作者：内蒙古医科大学第二附属医院脊柱外科高承宇
脊髓损伤（SCI）可导致严重且不可逆的神经功能缺损甚至终身瘫痪，其常见病因包括交通事故、坠落伤及重物砸伤等。SCI造成的神经系统创伤至今仍是脊柱外科的治疗难题。自噬是一种主要依赖溶酶体介导的分解代谢途径，可使功能失调的细胞成分降解以应对各种形式的压力。微管相关蛋白1轻链3Ⅱ（LC3Ⅱ）、Beclin-1和p62被认为是自噬的3种标志物，自噬通量的高低可以通过自噬标志物的水平来评估，LC3Ⅱ或LC3Ⅱ/LC3Ⅰ比值、Beclin-1增加以及p62蛋白表达减少都可以表明自噬水平上升。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）是一种
mTOR通路在SCI中的作用
对炎性反应的调节 mTOR及其下游通路可以调节SCI后神经炎性反应的发展。Wan等和Zhang等的研究发现，高迁移率族蛋白B1（HMGB1）与SCI后活化小胶质细胞表面过表达的Toll样受体4（TLR4）结合，可抑制腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）的磷酸化并激活其下游通路，促进肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白细胞介素-1（IL-1）的表达，加剧炎性反应；激活AMPK可降低mTOR磷酸化水平并增高转录因子EB（TFEB）核转位水平，以降低脊髓的损伤程度。另一方面，PI3K/Akt和丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路参与mTOR介导的炎性反应，TNF-α与其受体结合并激活下游PI3K/Akt通路，活化的小胶质细胞通过刺激PI3K/Akt/mTOR通路增加了核因子-κB（NF-κB）的表达和IL-6水平。钱列等的研究表明，急性SCI早期脑脊液中IL-6和IL-8浓度变化可在一定程度上作为判断SCI程度的指标，对手术时机的选择有一定参考价值。同时，SCI后MAPK磷酸化促进p38、c-Jun氨基末端激酶（JNK）和细胞外信号调节激酶（ERK）的磷酸化，并激活NF-κB和炎性反应。因此，抑制mTOR通路可以阻断κB抑制蛋白激酶α/β（IKKα/β）磷酸化和NF-κBp65核转位，可减少促炎因子释放。TFEB作为mTOR的下游蛋白，在炎性反应的调节中起着重要作用，在一项小鼠实验中，TFEB表达降低时，mTOR、IKKα/β和NF-κB的磷酸化水平显着增加，说明mTOR可能通过抑制TFEB促进了NF-κB的核转位以减轻炎性反应。
对自噬的调节 自噬在SCI的神经保护和再生方面起着重要作用，它经过非mTOR通路依赖途径促进自噬体聚集，增加神经细胞自噬通量，通过细胞内线粒体依赖途径减少细胞损伤与凋亡，改善SCI预后。在微RNA-421-3P（miR-421-3p）与mTOR的靶向联系中，miR-421-3p可以与mTOR的3’非翻译区（3’UTR）结合，降低荧光素酶-mTOR3’UTR构建体的活性并改善神经元自噬，由于自噬的促进和神经细胞凋亡的减少，对轴突的保护也得到提升。此外，激活AMPK/mTOR信号轴并减少mTOR刺激可促进自噬体和溶酶体的结合并提高小胶质细胞的自噬水平，小胶质细胞能清除髓鞘碎片，对SCI后残留的髓鞘进行防护并促进轴突再生。SCI后LC3B和p62表达的增高不代表自噬通量的完全激活，与自噬降解相关的溶酶体膜蛋白2（LAMP-2）在SCI后显著降低，表明SCI后自噬通量下游降解途径受损。在此情况下，通过AMPK/mTOR通路激活自噬通量仍会对小胶质细胞的极化产生影响。此外，通过激活AMPK抑制mTOR活化，抑制SCI后mTOR/P70S6K通路，致使p-AMPK、Beclin-1和LC3B水平升高，p-P70S6K和p-mTOR表达降低以及caspase-3、caspase-9和Bax蛋白水平的显著降低，这些自噬标志物的增加和凋亡标志物的减少使神经元受到更好的保护。
对细胞凋亡的调节 细胞凋亡调控随着mTOR磷酸化和上、下游因子表达而改变，SCI会影响上游因素，导致p-Akt和p-mTOR表达下调。Chen等的大鼠SCI模型研究显示，LC3和Beclin1的表达随着自噬底物p62和泛素化蛋白的积累而降低，因而自噬活性受损，随着Rheb/mTOR通路的激活，促凋亡蛋白Bax的表达下调，抗凋亡蛋白Bcl-2的表达上调，TUNEL检测示阳性神经元减少，导致自噬增加，细胞凋亡减少。另一方面，通过调节Akt/mTOR/HIF-α通路，降低Akt/mTOR磷酸化，使凋亡相关蛋白减少，可抑制运动神经元凋亡。此外，抗癌基因磷酸酶及张力蛋白同源物（PTEN）是Akt/mTOR通路的负调节剂，过表达miR-21会降低PTEN的表达并激活Akt/mTOR通路，抑制miR-21会导致SCI过程中介导的神经元凋亡的保护作用降低。因此，mir-21/PTEN/Akt/mTOR通路的激活可能会抑制神经元凋亡和炎性反应。He等的研究表明，miR-92a-3p的神经保护作用与SCI后PTEN/Akt/mTOR通路的激活呈正相关。mTOR通路的调节在神经系统疾病中尤为重要，激活Akt/mTOR和ERK/mTOR通路可促进神经轴突的生长，
mTOR通路在SCI不同阶段的状态
mTOR在SCI中的作用与SCI的阶段有密切关联。在SCI急性期，mTOR通路主要调节细胞凋亡和炎性反应；而在亚急性期和慢性期，mTOR通路调节受损神经组织的再生和胶质瘢痕的形成。
急性期 Wang等的研究显示，在急性期抑制mTOR通路能减少凋亡相关蛋白的激活从而防止神经凋亡；mTOR通路的激活可刺激mTOR与MAPK激酶1（MEK1）、ERK1/2、IKKβ、NF-κB抑制蛋白α（IκB-α）及NF-κB的协同作用，并且多种途径可增强小胶质细胞中细胞因子诱导的促炎标志物和NO合酶活性，从而加重急性期炎性反应和细胞凋亡。Xie等的研究表明，抑制mTOR可控制巨噬细胞与小胶质细胞活化并减少神经炎性反应，Cordaro等的研究也得到相同结论。
亚急性期和慢性期 在亚急性期和慢性期，胶质瘢痕的形成是神经再生的主要障碍，在SCI后慢性期的研究中发现，受损神经组织的再生也受到mTOR通路的调节，对mTOR的调控是减少瘢痕形成的关键，抑制mTOR通路可有效减少胶质瘢痕的形成，并最终对SCI产生积极影响。
神经保护和再生 在一项对神经祖细胞的研究中发现，
胶质瘢痕生成 胶质瘢痕是SCI后神经元再生和恢复的障碍。有研究表明，PI3K/Akt/mTOR的激活与胶质瘢痕的形成有密切关联。因此，抑制此通路可能会减少胶质瘢痕的形成并借此增强SCI后神经元的再生和恢复。Luan等的研究也证明，PI3K/Akt/mTOR通路表达下调可有效抑制胶质瘢痕的形成。其次，Shi等的实验表明，抑制mTOR通路可以促进自噬以减少肥厚性瘢痕的形成。在影响胶质瘢痕生成方面，雷帕霉素也是一种mTORC1敏感的变构抑制剂，可与细胞内12KDaFK506结合蛋白结合来抑制星形胶质细胞的增殖，通过调节细胞周期来抑制星形胶质细胞的增殖。此外，纤维细胞过度增殖被认为是硬膜外纤维化的主要原因。Dai等的研究表明，mTOR通路参与了SCI后成纤维细胞的增生与凋亡，且抑制mTOR通路可以抑制成纤维细胞的增殖并促进细胞凋亡和自噬。因此，mTOR信号通路对SCI后胶质瘢痕的生成有重要影响，抑制mTOR通路可能是控制胶质瘢痕形成的潜在疗法。
SCI治疗药物对mTOR通路的影响
常用药物 丙戊酸（VPA）与星形胶质细胞的分化机制有关，在一项使用诱导多能干细胞（iPSC）的研究中，VPA通过PI3K/Akt/mTOR通路增加了八聚体结合转录因子4（Oct4）启动子的活性，Oct4又可将星形胶质细胞转化成神经细胞或神经元，这表明VPA可以通过mTOR通路提高人星形胶质细胞向神经细胞的转化率。Ma等的研究发现，组蛋白脱乙酰基酶5（HDAC5）通过调节Raptor（Ser792）的磷酸化来调节mTORC1信号转导与Raptor相互作用，HDAC5活性被VPA抑制，会导致Raptor（Lys840）和Raptor（Ser792）的乙酰化增加，并导致mTORC1信号转导的抑制，使mTOR通路被抑制而减少细胞凋亡、炎性反应和胶质瘢痕形成。
自然提取或人工合成物 白藜芦醇（RE）可通过多种机制抑制自噬相关mTOR通路，它通过抑制PI3K、Akt和mTOR的磷酸化抑制了SCI后的凋亡相关基因Bax、Bcl-2和caspase-3的表达，从而抑制了损伤导致的细胞凋亡。Meng等的研究发现，RE可通过激活AMPK/mTOR通路介导的SCI后自噬来促进功能恢复并抑制神经炎性反应，且Liu等的研究发现，RE能抑制某些炎性因子的表达，如IL-1β、IL-10和TNF-α。Zhao等的研究也发现，RE可通过直接抑制mTOR/ULK1通路来增强自噬进而减少SCI后损伤。此外，RE已被证实在调节SCI后胶质瘢痕形成中起重要作用，即RE通过减少mTOR及其下游分子p70S6K的表达来抑制病理性瘢痕成纤维细胞的增殖，从而抑制胶质瘢痕的形成，促进神经元再生。白桦脂酸（BA）拥有穿越血脑屏障的能力，这使得BA在与神经系统相关的疾病研究中有了重要价值，其可通过促进自噬发挥神经保护作用。Wu等的研究中，对实验组SCI小鼠每日注射20mg/kgBA，再对小鼠进行功能行为评估、蛋白质印迹分析，并行HE和Masson染色，结果表明，BA激活了AMPK/Mtor/TFEB通路而增强了SCI中的自噬，诱导线粒体自噬并减少活性氧（ROS）积累，抑制了细胞凋亡，最终改善了SCI预后。
GypenosideXVⅡ（GP-17）是绞股蓝的主要活性成分之一。Sun等采用SCI小鼠模型对GP-17展开研究，在GP-17给药后评估SCI小鼠的运动恢复情况和组织病理学变化。结果发现，SCI后miR-21表达下调，而在GP-17给药后上调；miR-21的减少增加了神经元凋亡和炎性反应，PTEN是miR-21的作用靶点，是激活Akt/mTOR通路的关键分子，GP-17可通过miR-21下调PTEN的表达重新激活PTEN/Akt/mTOR通路。4-苯基丁酸（4-PBA）有益于内质网和蛋白质合成的稳态。Wang等通过重组人β神经生长因子（NGF）诱导的PC12细胞建立了SCI的体外模型，又使用免疫荧光、免疫印迹检测等方法证明了内质网应激抑制剂4-PBA拥有与PI3K抑制剂LY294002相似的作用，通过PI3K/Akt/mTOR通路增强自噬进而改善SCI预后。槲皮素被证明参与调节SCI中mTOR信号的转导并上调自噬。Song等和Yang等的研究表明，槲皮素能减少磷酸化p38MAPK的增加，而p38MAPK活性的抑制引起mTOR减少并导致自噬活性增加。此外，槲皮素还可通过激活PI3K/Akt/mTOR通路以增加Bcl-2蛋白表达并降低Bax蛋白表达来抑制细胞凋亡，并通过AMPK/mTOR信号通路增加自噬活性。
其他物质 维利帕尼（ABT888）为有效的多聚ADP核糖聚合酶（PARP）抑制剂。SCI导致了组织损伤和炎性反应，同时活性氧和过氧亚硝酸盐也会导致DNA损伤，而后PARP被激活。PARP的激活是一种正常生理反应，过多激活则导致细胞受损。有研究证实PARP-1抑制后通过形成靶向PI3K/Akt/mTOR信号来诱导Akt介导的细胞保护作用。Casili等的SCI动物模型研究发现，ABT888诱导的PARP-1/2抑制显著增加了PI3K的表达，而PI3K又是Akt的下游靶蛋白之一，因此促进了Akt的表达，进而对mTOR通路起到作用，减少神经细胞凋亡并促进其增殖。
施万细胞（SC）能够促进多种组织类型的修复，其在周围神经结构组成中的特殊地位和作用一直是神经领域的研究重点。Pan等的研究证实了SC衍生的外泌体（SCDEs）可通过增加自噬和减少细胞凋亡来诱导SCI后的轴突保护，还可通过下调表皮生长因子受体（EGFR）抑制Akt/mTOR通路的激活，提示其保护机制可能涉及到EGFR/Akt/mTOR通路。
总结与展望
自噬相关mTOR通路在细胞生长及多种疾病的病理生理过程中发挥着交通枢纽的作用。对mTOR通路进行干预来改变自噬状态能改善SCI预后，适当下调mTOR通路可减少神经系统疾病中的炎性反应与细胞凋亡，还可增强自噬并达到减少SCI继发性损伤的效果；上调此通路或对其过度的抑制将降低自噬通量并抑制自噬活性。mTOR在SCI中发挥的作用与损伤阶段有着密切关联，在急性期适当抑制mTOR通路可减少炎性反应和神经细胞凋亡，在急性期之后下调mTOR通路可促进轴突的再生并减慢胶质瘢痕的生成。
改善SCI预后的主要着力点是改善损伤时的微环境和促进损伤处的再生，mTOR通路作为SCI损伤过程中具有重要研究价值的通路之一，近年来的多数研究主要集中在药物或试剂对SCI模型中mTOR通路的影响。为了进一步明确自噬相关mTOR通路在SCI中的作用，当前亟待解决如下问题。首先，为进一步增加实验的精确性和有效性，应选择更加合适的载体以确保mTOR成功传递到目标；其次，在条件允许的情况下，可以增加mTOR通路在SCI中的临床研究，并评估mTOR信号通路靶向治疗的安全性和可行性；再次，在对SCI模型用药时，不但需要充分的实验准备，还需要研究者在实验过程中关注不同用药时机和用药剂量下的药效，并总结出影响mTOR通路的化合物的最佳使用方法，并最终合理运用于临床。总之，SCI的治疗仍是临床难题，mTOR信号通路在SCI中的作用需要投入更多的时间和精力去研究，mTOR通路在未来有望成为病理生理水平上改善SCI预后的突破口。
来源：脊柱外科杂志2023年4月第21卷第2期
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