Шлях PI3K/AKT/mTOR

Шлях PI3K/AKT/mTOR ― це внутрішньоклітиний сигнальний шлях, який є важливим у регуляції клітинного циклу. Тому він безпосередньо пов'язаний зі станом спокою клітин, проліферацією, раком і довголіттям. Активація PI3K фосфорилює та активує AKT, локалізуючи його в плазматичній мембрані.^[1] AKT може мати низку ефектів, таких як активація CREB,^[2] інгібування p27,^[3] локалізація FOXO в цитоплазмі,^[3] активація PtdIns-3ps^[4] та mTOR^[3], що може впливати на транскрипцію p70 або 4EBP1.^[3] Існує багато відомих факторів, які посилюють шлях PI3K/AKT, включаючи EGF,^[5] shh,^[2] IGF-1,^[2] інсулін^[3] та CaM.^[4] Лептин та інсулін залучають сигналізацію PI3K для регуляції метаболізму.^[6] Цей шлях пригнічують різні фактори, зокрема PTEN,^[7] GSK3B^[2] і HB9.^[5]

Сигнальний шлях mTOR.

У багатьох видах раку цей шлях надмірно активний, що веде до зменшення апоптозу і сприяє проліферації. Однак він необхідний, щоб сприяти росту та проліферації, а не диференціації дорослих стовбурових клітин, зокрема нейронних стовбурових клітин .^[2] Дослідники намагаються знайти відповідне співвідношення між проліферацією та диференціюванням, щоб використовувати цей баланс у розробці різних методів лікування.^[2] Крім того, було встановлено, що цей шлях є необхідним компонентом довготривалої потенціації нервової системи.^[4][8]

Проліферація нервових стовбурових клітин

Відповідь на глюкозу

Нервові стовбурові клітини (НСК) у мозку повинні знайти баланс між збереженням своєї мультипотентності шляхом самооновлення та проліферації на противагу диференціюванню та стану спокою. Шлях PI3K/AKT має вирішальне значення в цьому процесі прийняття рішень. НСК здатні відчувати та реагувати на зміни в мозку або в усьому організмі. Коли рівень глюкози в крові різко підвищується, інсулін вивільняється з підшлункової залози. Активація рецепторів інсуліну активує шлях PI3K/AKT, що сприяє проліферації.^[3] Таким чином, коли в організмі є високий рівень глюкози та надлишок енергії, активується шлях PI3K/AKT і НСК мають тенденцію до проліферації. Коли низька кількість доступної енергії, шлях PI3K/AKT менш активний і клітини переходять у стан спокою. Частково це відбувається, коли АКТ фосфорилює FOXO, утримуючи FOXO в цитоплазмі.^[3] Після дефосфорилювання FOXO може проникати в ядро і працювати як фактор транскрипції для сприяння експресії різних супресорів пухлин, таких як p27 і p21.^[3] Ці пухлинні супресори підштовхують НСК до переходу в стан спокою. При нокауті FOXO клітини втрачають здатність переходити в стан спокою, а також втрачають свій характер нейронних стовбурових клітин, можливо, переходять в раковий стан.^[3]

PTEN

Шлях PI3K/AKT має природний інгібітор під назвою фосфатаза та гомолог тензину (PTEN), функція якого полягає в обмеженні проліферації в клітинах, допомагаючи запобігти раку. Показано, що нокаут PTEN збільшує масу мозку через нерегульовану проліферацію.^[3] PTEN працює шляхом дефосфорилювання PIP3 до PIP2, що обмежує здатність AKT зв'язуватися з мембраною, знижуючи її активність. Дефіцит PTEN може компенсуватись далі у шляху, щоб підтримати диференціацію або стан спокою. З цієї причини нокаут PTEN не є настільки серйозним, як нокаут FOXO.^[3]

CREB

Елемент відповіді цАМФ CREB тісно пов'язаний з рішенням клітини проліферувати чи ні. Клітини, які змушені інгібітор mTOR рапаміцин показав пригнічення росту пухлини на 77-99 %інгібітор mTOR рапаміцин показав пригнічення росту пухлини на 77-99 %надмірно експресувати AKT, збільшують кількість CREB і проліферацію порівняно з клітинами дикого типу. Ці клітини також менше експресують маркери гліальних і нервових клітин, такі як GFAP або β-тубулін.^[2] Це пояснюється тим, що CREB є фактором транскрипції, який впливає на транскрипцію цикліну А, який сприяє проліферації.^[2] Наприклад, дорослим нейронним клітинам-попередникам гіпокампа потрібна перерва як стовбуровим клітинам, щоб диференціюватися пізніше. Це регулюється Shh . Shh працює через залежність від повільного синтезу білка, що стимулює інші каскади, які діють синергетично з шляхом PI3K/AKT, щоб індукувати проліферацію. Далі інший шлях може бути вимкнутий і ефекти шляху PI3K/AKT стають недостатніми для зупинки диференціювання.^[2] Специфіка цього шляху невідома.

Роль у розвитку раку

Рак яєчників

Шлях PI3K/AKT/mTOR є центральним регулятором раку яєчників. PIM-кінази надмірно експресуються в багатьох типах раку, і вони також беруть участь у регуляції раку яєчників. Встановлено, що PIM прямо чи опосередковано активує mTOR та його попередні ефектори, такі як AKT. Крім того, PIM-кінази можуть викликати фосфорилювання IRS, що може змінювати PI3K. Це свідчить про тісну взаємодію PIM із каскадом PI3K/ AKT/mTOR та його компонентами. Подібним чином повідомлялося, що AKT здійснює фосфорилювання BAD у клітинах раку яєчників. PIM і мережа PI3K/AKT/mTOR можуть пригнічувати експресію P21 і P27 в клітинах раку єячників. Ці дані свідчать про значну можливість взаємодії та актуальність кіназ PIM і мережі PI3K/AKT/mTOR у регуляції раку яєчників.^[9] Однак визначення цього шляху при раку яєчників було складним завданням, оскільки кілька досліджень не змогли досягти достатнього клінічного успіху.^[10][11]

Рак молочної залози

У багатьох видах раку молочної залози відхилення шляху PI3K/AKT/mTOR є найпоширенішими геномними аномаліями. Найпоширеніші відомі відхилення включають мутацію гена PIK3CA та мутації втрати функції або епігенетичний сайленсинг PTEN.^[12] Шлях фосфоінозитид-3-кінази (PI3K)/протеїнкінази B (AKT)/мішені рапаміцину у ссавців (mTOR) активується приблизно в 30–40 % випадків раку молочної залози. При потрійному негативному раку молочної залози (ПНРМЗ) онкогенна активація шляху PI3K/AKT/mTOR може відбутися внаслідок гіперекспресії висхідних регуляторів, таких як EGFR, активації мутацій PIK3CA, втрати функції або експресії фосфатази та гомолога тензину (PTEN), а також багату проліном інозитолполіфосфатазу, яка знижує рівень PI3K.^[13] Це узгоджується з гіпотезою про те, що інгібітори PI3K можуть подолати резистентність до ендокринної терапії, якщо вона набута.

Уротеліальний рак

Мутації PIK3CA часто призводять до посилення функції при уротеліальному раку.^[14] Подібно до PI3Ka, PI3Kb експресується в багатьох різних клітинах і в основному бере участь в активації тромбоцитів і розвитку тромботичних захворювань. Дослідження показали, що PI3Kb також сприяє проліферації пухлини. Зокрема, він відіграє важливу роль у пухлиногенезі при PTEN-негативних ракових захворюваннях.^[15] Повідомляється, що втручання в ген PI3Kb може бути терапевтичним підходом до раку сечового міхура високого ризику з мутантним PTEN і втратою E-кадгерину. Специфічні інгібітори ізоформ PI3Kb є потенційним засобом лікування раку з дефіцитом PTEN.^[16]

Рак простати

Шлях PI3K є основним джерелом стійкості до ліків при раку простати. Особливо це стосується стійкого до кастраційно-резистентного раку передміхурової залози, коли пухлини стають стійкими до андрогенної деприваційної терапії, яка блокує здатність пухлини використовувати гормон андроген для росту.^[17] Це пов'язано зі складним механізмом зворотного зв'язку, який існує між рецептором андрогенів і шляхом PI3K.^[18] Як і в інших типах пухлин, мутації в ключових генах цього шляху можуть призвести до гіперактивації цього шляху, наприклад, у PIK3CA,^[19][20] Збільшення кількості копій PIK3CA та підвищення експресії мРНК також посилює активацію шляху при раку передміхурової залози.^[21] Було показано, що збільшення в сусідньому генетичному регіоні 3q26.31-32 відбувається одночасно з низкою найближчих членів родини PI3K, включаючи PIK3CA, PIK3CB і PIK3R4, що призводить до транскрипційних змін у PIK3C2G, PIK3CA, PIK3CB, PIK3R4, а також пов'язаних шляхів з проліферацією клітин.^[22] Ці широкомасштабні зміни пов'язані зішкалою Глісона, стадією пухлини, метастазами в лімфатичних вузлах та іншими агресивними клінічними ознаками.^[22] У пацієнтів, які отримували інгібітори PI3K, ті, у кого збільшилася кількість копій PIK3CB, мають підвищену чутливість до препарату.^[23]

Терапія

Інгібітор PI3K

Інгібітори PI3K можуть подолати стійкість до ліків і покращити результати лікування прогресуючого раку молочної залози.^[12] Різні інгібітори PI3K виявляють різну дію проти різних типів PI3K. Інгібітори пан-PI3K класу IA були більш детально вивчені, ніж ізоформні інгібітори; Піктілісіб є ще одним інгібітором пан-PI3K з більшою активністю субодиничною α-інгібіторною активністю, ніж бупарлізиб.^[13] Іделалізиб є першим інгібітором PI3K, схваленим Управлінням з санітарного нагляду за якістю харчових продуктів і медикаментів США, який використовується для лікування рецидивуючої/резистентної хронічної лімфоцитарної лейкемії/малої лімфоцитарної лімфоми та фолікулярної лімфоми. Копанлізиб схвалений для лікування рецидиву фолікулярної лімфоми у пацієнтів, які пройшли принаймні дві системні терапії.^[24] Дувелісіб схвалений для лікування рецидивуючої/резистентної хронічної лімфолейкемії /малої лімфоцитарної лімфоми і рецидивуючої/рефрактерної фолікулярної лімфом:, обидва показання для пацієнтів, які отримували щонайменше дві попередні терапії.^[25]

Інгібітор AKT

AKT знаходиться нижче у шляху за PI3K і інгібується Іпатасертибом.^[13] AKT є кіназою сімейства AGC і центральним інтегральним сигнальним вузлом шляху PAM . Існує три ізоферменти AKT, а саме: AKT1, AKT2 і AKT3. Маленькі молекулярні інгібітори AKT1 можуть бути особливо корисними для націлювання на пухлини з високою поширеністю мутацій, що активують AKT1 E17K, які спостерігаються у 4–6 % раку молочної залози та 1–2 % колоректального раку.^[26] Дослідження щодо інгібування AKT зосереджено на інгібуванні двох окремих сайтів зв'язування:

• алостерична кишеня неактивного ферменту;
• сайт зв'язування АТФ.

Алостеричні інгібітори AKT, виділені MK-2206, були ретельно оцінені в клінічних умовах. Нещодавно були ідентифіковані додаткові алостеричні інгібітори AKT. ARQ-092 є потужним pan-AKT інгібітором, який може пригнічувати ріст пухлини доклінічним шляхом і зараз знаходиться на етапі I клінічних досліджень.^[26]

Інгібітор mTOR

Існує суттєва кореляція фосфорильованого mTOR з виживаністю пацієнтів із I та II стадією потрійного негативного раку молочної залози (ПНРМЗ). На ксенотрансплантантній моделі ПНРМЗ пацієнта, інгібітор mTOR показав пригнічення росту пухлини на 77–99 %, що значно більше, ніж при лікуванні Доксорубіцином. Дослідження фосфорилювання білка показали, що конститутивна активація шляху mTOR зменшилася під час лікування.^[13]

Подвійні інгібітори PI3K/AKT/mTOR

Було припущено, що блокування шляху PI3K/AKT/mTOR може призвести до підвищення протипухлинної активності в ПНРМЗ. Доклінічні дані показали, що комбінація сполук, націлених на різні споріднені молекули в шляху PI3K/AKT/mTOR, призводить до синергічної активності. На основі цих висновків продовжують розроблятися нові сполуки, які одночасно діють на різні компоненти шляху PI3K/AKT/mTOR. Наприклад, Гедатолісіб інгібує мутантні форми PI3K-α з підвищеною активністю кінази в концентраціях, еквівалентних IC50 для PI3K-α дикого типу. Ізоформи PI3K-β, -δ і -γ були інгібовані Гедатолісібом у концентраціях приблизно в 10 разів вищих, ніж ті, що спостерігалися для PI3K-α.^[13] Ще однією перевагою одночасного впливу на PI3K та mTOR є більш сильне пригнічення рецепторних тирозинкіназно-позитивних петель зворотного зв'язку, що спостерігається при ізольованому інгібуванні PI3K.^[27] Гедатолізиб знаходиться на стадії розробки для лікування ТНДКРЛ у комбінації з кон'югатом антитіло-лікарський препарат PTK7. Апітолісіб (GDC-0980) є інгібітором PI3K (субодиниці α, δ і γ), який також діє на mTORC^[28].

Ко-таргетна терапія шляху PI3K

Існують численні клітинні сигнальні шляхи, які виявляють перехресні зв'язки з шляхом PI3K, що потенційно дозволяє раковим клітинам уникати інгібування PI3K.^[29] Таким чином, інгібування шляху PI3K разом з іншими мішенями може запропонувати синергетичну реакцію, таку як та, що спостерігається при спільному інгібуванні PI3K і MEK у клітинах раку легенів.^[30] Зовсім недавно було запропоновано спільне націлювання на шлях PI3K з кіназами PIM, численні доклінічні дослідження свідчать про потенційну користь цього підходу.^[31][32] Розробка панелей клітинних ліній, які є стійкими до інгібування шляху PI3K, може призвести до ідентифікації майбутніх спільних мішеней і кращого розуміння того, які шляхи можуть компенсувати втрату сигналізації PI3K після медикаментозного лікування.^[33] Поєднання інгібування PI3K з більш традиційними методами лікування, такими як хіміотерапія, також може забезпечити кращу відповідь, ніж інгібування тільки PI3K.^[34]

Нервові стовбурові клітини (НСК)

Тип сигналізації фактора росту може впливати на те, чи диференціюються НСК у мотонейрони, чи ні. Праймування середовища FGF2 знижує активність шляху PI3K/AKT, який активує GSK3β. Це збільшує експресію HB9.^[5] Пряме інгібування PI3K у НСК призводить до популяції клітин, які є суто HB9+ і диференціюються з підвищеною ефективністю в моторні нейрони. Трансплантація цих клітин до різних частин щурів генерує моторні нейрони незалежно від мікрооточення трансплантованих клітин.^[5] Після пошкодження нервові стовбурові клітини переходять у фазу відновлення та експресують високі рівні PI3K для посилення проліферації. Це краще для виживання нейронів в цілому, але за рахунок створення рухових нейронів. Тому пошкодженим руховим нейронам може бути важко відновити свою здатність.^[5] Метою сучасних досліджень є створення нейронних стовбурових клітин, які можуть проліферувати, але все ще диференціюватися в рухові нейрони. Зниження ефекту шляху PI3K і посилення ефекту GSK3β і HB9 в НСК є потенційним способом генерації цих клітин.^[5]

Інгібітори PTEN

PTEN є супресором пухлин, який пригнічує шлях PI3K/AKT. Інгібітори PTEN, такі як Біспероксованадій^[35], можуть посилити шлях PI3K/AKT для сприяння клітинній міграції,^[36] виживанню^[37] та проліферації.^[7] Хоча існують певні занепокоєння щодо можливої порушення регуляції клітинного циклу та пухлиногенезу, тимчасове та помірне інгібування PTEN може забезпечити нейропротекторію від черепно-мозкової травми^[38] та покращити відновлення ЦНС за рахунок відновлення втрачених зв'язків шляхом аксоногенезу .^[7] Медична цінність інгібіторів PTEN ще не визначена.

Довготривале потенціювання

Для того, щоб відбулася довготривала потенціація (ДТП), необхідна стимуляція NMDA-рецепторів, що спричиняє постсинаптичну вставку AMPA-рецепторів . PI3K зв'язується з рецепторами AMPA в консервативному регіоні, щоб орієнтувати рецептори в мембрані, зокрема на субодиниці GluR.^[4] Активність PI3K підвищується у відповідь на іони кальцію та CaM . Крім того, AKT локалізує PtdIns-3P у постсинапсі, який залучає докинг-білки, такі як tSNARE і Vam7. Це безпосередньо призводить до приєднання AMPA до постсинапсу.^[4] mTOR активує p70S6K та інактивує 4EBP1, що змінює експресію генів, щоб дозволити відбутися ДТП.^[8] У щурів це вплинуло на довготривале тренування кондиціонування страху, але не вплинуло на короткострокове кондиціонування. Зокрема, було втрачено обумовлення страху мигдалини. Це тип слідового обумовлення, який є формою навчання, що вимагає асоціації умовного стимулу з безумовним стимулом. Цей ефект був втрачений при нокдауні PI3K і посилився при надмірній експресії PI3K.^[8]

Роль у розвитку мозку

Окрім описаної вище ролі в синаптичній пластичності, сигнальний шлях PI3K-AKT також відіграє важливу роль у зростанні мозку, який змінюється, коли порушується передача сигналів PI3K. Наприклад, внутрішньочерепний об'єм також асоціюється з цим шляхом, зокрема з інтронними варіантами AKT3 .^[39] Гормон щитовидної залози спочатку був визначений як основний регулятор росту мозку та когнітивних функцій, і останні дані показали, що гормон щитовидної залози справляє певний вплив на дозрівання та пластичність синапсів через PI3K.^[40]