Rapalogs Dan MTOR Inhibitor Sebagai Anti-Aging Therapeutics

Rapamycin, penghambat target mekanistik rapamycin (mTOR), memiliki dukungan eksperimental terkuat hingga saat ini sebagaipotensi terapi anti-penuaanpada mamalia. Tidak seperti banyak senyawa lain yang diklaim mempengaruhi umur panjang, rapamycin telah berulang kali diuji pada tikus berumur panjang yang heterogen secara genetik, di mana rapamycin memperpanjang rentang hidup rata-rata dan maksimum. Namun, mekanisme yang menjelaskan efek ini masih jauh dari jelas, dan daftar efek samping yang terus bertambah membuat keraguan bahwa rapamycin pada akhirnya akan bermanfaat bagi manusia. Tinjauan ini membahas prospek untuk mengembangkan yang lebih baru, lebih amanterapi anti-penuaanberdasarkan analog rapamycin (disebut rapalogs) atau pendekatan lain yang menargetkan pensinyalan mTOR.

Klik Disini Untuk Mendapatkan Info Lebih Lanjut Tentang Cistanche Untuk Perawatan Anti Penuaan

Sejarah singkat rapamycin dan mekanisme target rapamycin Rapamycin ditemukan di tanah Pulau Paskah sebagai senyawa yang diproduksi oleh Streptomyces hygroscopicus yang mampu menghambat proliferasi ragi Candida albicans tetapi tidak mempengaruhi pertumbuhan bakteri (1). Pada mamalia, rapamycin ditemukan menghambat respon imun dan kemudian diadopsi sebagai terapi standar untuk mencegah penolakan cangkok pada penerima transplantasi dan untuk mengobati gangguan autoimun (2, 3). Rapamycin juga secara luas menghambat pertumbuhan dan proliferasi sel mamalia, memacu minat yang lebih baru dalam penggunaannya sebagai terapi kanker (4). Secara mekanis, rapamycin mengikat FKBP12, suatu imunofilin dengan aktivitas prolyl isomerase. Dua protein tambahan yang diperlukan untuk efeknya pada ragi diidentifikasi dalam pemeriksaan genetik pada tahun 1991 dan disebut target rapamycin 1 (TOR1) dan TOR2 (5). Selama tahun 1994 dan 1995, tiga kelompok terpisah mengisolasi 289-kDa kinase yang terikat dan dihambat oleh kompleks rapamycin-FKBP12 dalam sel mamalia (6-8). Kinase ini sekarang dikenal sebagai target mekanistik rapamycin (mTOR) dan kira-kira 40 persen homolog dengan protein TOR Saccharomyces cerevisiae dan sangat terkonservasi di antara eukariota. mTOR ditemukan dalam dua kompleks yang memiliki fungsi berbeda dan kepekaan berbeda terhadap aksi rapamycin. mTOR kompleks 1 (mTORC1; terdiri dari mTOR, raptor, mLST8/GL, PRAS40, DEPTOR) memainkan peran kunci dalam regulasi translasi dan pertumbuhan sel melalui fosforilasi substrat yang mencakup S6 kinase (S6K) dan faktor inisiasi eukariotik protein pengikat eIF4E (4E-BP), dan berpotensi dihambat oleh rapamycin. Sebaliknya, mTORC2 (terdiri dari mTOR, Rictor, mLST8/GL, mSIN1, protor, DEPTOR) mengatur beragam rangkaian substrat, termasuk AKT S473, kinase yang diatur serum/glukokortikoid, dan PKC-, dan sangat resisten terhadap rapamycin, meskipun dapat terganggu secara fisik selama paparan kronis. mTORC menerima masukan melalui berbagai mekanisme pensinyalan dan memiliki peran dalam banyak aspek fisiologi, yang telah diulas secara mendalam (9). Secara singkat, mTORC1 merespons sinyal yang mencakup asam amino, glukosa, ligan WNT, oksigen, cAMP, dan insulin/IGF-1. Pengaturan aktivitas mTORC2 kurang jelas tetapi mungkin melibatkan interaksi dengan ribosom (10). Pensinyalan insulin/IGF-1 ke mTORC1 dimediasi sebagian oleh mTORC2 melalui fosforilasi AKT. Pada gilirannya, aktivasi mTORC1 memberi umpan balik untuk melemahkan pensinyalan insulin/IGF-1 melalui S6K1 dan GRB10 (Gambar 1 dan referensi 11).

Menghubungkan pensinyalan mTOR dengan usia Peran pensinyalan TOR dalam penuaan pertama kali terungkap pada tahun 2003 ketika Vellai dan rekannya menunjukkan bahwa RNAi terhadap let-363/ CeTor secara signifikan memperpanjang masa hidup Caenorhabditis elegans dan berfungsi secara independen dari daf{{2} }, log homo FOXO yang sebelumnya telah terbukti memengaruhi masa hidup (12). Ini dengan cepat diikuti oleh demonstrasi bahwa penghambatan genetik pensinyalan TOR memperpanjang masa hidup di Drosophila melanogaster dan ragi pemula S. cerevisiae (13, 14). Penghambatan genetik dari pensinyalan mTOR pada mamalia adalah masalah yang rumit, karena protein kinase mTOR, raptor, rictor, dan mLST8 semuanya penting untuk perkembangan (15). Baru-baru ini, kami menunjukkan bahwa tikus Mtor plus /–Mlst8 plus /– betina telah mengurangi aktivitas mTORC1 dan meningkatkan umur panjang, mirip dengan fenotipe yang dilaporkan oleh Selman dan rekannya untuk tikus yang kekurangan S6K1, salah satu substrat utama mTORC1 (16, 17 ). Oleh karena itu, hubungan antara pensinyalan mTOR dan umur panjang tampaknya dipertahankan dari ragi hingga mamalia (Tabel 1).

Efek Rapamycin pada Umur Panjang

Rapamycin memperpanjang masa hidup ragi, cacing, dan lalat (Tabel 2 dan referensi 18-21). Pada tahun 2009, rapamycin terbukti memperpanjang rentang hidup rata-rata dan maksimum tikus jantan dan betina yang heterogen secara genetik (keturunan dari persilangan empat arah antara strain inbrida yang berumur panjang) (22). Hebatnya, pengobatan tidak dimulai sampai tikus mencapai usia lanjut (20 bulan), kira-kira setara dengan usia manusia 60 tahun. Dalam studi tindak lanjut yang dimulai pada usia 9 bulan, rapamycin memperpanjang rentang hidup rata-rata pada pria dan wanita masing-masing sebesar 10 persen dan 18 persen, dan rentang hidup maksimum sebesar 16 persen dan 13 persen (23). Rapamycin adalah mikroenkapsulasi dalam lapisan enterik yang memungkinkan pengiriman dalam makanan selama penelitian ini, dan tingkat darah yang dicapai kira-kira tiga kali lipat lebih tinggi daripada kisaran terapeutik tipikal untuk imunosupresi pada manusia (24).

Gambar 1 pensinyalan mTOR. mTOR ditemukan dalam dua kompleks, mTORC1 dan mTORC2. mTORC1 diatur sebagian melalui kompleks TSC, yang biasanya bertindak sebagai protein pengaktif GTPase untuk Rheb untuk menekan pensinyalan mTORC1. mTORC1 juga diatur oleh asam amino melalui keluarga GTP binding (Rag) terkait Ras dari GTPase kecil. Protein Rag mengaktifkan mTORC1 dengan melokalisasi mTORC1 ke lisosom melalui interaksi dengan kompleks regulator (110). mTORC1 mendorong pertumbuhan dengan meningkatkan biogenesis ribosom, translasi, dan proses anabolik lainnya sambil menghambat autophagy. mTORC1 menekan pensinyalan insulin/ IGF-1 melalui pengaturan langsung Grb10 dan S6K, yang selanjutnya mengurangi pensinyalan ke mTORC2. AKT, penghambat TSC1/2, adalah salah satu dari beberapa substrat langsung mTORC2. Proses yang diregulasi oleh pensinyalan mTOR ditunjukkan dengan warna merah; yang diatur ke bawah oleh pensinyalan mTOR ditunjukkan dengan warna biru.

Studi lain juga menemukan efek positif rapamycin pada rentang hidup. Chen dkk. menemukan rapamycin itumenurunkan angka kematian pada pria lanjut usiatikus C57BL/6 (25). Anisimov dkk. menunjukkan bahwa rapamycin memperpanjang masa hidup maksimum (rata-rata masa hidup dari 10 persen terakhir yang bertahan hidup) pada tikus yang berumur pendek dan rawan tumor (FVB/N HER-2/neu transgenik) (26). Sementara penelitian ini memberikan bukti kuat bahwa rapamycin dapat bermanfaat dalam pengaturan kanker, pilihan strain membuat sulit untuk memisahkan efek antikanker dari penuaan itu sendiri. Namun, rapamycin juga memperpanjang masa hidup pada tikus 129/Sv, strain bawaan dengan masa hidup yang lebih khas dan kejadian tumor (27). Secara mengesankan, 22,9 persen tikus yang diberi perlakuan tetap hidup saat hewan kontrol terakhir mati.

Secara keseluruhan, pengamatan ini menjadikan rapamycin sebagai kandidat yang paling didukung untuk obat umur panjang mamalia. Memahami mekanisme kerjanya memiliki potensi untuk menawarkan wawasan tentang sifat proses penuaan yang mendasarinya dan dapat mengarah pada pendekatan terapeutik baru untuk meringankan beban penyakit yang berkaitan dengan usia. Namun, mekanisme yang menjelaskan efek anti-penuaan rapamycin belum jelas (Tabel 2).

Mekanisme potensial perpanjangan rentang hidup oleh rapamycin

Efek antikanker. Kanker adalah penyebab kematian paling umum pada tikus laboratorium, dan rapamycin adalah obat antikanker. Oleh karena itu, tetap ada kemungkinan bahwa perpanjangan masa hidup oleh rapamycin adalah akibat sekunder dari penekanan tumor dan tidak terkait dengan proses penuaan yang mendasarinya. Ada beberapa alasan mengapa kami tidak menyukai model ini. Pertama, percobaan awal yang menghubungkan penghambatan rapamycin dan mTOR dengan umur panjang dilakukan pada organisme yang terutama postmitotik (cacing dan lalat) atau bersel tunggal (ragi) dan karenanya tidak mengalami kanker. Kedua, rapamycin meningkatkan umur panjang maksimum, mendukung gagasan bahwa rapamycin memperlambat berbagai patologi terkait usia. Menargetkan satu penyakit seharusnya tidak secara substansial meningkatkan masa hidup individu dengan umur terpanjang dalam suatu kelompok, karena individu tertua akan berisiko sangat tinggi untuk sebagian besar atau semua penyebab kematian kecuali jika proses penuaan yang mendasarinya ditunda. Ketiga, rapamycin telah terbukti menunda beberapa perubahan terkait usia pada tikus, termasuk hilangnya fungsi sel punca (25), penurunan kognitif (28), retinopati (29), akumulasi perubahan subselular pada miokardium, degenerasi hati, hiperplasia endometrium , kekakuan tendon, dan penurunan aktivitas fisik (30). Selain itu, rapamycin adalah terapi pada model hewan pengerat dengan hipertrofi jantung (31, 32) dan penyakit neurodegeneratif (33-35), kondisi yang mempengaruhi penuaan manusia. Sementara pencegahan kanker jelas memainkan peran utama dalam manfaat bertahan hidup yang diberikan oleh rapamycin, penting untuk dipahami bahwa kanker adalah penyakit yang berkaitan dengan usia, dan pencegahannya merupakan konsekuensi yang diharapkan dari setiap terapi yang memperlambat penuaan.

Terjemahan. mTORC1, melalui S6K dan 4E-BP, memainkan peran sentral dalam pengaturan translasi, dan perlu dipertimbangkan apakah sintesis protein yang berkurang itu sendiri dapat memediasi efek rapamycin pada umur panjang. Sebagai contoh, penurunan kecepatan translasi secara keseluruhan memungkinkan kesetiaan yang lebih baik selama sintesis dan/atau menghilangkan tekanan pada mekanisme yang menurunkan protein yang salah, salah lipatan, atau rusak (36). Memang, percobaan di S. cerevisiae, C. elegans, dan D. melanogaster telah menunjukkan bahwa penghapusan atau knockdown yang dimediasi siRNA dari subunit ribosom, S6K, atau faktor inisiasi translasi menghasilkan peningkatan masa hidup dan penghapusan S6K1 memperpanjang masa hidup pada tikus betina, sedangkan penghapusan 4E-BP memblokir efek perpanjangan hidup dari pembatasan kalori (CR) pada lalat (13, 37-40).

Temuan terbaru menantang pandangan bahwa terjemahan itu sendiri adalah kunci manfaat dari penghambatan TOR/mTOR. Sementara tikus betina yang kekurangan S6K1 memperpanjang masa hidup, tidak ada efek yang terlihat pada translasi keseluruhan, setidaknya pada otot rangka (41). Selain itu, masa hidup cacing yang panjang yang tidak memiliki faktor inisiasi translasi utama masih dapat ditingkatkan lebih lanjut dengan penghapusan TOR, menyiratkan bahwa mekanisme berbeda sedang dimainkan (38). Selain itu, perpanjangan masa hidup karena penghapusan faktor inisiasi terjemahan bergantung pada daf-16, sedangkan perpanjangan masa hidup dengan menipisnya subunit TOR, S6K, atau ribosom tidak, lagi-lagi menunjuk pada keterlibatan berbagai mekanisme berbeda (12 , 37). Menariknya, mengurangi TOR menggunakan RNAi gagal memperpanjang masa hidup cacing mutan makan-2, model untuk CR, meskipun menekan tingkat sintesis protein yang sudah rendah dengan tambahan 49 persen (37). Selain itu, inaktivasi homolog cacing AMPK cukup untuk menekan perpanjangan masa hidup pada hewan yang kekurangan S6K, seolah-olah tanpa mempengaruhi translasi (16). Jelas, hubungan antara penerjemahan dan umur panjang lebih kompleks dari dugaan semula

Terjemahan mRNA tertentu dapat memengaruhi masa hidup.

Sementara hilangnya lengkap fungsi mTOR memiliki efek besar pada translasi umum, rapamycin memiliki efek yang lebih halus, kemungkinan besar karena subset dari fungsi 4E-BP resisten terhadap rapamycin (42, 43). Baik penghambatan rapamycin dan mTOR lengkap lebih suka menekan translasi mRNA dengan 5′ terminal oligo pirimidin motif, menunjukkan peran potensial gen ini dalam umur panjang (43, 44). Meskipun sintesis protein secara keseluruhan menurun, CR pada lalat secara khusus meningkatkan terjemahan subset mRNA yang memiliki 5′ UTR yang pendek dan kurang terstruktur, termasuk gen mitokondria yang dikodekan-nuklir (40). Substrat TOR 4E-BP diperlukan untuk efek ini dan untuk perpanjangan masa pakai. Pada ragi yang kekurangan subunit ribosom atau TOR, perpanjangan masa hidup penuh memerlukan peningkatan translasi dari transkrip spesifik, GCN4 (45). Ekspresi GCN4 dibatasi oleh beberapa ORF hulu yang biasanya mengasingkan ribosom yang berikatan dengan mRNA. Dalam kondisi penurunan aktivitas TOR atau kelimpahan subunit ribosom yang besar, ORF hulu lebih sering dilewati untuk memulai terjemahan ORF GCN4. Contoh-contoh ini menyoroti seluk-beluk dalam pengaturan penerjemahan yang baru mulai kita hargai.

Tabel 2 Pengaruh rapamycin pada umur panjang

Autophagy. Efek lain dari penghambatan mTOR yang telah dikaitkan dengan umur panjang adalah induksi autophagy, suatu proses di mana sel mendaur ulang protein dan organelnya. Autophagy memungkinkan sel untuk bertahan hidup dalam kondisi terbatas nutrisi dan merupakan mekanisme sentral dimana komponen yang rusak dihilangkan. Dalam kondisi kecukupan nutrisi, mTOR memfosforilasi dan menghambat autophagy-initiating kinase ULK1 (46). Inaktivasi gen yang terlibat dalam autophagy menurunkan masa hidup ragi (kronologis), C. elegans, dan Drosophila, dan promosi autophagy dalam sistem saraf lalat memperpanjang masa hidup (47-49). Selanjutnya, autophagy diperlukan untuk perpanjangan oleh rapamycin dari rentang hidup kronologis ragi (47) dan untuk perpanjangan rentang hidup oleh CR atau penghambatan genetik pensinyalan mTOR pada cacing (50).

Pada mamalia autophagy juga tampaknya memainkan peran penting dalam proses penuaan. Yang paling dramatis, induksi autophagy cukup untuk meremajakan histologi hati dan fungsi tikus tua (51). Selanjutnya, autophagy tampaknya diregulasi pada tikus CR dan memediasi beberapa efek menguntungkan dari diet CR pada jantung, hati, dan ginjal (52-54). Sel dari tikus kerdil Snell yang berumur panjang juga menunjukkan bukti peningkatan autophagy (55).Kardiomiosit idiisolasi dari mencit tua memiliki autophagy yang lebih rendah dan menunjukkan defek dalam penanganan kalsium, keduanya dikoreksi dengan paparan rapamycin ex vivo (56). Namun, peningkatan autophagy mungkin tidak selalu bermanfaat, dan memang dapat berkontribusi pada fenotip pro-penuaan tikus progeroid (57).

Menariknya, rapamycin memperbaiki blebbing nuklir dan penuaan dini dalam sel yang berasal dari pasien dengan progeria Hutchinson Gilford, sindrom penuaan dini yang langka (58). Penyakit dihasilkan dari varian lamin A yang salah eja, disebut progerin, yang terakumulasi dalam jumlah besar pada pasien dan juga terdeteksi dalam jumlah yang lebih kecil selama penuaan seluler normal (59, 60). Rapamy cin tampaknya merangsang pembersihan progerin dari sel yang sakit melalui autophagy dan dengan demikian dapat membatasi akumulasi progerin yang berkaitan dengan usia normal juga. Secara keseluruhan, regulasi autophagy yang tepat cenderung menjadi penentu penting penuaan yang sehat.

Gambar 2 Pengobatan rapamycin kronis mengganggu mTORC2. (A) In vivo, nutrisi dan faktor pertumbuhan mendorong aktivitas mTORC1 dan mTORC2, yang mendorong pertumbuhan, penuaan, dan sensitivitas insulin. (B) Pengobatan akut dengan rapamycin menghambat pensinyalan mTORC1, membatasi pertumbuhan dan meningkatkan umur panjang tanpa mengurangi sensitivitas insulin. (C) Pengobatan kronis dengan rapamycin menghambat mTORC1 dan mTORC2, membatasi pertumbuhan dan mengganggu pensinyalan insulin, tetapi meningkatkan umur panjang

Pemeliharaan sel punca. Rapamycin memiliki sejumlah efek menarik pada fungsi sel punca. Pensinyalan hiperaktif di hulu mTORC1 karena penghapusan Pten, penghapusan tuberous sclerosis 1 (Tsc1), atau aktivasi konstitutif AKT mengurangi jumlah dan kapasitas fungsional HSC (61-63). Pengobatan rapamycin dapat memulihkan kapasitas pembaruan diri yang normal dalam subpopulasi HSC tikus yang mengalami stres oksidatif tinggi secara spontan dan kapasitas fungsional yang berkurang (64). Baru-baru ini, Chen et al. mencatat bahwa aktivitas mTORC1 meningkat pada HSC yang berasal dari tikus tua, yang menampilkan defisit fungsional yang mengingatkan pada yang disebabkan oleh penghapusan Tsc1 (25). Rapamycin memulihkan kapasitas fungsional dalam HSC dari tikus tua dan meningkatkan respons kekebalan terhadap virus influenza. Rapamycin juga meningkatkan pembaharuan diri sel induk usus melalui penghambatan mTORC1 di sel Paneth yang berdekatan, serupa dengan efek yang telah diamati pada hewan CR (65). Selain itu, rapamycin meningkatkan pemrograman ulang sel somatik untuk menghasilkan sel punca pluripoten terinduksi, menunjukkan promosi umum fungsi sel punca (66). Di sisi lain, rapamycin merusak pluripotensi, mengurangi proliferasi, dan mendorong diferensiasi dalam sel punca embrionik manusia (67, 68). Pada sel induk embrio tikus, ekspresi penanda pluripotensi lebih resisten terhadap pengobatan rapamycin, namun ukuran dan proliferasi sel masih berkurang dan diferensiasi ditingkatkan (67, 69). Menariknya, rapamycin menghabiskan sel pemicu leukemia dan menghambat baik pembaharuan diri dan kapasitas diferensiasi sel punca yang berasal dari hemangioma infantil, menunjukkan efek perlindungan terhadap sel punca kanker (61, 70). Secara bersama-sama, hasil ini menunjukkan bahwa rapamycin memodulasi perilaku sel punca dan umumnya mendukung retensi "stemness" dan fenotip yang lebih muda dalam jenis sel punca dewasa yang telah dipelajari.

sebagai imunosupresan tidak boleh diabaikan dalam hal umur panjang.

Kronis,peradangan tingkat rendah adalah ciri penuaan, dan hampir setiap penyakit kronis memiliki komponen peradangan (71). Diskusi lengkap tentang efek imunologis rapamycin berada di luar cakupan Ulasan ini, dan topiknya telah dibahas di tempat lain (72). Yang penting, obat tersebut memiliki efek positif dan negatif pada imunitas bawaan dan adaptif, dengan hasil bersih yang lebih kompleks daripada supresi imun sederhana, seperti yang ditunjukkan oleh kemampuannya untuk meningkatkan imunisasi tikus tua terhadap virus influenza (25). mTORC2-mekanisme yang bergantung. Meskipun spesifisitas rapamycin yang tinggi untuk mTORC1 selama pengobatan akut, paparan kronis juga dapat menghambat mTORC2. Efek ini pertama kali diamati pada garis sel kultur tertentu (73), dan kami baru-baru ini menunjukkan bahwa itu juga terjadi secara in vivo pada banyak jaringan termasuk hati, otot, dan adiposa (lihat Gambar 2). Saat ini tidak jelas apakah penghambatan mTORC2 berperan dalam efek jangka panjang dari rapamycin. Tikus betina yang kekurangan S6K1 dan tikus betina Mtor plus /–Mlst8 plus /– seolah-olah berumur panjang karena gangguan pensinyalan mTORC1-dependent, tetapi data dari C. elegans menunjukkan bahwa penghambatan mTORC2 juga dapat meningkatkan umur panjang ( 21, 74). Menariknya, perpanjangan masa hidup dengan gangguan mTORC1 pada cacing membutuhkan kulit-1 (homolog NRF1/2 mamalia) dan daf-16 (homolog FOXO mamalia), keduanya merupakan faktor transkripsi yang mengontrol gen yang terlibat dalam pertahanan stres. Perpanjangan masa hidup oleh gangguan rapamycin atau mTORC2, bagaimanapun, hanya membutuhkan SKN-1. Konsisten dengan peran pertahanan stres umum dalam manfaat rapamycin, baik cacing maupun lalat dengan gangguan fungsi TOR tahan stres, dan induksi gen target NRF1/2 dan FOXO telah terdeteksi di hati tikus yang diobati dengan rapamycin (2 mg /kg setiap hari selama dua minggu) (20, 21).