suggerito che HSYA-SDT induce una risposta autofagica attraverso la via di segnalazione PI3K/AKT/mTOR e inibisce l’infiammazione da parte di specie reattive dell’ossigeno nei macrofagi del THP-1.

L’iperattivazione persistente di mTOR è stata implicata in diversi disturbi metabolici, tra cui l’obesità, il diabete di tipo 2 e la sindrome metabolica. I pazienti diabetici sono più soggetti a malattie cardiovascolari che sono associate a una prognosi peggiore rispetto alla sua controparte non diabetica. L’effetto benefico del trattamento con rapamicina nei topi diabetici è stato ben documentato. La rapamicina migliora lo stato metabolico regolando le proteine metaboliche del glucosio e previene le disfunzioni cardiache nei topi diabetici di tipo 2 attenuando lo stress ossidativo e modulando le proteine antiossidanti e contrattili. La Rapamicina protegge anche il cuore diabetico contro le lesioni da riperfusione attraverso la segnalazione STAT3. L’inibizione di mTORC1 con rapamicina riduce il grasso corporeo e la massa magra nel topo maschio obeso (Zucker obeso (ZO). Il trattamento con rapamicina per 12 settimane ha anche aumentato l’espressione del complesso del mediatore cardiaco 13 (MED13) che è noto per migliorare il metabolismo di tutto il corpo. In questo numero speciale, C. Luck et al. per la prima volta ha rivelato che il trattamento a lungo termine con rapamicina modula diverse proteine intracardiache in modo differenziato in ratti sani Zucker magri e ratti obesi diabetici Zucker. Hanno dimostrato che il trattamento con rapamicina provoca un aumento della fibrosi cardiaca nei ratti magri Zucker sani, mentre la rapamicina sopprime la fibrosi cardiaca nei ratti obesi Zucker regolando in modo differenziato la fosforilazione di AKT e citochine antifibrotiche nei ratti sani e obesi. Inoltre, il trattamento con rapamicina per sei settimane migliora molti dei parametri cardiaci sia nei ratti sani che in quelli obesi e diabetici. Tuttavia, la continuazione del trattamento per altre sei settimane ha invertito questi miglioramenti funzionali cardiaci nei ratti obesi Zucker. È interessante notare che il trattamento a lungo termine con la rapamicina migliora il livello di glucosio a digiuno nei ratti obesi di Zucker con l’attivazione di vie glucidiche non ossidative (NOGP), in particolare la via dei prodotti finali di glicazione avanzata (AGE). Comprendere gli effetti differenziali della rapamicina sui tessuti cardiaci nei ratti diabetici rispetto ai soggetti sani è un aspetto imperativo per garantire l’applicazione efficiente di questo farmaco per la protezione cardiovascolare nei pazienti con diabete preesistente.

X. Han et al. hanno esplorato il ruolo dell’acarbosio, un farmaco orale che riduce il glucosio, sulla guarigione delle ferite legate al diabete, l’angiogenesi, e la compromissione delle cellule precursore endoteliali (EPC), concentrandosi sulla via di segnalazione AKT/eNOS (ossido nitrico sintasi endoteliale). Gli autori hanno suggerito che l’acarbosio ha effetti benefici sulla guarigione delle ferite indotte dal diabete e l’angiogenesi, migliorando la funzione EPC, utilizzando i topi db/db come modello animale del diabete mellito di tipo 2 e saggi funzionali in vitro con EPC isolato del midollo osseo (BM-EPC). Hanno mostrato una maggiore attivazione AKT ed eNOS in BM-EPC in coltura da topi db/db trattati con acarbosi, insieme ad una maggiore produzione di ossido nitrico. Inoltre, l’inibizione dell’AKT è stata in grado di abolire l’effetto benefico dell’acarbose sulle disfunzioni EPC indotte dall’alto glucosio in vitro, che è stato accompagnato da una ridotta attivazione eNOS. Nel complesso, gli autori hanno concluso che il trattamento con acarbose potrebbe invertire la compromissione del diabete correlata alla guarigione delle ferite, l’angiogenesi, e la funzione EPC attivando il percorso di segnalazione AKT/eNOS.

Infine, l’articolo di revisione contribuito da D. Zhao e colleghi hanno discusso il ruolo dello stress ossidativo e la segnalazione mTOR in ischemia miocardica / riperfusione (MI / R) lesioni sotto il diabete. Hanno riassunto i potenziali meccanismi alla base del danno cardiaco diabetico quando si sottopone a lesioni MI / R, tra cui l’attivazione compromessa delle vie prosurvival, eccessivo stress del reticolo endoplasmatico (ER), aumento dello stato ossidativo basale e diminuito le difese antiossidanti, alterata autofagia e controllo di qualità mitocondriale, e la sovraattivazione mTOR. Gli autori hanno descritto i dati controversi riguardanti il ruolo cardioprotettivo o cardiotossico della segnalazione mTOR nella lesione MI/R e la complessa interazione con lo stress ossidativo. Infine, sono state discusse le potenziali strategie terapeutiche contro le lesioni cardiache nei pazienti diabetici, compreso l’uso dell’agente ipoglicemico metformina e dei nuovi radicali liberi Sirt1 e CTRP9, che potrebbero essere considerati promettenti geni terapeutici farmacologici cardiometabolici mirati per proteggere il cuore diabetico da lesioni MI/R.

L’attivazione aberrante della segnalazione mTOR è coinvolta in alcune caratteristiche del cancro, suggerendo mTOR come un bersaglio attraente per la terapia del cancro. Nell’articolo di revisione di F. Palavra et al., gli autori hanno descritto i recenti progressi e le sfide dell’uso degli inibitori mTOR nel trattamento dei pazienti con il complesso della sclerosi tuberosa (TSC), una malattia genetica autosomica dominante associata a mutazioni nei geni TSC1 e TSC2, che porta all’iperattivazione del percorso di segnalazione mTOR. TSC è un disturbo della differenziazione cellulare e della proliferazione, caratterizzato dalla presenza di lesioni tumorali benigne e non invasive (chiamate hamartomas) che possono colpire sistemi di organi multipli, come il cervello, i reni, la pelle, il cuore, i polmoni e il fegato. Gli autori hanno dapprima riassunto i criteri diagnostici clinici per la TSC e i mediatori molecolari a monte e a valle della regolazione mTOR-TSC; successivamente hanno rivisitato gli aspetti farmacologici degli inibitori mTOR (rapamicina, nota anche come sirolimus, e i suoi analoghi everolimus, temsirolimus e ridaforolimus), concentrandosi sugli studi clinici che hanno portato alla loro approvazione in condizioni correlate alla TSC. Per concludere, gli autori hanno esposto le sfide attuali e le direzioni future nel trattamento del TSC, compresa la possibilità di utilizzare la seconda generazione di inibitori mTOR (noti come inibitori della mTOR chinasi mTOR o TORKinibs), che consentono l’inibizione sia di mTORC1 che di mTORC2, aprendo così nuove finestre di opportunità per trattare meglio il TSC e le condizioni correlate.

Il manoscritto di revisione di A. C. de Melo et al. ha introdotto i recenti progressi relativi agli inibitori della via mTOR per il trattamento delle neoplasie ginecologiche, compresi i tumori endometriali, cervicali e ovarici. Poiché l’efficacia degli agenti antitumorali attualmente disponibili è ancora limitata, la prognosi dei tumori ginecologici avanzati rimane scarsa. Pertanto, sono disperatamente necessari approcci terapeutici più efficaci per i tumori maligni ginecologici. A questo proposito, la segnalazione mediata da PI3K-AKT-mTOR sarebbe uno degli obiettivi terapeutici più promettenti nei tumori ginecologici, perché una segnalazione aberrante dipendente da PI3K si verifica spesso in vari tipi di cancro, tra cui i tumori endometriali, cervicali e ovarici. Inizialmente, gli autori hanno riassunto le caratteristiche cliniche, il coinvolgimento della segnalazione PI3K-AKT-mTOR-mediata e i recenti progressi degli studi clinici che utilizzano gli inibitori della via mTOR nei tumori endometriali, cervicali e ovarici, rispettivamente. Successivamente, hanno illustrato gli effetti degli inibitori mTOR sia nel caso della monoterapia che in quello della terapia combinata con altri farmaci citotossici contro i tumori ginecologici. Poi, hanno concluso che si dovrebbe condurre un’esplorazione più intensa dei farmaci mirati PI3K-AKT-mTOR che possono superare i tumori ginecologici avanzati o ricorrenti.

Nell’articolo di revisione di S. Faes et al., sono stati rivisitati i meccanismi alla base della resistenza agli inibitori mTORC1 nella terapia del cancro, compresa l’esistenza di mutazioni mTOR, l’attivazione di percorsi di segnalazione proliferativi alternativi che seguono l’inibizione mTORC1 e l’eterogeneità intratumorale dell’attività mTORC1. I meccanismi molecolari associati a queste condizioni sono stati sezionati, comprese le principali mutazioni già identificate, in particolare, nel dominio FRB (FKBP-rapamicina binding domain) di mTOR, che ostacolano l’efficacia antitumorale dei rapalogs bloccando il binding della rapamicina-FKBP12 a mTOR, così come le mutazioni che promuovono l’iperattivazione di mTOR e la resistenza agli inibitori mTOR ATP-competitivi. Inoltre, gli autori hanno discusso i percorsi alternativi di proliferazione che sono stati descritti, come l’iperattivazione di PI3K/AKT e RAS/RAF/MEK/MAPK, secondaria all’inibizione dei loop di feedback negativo dopo l’inibizione di mTORC1. Infine, sono stati discussi gli elementi chiave che contribuiscono all’eterogeneità intratumorale, tra cui l’eterogeneità genetica e funzionale, così come l’ipossia tumorale e l’ambiente pH. Si è concluso che questi meccanismi, in particolare l’eterogeneità tumorale, dovrebbero essere presi in considerazione quando si sviluppano nuovi approcci terapeutici antitumorali che hanno come obiettivo mTOR.

Le radiazioni ultraviolette (UV) sono l’aggressore cutaneo più ambientale, causando disturbi della pelle come l’eritema o le scottature solari, l’invecchiamento precoce della pelle e il cancro della pelle. I danni cutanei indotti dai raggi UVB sono causati da danni al DNA, apoptosi, stress da ER e attivazione di percorsi di segnalazione chiave (ad esempio, famiglia MAPK e AMPK). UVB è stato segnalato per aumentare la fosforilazione del substrato mTOR 4E-BP1 e p70 S6 chinasi nei cheratinociti epidermici. I cheratinociti, il componente predominante nell’epidermide, sono il principale bersaglio dei danni cutanei indotti dagli UVB. S. Xu et al. hanno rilevato la sensibilità della linea cellulare dei cheratinociti umani HaCaT e dei cheratinociti epidermici umani (HEKs) a quattro diversi inibitori di mTOR, rapamicina, everolimus, Torin 1, o pp242. Hanno riferito che i cheratinociti erano sensibili a questi inibitori mTOR, ma la regolazione della segnalazione a valle di mTOR era distinta. Solo la rapamicina induce l’autofagia nelle cellule HaCaT tra i quattro inibitori mTOR testati. Pertanto, hanno indicato che l’inibizione di mTOR nei cheratinociti non può sempre indurre autofagia. Inoltre, hanno dimostrato che la segnalazione mTOR è insensibile ai raggi UVB ma sensibile ai raggi UVA. L’inibizione mTOR causata da rapamicina, everolimus, o pp242 non interferisce UVB-stimolato la serie di eventi biologici nei cheratinociti, tra cui il downregulation del chaperone molecolare ER BIP e la proteina transmembrana ER PERK, l’attivazione del marcatore di danno al DNA Histone H2A e la proteina chinasi attivata da stress SAPK/JNK, e la scissione della caspasi molecolare apoptotica 3 e PARP. Di conseguenza hanno suggerito che la segnalazione mTOR non gioca un ruolo cruciale nelle risposte cellulari complesse nei cheratinociti con danno ultravioletto.

References