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1 mTOR概述 mTOR（哺乳动物雷帕霉素靶蛋白)是蛋白激酶家族中新的一员，这类蛋白激酶又属于磷酯酰肌醇激酶相关激酶(PIKK)［1-3］。mTOR是在研究免疫抑制剂雷帕霉素的过程中发现的，科学家在研究中发现结构相似的免疫抑制剂FK506和雷帕霉素能够与相同的靶蛋白FKBP12 (FK506结合蛋白)结合发挥其免疫抑制作用，但是它却与FK506的免疫抑制机制不同，雷帕霉素与FKBP12结合形成的复合物不能与钙调素结合，并且雷帕霉素也不能抑制T细胞的早期激活或直接减少细胞因子的合成，它是通过不同的细胞因子受体阻断信号传导，阻断T淋巴细胞及其它细胞由G1期至S期的进程，而FK506则是抑制T淋巴细胞由G0期至G1期的增殖［4］。
由于mTOR在细胞增殖、分化、转移和存活中的重要地位，mTOR已经成为癌症治疗中的一个新靶点。mTOR抑制剂的抗癌机制都是通过首先与FKBP-12蛋白生成复合物，此复合物再与mTOR的FRB区域结合由此抑制mTOR的功能，从而抑制了下游的相关因子的功能，将肿瘤细胞阻滞于G1期(前DNA合成期)从而使肿瘤细胞的生长受抑制并最终阻滞细胞的增殖甚至使细胞凋亡。
2 mTOR抑制剂
2.1 雷帕霉素及其衍生物 雷帕霉素(Rapamycin,Sirolimus,RAPA,1)属大环内酯类抗生素，与FK506结构相似。早在1975年，从们已从吸水链霉菌(Steoptomyces hyproscopicus)的代谢产物中分离出雷帕霉素，但由于其过低的抗菌活性而遭冷遇，直至1977年由于其结构与免疫抑制剂FK506相似而被发现同样具有免疫抑制活性，但令人惊奇的是雷帕霉素与FK506却有着非常不同的免疫抑制机制，这也加深了人们对T细胞活化的理解。1989年雷帕霉素作为抗移植的排斥反应的新药进入临床，现已上市。在上世纪90年代中期，由于雷帕霉素对T淋巴细胞增殖的抑制又引导人们将其用于抗肿瘤细胞治疗，并发现其同样具有较好的抗肿瘤活性，此药作为抗癌药已由美国惠氏公司开发即将进入临床［5］。
雷帕霉素的抗肿瘤活性虽强，但它有两个严重的缺点：稳定性差及溶解性差。雷帕霉素对酸或碱都不稳定，即使在生理pH条件下雷帕霉素也会发生β-消除形成α,β-不饱和酮和发生内酯环的水解形成β-羟基酮而活性下降。所以曾有研究者尝试将内酯环附近引入较大位阻的基团以及将32位的羰基还原以阻止雷帕霉素的降解。其修饰的结果表明在1位引入烷基可以延长雷帕霉素衍生物的半衰期，并且烷基的体积增大使得雷帕霉素衍生物的稳定性增加但其FKBP结合活性也随之剧降从而使得mTOR抑制活性降低；而将32位的羰基还原成羟基对稳定性和抑制活性的影响都较小［6-7］。
雷帕霉素溶解性差的问题则导致了很难得到其盖仑制剂或口服剂型，一直以来雷帕霉素的使用都是通过非肠道给药系统。为了解决口服给药生物利用度过低的问题，研究者试图在雷帕霉素的结构上引人亲水性的基团。将16位的甲氧基的甲基脱去或者将甲氧基替换成炔氧基可以增加雷帕霉素衍生物的稳定性和生物利用度。而在40位的羟基上的修饰显然对改善雷帕霉素的理化性质更为有利。
Everolimus［Certican,RAD001,SDZ RAD,43-O-(2-hydroxethyl)-rapamycin］ Everolimus（其结构如图1所示）是Novartis公司研发的水溶性比雷帕霉素好的半合成衍生物，可以口服给药。体外免疫抑制活性比雷帕霉素低3倍，但在体内与雷帕霉素相当。作为免疫抑制剂与环孢素有协同作用，目前处于肾移植的Ⅲ期临床试验中；Evero-limus有抑制血管内皮细胞增殖的作用，已批准作为药物支架的涂层药物；Everolimus也是mTOR抑制剂，是作用于mTOR靶位的抗肿瘤药物，它能与细胞毒抗肿瘤药物联合使用，对非小细胞肺癌有实质性的效果，处在I期临床。对黑色素瘤、直肠癌、胰腺癌有作用，口服剂量2.5 mg/（kg•d）［8］。
惠氏的研究人员又从RAD001入手研究了将引人的羟乙基制成各种酯，比如水溶性聚乙二醇酯及将40位的羟基成二羟甲基丙酸酯(CCI-779) ，由此得到的衍生物不仅有与雷帕霉素相当的活性而且还具有适宜的理化性质。
CCI-779［Temsirolimus,2,2-bis-(hydroxymethyl)propionic acid C-43 rapamycinester］ CCI-779（细胞周期抑制剂-779)（其结构如图1所示）是水溶性比雷帕霉素更好的丙酸酯类衍生物，作用于mTOR靶位，是一种雷帕霉素信号通道抑制剂。几乎无免疫抑制活性，但有抗肿瘤活性，是一种延迟肿瘤增殖的非细胞毒药物。2004年8月FDA批准Wyeth的CCI-779通过快速审批通道用于晚期肾癌患者的治疗。肾癌占人类恶性肿瘤3％，发病机制不明，美国2005年肾癌新增病例36 000例，死亡约26 000例。该药物现在已完成I期临床，进入肾癌和乳癌的Ⅱ期临床，静脉注射给药。CCI-779单用或同细胞毒药物联合应用可以对抗10多种肿瘤［9］。
Ariad公司开发的AP23573(Dimethyl-phosphinic acid C-43 rapamycin ester)AP23573（其结构如图1所示）先是由计算机辅助设计出来的半合成药物，是将40位的羟基成二甲基次磷酸酯，也是mTOR抑制剂。在各种有机溶剂、不同pH水溶液、血浆和全血中都很稳定。无免疫抑制活性，但对各种癌症都有很强的作用，可单用、也可同细胞毒药物联合使用。该药由美国ARIAD公司生产，FDA快速审批通道批准用于治疗软组织和骨骼恶性肿瘤。对血液癌(白血病和淋巴瘤)和实体瘤(肉瘤、前列腺、各种胶质细胞瘤)的治疗分别处在Ⅱ期和Ⅰ期临床试验中。AP23573现为静脉注射剂型，2005年第二季度开始申请口服剂型［10］。
上述四种雷帕霉素类新的抗肿瘤靶向药物与已知的细胞毒抗肿瘤药截然不同，它们的不良反应非常轻，如轻度皮肤炎、黏膜炎和腹泻等。
2.2 吡咯并喹啉衍生物 理论上，mTOR作为PIKK家族的一员也可以被PI3K抑制剂所抑制。现有的P13K抑制剂wortmannin (5)（其结构如图2所示）及LY294002 (6)（其结构如图3所示）在研究PIKK家族在胞内信号传导中的地位有着无可估量的价值，但可惜的是它们的毒性和治疗谱窄决定了它们不可能成为抗癌药。所以研究者们又着眼于寻找其他结构类型的PI3K抑制剂。Peng等人根据wortamannin的结构设计出了吡咯并喹啉类的PI3K抑制剂，并发现这类化合物同时具有mTOR抑制活性。如化合物DK8G557(7)（其结构如图4所示）所示这类化合物都具有一个近平面的骨架以及一个高度缺电子的反应中心，此部位可以与靶蛋白的亲核基团发生Michael加成反应。进一步的构效分析表明一个带有α,β-不饱和环外双键的γ-内酯环也是mTOR抑制活性所必濡的。然而现有的化合物的检测结果也表明仅有以上这些结构特征对mTOR抑制活性仍然是不充分的，而且这类化合物与雷帕霉素类药物相比，无论mTOR抑制活性或是体外抗肿瘤细胞活性都有着巨大的差距，是否能从中发现更有价值的化合物还有待进一步的研究［11-12］。
2.3 色酮衍生物 LY294002 (6)是最早被发现有抑制P13K作用的化合物。由于mTOR的碳端与P13K有相似序列，故研究者也尝试将之用于mTOR抑制活性的研究。但LY294002作用的选择性过小，在抑制mTOR的同时也抑制了多个P13K依赖的重要信号通路造成了严重的副作用。X衍射分析表明，LY294002的吗啡啉基团的氧原子可能与T882形成氢键从而置换了P13K活性位点处的ATP。这促使研究人员针对LY294002的吗啡琳环进行改造以期提高选择性。最终Vlahos等发现以N,S,C置换氧原子都能不同程度的降低对P13K的抑制活性，其中尤以哌嗪环替代吗啡琳环得到的LY303511(其结构见图5)对P13K的抑制活性最低，而同时还保留了对mTOR的抑制活性。而对于LY294002其它部位的改造不能使P13K的抑制活性有明显下降，甚至7,8位并合一个苯环后成为了DNA-PK（DNA依赖性蛋白激酶)的抑制剂。Amold等证实LY303511同雷帕霉素一样抑制mTOR依赖性的S6K通路的激活，从而在体外阻断了A549细胞及PASM细胞的繁殖。但LY303511还可以抑制酪蛋白激酶2(CK2，一种影响G1及G2/M期进程的酶)，这说明LY303511不单纯是mTOR的抑制剂，这也解释了对雷帕霉素耐受的A549细胞却对LY303511敏感。由于P13K抑制活性的降低，LY303511只抑制细胞的繁殖而不造成细胞的凋亡，这也使LY303511的体内毒性急剧下降而具有较好的治疗指数。LY303511目前还在进行进一步的药理检测［13-14］。
2.4 α-亚甲基-γ-丁内酯类衍生物这类衍生物是受Wortxnannin的结构启发而设计的，其结构如图6所示。根据Peng的理论，Woranannin的活性来源于一个近平面的结构以及一个与丁内酯共扼的亲电的环外双键，所以Ding设计了在吲哚的氮上连接亚甲基丁内醋的结构。初步的研究表明R1对活性影响不大，R2取代有利于提高活性但取代类型的影响不大，R3为小基团更有利。目前，这类衍生物的研究工作还有限，所得的化合物的活性低于或与Wortmannin相当，并且这类化合物的选择性还有待进一步研究［15-16］。
在细胞受到刺激时而产生增殖、分裂的信号传导过程是极其复杂的，而mTOR在这一过程中占有核心的地位。在对雷帕霉素免疫抑制作用的研究过程中，人们逐渐弄清了mTOR的结构和作用机制。mTOR在被P13K,Akt/PKB活化后激活两种下游因子p70s6k和4E-BP-1的功能，从而影响了细胞周期中与G1-S转化有关的mRNAs的翻译。所以mTOR的抑制将会使细胞停留在G1期直至造成细胞的凋亡。目前，正在研究的mTOR抑制的抗癌药主要有雷帕霉素类衍生物，早期的研究多数集中于改善其理化性质，而试图提高雷帕霉素活性的结构改造都以失败告终，也许对mTOR和雷帕霉素作用机制的更深入的研究会有助于突破这一难关。另一类在研究中的小分子mTOR抑制剂是由PI3K抑制剂woranalutm及LY294002的结构为依据设计出来的，虽然这类化合物的构效关系研究还略显粗糙，但从PIKK家族寻找MTOR抑制剂的工作仍然获得了一些有希望的小分子化合物。由于小分子抑制剂在合成的容易、稳定性甚至活性等方面比雷帕霉素更优越，所以对小分子mTOR抑制剂的研究将会日益活跃。
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