前言：在这里，我们提供了一个综述，即第一类 PI3K s 在调节细胞代谢和免疫系统功能中的作用，这是与癌症生物学密切相关的两个主题。我们还讨论了开发 PI3K 靶向疗法治疗癌症和其他疾病的最新进展。
# 人类疾病中的 PI3K 通路
磷酸肌肽 3- 激酶（ PI3K ）的活性受到各种致癌基因和生长因子受体的激活，而 PI3K 信号的升高被认为是癌症的标志之一。许多 PI3K 通路的靶向疗法已经在肿瘤学的试验中进行了测试，而其结局是监管部门批准了一种用于治疗某些血癌的异构体选择性抑制剂（idelalisib）和其他各种处于不同开发阶段的药物。在癌症生物学家进行 PI3K 研究的同时，其他领域的研究也发现了 PI3K 催化和调节亚基在正常细胞功能和疾病中的令人振奋且往往无法预测的作用。其中许多功能通过影响 PI3K 靶向疗法的疗效和毒性而对肿瘤产生影响。在这里，我们提供了一个综述，即第一类 PI3K s 在调节细胞代谢和免疫系统功能中的作用，这是与癌症生物学密切相关的两个主题。我们还讨论了开发 PI3K 靶向疗法治疗癌症和其他疾病的最新进展。
# 简介
肌醇脂质的可逆性磷酸化控制着细胞中的各种功能。磷脂酰肌醇的头部基团可以在三个游离羟基上被磷酸化，形成七个不同的磷脂酰肌醇，在囊泡运输和信号转导中具有不同的作用。20 世纪 80 年代几个实验室的研究确定了，被激活的生长因子受体和肿瘤蛋白与一种磷酸化的酶有关。当时，只知道存在两种磷脂酰肌醇：磷脂酰肌醇 -4- 磷酸（PtdIns-4-P）和磷脂酰肌醇 -4,5- 双磷酸（PtdIns-4,5-P2）。1988 年，与肿瘤蛋白相关的酶活性被证明可以磷酸化肌醇环的 30- 羟基取代基，产生磷脂酰肌醇 -3- 磷酸（PtdIns-3-P），后续论文的结论表明，血小板衍生的生长因子（PDGF）刺激这种酶在平滑肌细胞中产生磷脂酰肌醇 -3,4- 二磷酸（PtdIns-3,4-P2）和磷脂酰肌醇 -3,4,5- 三磷酸（PtdIns3,4,5-P3）。这些发现导致研究人员提出，磷酸肌苷 3- 激酶（ PI3K ）活动的生物活性产物对细胞对生长因子的反应和恶性转化很重要。这一观点已被 30 年的研究所证实，表明 PI3K 信号的升高可以促进肿瘤的发生，是人类癌症的一个标志。在这一发现的推动下，药物化学工作已经产生了一个大型的 PI3K 通路抑制剂工具箱，具有不同的选择性，其中许多正在进行癌症的临床试验（表 S1）。一路走来，我们已经了解到， PI3K 传递重要的信号，并在迄今研究的几乎所有组织类型中调节各种生理过程。因此，用于治疗癌症的 PI3K 抑制剂的开发受到了剂量限制和目标不良反应的挑战，这并不奇怪。同时，针对各种癌症中常见的 PI3K 突变形式的抑制剂可以规避靶向毒性，从而获得更好的疗效 / 毒性。此外，对各种 PI3K 酶在不同细胞类型中的功能的日益完善的发现，为癌症和其他疾病的治疗干预提供了新的机会。PI3K 领域提供了一个最好的例子，说明基础研究对于理解与人类疾病相关的蛋白质家族的重要性。事实上，在模式生物中对 PI3K 遗传学的研究已经为 PI3K 酶及其脂质产物的功能提供了一些最基本的见解。第一个被克隆的 PI3K 基因是 S. cerevisiae Vps，它是酵母中空泡蛋白分选所必需的，是该生物体中唯一的 PI3K 基因。同样，人类的同源基因 hVPS34（由 PIK3C3 编码）是囊泡转运和自噬所需的。这些发现表明，30- 磷酸肌苷在进化上最保守的功能是指导细胞器之间的货物运输。在发现哺乳动物雷帕霉素靶标（mTOR；也称为雷帕霉素的机械靶标）并证明其能整合来自营养物质和 PI3K 的信号之前，在芽殖酵母中的一个优雅的化学基因组学研究策略鉴定了雷帕霉素靶标（TOR）并确立了其在营养物质感应中的作用。在另一项研究中，秀丽隐杆线虫的遗传筛选提供了 PI3K 控制代谢和衰老的第一个线索，这些结论得到了后来对小鼠 PI3K /mTOR 途径研究的支持。对果蝇的研究也揭示了该途径在细胞和器官生长控制中的关键作用，并加强了 PI3K 与首次在蠕虫中发现的 FOXO 转录因子的联系。第一次直接证明 PI3K 基因具有转化潜力的是对感染了编码活化 PI3K 催化亚单位的禽类逆转录病毒的鸡细胞的研究，尽管更早的多瘤中 T 抗原的突变研究表明， PI3K 的结合和活化对这种肿瘤蛋白的转化功能至关重要。后来的癌症基因组分析显示， PI3K 基因（最常见的是编码 p110α 的 PIK3CA 基因）的激活突变在人类肿瘤中经常发生。PI3K 基因缺失或突变的小鼠的产生，有助于划定 PI3K 异构体在哺乳动物细胞和组织中的独特和冗余功能。对免疫系统的研究充分说明了 PI3K 信号传导的复杂性。事实上，小鼠遗传模型产生的最重要的主题之一是，各种 PI3K 异构体的信号输出必须仔细平衡，以使免疫细胞正常发育，并优化对病原体的反应。根据这些临床前的观察，研究人员认识到，人类免疫缺陷可能是由某些 PI3K 编码基因的功能缺失或增益突变造成的。此外，从小鼠遗传学研究中获得的知识促成了这样一个概念：药物介导的对免疫细胞中表达的 PI3K 异构体（p110γ 和 p110δ）的抑制可以重新编程免疫系统，以更有效地打击实体瘤细胞。
在过去三十年的脂质激酶研究中积累的知识表明， PI3K 家族成员参与了异常广泛的细胞调节过程，包括细胞生长和增殖、代谢、迁移和分泌。此外， PI3K 信号传导的异常导致了同样广泛的人类疾病，如癌症、免疫学疾病、神经系统疾病、糖尿病、局部组织过度生长和心血管疾病。本综述将强调我们对 PI3K 信号网络的分子机制的最新认知和进展，特别强调了该网络对细胞代谢和免疫调节的贡献 -- 这两个复杂的过程为 PI3K 通路靶向药物的开发提供了挑战和机遇。
# PI3K 信号网络
# I 类 PI3K 酶结构及其激活
人类细胞表达三类 PI3K 酶。本综述主要讨论第一类 PI3K s、及其激活机制以及它们参与的信号网络。对于三个第二类 PI3K s（ PI3K -C2a, b, g）和一个第三类 PI3K s（hVPS34）。读者可参考最近发表的关于 II 类和 III 类 PI3K 功能的其他综述。
哺乳动物表达四种 I 类催化异构体（p110α、b、g 和 d，由 PIK3CA、PIK3CB、PIK3CG 和 PIK3CD 编码），催化 PtdIns-4,5-P2 的磷酸化，生成 PtdIns-3,4,5-P3（图 1）。这种磷脂作为第二信使，将细胞质蛋白招募到特定的质膜或内膜位置。p110α 和 p110β 蛋白是普遍表达的，而 p110γ 和 p110δ 的表达则在免疫细胞中富集。每个催化异构体与一个调节亚单位形成二聚体，调节复合物的活性和亚细胞定位（图 1）。在正常细胞中，PtdIns-3,4,5-P3 被生长因子刺激暂时诱导，并被脂质磷酸酶迅速代谢，包括肿瘤抑制因子 PTEN，它通过去除 PtdIns3,4,5-P3 中的 3‘- 磷酸终止 PI3K 信号传导。由于在 PI3K 上游的致癌信号蛋白的活性增加或 PI3K 本身的突变激活，癌细胞经常含有高量的 PtdIns-3,4,5-P3。许多癌症还表现出 PTEN 功能的丧失，它通过降低这种第二信使的周转率而提高了基础和刺激的 PtdIns-3,4,5-P3 的丰度。在一项癌症基因组测序研究的荟萃分析中，发现 PIK3CA 和 PTEN 是人类癌症中第二和第三高突变的基因。
第一类 PI3K s 的激活涉及多种上游途径，这些途径将广泛的细胞表面受体与特定的 PI3K 异构体相联系。一般来说， PI3K s 能够被受体偶联的酪氨酸激酶、小 Ras 相关 GTP 酶和异源 G 蛋白激活。每一个 I 类异构体都有一个与 Ras GTPase 超家族成员相互作用的结构域（图 1）。对于 p110α、p110γ 和 p110δ，该结构域与 Ras 或 R-ras 亚家族成员结合，而 p110β 与 Rac/cdc42 亚家族相互作用。I 类催化异构体中的三个（为 p110α、b 和 d；统称为 IA 类亚组）与调节亚基相关联，其 SH2 结构域与生长因子受体或适应蛋白如 IRS1 上的磷酸酪酰残基结合。另一个催化异构体（p110γ；称为 IB 类）与调节亚基（p101、p87）结合，这些亚基在 G 蛋白偶联受体（GPCRs）激活后介导与异源 G 蛋白的 bg 亚基结合。由于这种增加的复杂性，p110β 异构体包含一个 Gbg 结合位点，巧合的使该异构体成为 GPCR 和酪氨酸激酶信号传导的检测器。通过一个未知的机制，B 淋巴细胞中的 p110δ 被趋化因子受体激活，而这些受体是 GPCR 家族的成员。在小鼠巨噬细胞中，p110γ 可以在酪氨酸激酶以及 GPCR 的下游被激活。总之，GPCRs 和 RTKs 在与各种 I 类 PI3K s 偶联方面表现出相当大的可塑性，这一部分由细胞环境决定。
结构和生物物理研究已经阐明了不同 I 类异构体的激活机制。作为一个例子，我们将讨论 p110α 异构体及其被生理信号以及癌症相关的 PIK3CA 突变激活的情况。p110α 与五个不同的调节亚基（p85a、p55a、p50a，由 PIK3R1 编码；p85b，PIK3R2；p55g，PIK3R3）之一结合。这些亚基中的每一个都含有两个 SH2 结构域（N-SH2，C-SH2），侧面是一个被称为 SH2 间断（iSH2）结构域的卷曲螺旋区域。同时通过催化亚单位和调节亚单位进行额外的交互，使酶在基础条件下保持低活性状态。催化亚单位的螺旋、激酶和 C2 结构域与 p85-N-SH2 结构域接触；C2 结构域也与 p85-iSH2 结构域接触。调控亚单位的 SH2 结构域与磷酸酪氨酸的结合解除了这些抑制性接触，并使二聚体靠近膜，它可以获得底物并接受来自 Ras 和其他信号因子的进一步输入。
# 在癌症、免疫缺陷和组织过度生长中的 PI3K 激活突变
在人类肿瘤中已经发现了许多不同的 PIK3CA 激活性突变。两个最常见的突变 "热点" 是 H1047R 和 E542K/E545K（图 1）。H1047R 突变增强了激酶结构域与膜的相互作用，绕过了与 Ras 结合的要求。相反，E542K 和 E545K 突变破坏了与调节亚基的 N-SH2 结构域的抑制功能。其他不太常见的 PIK3CA 突变（如 N345K，C420R）破坏了 C2 结构域与 iSH2 的界面。其他 I 类 PI3K 基因的肿瘤相关突变是非常罕见的。然而，破坏调节亚单位（由 PIK3R1 和 PIK3R2 编码）的部分 iSH2 结构域的 C 端截断和缺失突变体是致癌的，经常发生在脑癌和子宫内膜癌中（图 1）。这些调节亚基变体的转化需要激活 p110α 催化异构体。
一些癌症相关的 PIK3CA 突变也可以在发育过程中发生，并导致嵌合型组织过度生长综合征、静脉畸形和与严重癫痫相关的脑畸形。全世界有 100 名患者发现了 PIK3CD 编码 p110δ 的类似激活突变（E1021K、E525K、N334K），最近还发现了影响其他结构域的不同突变。受影响的个体患有一种显性的免疫缺陷疾病，称为活化的 PI3K -delta 综合征（APDS）。致病的 PIK3CD 突变提高了 p110δ 的基础活性和膜结合，p110δ 是淋巴细胞中占优势的 I 类异构体。另一个亚组的患者怀有 PIK3R1 种系缺失，并发展成一种免疫缺陷，称为 APDS2，这是基于其与激活 PIK3CD 突变患者的综合征的临床相似性。有趣的是，APDS2 中最常见的 PI3K R1 缺失，其相对于 p85a/p110δ 复合物，选择性地增强了 p85a/p110α 复合物的基础活性。这一发现有助于解释为什么 APDS2 患者没有突变激活的 p110α 的表达相关的实体瘤风险升高。
# PI3K 的效应子
第一类 PI3K s 产生 PtdIns-3,4,5-P3 的最接近的结果是招募特定的蛋白质到膜信号复合物中。这些 PI3K 效应物的共同特性是具有对 PtdIns-3,4,5-P3 和 / 或 PtdIns-3,4-P2 有选择性的 PH 结构域。在 PI3K 效应物家族中，有一些子集具有独特的酶学或信号功能。其中包括 AGC 激酶家族的丝氨酸 / 苏氨酸激酶、TEC（肝细胞癌中表达的酪氨酸激酶）家族的酪氨酸激酶，以及小 GTP 酶活性的调节器，称为鸟嘌呤核苷酸交换因子（GEFs）和 GTP 酶激活蛋白（GAPs）（图 1）。这样一来，多种不同的下游途径可以同时被 PI3K 激活而触发。下面将讨论几个典型的例子。
与其他效应因子相比，AGC 丝氨酸 / 苏氨酸激酶的 AKT 亚家族成员（AKT1、AKT2、AKT3）似乎在受体介导的 PI3K 激活的下游更普遍地被激活。事实上，AKT 的磷酸化经常作为 I 类 PI3K 激活的替代指标。 PI3K 与 AKT 的这种紧密耦合可能是两个因素的结果。首先，AKT 激活环的磷酸化（AKT1 上的 Thr 308）能够通过一个相对简单的机制发生，其中涉及 AKT 及其上游激活激酶、磷酸肌苷依赖激酶 -1（PDK-1）在质膜上的双重招募。构成性活性 PDK-1 与 AKT 的膜共定位促进了 PDK1 介导的 AKT 磷酸化。第二，AKT 和 PDK-1 的 PH 结构域对 PtdIns3,4,5-P3 和 PtdIns-3,4-P2 都有亲和力。后一种脂质可由 SHIP-1 和 SHIP-2 从 PtdIns-3,4,5-P3 产生（图 1），其丰度在 PtdIns-3,4,5-P3 到达瞬时峰值后仍然维持一定水平，并可能促进 AKT 在内膜的激活。
尽管 AKT 在 Thr 308 上的磷酸化对于介导许多下游事件来说既是必要的也是足够的，但其他的磷酸化位点控制着底物的选择性、稳定性以及可能的亚细胞定位；这种修饰能够加强 AKT 的最大活性，并且似乎对包括叉头框、O 亚组（FOXO）转录因子等相关转录因子十分重要。然而，mTORC2 被激活以磷酸化 AKT 的机制尚未完全阐明。
AKT 使许多参与细胞增殖、代谢、生存和运动的底物磷酸化。而促进膜定位的 PH 结构域的突变在癌症中经常发生（例如，4%-8% 的乳腺癌患者中的 AKT1-E17K），说明 AKT 是致癌信号中重要的 PI3K 效应器的观点。值得注意的是，AKT 在 PI3K 下游的生长因子信号传导中起着进化上保守的作用。在秀丽隐杆线虫中，两个 AKT 直系亲属在胰岛素受体同源物（DAF2）和 PI3K （AGE1）的下游发挥作用，抑制 DAF-16 的活性，DAF-16 是一个与人类 FOXO 蛋白同源的转录因子。同样的，哺乳动物细胞中对胰岛素的反应涉及 AKT 介导的 FOXO 依赖性转录的失活。
TEC 家族酪氨酸激酶是淋巴细胞中关键的 PI3K 效应器。BTK、ITK 和 TEC 都具有 PH 结构域，对 PtdIns-3,4,5-P3 有很好的选择性。其中一个关键的功能是使磷脂酶 C 磷酸化，以促进 PtdIns-4,5-P2 的水解。尽管在果蝇中存在一个 TEC 同源物（Tec29），但该激酶家族在脊椎动物中的扩展和在淋巴细胞中的突出表达与其在适应性免疫中的关键作用是一致的。事实上，缺乏 BTK 基因或有 BTK PH 结构域的突变的人类，其 B 细胞发育严重受阻，同时不能产生抗体，这种遗传性免疫缺陷被称为 X 连锁无 γ 球蛋白血症。 PI3K 和 BTK 在 B 细胞中的功能有很强的联系，首先通过对小鼠的基因敲除研究表明，Pik3r1 或 Pik3cd 的缺失导致 B 细胞发育和生存的缺陷与缺乏 BTK 的小鼠类似。最近，BTK 的药物抑制剂（ibrutinib；Imbruvica 和 acalabrutinib）和 p110δ 抑制剂（idelalisib；Zydelig）在癌症的临床活性上显示出强烈的趋同性，都在成熟 B 细胞的恶性肿瘤中反应最好。
包括 BTK 在内的 TEC 家族激酶在各种白细胞亚群（肥大细胞、巨噬细胞）中表达，它们在 Fc 受体的下游发挥作用。对这些功能的发现使人们认识到，BTK 抑制剂通过破坏巨噬细胞的肿瘤促进作用，在实体瘤中具有潜在的效用。
Rho/Rac/cdc42 家族 GTP 酶的 GEFs 不太受重视，但仍是 I 类 PI3K 信号的关键效应物。这些小 GTP 酶受许多 GEFs 的调节，其中只有一部分带有 PH 结构，对 PtdIns-3,4,5-P3 具有选择性。在中性粒细胞中，P-Rex1 是一个信号整合器，由异源三聚体 G 蛋白的 bg 亚单位和 p110γ 产生的 PtdIns-3,4,5-P3 激活。P-Rex1 刺激涉及 RhoG 和 Rac 的 GTP 酶级联，导致 NADPH 氧化酶的激活以及中性粒细胞迁移（图 1）。在癌细胞和生长因子刺激的成纤维细胞中， PI3K 的激活驱动 Rac 介导的肌动蛋白重组。除了调节细胞形态和运动外，这种 PI3K /Rac 信号轴通过从肌动蛋白丝中释放醛缩酶来驱动糖酵解通量的增加。
我们在本节中要讨论的最后一个 PI3K 效应器是 mTOR。这种丝氨酸 - 苏氨酸激酶形成两个细胞复合体，称为 mTORC1 和 mTORC2，具有不同的亚单位组成和底物选择性（图 2）。除了 AKT-Ser473，mTORC2 的既定底物包括血清和糖皮质激素调节的激酶（SGKs）和蛋白激酶 C（PKC）异构体中的类似位点。mTORC1 的活性可以通过 PI3K /AKT、RAS/ERK 和其他途径的有丝分裂信号来增加，但也需要通过营养感应途径传递的协调信号。因此，mTORC1 代表了一个关键的信号节点，它协调合成代谢和细胞质量积累与生长因子受体的刺激的营养供应。
雷帕霉素是一种来自细菌的产物，它与细胞内的 FKBP12 结合，从而产生一种复合物，在一个异生位点与 mTORC1 结合，称为 FKBP12- 雷帕霉素结合（FRB）域。重要的是，尽管雷帕霉素对 mTORC1 具有极强的选择性，但这种药物对不同的 mTORC1 底物的磷酸化有不同的影响（图 2）。ATP 竞争性 mTOR 激酶抑制剂（TORKi）可完全抑制 mTORC1 和 mTORC2 的激酶活性，而不影响复合物的完整性（图 2）。雷帕霉素和 TORKi 的比较为了解 mTOR 复合物及其底物的功能提供了宝贵的见解。
mTORC1 的直接底物 S6 激酶 -1（S6K1）通过增加糖酵解和蛋白质、脂质和核苷酸的生物合成来促进代谢重编程（图 2）。mTORC1 还启动了对生长因子受体信号的强大负反馈调节，如抑制 mTORC1 或 S6K1 并导致 PI3K 、AKT 和 ERK 途径的激活升高。S6K1 对雷帕霉素的抑制高度敏感，S6K1 介导的负反馈的破坏可能导致雷帕霉素及其衍生物（称为雷帕克）在癌症中的疗效有限。
真核启动因子 -4E（eIF4E）结合蛋白（4EBPs）是控制细胞增殖和生存的关键 mTORC1 底物。mTORC1 对 4E-BPs 的磷酸化抑制了它们与 eIF4E 的结合，使后者与 eIF4G 和 eIF4A 组装在一起，形成活跃的、与帽结合的翻译起始复合物，即 eIF4F。在依赖帽的 mRNA 转录物中，那些对 eIF4F 活性下降更敏感的转录物富含细胞周期和生存因子。药理学和遗传学研究已经验证了 eIF4F 是一个致癌节点，也是癌细胞中的可靶向弱点。重要的是，4E-BP 磷酸化被 TORKi 抑制的程度比被雷帕霉素抑制的程度大（图 2），因此 TORKi 对翻译启动的抑制更有力，并有助于这些药物更好的抑制细胞生长和增殖。
# 细胞和生物体代谢中的 PI3K 途径
PI3K 信号在多细胞生物中进化保守，是对外部生长线索的一种反应机制。在哺乳动物中， PI3K 信号在无数生长因子受体的下游被激活，包括驱动增殖和迁移的 PDGF 受体（PDGFR）和表皮生长因子受体（EGFR）；刺激生长和生存的胰岛素样生长因子受体（IGFR）；和调节代谢平衡的胰岛素受体（INSR）。为了协调对细胞外信号的反应， PI3K 的效应器需要改变细胞的多个方面，例如，驱动细胞周期进展的信号也产生了对代谢程序的增加需求，以产生能量和大分子合成，支持细胞生长和有丝分裂。为了满足这些生物合成的要求， PI3K /AKT/mTOR 网络必须协调宿主细胞中一系列复杂的代谢反应。
在生长因子的刺激下，受体酪氨酸激酶会发生构象变化，使它们能够自体磷酸化并变得活跃。胰岛素受体自体磷酸化会招募胰岛素受体底物（IRS）蛋白，胰岛素受体底物在几个位点上进行磷酸化，为 p85 的 SH2 结构域产生一个最佳的结合构象。
胰岛素驱动的 PI3K 信号在肌肉和脂肪细胞中的直接影响是葡萄糖摄取量的增加，这可归因于葡萄糖转运体向膜的转移增强，以及编码这些转运体的基因的转录和翻译增加。在肌肉和脂肪组织中，AKT2 是磷酸化和抑制 RabGAP（AS160）功能的主要异构体，它允许含有葡萄糖转运体 GLUT4 的胞内囊泡迁移到质膜上。这一系列事件导致在血清胰岛素升高的几分钟内，这些组织对葡萄糖的摄取增强。其他组织则依靠胰岛素或 IGF1 依赖的 GLUT1 或其他葡萄糖转运体的转录和翻译来增加葡萄糖的摄取，这一过程要慢得多。 PI3K 信号也与 GLUT1 向细胞膜的转移有关；然而，这种转移机制还没有被完全阐明。由于 GLUT1 是许多癌症的主要葡萄糖转运体，当肿瘤学家试图将调节癌细胞的代谢作为一种治疗策略时，了解 PI3K 如何促进 GLUT1 的转位可能具有临床意义。 PI3K 信号通过多种机制控制 GLUT1 的转录，包括激活 mTORC1，间接提高 HIF1a 和 c-Myc 的表达，这些转录因子驱动参与葡萄糖代谢的基因表达，包括 SLC2A1- 编码的 GLUT1。AKT 还可以通过磷酸化适应蛋白 TXNIP，减少葡萄糖转运体 GLUT1 和 GLUT4 的内吞来快速刺激葡萄糖的摄取。
AKT 还通过磷酸化己糖激酶 2 以促进其与线粒体膜上电压依赖性阴离子通道的结合，并通过激活 PFKFB2，生成 PFK1 的别构激活剂 2,6- 二磷酸果糖，间接地增强葡萄糖代谢。 PI3K 和 AKT 通过激活 mTORC1 调节细胞代谢的其他方面。mTORC1 对 S6K1/2 的激活和对 4EBP1 的抑制（图 2）驱动合成代谢过程，包括蛋白质和核苷酸的合成，以及编码糖酵解和磷酸戊糖途径的基因的转录激活。 PI3K /AKT 和 mTORC1 都通过激活 SREBP1 和 SREBP2 转录因子来促进脂质的合成。
各种负反馈回路已经进化到维持 PI3K /mTOR 信号通路的平衡，以确保细胞在能量胁迫或营养饥饿的条件下不试图继续生长，并保护多细胞生物体的局部组织不过度生长。例如，当 mTORC1 高度活跃时，它会磷酸化并稳定适应蛋白 GRB10，GRB10 结合并下调胰岛素受体。而 GRB10 基因的变异与 2 型糖尿病有关。PI3K 的活性还启动了与 AKT 无关的信号级联，以影响细胞的代谢。在一项研究中，Juvekar 等人研究了 PI3K 抑制剂影响 BRCA1/TP53 突变体肿瘤进展的机制，证明核糖和一系列糖酵解中间产物的合成在 PI3K 抑制下受到抑制，而 AKT 抑制剂对此的影响较小。这一结果取决于由 PI3K 依赖的 Rac 激活和随之而来的细胞骨架重塑所介导的醛缩酶从 F-actin 微丝中释放。醛缩酶依赖的甘油 -3- 磷酸的增加为通过非氧化性磷酸戊糖途径增加核糖合成提供了机制，使细胞能够生成细胞生长和增殖所需的 RNA 和 DNA。因此，由 PI3K -Rac 轴驱动的细胞骨架重塑不仅驱动了细胞运动，而且还驱动了生长因子受体下游的代谢重编程。最近发现的 NT5C 是一种新的 AKT 底物，在细胞骨架重塑中起着通过与 ARP2/3 相互作用而介导的作用，这进一步强调了 PI3K 信号在影响细胞骨架重塑中的作用。
p110α 介导大多数组织对胰岛素和 IGF1 的反应，并在整个发育过程中驱动组织生长和维持葡萄糖平衡。对小鼠的早期研究表明，编码 IA 类调节亚单位（Pik3r1 和 Pik3r2，编码 p85a 和 p85b）或 p110 催化亚单位（Pik3ca，编码 p110α）的基因在肌肉和肝脏的胰岛素反应中起着复杂的作用。这些研究显示，心脏和骨骼肌的胰岛素依赖性生长是由 p110α 介导的。这些数据共同表明，p85 调节亚基在胰岛素信号传导中具有功能的两面性，因为 p85 对 p110 的稳定性和功能是必需的，但在某些组织中，含量超过 p110 时，会抑制胰岛素信号传导。p85 亚单位对胰岛素信号的抑制似乎是通过多种机制发生的，包括通过对 IRS-1 的封存以及激活 PTEN 和 JNK。
保持复杂的 PI3K -AKT-mTOR 网络的平衡是防止细胞异常增殖和维持葡萄糖平衡的关键。PIK3CA 以及 PI3K -AKT-mTOR 途径中的其他基因的零星激活性突变的有害影响强调了这一点，这些突变在早期胚胎发育过程中出现，产生了包括 CLOVES（先天性脂肪瘤过度生长、血管畸形和表皮痣）在内的嵌合型组织过度生长综合征，如下所述。反之，影响 p85a 的 C-SH2 结构域的抑制性点突变（主要是 R649W；图 1）导致一种显性生长缺陷，即 SHORT（身材矮小、关节过度伸展、眼部凹陷、Rieger 异常和出牙延迟）综合征。除了发育异常和身材矮小外，这些患者还具有 1 型糖尿病的特征：虽然没有胰岛素分泌或胰岛素受体的缺陷，但由于胰岛素激活 PI3K 的能力受损。虽然这方面的基本机制尚未确定；然而，这些患者的严重表型与早期完全 p85a 缺失的小鼠模型形成对比，后者显示了胰岛素敏感性的增加，突出了我们对该信号网络复杂性的不完全了解。具有这些表型的病人的存在证实了 IR/IGFR1 下游的 PI3K 信号对于调节代谢以及控制细胞生长和增殖的关键作用。
导致胰岛素 / PI3K 信号失调的改变在机体层面上导致了高度复杂的病变。在正常情况下，血糖的增加（通常来自饮食）将诱导胰腺释放胰岛素，从而向肌肉和脂肪发出信号，使其吸收更多的葡萄糖，并向肝脏发出信号，抑制葡萄糖的释放，直到系统恢复到平衡状态。如果这一途径受到干扰，就像胰岛素抵抗患者的情况一样，由此产生的持续高血糖会导致严重的多器官病变，甚至死亡。肥胖通常是由食物摄入过多引起的，并经常导致胰岛素抵抗，并与其他一系列与癌症风险增加相关的代谢变化有关。然而，很难在肥胖发生的多种并发变化中的任何一种之间建立直接联系，因为其中许多变化（炎症增加、高胰岛素血症和激素信号的变化）已被证明可以促进癌症。虽然过度的 PI3K 信号是癌细胞的标志，但肝脏和肌肉中的 PI3K 信号太少会导致胰岛素抵抗和 2 型糖尿病。在分子水平上了解 PI3K 信号如何在肿瘤中维持，以及肌肉和肝脏中的 PI3K 信号抑制（胰岛素抵抗），可以促进开发新的疗法，针对肿瘤中 PI3K / 胰岛素信号的失调而不破坏正常组织，例如开发专门针对致癌蛋白突变异构体的药物（如 p110α 的突变体 H1047R），从而绕开对维持正常平衡至关重要的内源性信号分子。
针对 PI3K 或 AKT 进行癌症治疗的一个关键考虑因素是如何管理对全身代谢的靶向毒性。在人类癌症中最常发生突变的 PI3K 基因，即 PIK3CA，也是编码 PI3K 异构体（p110α）的基因，该基因在肌肉、肝脏和脂肪中介导胰岛素反应。由于大多数已进入临床试验的实体瘤 p110α 抑制剂在治疗剂量下同时抑制突变型和野生型 p110α，这些药物会诱发急性胰岛素抵抗，导致严重的高血糖症，而高血糖症又会导致严重的高胰岛素血症。在表达 IR 的肿瘤中，这种系统性反馈可能发挥重要作用，限制这些化合物的治疗效果（图 3），特别是在已经有胰岛素抵抗的患者中。在临床上，用 PI3K 抑制剂长期治疗引起的长期高血糖通常用双胍类药物来处理，这些药物可以增加全身胰岛素敏感性，降低基础血糖和胰岛素水平，尽管全身胰岛素通常仍然升高，并可能影响 PI3K 抑制剂的治疗反应。展望未来， PI3K 靶向疗法的临床成功可能取决于识别这些化合物的全身代谢影响不会抑制疗效的患者群体 -- 也许是那些肿瘤不表达 IR/IGFR 的患者，或者通过饮食和药物组合实施限制高胰岛素血症的新方法。另外，对突变型与野生型 PI3K 有更高选择性的药物可以规避这种系统性反馈。这两种方法都有望减少由于抑制 PI3K 信号级联的化合物的靶向效应而发生的高血糖和系统性代谢紊乱。
图二
# PI3K 在固有和特异性免疫中的作用
# 一般概念
脊椎动物的宿主防御是由分泌蛋白（包括抗体、补体、抗微生物肽）和具有不同功能的各种白细胞介导的。免疫系统的每种细胞类型都表达受体，这些受体部分地通过激活 I 类 PI3K s 而引起细胞反应。值得注意的是，对白细胞中 PI3K 信号的研究发现了一些与其他细胞系统的重要区别。一个核心区别是 p110γ 和 p110δ 是主要的 I 类异构体，在受体激活后产生 PtdIns-3,4,5-P3。p110α 和 p110β 在免疫细胞中表达，但其作用受到限制。第二个明显的特点是，与生长因子受体信号不同，白细胞中的 PI3K 激活并不总是一个 "开关"，促进更强大的免疫反应。根据受体、细胞类型和 PI3K 激活的程度，这一途径可以激活或抑制反应，或偏离细胞分化的命运。第三个关键区别是 PtdIns-3,4,5-P3 产生的下游信号级联的连接。例如，对于一些淋巴细胞的反应，TEC 家族激酶似乎比 AKT 在 PI3K 信号输出中发挥更大的作用，而 mTORC1 比 PI3K /AKT 活性更依赖于营养输入。在考虑 PI3K -mTOR 途径抑制剂对免疫系统的作用的时候，这些区别都有重要意义。在进一步阐述 PI3K 信号在白细胞中的复杂性之前，我们将总结一下宿主防御和肿瘤免疫中的一些一般概念。
免疫反应一般分为两大类，即固有免疫和特异性免疫。固有免疫系统的细胞提供第一道防线，通过具有不变配体特异性的受体迅速发挥作用，但对病原体缺乏特异性或记忆。特异性免疫系统涉及不同的淋巴细胞克隆（T 和 B 细胞），每个克隆都有独特的抗原受体；克隆的扩展和分化提供了延迟但强大的抗原特异性免疫力，可以持续一生。特异性免疫需要先天性免疫细胞，通常是树突状细胞（DCs），被病原体相关的分子模式激活，诱导 DCs 迁移到淋巴结，在那里它们提呈抗原并为 T 细胞提供刺激作用。反过来，淋巴细胞分化并产生因子（细胞因子和抗体），加强先天免疫细胞和补体蛋白对病原体的破坏。除了克隆多样的 T 和 B 细胞外，还存在多种具有先天免疫细胞特性的淋巴细胞亚群，包括自然杀伤（NK）细胞、gd T 细胞、B-1 B 细胞和先天淋巴细胞（ILCs）。相反的，肥大细胞通常被归类为先天免疫细胞，然而这些细胞会被不同的抗原激活脱颗粒，并被细胞表面结合的 IgE 抗体识别。
虽然脊椎动物免疫系统的主要作用是检测和消灭病原体，但先天性和适应性武器也能保护人们免受癌症的伤害。细胞毒性 T 细胞可以识别并杀死呈现 I 类主要组织相容性复合体（MHC）分子上的新抗原肽的肿瘤细胞。NK 细胞可以杀死下调 I 类 MHC 和 / 或上调应激配体的肿瘤细胞或涂有与细胞表面肿瘤抗原结合的抗体的肿瘤细胞。来自小鼠和人类的大量证据表明，内在的或药物引起的免疫抑制会增加癌症的发病率。此外，抗癌免疫反应对异质性肿瘤细胞施加选择压力，这一过程被称为免疫编辑，这样，在肿瘤演化过程中，能够逃避先天和 / 或适应性免疫反应的细胞被选中。逃避机制包括肿瘤抗原的丧失、检查点受体配体的表达、抑制性细胞因子的分泌、营养物质的封存、各种免疫调节细胞类型的招募，以及物理屏障的建立。近年来，出现了多种策略来提高免疫系统检测和摧毁肿瘤细胞的能力。一些免疫疗法已被批准用于广泛的癌症治疗，还有许多正在进行临床试验。为了扩大和深化临床反应，人们对将免疫疗法与小分子靶向药物相结合产生了相当大的兴趣。因此，确定 PI3K -mTOR 通路抑制剂对免疫细胞亚群的影响，对于设计有效的癌症治疗组合和扩大这些药物在免疫性疾病中的应用至关重要。
图三
# 固有免疫中的 PI3K
炎症是先天免疫系统对病原体检测的直接反应。感染组织中的巨噬细胞产生趋化因子，加上补体片段 C3a 和 C5a，并通过增加局部血管的通透性并吸引中性粒细胞。常驻的巨噬细胞和浸润的中性粒细胞都通过各种细胞表面受体吞噬细菌。中性粒细胞激活细胞内的 NADPH 氧化酶，产生活性氧（ROS）以杀死吞噬的细菌。这些过程都需要 I 类 PI3K 的激活。
大多数化学引诱剂结合 G- 蛋白偶联受体（GPCRs），激活 p110γ。PtdIns-3,4,5-P3 招募鸟嘌呤核苷酸交换因子 p-Rex-1 以激活 Rho 和 Rac GTP 酶的 G 蛋白级联，导致细胞骨架重塑和 ROS 产生。有证据表明，p110γ 的失活会抑制这些反应，这使得最初开发 p110γ 抑制剂治疗炎症性疾病变成一个热门。然而，最初发现高选择性化合物的挑战和对维持宿主防御的担忧减缓了 p110γ 抑制剂在这个治疗领域的进展。相反的，令人振奋的证据表明，p110γ 抑制剂可以重新规划肿瘤中的免疫环境（下文讨论），并推动了选择性 p110γ 抑制剂（IPI549）与免疫疗法相结合的癌症临床试验。鉴于 p110γ 在中性粒细胞中的关键功能，仔细监测参加 p110γ 抑制剂试验的癌症患者的细菌感染频率十分重要。
p110δ 和 p110β 的催化异构体也有助于促进炎症的细胞反应。在人类中性粒细胞中 GPCR 触发 p110γ 后，需要随后激活 p110δ 来维持 NADPH 氧化酶的活性。p110δ 和 p110β 都调节中性粒细胞和巨噬细胞在细胞外基质上的扩散以及对 IgG-opsonized 颗粒的吞噬。p110β 在中性粒细胞识别固定的免疫复合物产生的 ROS 中起主导作用，p110β 缺陷的小鼠对免疫复合物介导的体内炎症有抵抗力。在小胶质细胞中，p110δ 被表达，并且需要在葡萄糖剥夺和恢复时释放 TNFa，这是缺血性中风的体外相关因素。在缺血和再灌注的体内小鼠模型中，选择性地抑制 p110δ 可以减少脑损伤，改善神经系统的结局。还有证据表明，p110δ 的抑制在慢性阻塞性肺病的小鼠模型中是有效的，一种 p110δ 抑制剂（GSK2269557）的临床试验正在该疾病中进行。
先天免疫细胞识别病原体相关分子模式（PAMPs）的一个进化保守的机制是通过 Toll 样受体（TLRs）。TLR 参与激活 NFkB 和干扰素调节因子，诱导免疫反应所需的转录变化。TLR 还增强 PI3K -mTOR 途径的活性，在不同的 TLR 信号传导背景下，会产生积极或消极的调节后果。在由 TLR7 和 TLR9 在浆细胞中引发的先天性抗病毒反应中， PI3K -mTOR 途径对 I 型干扰素（IFNa 和 IFNb）的产生有重要的积极作用。p110δ 或 mTORC1 的选择性抑制剂抑制了 I 型 IFN 的产生，S6Ks 和 4E-BPs 都被牵涉到这个过程中。尽管有这些发现，目前还不清楚接受 PI3K 或 mTOR 抑制剂治疗的人类患者在病毒诱导的干扰素产生方面是否有特定的障碍。
细菌细胞壁成分的固有受体包括 TLR2 和 TLR4；TLR5 识别保守的鞭毛蛋白复合物。这些 TLRs 与骨髓细胞（巨噬细胞、单核细胞和传统的 DCs）的结合促进了促炎症细胞因子的产生，如 IL-1、TNFa 和 IL-12，这些细胞因子被抗炎产品的产生所平衡，如 IL-10。有趣的是，在许多情况下，TLRs 激活 PI3K -mTOR 途径的作用是减轻炎症反应。因此， PI3K -mTOR 通路抑制剂对小鼠和人类骨髓细胞的处理增加了编码炎症细胞因子的基因转录，减少了 IL-10 的产生，并增强了它们对 T 细胞的培养能力。 PI3K -mTOR 途径拮抗 TLR 信号，部分是通过促进 STAT3 活性，同时抑制促炎症的 NFkB 介导的转录程序。此外，p110δ 通过促进 TLR4 的内化和适应蛋白 TIRAP 的解离，在 LPS 反应中具有特异性作用。有趣的是，在缺乏 TSC2 的巨噬细胞中，mTORC1 信号的过度激活抑制了 NFkB 功能，并驱动代谢重编程、导致细胞失去静止状态和巨噬细胞增殖，进一步导致肉芽肿的形成。PI3K -mTOR 通路抑制剂的促炎作用有几个重要意义。首先，它很可能促成了雷帕霉素或雷帕络治疗的常见长期副作用，即粘膜炎和肺炎。粘膜炎也是 TORKi 化合物（表 S1）AZD2014 和 CC-223 的主要剂量限制性毒性之一，并且在 TAK228 的 I 期试验中经常发生。泛 PI3K 抑制剂 buparlisib（BKM120）和 PI3K /mTOR 双重抑制剂 BEZ235 的 I 期研究中报告了黏膜炎的副作用。p110δ 抑制剂 idelalisib 与下文讨论的自身免疫性结肠炎有关，但也与肺部和肝脏炎症有关，这可能是由于先天性免疫刺激增加引起的。因此， PI3K -mTOR 通路抑制剂的临床应用的一个主要障碍是炎症的发生。
另一方面， PI3K -mTOR 通路抑制剂的促炎症潜力对癌症的免疫治疗有潜在的优势。许多实体瘤都有肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）的常驻群体，几种肿瘤类型中的促炎症基因表达谱（高 IL-12、干扰素 -g）与患者生存期延长相关。 PI3K 催化异构体 p110γ 在 TAMs 中大量表达，并促进以表达 IL-10 和 TGFb 作为特征的更具免疫抑制性的表型，并与 TAMs 中 p110γ 高表达相关的基因表达特征与患者的生存率降低有关。值得注意的是，对 p110γ 的遗传或药物抑制在几个小鼠模型中延迟了肿瘤生长，并刺激了抗肿瘤 T 细胞反应，增强了免疫检查点阻断的疗效。在一项单独的胰腺癌研究中，p110γ 的抑制通过增强 CD8 T 细胞反应和减少肿瘤细胞侵袭和这种疾病特有的保护性纤维化（称为脱髓鞘）来应对肿瘤的发展。应该强调的是，p110γ 异构体在大多数实体瘤中不表达，采用过继转移研究证实了 p110γ 在肿瘤免疫抑制中的 TAM 免疫抑制作用。因此，抑制 p110γ 的抗肿瘤作用完全是通过重新规划免疫微环境发生的。另一个重点是，p110γ 抑制的抗肿瘤作用相对较小，但与免疫检查点阻断相结合时，其抗肿瘤作用更为显著。PI3K -mTOR 途径抑制剂的促炎作用对癌症控制具有潜在的效用的另一种情况是开发基于 DC 的肿瘤疫苗。在杀伤肿瘤细胞的情况下用鞭毛蛋白刺激小鼠 DC， PI3K 抑制剂抑制了 IL-10 和 TGFb 的产生，同时保留或增强了 IL-12 的释放。在肿瘤疫苗模型中，经 PI3K 抑制剂处理的 DCs 的增强了抗肿瘤效果，并促进了分泌炎症细胞因子 IFNg 和 IL-17 的效应 T 细胞的扩张。mTORC2 可能在 PI3K 下游的 DC 功能编程中发挥关键作用，因为将 Rictor 缺陷的 DCs 注射到 B16 黑色素瘤肿瘤中刺激了 T 细胞反应，减缓了肿瘤的生长。
图四
# 适应性免疫中的 PI3K
适应性免疫系统对抗原特异性免疫反应以及对病原体和疫苗的免疫记忆非常重要。此外，抗肿瘤与免疫抑制淋巴细胞亚群的平衡是肿瘤进展和对免疫疗法反应的一个关键因素。I 类 PI3K 信号由 T 和 B 细胞表达的抗原受体以及其他输入物（包括成本刺激分子和细胞因子受体）激活。一些全面的综述已经详细介绍了 PI3K 信号如何被不同的受体参与调节各种淋巴细胞反应，以及 PI3K 异构体的遗传缺陷或过度活动如何导致免疫缺陷。mTORC1 和 mTORC2 在效应淋巴细胞的代谢编程和分化中的作用是另一个已经被全面研究的话题。在这里，我们将强调和讨论淋巴细胞中 PI3K 信号网络的不同分支。其中一些差异有助于解释 p110δ 靶向抑制剂对 B 细胞肿瘤的显著疗效，以及雷帕霉素的免疫抑制机制。
TEC 家族蛋白 BTK、ITK 和 TEC 在 T 和 B 细胞中抗原受体下游的 PI3K 信号反应中具有关键作用（图 1B）。这些酪氨酸激酶拥有一个 PH 结构域，用于 PtdIns-3,4,5-P3 依赖性的膜招募，同时还有 SH2 和 SH3 结构域用于蛋白 - 蛋白相互作用。在 B 细胞中，抗原受体（B 细胞受体；BCR）和共受体（CD19/CD21/CD81）的参与触发了信号结构域的形成，也被称为信号体，驱动磷脂酶 Cg 的激活，导致二酰甘油和肌醇三磷酸的产生。这些第二信使最终触发了 Ca2+ 动员和 NFkB 以及 Ras-Raf-Mek-Erk 途径的激活。在 BCR 信号组内，BTK 和 PI3K p85a/p110δ 二聚体是最大信号输出的必要条件，这一点可以通过 Ca2+ 通量、IkB 降解和 Erk 磷酸化来衡量。值得注意的是，抑制 BTK 可以减少 B 细胞中的 PI3K 信号输出，支持 PI3K 和 BTK 在信号体中合作而不是以简单的线性方式运行的概念。BTK 和 p85a/p110δ 之间的功能联系得到了遗传学证据的有力支持。缺乏 BTK 的人类有 X 连锁血内 γ 球蛋白缺乏症，这是一种免疫缺陷综合征，与少数成熟 B 细胞和抗体生产的严重缺陷有关。同样，PIK3R1（p85a）或 PIK3CD（p110δ）中罕见的常染色体隐性功能缺失突变会导致血内 γ 球蛋白缺乏症。在小鼠中，p85a 或 p110δ 的缺失导致 B 细胞发育和激活的缺陷与在缺乏 BTK 和 TEC（在小鼠 B 细胞中与 BTK 有部分冗余）的 B 细胞中观察到的相似。与激活的 "信号体" 模型相一致，其他 BCR 信号元件的失活会导致小鼠出现类似的 B 细胞表型，而种系突变会导致人类的血内 γ 球蛋白缺乏症。
p110δ 和 BTK 也在人类 B 细胞肿瘤的共同信号通路中发挥作用。慢性淋巴细胞白血病（CLL）中 p110δ（idelalisib，duvelisib）和 BTK（ibrutinib，acalabrutinib）选择性抑制剂的临床反应趋同，B 细胞白血病和淋巴瘤细胞的体外研究都支持了这一点。在 CLL 和活化 B 细胞型弥漫性大 B 细胞淋巴瘤中，慢性 BCR 信号驱动细胞存活，而 p110δ 或 BTK 抑制剂会减少细胞存活。 PI3K 和 BTK 还在其他功能重要的受体下游发挥作用，包括 CD40 和趋化因子的受体。趋化因子通过 PI3K 和 BTK 信号驱动向分泌促生存因子（如 BAFF）的基质细胞迁移，并增加对这些支持性细胞和细胞外基质的粘附。因此，大多数接受 p110δ 或 BTK 抑制剂治疗的 CLL 患者经历了快速的淋巴结萎缩，这主要是由于化合因子依赖性归巢功能受损和白血病细胞在淋巴结龛中的保留减少。
在 T 细胞中，抗原受体（T 细胞受体 TCR）的信号传导也涉及到含有 p110δ 和 TEC 家族激酶 ITK 和 TEC 的信号体的形成。在小鼠中，ITK 或 p110δ 的缺失导致 T 细胞表型的一些相似性，包括 TCR 介导的 Ca2+ 通量和粘附的减少。缺乏 p110δ 或 ITK 的 CD4 T 细胞显示出受损的 Th2 反应，并且对 Th2 驱动的哮喘有抵抗力。然而，ITK 激酶活性的抑制剂在哮喘模型中未能起到保护作用，而实际上增强了 Th2 介导的炎症。此外，尚未确定 TCR 或 T 细胞上其他受体的 PI3K 激活是否是 ITK/TEC 激活的必要条件。值得注意的是，p110δ 和 TEC 激酶在先天性白细胞（包括肥大细胞和巨噬细胞）的 Fc 受体下游也有重要功能。这些发现表明，p110δ 抑制剂可能用于改善过敏症状，BTK 抑制剂可能用于重塑胰腺肿瘤的髓细胞区。
B 和 T 细胞中 I 类 PI3K 信号的另一个突出特点是 AKT 对 FOXO 调节的重要性（图 4）。Akt1 和 Akt2 的联合缺失再现了一些与 p85a 或 p110δ 缺失相关的 B 细胞发育表型，特别是边缘区（MZ）和 B-1 细胞数量的减少。相反，Foxo1 的缺失增加了 MZ B 细胞的数量，并纠正了缺乏 CD19 的小鼠的 MZ B 细胞缺失。在 B 细胞发育的各个决策点上减弱 AKT 活性以促进 FOXO 依赖的转录编程十分重要。例如，Foxo1 是原 B 细胞中 IL-7 受体和前 B 细胞阶段 Rag 基因的表达所必需的。另一方面，前 BCR 的 PI3K 激活是 Rag 基因表达的消减和进一步发展所需要的。 PI3K /AKT 信号输出的中位水平似乎也是 B 细胞急性淋巴细胞白血病细胞生存所需要的，因为 PTEN 的缺失导致 AKT 的过度激活，进一步导致 p53 介导的细胞死亡，这个过程类似于自体未成熟 B 细胞的生理性缺失。
当 B 细胞被抗原激活时，它们会发生克隆性扩增并分化以分泌不同类别的抗原特异性抗体。一些 B 细胞迅速分化成浆细胞，主要产生低亲和力的 IgM，而另一些则在生发中心，进行类开关重组（CSR）和体细胞超突变（SHM），从而分泌更高亲和力的类开关抗体。这种分化决定部分取决于 PI3K /AKT 信号的水平与 FOXO 转录因子的活性，后者控制编码激活诱导的胞苷脱氨酶（AID）的 Aicda 基因的表达。通过 PTEN 的缺失而升高的 PI3K 信号强烈地抑制了细胞类型的转换，同时增加了成浆细胞的命运。在体外可以通过表达有构成活性的 Foxo1 或 AID 来恢复类的转换。相反，抑制 PI3K d 会增加 AID 的表达和 CSR，同时减少浆细胞的分化。同样，mTORC2 或 AKT 的失活以 FOXO 依赖的方式促进细胞类型的转换。
在生发中心 B 细胞区， PI3K /AKT 与 FOXO 活性的周期性变化对适当的贩运和分化至关重要。生殖中心（GCs）的结构包括由组织学染色定义的暗区和亮区。GCB 细胞在暗区和亮区之间进行循环运动，前者快速增殖并经历 CSR 和 SHM，后者则是为了选择抗原结合的亲和力。在小鼠 GCs 中， PI3K 的活性被限制在亮区，而核 Foxo1 基本不存在。光照区中一部分确实表达 Foxo1 的细胞注定要重新进入暗区，因为 Foxo1 需要指导暗区基因程序，包括趋化因子受体 Cxcr4。Foxo1 缺失或 PI3K 活性增加会导致结构极性的丧失和暗区的缺乏，同时损害 SHM 和类别转换。
AKT 和 FOXO 功能之间平衡的动态变化对 CD4+ 和 CD8+T 细胞的命运也很重要。在静止的 T 细胞中，FOXO 转录因子维持着归巢受体的表达，使其在血液和淋巴组织之间进行再循环。TCR 和适配分子的参与激活了 PI3K /AKT，导致 FOXO 的出核，从而重新规划归巢受体的表达，以利于从淋巴结退出并迁移到感染组织。在 T 辅助细胞分化的背景下，T 滤泡辅助者（TFH）亚群需要成本刺激受体 ICOS 的参与，它通过激活 PI3K / AKT 以抑制 Foxo1 依赖的基因表达。Foxo1 还在小鼠和人类调节性 T 细胞（Tregs）的分化中发挥作用；值得注意的是，Foxo1 的活性必须进行微调以保持 Treg 的贩运和功能。CD8+T 细胞决定采用效应或记忆基因表达程序也取决于 AKT 和 FOXO 活性的平衡。
越来越多的证据表明，不同的分化命运是在第一次淋巴细胞分裂时通过子细胞间信号蛋白的不对称分配而进行编程的。这首先显示在 CD8+T 细胞中，第一次分裂产生一个 CD8 高表达的子细胞，具有高潜力增殖并分化为细胞毒性细胞的能力，而一个 CD8 水平低的子细胞注定要成为记忆型 CD8 T 细胞池的一员。后来的研究表明，CD8 高的子细胞保持较高的 mTORC1 活性（图 5），它驱动 c-Myc 表达以促进效应型 CD8 T 细胞命运所需的糖代谢。 PI3K /mTORC1 活性的变化也有助于 B 细胞和 CD4 T 细胞的分化命运。
淋巴细胞中 mTORC1 信号传导与其他经常研究的细胞类型有重要区别。例如，活化的淋巴细胞经常维持与 PI3K /AKT 活性脱节的 mTORC1 信号（图 4）。这首先在 B 淋巴瘤细胞和小鼠脾脏 B 细胞亚群以及后来的 CD8+T 细胞发现。B 细胞中的 mTORC1 活性在体外高度依赖营养物质，在生殖中心的缺氧条件下受到抑制。同样，在活化的 CD8+T 细胞中，通过系统 L 氨基酸转运体 Slc7a5 摄取亮氨酸是 mTORC1 活性、c-Myc 翻译和代谢重编程所必需的，而 PI3K /AKT 信号对这些结果是不需要的。在癌细胞中，ERK 可以磷酸化 TSC2 以促进 mTORC1 的活性，但目前还不清楚这一途径在淋巴细胞中是否活跃。然而，ERK 和 RSK 激酶为 TCR 激活的 CD8+ 细胞中的 S6 磷酸化提供了 PI3K /AKT 无关的输入。在建立的 IL-2 依赖性 CD8+ 效应 T 细胞中，mTORC1 活性由 JAK 和 SRC 家族酪氨酸激酶维持，而 PI3K /AKT 活性主要依赖 Src 家族成员。
淋巴细胞中 mTOR 网络布线改变的另一个迹象是 mTORC1 效应物在细胞生长和增殖中的作用（图 4）。在成纤维细胞中，mTORC1 主要通过 S6Ks 促进细胞体积增大，同时主要通过 4E-BP/eIF4E 轴驱动细胞周期进展。相反的，淋巴细胞的生长和增殖是通过 4E-BP/eIF4E 轴耦合的，而 S6Ks 是可有可无的。S6Ks 在淋巴细胞中的功能仍不清楚，但这些激酶可能调节 T 辅助细胞的分化。这种通过 4E-BP/eIF4E 的信号汇聚可能使淋巴细胞更紧密地将细胞质量积累与细胞增殖联系起来，以适应抗原刺激的淋巴细胞超快的细胞倍增时间。令人惊讶的是，eIF4E 的功能在淋巴细胞中比在成纤维细胞和许多癌症细胞类型中对雷帕霉素更敏感。这种差异与 4E-BP2 的主要表达相关，其磷酸化比 4E-BP1 在关键的 mTORC1 磷酸化位点上对雷帕霉素更敏感。这种 4E-BP 异构体的转换可能有助于解释雷帕霉素在淋巴细胞中比其他细胞类型更强的抗增殖作用。eIF4E 在淋巴细胞激活中的核心作用也是开发 eIF4E 靶向药物治疗癌症时需要考虑的重要因素。
虽然 mTORC1 活性对淋巴细胞增殖和效应亚群分化至关重要，但缺乏 TSC1 的 T 或 B 细胞中 mTORC1 的过度激活会损害发育、平衡和功能。这些观察支持一个统一的观点，即淋巴细胞中的 PI3K /AKT/mTOR 激活不是适应性免疫的开关。相反，其信号输出的程度决定了 B 细胞和 T 细胞分化的结果。一个相关的观点是，体内 PI3K 抑制的整体效果是由不同淋巴细胞亚群中的相反作用决定的。对 p110δ 催化异构体的研究提供了一个的例子。T 细胞中 p110δ 的失活损害了效应性 CD4+ 和 CD8+ T 细胞的分化，但也损害了 Treg 功能。Treg 缺陷可能是导致 p110δ 缺陷小鼠发生自身免疫性结肠炎的原因。同样，腹泻和结肠炎是 idelalisib 在人类患者中经常出现的副作用。另一方面，Treg 功能受损在肿瘤免疫方面具有有益的结果，在一些小鼠模型中，p110δ 的遗传或化学抑制促进了肿瘤的消退。后者的观察引起了人们对测试 p110δ 抑制剂以增强实体瘤免疫治疗反应的兴趣。
APDS 患者的表型也有助于说明 p110δ 在适应性免疫细胞中的两面作用。这些患者的突变使 p110δ 活性升高，促进淋巴细胞增殖。然而，这些持续活化的淋巴细胞容易发生活化诱导的细胞死亡或衰老，而且大多数患者的 IgG 滴度低，疫苗反应差，与 CSR 和 SHM 受损相一致。因此，淋巴细胞中 p110δ 的过度激活的总体结果是一种危及生命的免疫缺陷。其中的一些 APDS 患者已经用雷帕克治疗；研究人员希望患者能从选择性 p110δ 抑制剂的治疗中获益更多，同时临床试验已经开始（表 1）。剂量和时间安排将需要调整，以尽量减少上述 idelalisib 的炎症性副作用。在监管部门批准 idelalisib 后，一些患者出现了致命的感染，这引起了对这种药物额外的关注。idelalisib 与苯达莫司汀和利妥昔单抗的 3 期研究也报告了感染风险的增加，包括一些死亡案例。合理的观点认为感染风险是由于 CD4+ 和 CD8+ 效应 T 细胞的分化受阻。
图五
# 癌症中的 PI3K 通路的治疗靶点
研究人员认识到 PI3K 信号在大多数人类癌症中被异常激活，再加上 PI3K /mTOR 网络中存在可操作的靶点蛋白，促使人们期待 PI3K /mTOR 途径抑制剂将推进癌症治疗模式的重大转变。现在人们普遍认识到，实际的临床结果与这一极高的期望值相差甚远。三个主要因素导致了 PI3K /mTOR 通路抑制剂的表现不尽人意。首先，这一途径是通过无数的细胞表面受体激活的，当涉及到放大上游机制以维持通过 PI3K /mTOR 途径和其他补偿性途径的信号流时，在药物抑制剂的存在下癌细胞表现出显著的可塑性。例如，接触抑制剂本身会导致负反馈机制的破坏，这些机制将途径的活动限制在与正常细胞生理学相适应的范围内。药物引起的对负反馈调节的干扰可以在没有基因突变的情况下降低 PI3K /mTOR 途径抑制剂的治疗活性，这种现象被称为适应性抗性。第二，对 PI3K /mTOR 途径抑制剂的内在或获得性耐药性通常与该途径内调节基因的突变或拷贝数改变有关，或与同时刺激 PI3K 和 MAPK 信号的生长因子受体的激活有关。第三， PI3K /mTOR 通路抑制剂的全身给药与剂量限制性毒性有关，这使得肿瘤组织中没有足够的靶点参与来维持通路的抑制。在某种程度上，基于 PI3K /mTOR 途径在组织生长、代谢和生理功能中发挥的众多作用，因此 PI3K /mTOR 途径的有效治疗会面临这些挑战。
表一
# 对 PI3K /mTOR 通路抑制剂的抵抗机制
适应性抵抗。培养中的癌细胞系对 PI3K 通路的药物抑制经常在数小时至数天内被诱导出适应性（非遗传性）抗性机制（图 6）。在有 mTORC1 选择性抑制剂的情况下，恢复 PI3K /mTOR 通路信号的适应性反馈已得到证实，包括破坏 S6K1 介导的反馈回路，使 IRS-1 不稳定。在没有 mTORC2 抑制的情况下，这种负反馈的丧失会导致 AKT 过度激活。这一反馈回路和另一个涉及适应蛋白 Grb10 的鉴定促使研究人员支持开发同时针对 mTORC1 和 mTORC2 的 TORKi。培养中的癌细胞也通过部分由 FOXO 活动驱动的 "反弹" 信号对 PI3K /mTOR 通路抑制剂作出反应。一个常见的机制涉及编码 RTKs 的基因转录增加，其中最明显的是 HER3、EGFR 和 INSR/IGFR1。原则上，这些反应可以通过将 PI3K 通路抑制剂与 RTK 抑制剂或阻断抗体相结合来解决；然而，预测和解决个别患者中赋予 PI3K 抑制剂耐药性的特定 RTK 将是一个挑战。在使用同工酶选择性 PI3K 抑制剂时，RTK 上调可能是一个特别具有挑战性的问题，因为剩下的一个或多个 I 类 PI3K 可能承担了药物抑制的 PI3K 同工酶的信号功能，从而增强了 RTK 上调赋予的耐药性。FOXO 介导的反弹信号的另一个机制是通过 Rictor 的上调，导致肾癌细胞的 AKT 磷酸化增加。
在三阴性乳腺癌细胞中报告了一种独特的适应性抗性机制，在接触 PI3K /mTOR 途径抑制剂时迅速激活 JAK2/STAT5 信号（图 6）。这种适应性反应通过与 JAK 抑制剂共同处理得到解决。一种不同的非受体酪氨酸激酶，Src，通常在 EGFR 和其他 RTKs 的下游发挥作用，在多形性胶质母细胞瘤（GBM）的临床前模型中介导了对 TORKi 的适应性抵抗。Src 介导的适应性耐药性可能是 Src 家族激酶泛抑制剂达沙替尼的目标。
绕过 mTOR 和下游靶点的激活。原发性和获得性抗性的机制（图 6）至少与上述适应性抗性的机制一样多样化。PIK3CA 突变的乳腺癌细胞系中持续的 mTORC1 活性是对 p110α 选择性抑制剂 alpelisib（BYL719；表 S1）产生耐药性的原因，可通过与 mTORC1 抑制剂 everolimus 联合使用而逆转。在治疗 28 天后，还观察到 alpelisib 的疗效与磷酸化 S6 水平（mTORC1-S6K 的下游靶点）之间存在反比关系，表明抑制 mTORC1 活性对 p110α 抑制剂的抗肿瘤活性至关重要。有趣的是，在 BRAF 突变的黑色素瘤模型中，持久的 mTORC1 活性也预示着对 RAF 或 MEK 抑制剂的耐药性，表明药物难治性的 mTORC1 激活赋予 PI3K /mTOR 通路和 Ras 通路靶向药物以广泛的耐药性。
尽管不完全的 PI3K /mTOR 途径抑制无疑有助于持续的 mTORC1 激活，但我们现在认识到，mTORC1 也是通过 PI3K 无关的信号机制刺激的。使用文库筛选方法，蛋白丝氨酸 - 苏氨酸激酶 Pim1 被证明对来自腔道 A/B 和 HER2+ 系的乳腺癌细胞中的几种 PI3K /mTOR 通路抑制剂具有抗性。在 PI3K 途径被抑制的情况下，Pim1 的过度表达支持 AKT 和 mTORC1 的活动。在一组乳腺癌细胞系中，Pim1 表达的升高与 alpelisib 的原发耐药性相关，小分子 Pim1 激酶抑制剂使被指定为 Pim1 高表达者的四种乳腺癌中的三种对 alpelisib 的敏感性增加。重要的是，在使用 alpelisib 治疗时，四个乳腺肿瘤活检中的两个显示出 Pim1 表达相对于治疗前样本的上调。Pim 激酶可能是乳腺癌对 PI3K /mTOR 通路抑制剂产生耐药性的重要因素，因为在本研究分析的近 1000 个肿瘤样本中，观察到编码 Pim1、Pim2 或 Pim3 的 mRNA 表达增加。
PDK1 或 SGK1 的异常激活也被确定为 PIK3CA 突变体乳腺癌细胞对 p110α 抑制剂产生抗性的原因。用 alpelisib 和 PDK1 或 SGK1 抑制剂的组合治疗 PIK3CA 突变体、alpelisib 耐药的乳腺癌异种移植模型，分别导致肿瘤明显消退或停滞。与 AKT 一样，SGK1 通过 mTORC2 和 PDK1 的顺序磷酸化而被激活，并与 AKT 共享磷酸化 TSC2 的能力，导致 mTORC1 的激活。在 alpelisib 耐药的细胞中，只有当 alpelisib 与 PDK1 或 SGK1 抑制剂联合使用时，才能达到最大的 mTORC1 抑制。对 18 个接受阿普利西布治疗的患者的活组织分析显示，SGK1 mRNA 和磷酸化 N-Myc 下游调节 1（NDRG1；SGK1 激活的底物和生物标志物）水平高的样本与阿普利西布的内在抗性相关，而大多数磷酸化 NDRG1 阴性的肿瘤都来自获得部分反应或疾病稳定的患者。同样，SGK3 过表达和 / 或激活也多次与乳腺癌细胞的 PI3K /mTOR 抑制剂抗性有关。这些报道为 PI3K 或 AKT 抑制剂的内在或获得性抗性提供了一个共通的机制。
平行通路的激活。MYC 的扩增促使乳腺癌细胞系对 PI3K /mTOR 通路抑制剂产生耐药性（图 6），MYC 拷贝数和 / 或 c-Myc 表达在乳腺癌和淋巴性恶性肿瘤中经常升高。尽管直接靶向 c-Myc 仍然是一个难以捉摸的临床目标，但临床前研究表明，抑制 BET 家族蛋白 BRD4 可以拮抗 c-Myc 依赖的 PI3K 途径抑制剂的抗性。BRD4 作为一种表观遗传阅读器，识别带有乙酰化赖氨酸残基的组蛋白，在调控转录活性染色质方面发挥着关键作用。BRD4 的抑制剂抑制超级增强子相关基因的表达，如 MYC，而研究发现小分子 BET 抑制剂可干扰 c-MYC 依赖的转录反应。在 ER+ 乳腺癌细胞中，BET 抑制剂也克服了由 c-Myc 过表达引起的对依维莫司的耐药性，并且在由致癌性 PI3K -H1047R 加 MYC 转基因表达引发的乳腺肿瘤小鼠中与 PI3K 抑制剂发挥了协同抗肿瘤活性。有趣的是，在突变的 PIK3CA-Myc 双转基因或 Pten 失活小鼠的乳腺癌细胞系中，BET 抑制剂 JQ1 通过阻断 IGFR1 和胰岛素受体的上调，削弱了 p110α/d 选择性抑制剂 pictilisib（GDC-0941；表 S1）治疗后的 PI3K 途径的重新激活。此外，在来自乳腺、结直肠、前列腺、脑和卵巢肿瘤的 PIK3CA 或 PTEN 突变体细胞系中，通过 RTK 表达的反弹 PI3K 途径激活被 JQ1 阻断。在腔道乳腺癌细胞系中，对 JQ1 的抗性与 PIK3CA 突变密切相关，JQ1 在异种移植模型中增强了依维莫司的抗肿瘤功效，而 PTEN 缺失与基底乳腺癌细胞对 BET 抑制剂的敏感性增加有关，这表明 PI3K 和 BET 信号的相互作用将取决于肿瘤细胞背景。在用 pictilisib 和 BET 抑制剂处理的患者源性卵巢细胞中也观察到了细胞死亡的协同诱导作用。BET- PI3K 抑制剂组合的不良反应事件情况仍有待确定，但 BET 抑制剂解决 PI3K 耐药的多种方式的实验室证据支持该组合进一步进入临床测试。
肿瘤异质性。肿瘤内异质性越来越被认为是化疗或靶向治疗后肿瘤演变和复发的重要因素。现在，复杂的基因测序的结果支持了肿瘤亚克隆进化的分支模型，表明实体瘤组织是由亚优势和优势克隆交织而成的生态系统，同时这些克隆彼此之间以及肿瘤微环境中的正常宿主元素之间相互沟通。克隆优势部分由强加于肿瘤的外在选择压力、肿瘤位置的改变（在转移性疾病中）、宿主的代谢和免疫反应以及癌症治疗决定。现在人们认识到，在同一患者的原发病灶和转移病灶中， PI3K 途径可以在亚克隆水平上以不同方式被激活。对 86 个不同的、来自个体患者的原发肿瘤和脑转移病灶的平行基因组分析显示，超过一半的脑转移病灶含有相应原发肿瘤中没有的可操作的突变。PTEN 和 PIK3CA 的突变作为 PI3K /mTOR 通路激活的异质性驱动因素在这些脑部病变中表现得非常突出。这两个基因在原发肿瘤组织中似乎也特别容易出现异质性突变模式。PIK3CA 的亚克隆突变在几种癌症亚型中都有报道，包括 NSCLC、结直肠癌、乳腺癌等。与这些发现一致，一项跨越 9 种癌症亚型的研究表明， PI3K -AKT-mTOR 通路的亚克隆突变比 RAS-MAPK 通路的亚克隆突变要频繁得多，后者往往在肿瘤的所有亚克隆中普遍表达。在最近的文献中记录了导致 PTEN 功能丧失的不同亚克隆突变的趋同演变。在一名 ER+ 乳腺癌患者对 p110α 选择性抑制剂 alpelisib 产生耐药性后，Juric 及其同事在 10 个转移病灶中发现了 6 个不同的 PTEN 突变事件，所有这些突变都是在单克隆单等位的 PTEN 缺失的共同背景下发生的。令人震惊的是，虽然 PTEN 缺失事件发生在 PI3K 抑制剂治疗之前，且大多数转移性病变影响了剩余的 PTEN 等位基因，尽管影响的方式不同，但都对 alpelisib 实现了完全耐药。导致 PI3K 通路激活的异质性基因改变是导致 PI3K /mTOR 通路抑制剂疗效有限的潜在的主要因素，因为不同的亚克隆改变可能转化为对这些药物的不同程度的敏感性，反过来说，是在 PI3K /mTOR 通路抑制剂治疗期间，癌细胞克隆优势的转变。
图六
# 全身毒性作为 PI3K /mTOR 通路抑制剂开发的障碍
阻碍 PI3K 通路抑制剂广泛发展的一个主要原因是在肿瘤组织中实现足够好的靶点抑制，同时避免在病人身上出现剂量限制性毒性。以前的研究已经确定，在小鼠中产生高血糖反应需要对肝脏 PI3K /AKT 信号的高度（>90%）抑制，并且有理由预期，在大多数患者中实现最佳治疗反应需要对肿瘤组织相关的 p110α 活性进行类似的高度抑制。具有广泛治疗活性潜力的 PI3K /mTOR 通路抑制剂是泛特异性 PI3K /mTOR 和泛 PI3K 抑制剂，但这些抑制剂在 PI3K /mTOR 通路抑制剂类中也具有最高的毒性负担。与大多数靶向药物的情况一样，深入、持久的临床反应需要 PI3K /mTOR 通路抑制剂与化疗、免疫疗法和其他靶向疗法的联合使用。而这些潜在的治疗伙伴中有许多都有自己的不良反应，这些不良反应往往与 PI3K 通路抑制剂的不良反应相重叠。
乳腺癌临床试验的结果提供了明确的证据，即广泛的 PI3K 途径抑制的毒性是实现最佳治疗效果的一个重要障碍。BELLE 系列临床试验评估了泛 PI3K 抑制剂 buparlisib（BKM120；表 S1）在 ER+、HER2- 乳腺癌患者中各种药物组合的有效性和安全性。在 BELLE-2 三期试验中，接受芳香化酶抑制剂单药治疗后进展的患者接受氟维司群加 buparlisib 或安慰剂。虽然达到了延长无进展生存期（PFS）的主要终点，但总反应率（ORR，等于 PFS 加稳定的疾病）却低得令人失望。然而，在循环肿瘤细胞 DNA（ctDNA）中存在 PIK3CA 热点突变的患者中，PFS 和 ORR 明显改善。类似的结果也出现在 BELLE-3 中，这是一项 3 期试验，接受氟维司群联合布帕尼西或安慰剂的试验在依维莫司进展的患者中进行。遗憾的是，在 BELLE 的两项试验中，严重的不良事件频频发生，导致试验频繁中止，而肝脏转氨酶升高是剂量限制性毒性，这让研究人员减少了对良好疗效的期待。Buparlisib 具有非靶点的微管蛋白结合活性，这促使人们发现了一种对 PI3K 更具选择性的近似物 PQR309，目前已进入早期临床试验。
关于 PI3K /mTOR 双重抑制剂，BEZ235 治疗晚期肾细胞癌的 1 期试验因频繁出现剂量限制性毒性反应而提前终止。在 BEZ235 治疗胰腺神经内分泌肿瘤的 2 期试验中，31 名患者中有 29 名因不良事件而停止治疗，且主要 PFS 终点未达到，导致试验终止。Apitolisib（GDC-0980，一种泛 PI3K -mTOR 抑制剂；表 S1）在一项针对肾细胞癌患者的 2 期试验中被证明不如依维莫司，而且严重不良事件和试验中止在接受 apitolisib 治疗的患者中更为频繁。肿瘤外毒性在多大程度上限制了肿瘤组织中可达到的剂量强度尚不清楚，但次优剂量可能是导致这些药物获得普遍令人失望的结果的原因。
# 异构体选择型 PI3K 抑制剂的机遇和挑战
优先抑制一种或多种 PI3K 异构体活性的异构体选择性和异构体专一性 PI3K 抑制剂可能会规避与泛 PI3K 抑制相关的内在毒性，并可能更有利于探索联合疗法。临床前研究表明，带有突变的 PIK3CA 或 HER2 扩增的癌细胞经常对 p110α 抑制敏感，而 PTEN 突变或无效的肿瘤对 p110β 抑制更敏感。然而，对 p110β 的依赖性增加并不是 PTEN 功能丧失的必然结果。在一个由 Pten 缺失和致癌性 Kras 表达驱动的卵巢子宫内膜腺癌的小鼠模型中，抑制 p110α，而不是 p110β，足以防止肿瘤生长。同样的，缺乏 PTEN 和 p53 的卵巢上皮细胞也依赖于 p110β 或 p110α，这取决于没有或存在致癌性 KRAS 等位基因。此外，缺乏 PTEN 的子宫内膜肿瘤细胞，无论有无 KRAS 突变，都需要 p110α 和 p110β 的双重抑制来降低磷酸化 AKT 水平和细胞活力。携带 PIK3CA 或 PTEN 突变的 NSCLC 细胞系也表现出对异构体选择性抑制剂的耐药性，但对泛 PI3K 抑制剂保持反应性。因此，起源组织和基因组背景都会影响癌细胞对 PI3K 同工酶的依赖性，这使得发掘 PI3K /mTOR 通路抑制剂反应性的稳健的、预测性的生物标志物成为临床转化肿瘤学家的艰巨挑战。PI3K 异构体的转换代表了对异构体选择性 PI3K 抑制剂的一种有据可查的耐药机制（图 6）。Engelman 小组发现，p110α 选择性抑制剂 alpelisib 抑制 HER2 扩增或 PIK3CA 突变乳腺癌系的 PI3K 信号后，在 24 小时后 PtdIns-3,4,5-P3 的水平出现反弹。药物效应的逆转归因于 p110β 的激活，并与 p110β 对 HER3 的招募增加有关。有趣的是，在表达 PIK3CA 的突变体细胞中，PtdIns-3,4,5-P3 水平的反弹与磷酸化 AKT 的相应增加无关，这表明 PtdIns-3,4,5-P3 水平的变化与下游途径的激活没有必然的联系。在携带过度表达和突变激活的 PIK3CA 的乳腺癌异种移植中，只有在用 p110α 和 p110β 选择性抑制剂联合治疗后才能观察到肿瘤的消退。Baselga 等人也报告了类似的结果，他们发现用选择性 p110β 抑制剂治疗会导致磷酸化 AKT 水平的短暂抑制，随后出现明显反弹，这归因于 IGFR1-IRS1-p110α 信号级联的上调。同样，用 p110α 和 p110β 选择性抑制剂联合治疗，会在 PTEN 无效的前列腺癌和 ER+ 乳腺癌模型中引起更大的肿瘤生长抑制。在 PTEN 缺陷的 ER+ 乳腺癌异种移植中，用氟维司群（一种选择性雌激素受体降解剂）与 p110α 和 p110β 抑制剂的三重组合治疗，引发了最大的、持续的肿瘤消退。相反，使用氟维司群和 p110β 抑制剂的双重治疗仅仅导致了短暂的抑制，而随后的磷酸化 AKT、细胞分裂素 D1/3 和磷酸化 pRb 水平出现了明显的反弹。总之，这些研究和其他研究为以下结论提供了令人信服的支持，即 p110β 选择性抑制剂的临床活性受限于异构体转换为 p110α 介导的信号传导而产生的抗性。值得注意的是，人类 PIK3CB 基因（编码 p110β D1067Y）的激活突变会导致对 PI3K 抑制剂的广泛耐药性；然而，与 PIK3CA 突变相反，这种突变在癌症患者中很少观察到。
尽管有证据表明 p110α/p110β 在临床前模型中是多余的，但越来越多的临床证据表明 p110α 选择性抑制剂在特定患者群体中的潜力。Taselisib（GDC-0032；表 S1）抑制 p110α、p110γ 和 p110δ，但不抑制 p110β，而且对 PIK3CA 突变蛋白具有一定的选择性。taselisib 的 1 期剂量递增试验报告称，PIK3CA 突变肿瘤患者的反应率为 36%，而肿瘤缺乏 PIK3CA 热点突变的患者反应率为 0%。在一项氟维司群加 taselisib 的 2 期试验中，ER+、突变 PIK3CA 表达的乳腺癌患者的总体反应大大优于野生型 PIK3CA 肿瘤患者。尽管在这项研究中，治疗中止仍然是一个问题，但安全状况被认为是可以接受的，足以保证进行 3 期试验。在一项针对 ER+ 乳腺癌患者的 p110α 选择性抑制剂 alpelisib 与氟维司群的开放标签试验中，两名 PIK3CA 突变的患者出现了部分反应，而野生型 PIK3CA 患者则没有，在 alpelisib 与来曲唑的 1b 期试验中，也观察到了对突变型 PIK3CA 肿瘤的类似选择性（Mayer 等人，2017）。重要的是，在 BELLE-2 和 3 期试验中，alpelisib 加氟维司群的安全性优于 buparlisib 加氟维司群，而且因不良事件而停药的情况较少。尽管超过一半的患者表现为轻度至中度高血糖，但这个问题在二甲双胍的作用下得到了很好的控制。3 期 SOLAR-1 试验将研究 Taselisib 或安慰剂加氟维司群对超过 500 名有 PI3K CA 突变的 ER+ 乳腺癌患者的影响，以及在一个单独的队列中对野生型 PIK3CA 患者的影响。这项大型研究将大大有助于确定 PI3K 异构体选择性抑制剂在表达突变激活的 p110α 的肿瘤患者中是否能提供疗效和可接受的安全性。
# 组合方法
在某些情况下，对 PI3K 抑制剂的耐药性可以通过涉及其他临床常用药物的联合治疗来解决。在 ER+ 阳性乳腺癌中， PI3K 和 ER 信号介导相互拮抗，导致对一个途径的药物抑制通过另一个途径驱动信号增强。之前有报道称，对 PI3K 的抑制会刺激 ER 依赖性转录激活。最近的一篇论文通过证明 PI3K 的抑制会触发赖氨酸甲基转移酶 KMT2D 的激活，而该酶作为 ER 依赖性转录的增强因子，为这一现象提供了机制上的见解。涉及 PI3K 和 ER 信号通路的相互拮抗的观点引发了一系列测试 PI3K 抑制剂与导致 ER 破坏的因子或芳香化酶抑制剂相结合的临床试验，如本评论的其他章节所述。希望在 mTORC1 抑制剂依维莫司与依西美坦的联合试验成功以后，这些策略能够提供更多的治疗选择。
Ras-Raf-Mek-Erk 轴的激活，在 PI3K 通路阻断后的许多临床前肿瘤模型中出现，这导致了几种 PI3K 加 MEK 抑制剂组合的临床测试。然而，临床疗效与严重的不良事件同时发生，对这种组合的未来发展提出了重大疑问。乳腺癌模型对 PI3K 抑制的敏感性往往与视网膜母细胞瘤蛋白（pRb）的磷酸化相关，高磷酸化 pRb 水平与抗性相关。pRb 磷酸化的关键效应因子是 G1 期相关的细胞周期蛋白 D-CDK4/6 复合物。CDK4/6 抑制剂 ribociclib 使抗性乳腺癌细胞对 alpelisib 敏感，防止适应性抗性的发展，并在乳腺癌异种移植模型中激起肿瘤消退。 PI3K 通路和 CDK4/6 抑制剂的组合也在胰腺、HNSCC 和 NSCLC 模型中显示出有希望的活性（Franco 等人，2014；Ku 等人，2016；P.K. Gopalan 等人，2013，Cancer Res.，摘要）。CDK4/6 抑制剂与 PI3K 抑制剂的治疗配对在 ER+ 乳腺癌中特别有吸引力，这种癌症亚型对抗雌激素加 CDK4/6 抑制剂治疗的敏感性已得到充分证明。鉴于 30% 的 ER+ 乳腺癌带有激活的 PIK3CA 突变， PI3K 和 CDK4/6 抑制剂与雌激素拮抗剂的三联疗法引起了人们的极大兴趣，临床研究目前正在进行中。
在三阴性乳腺癌（TNBC）中发现了 PI3K 抑制剂的一个有趣的组合机会。临床前研究表明，TNBC 细胞系或患者来源的异种移植（PDXs）暴露于泛 PI3K 抑制剂 buparlisib，导致 BRCA1 表达减少，DNA 损伤增加。buparlisib 与聚 ADP 核糖聚合酶（PARP）抑制剂 olaparib 联合使用，可增强 PTEN 无效或 PIK3CA 突变 PDX 模型的肿瘤生长抑制。PARP 抑制剂在 BRCA1 或 BRCA2 突变的卵巢癌中显示出了显著的临床活性（在 BRCA 缺陷的 TNBC 患者中的后期研究正在进行），这是由于在缺乏同源组合介导的 DNA 修复的细胞中的合成致死机制。 PI3K /mTOR 通路抑制剂和 PARP 抑制剂的组合也在前列腺、卵巢和 SCLC 模型中显示出有希望的活性。而布帕利西和奥拉帕利的早期临床试验结果再一次表明，在寻找达到该药物组合实现最佳治疗效果所需的药物窗口时，人体毒性将是一个巨大的障碍。将 PARP 抑制剂与 p110α 选择性抑制剂，而不是泛 PI3K 抑制剂 buparlisib 相结合，是否能够缓解毒性，无疑将在未来的临床研究中解决。
# PI3K 通路激活和治疗耐药
PI3K /mTOR 途径的激活是众多抗癌药物耐药性的常见媒介，包括常规化疗和针对其他致癌节点的药物。新的证据指出， PI3K /mTOR 信号是癌症免疫疗法的一种抗性机制。免疫肿瘤学是目前癌症治疗发展中最具爆炸性的领域，主要是由于在通常难以治愈的转移性癌症患者身上看到的反应具有前所未有的持久性。尽管在接受免疫 PD1/L1- 和 CTLA4 靶向疗法的一部分患者中看到了令人印象深刻的反应，但客观反应率通常在 25%-40% 之间，表明大多数肿瘤对这些免疫检查点抑制剂具有内在的抗性。最近，免疫疗法的抗性与肿瘤细胞自主激活的 PI3K 通路有关。BRAF 突变的黑色素瘤细胞中 PTEN 的沉默导致 T 细胞肿瘤招募和抗肿瘤免疫力受损。在黑色素瘤患者中，PTEN 的表达减少与抗 PD1 疗法的抗性相关。此外，在肿瘤组织中 PTEN 表达具有区域异质性的黑色素瘤患者中，在缺乏 PTEN 蛋白的亚区，T 细胞浸润持续降低。在一个自发的 Braf 突变体、Pten 无效的小鼠黑色素瘤模型中，与每种药物单独使用相比，选择性 PI3K b 抑制剂与抗 PD1 联合使用能显著改善肿瘤生长抑制和生存。尽管泛 PI3K 抑制剂损害了临床前黑色素瘤模型中疫苗诱导的 gp100 特异性 T 细胞的增殖，但 p110α 选择性抑制剂对这种 T 细胞反应没有影响，这表明同工酶选择性抑制剂不太可能损害抗肿瘤 T 细胞活性。肺癌模型中 PI3K /mTOR 途径的激活与 PD-1 配体 PD-L1 的表达增加有关，在 KRAS 驱动的小鼠 NSCLC 模型中，雷帕霉素加抗 PD1 抗体的联合治疗明显减少了肿瘤负荷。然而，在另一项研究中，研究者观察到 PTEN 突变或 AKT 扩增对黑色素瘤细胞系表达 PD-L1 没有一致的影响。显然需要进行更多的研究，以充分了解肿瘤细胞上 PD-L1 表达的调节机制，以及在使用免疫刺激剂治疗之前和期间，以及在没有或存在传统肿瘤细胞靶向疗法的情况下，肿瘤细胞内在的 PI3K /mTOR 通路活性改变和抗肿瘤免疫之间的复杂相互作用。
# mTOR- 选择性化合物作为抗癌药物的进展
mTOR 的激活，特别是 mTORC1 的激活，是肿瘤相关改变驱动 PI3K 途径激活的一个关键后果。这一观察结果，再加上雷帕霉素及其类似物（rapalogs）作为器官移植中临床确立的 mTORC1 抑制剂的可用性，推动了临床肿瘤学试验，并最终批准了两种 rapalogs 用于治疗 ER+ 乳腺癌、肾癌和胰腺神经内分泌肿瘤（表 S1）。然而，尽管这些试验的 PFS 结果是积极的，但雷帕罗格在其他试验中显示出有限的疗效，可能是由于不完全抑制 mTORC1（图 2）和 PI3K 信号网络的补偿性上调（图 6）。随后的在药物化学上的努力导致了一系列 mTOR 激酶抑制剂（TORKi）的发现，与雷帕罗格采用的异生抑制机制不同，这些抑制剂通过与 mTOR 催化结构域以 ATP 竞争的方式相互作用来阻断 mTOR 信号传导。正如其他类似的靶向蛋白激酶抑制剂所常见的那样，癌细胞通过产生 mTOR 突变的克隆获得对 TORKi 的抗性，从而降低了这些药物的抗增殖作用。对获得 mTOR 抑制剂抗性的 ER+ 乳腺癌细胞进行基因组测序，发现了 FKBP12- 雷帕霉素结合（FRB）域的两个突变，诱发了对雷帕霉素的高度抗性，以及对 mTOR 催化域的第二个突变，降低了对 TORKi 的敏感性。有趣的是，这些突变通过 mTORC1 的过度激活而赋予药物抗性，而不是干扰抑制剂与靶蛋白的结合。
为了克服这些 mTOR 内在的抗性机制，Shokat 等人设计了一种二价抑制剂，称为 RapaLink-1，含有一个针对催化结构域的 TORKi 取代基，与精确设计的连接剂连接到第二个药理结构（rapalog），因此允许同时参与抑制 mTOR 的 FRB 结构域。RapaLink-1 有效地阻断了 FRB 和激酶域突变的 mTOR 蛋白的 mTORC1 信号，并克服了这些细胞对单药雷帕霉素或 TORKi 的抗性。重要的是，RapaLink-1 也有效地抑制了野生型 mTOR 信号。因此，RapaLink 的设计可能更有效地延迟 mTOR 抗性机制的获得。一项后续研究强调了 RapaLinks 与 TORKi 相比的另外两个优势。首先，RapaLinks 对 mTORC1 相对于 mTORC2 具有一定的选择性（图 2），可能减少与 mTORC2 抑制相关的毒性。其次，RapaLinks 实现了更长的 mTORC1 抑制时间，与胶质瘤模型中更大的抗肿瘤活性相关。这些第三代 mTORC1 抑制剂是否会改善癌症患者 mTOR 靶向疗法的疗效与毒性情况，还有待确定。
# 通过替代给药方案优化治疗指数
绝大多数 PI3K /mTOR 通路抑制剂的临床研究都采用了标准的每日给药方案，其剂量水平和频率基于最大耐受剂量（MTD）的确定。尽管这种方法确保了可接受的安全性，但它确实存在这样的风险：由于肿瘤组织中的靶点参与不足，安全剂量可能不是有效剂量。为了使 PI3K /mTOR 通路抑制剂充分发挥其作为抗癌药物的潜力，可能需要采取旨在实现肿瘤中最佳靶点调节的策略，同时不损害正常组织。为此，一些研究小组正在探索替代剂量策略，特别是那些涉及高剂量、间歇性治疗的策略，作为 PI3K /mTOR 途径抑制剂临床应用的潜在途径。例如，p110α/d 抑制剂 copanlisib（BAY80-6946；表 S1），在小鼠静脉注射（IV）后的半衰期只有 0.7 小时，在携带 BT474 乳腺癌异种移植的小鼠身上，间歇性给药（每周三次）比连续给药更有效。同样，在临床前乳腺癌模型中，p110α/d 选择性抑制剂 AZD8835 的间歇性给药明显优于该药的每日给药（Hudson 等人，2016）。基于 caspase-3 裂解测量的药代动力学 - 药效学模型，被用来推导模拟凋亡率。该模拟显示，间歇性给药引起了反复的瘤内大批细胞凋亡，且凋亡峰值没有消失，而连续给药产生了较低水平的细胞凋亡，随着持续给药而减弱。在间歇性大剂量用药期间，较高的 caspase 3 裂解水平与更具穿透力的 PI3K 抑制相关，这是由磷酸化 AKT 水平衡量的。mTOR 抑制剂 vistusertib（AZD2014；表 S1）在连续或间歇用药时对 MCF7 ER+ 乳腺癌异种移植造成类似的生长抑制，但在间歇用药期间观察到更高的肿瘤细胞凋亡率。这些临床前研究表明，间歇性给药计划可能允许更高的剂量，并导致更全面的 PI3K 途径抑制和更高水平的细胞凋亡，即使在单药治疗环境下。这一建议的临床成功取决于正常组织是否在剂量间歇期比肿瘤组织更善于恢复。
间歇性给药的 PI3K /mTOR 通路抑制剂的早期临床结果也产生了令人鼓舞的数据。在泛 PI3K 抑制剂 buparlisib 的 I 期试验中，在相同的 buparlisib 日剂量下，间歇性的 5 天用药，2 天停药，产生了较少的早发不良事件。间歇性给药也可能允许在毒性较低的抑制剂（如异构体选择性 PI3K 抑制剂）的同等毒性下产生更明显的通路抑制。p110α 选择性抑制剂 MLN1117（现为 TAK117；表 S1）的 1 期剂量升级试验比较了两种不同的、每周三天的高剂量（900 毫克最大剂量）与每日给药（150 毫克最大剂量）的计划。间歇性给药计划使研究者能够达到比每日给药所能达到的 4 倍高的暴露量。对皮肤活检的分析显示，通过药效学生物标志物 phospho4EBP1 和 phospho-S6 衡量， PI3K 途径的抑制作用增强。最后，gedatolisib（PKI-587；PF05212384；表 S1）是 I 类 PI3K s 和 mTOR 的强效抑制剂，正在与 palbociclib 和抗雌激素疗法联合用于转移性 ER+ 乳腺癌妇女的早期试验，以及与顺铂联合用于 TNBC 患者。在这些研究中，gedatolisib 的给药方案涉及每周一次的静脉给药。人们热切期待探索 PI3K /mTOR 通路抑制剂间歇性给药的研究结果，希望这些新型方案至少能部分解决肿瘤组织中深入抑制 PI3K /mTOR 通路的对立要求，同时尽量减少正常组织的毒性结果。在 2017 年 AACR 年会上公布的 copanlisib 的 2 期试验结果显示，给予 copanlisib 每周一次的静脉注射剂量的惰性淋巴瘤患者的反应率为 60%。重要的是，与持续抑制 p110α（高血糖）或 p110δ（结肠炎）相关的常见毒性在间歇性给药的队列中是短暂的或较少发生的。
在开发 PI3K 通路抑制剂与其他靶向药物的组合时，减轻毒性可能特别重要，特别是那些具有重叠毒性的药物。例如，迄今为止进行的临床试验表明，泛 PI3K 抑制剂与 MEK 抑制剂的组合将面临相当大的耐受性挑战。虽然使用同工酶选择性或同工酶保留的 PI3K 抑制剂可能会减少合理组合的毒性负担，但在许多情况下，有效剂量比和时间表的设计可能与组合本身的设计一样关键。一个或两个组合的间歇性给药可能会改善毒性并提高治疗指数。这一概念在小鼠乳腺异种移植模型中用 p110α/g 选择性抑制剂 AZD8835 的组合进行了测试，其间歇给药与间歇给药的氟维司群或连续给药的 palbociclib 联合治疗。这些组合产生了强大的肿瘤消退效应；事实上，三合一组合（AZD8835 加氟维司群加 palbociclib），且每种药物都按照上述方案给药，诱发了深刻的肿瘤消退。重要的是，三重组合中每种药物的 MTD 与单药治疗的 MTD 相同，这表明当三种药物中的两种在间歇性给药时，不存在组合毒性。
正在进行的 AKT 抑制剂 AZD5363 与 PARP 抑制剂奥拉帕利的试验中也在研究脉冲式给药，其中 AZD5363 按照三个间歇性时间表给药。虽然这种联合治疗方案选择 AKT 抑制剂（相对于 PI3K 抑制剂）的基本原理并不完全清楚，但已发表的证据表明，PARP 抑制在某些情况下会引发 AKT 激活和肿瘤进展。但也有可能通过依次给组合伙伴用药来减少全身毒性，就像在一些化疗组合中一样。通过将 PI3K -mTOR 通路抑制剂与在肿瘤上留下持续 "印记" 的药物合作，这种计划的有效性可能会得到优化；例如，DNA 破坏性细胞毒剂或针对表观基因组的药物，如组蛋白去乙酰化酶抑制剂。
将 PI3K 通路抑制剂封装在肿瘤靶向纳米颗粒中，是一种吸引人的策略，可以促进 PI3K /mTOR 通路抑制剂在肿瘤与其他宿主组织中的不对称分布。在一项临床前研究中，以 P- 选择素结合的褐藻糖胶为基础的纳米颗粒作为 alpelisib 的递送载体。在携带头颈部癌症异种移植的动物中，每周一次服用加载了 alpelisib 的纳米颗粒，与每天服用 alpelisib 单体相比，大大改善了存活率，并使肿瘤对放疗的敏感度更高。此外，纳米颗粒介导的药物递送减弱了药物引起的高血糖和高胰岛素血症，并减少了阿贝利西布治疗后胰岛 β 细胞的损耗。这些结果支持进一步探索肿瘤靶向纳米颗粒作为 PI3K /mTOR 通路抑制剂的有前途的肿瘤选择性递送载体。
# 判断 PI3K 通路抑制剂反应和抵抗性的标志物
与其他靶向治疗一样， PI3K 通路抑制剂在临床上的成功将取决于能否准确识别那些最有可能对治疗产生反应的患者。如上所述，一项针对来曲唑耐药患者的氟维司群和 buparlisib 的 3 期研究（BELLE-2 试验）显示，根据循环肿瘤（ct）DNA 分析确定的 PIK3CA 突变状态，对 buparlisib 的反应有明显差异。在 PIK3CA 突变的患者中，反应率明显增加（18.4% 对 3.5%），相对于安慰剂，buparlisib 治疗后的中位 PFS（7.0 对 3.2 个月）也是如此。相比之下，缺乏 PIK3CA 突变的患者从氟维司群加 buparlisib 的组合中没有获得额外的好处，相对于氟维司群单药（11.6% 对 10.6%），也没有经历 PFS 的好处（6.8 对 6.8 个月）。有趣的是，当在档案肿瘤组织中评估这些参数时，在 PIK3CA 突变或 PTEN 表达缺失的患者中，反应率或 PFS 没有明显改善。在氟维司群加 buparlisib 的 BELLE-3 试验中，突变的 PIK3CA 患者的 PFS 获益也有类似的增加，该试验招募了对先前雷帕克治疗耐药的患者。BELLE 试验证实，PIK3CA 突变可预测对 PI3K 抑制剂的敏感性，并认为 ctDNA 中实时 PIK3CA 突变状态的分析比档案肿瘤组织的分析更能预测药物反应性的生物标志物。与原发肿瘤的档案样本相比，ctDNA 分析考虑到了在肿瘤演变过程中和对早期疗法的反应中发生的癌症基因组的动态变化（因此也包括生物标志物状态）。在 buparlisib 治疗时 ctDNA 中存在 PIK3CA 突变，因此从逻辑上讲能够比历史样本更准确地识别药物敏感的细胞群，因为其中潜在的药物反应性克隆可能在肿瘤发展过程中发生了损耗。
最近的证据表明，不同的 PIK3CA 突变在 PI3K /mTOR 通路抑制剂治疗方面有不同的后果。异构体选择性抑制剂 alpelisib 和 taselisib 在乳腺癌中的早期临床试验结果与之前对不同癌症患者的 PI3K 通路抑制剂临床试验的荟萃分析一致，结果表明 H1047R 突变的患者比其他 PIK3CA 突变或该基因无突变的患者反应率更高。据报道，p110β 单一抑制剂 taselisib（表 S1）可诱导突变体 p110α 的降解。可以想象，p110α 的不同激活突变可能赋予药物诱导降解的不同敏感性；如果事实证明是这样，也许药物诱导的 p110α H1047R 突变体的周转是表达这种特定 p110α 癌蛋白的肿瘤对 taselisib 敏感性增加的基础。尽管如此，PIK3CA 的激活性突变并不足以定义 PI3K /mTOR 通路抑制剂反应性的患者群体。为了优化含有 PI3K /mTOR 通路抑制剂的药物组合的开发，还需要其他阳性或阴性（如 Ras 通路改变）生物标志物，最好能进行纵向试验来确定。
BOLERO-2 试验确定了依维莫司加依西美坦治疗 ER+/HER2- 乳腺癌的疗效。在这项试验中，细胞周期蛋白 D1 的扩增对依维莫司的疗效没有影响，而 FGFR1 或 FGFR2 的突变或扩增导致依维莫司治疗的获益减少，尽管该试验没有足够的力量来提供这方面的明确结论。一项对 BOLERO-1 和 BOLERO-3 三期试验的荟萃分析显示，在一项依维莫司或安慰剂联合曲妥珠单抗和化疗（分别为紫杉醇或维诺瑞林）治疗 HER2+ 晚期乳腺癌患者的试验中，依维莫司对 PIK3CA 突变或 PTEN 低表达（通过 IHC）的患者有明显的 PFS 获益，而没有这些突变的患者没有从依维莫司的联合治疗中获益。
AKT E17K 突变导致构成性膜定位和通路激活，在多种肿瘤类型中的发现频率为 1%-4%。在早期阶段的试验中，竞争性 AKT 抑制剂 AZD5363 在携带 E17K 突变的肿瘤患者中显示出有希望的活性，这是通过肿瘤组织和 ctDNA 分析确定的。在一项 AKT 抑制剂 ipatasertib（GDC-0068；表 S1）与阿比特龙治疗转移性耐雄激素抗性的前列腺癌的试验中，在 PTEN 缺失（通过 FISH 和 NGS 确定）的患者中观察到 ipatasertib 的 PFS 反应改善，但在 PTEN 完整的患者中没有观察到。因此，PTEN 缺失和 AKT E17K 突变似乎是反应 AKT 抑制剂治疗敏感性的有希望的生物标志物。
# 从 Idelalisib 的临床经验中吸取的教训
Idelalisib 是一种选择性的 PI3K d 抑制剂，于 2014 年被批准用于复发的慢性淋巴细胞白血病（CLL）和两种亚型的非霍奇金淋巴瘤（NHL），与利妥昔单抗联合使用。临床试验为伊德拉利西的疗效机制以及其毒性提供了重要的见解。用 idelalisib 治疗 CLL 患者会导致转化的 B 细胞从淋巴室重新分布到外周循环，导致淋巴细胞减少。这些反应与 BTK 抑制剂伊布替尼引起的反应相同，并与 BTK 和 p110δ 在 BCR 信号体中的聚合作用相一致。在 CLL 和惰性 NHL 中，对 PI3K d 通过 BCR 进行信号传导的强烈依赖解释了这些转化的 B 细胞对 p110δ 抑制的敏感性。Idelalisib 诱导的淋巴细胞减少使恶性 B 细胞失去了在周围组织中的保护性地位，并使 B 细胞容易受到利妥昔单抗免疫疗法或苯达莫司汀化疗引起的凋亡信号的影响。因此，idelalisib 的主要作用机制与 p110α 对癌细胞的推定直接作用有很大的不同；相反的，p110δ 的抑制抑制了宿主的反应，这些反应促进了 CLL 中转化的 B 细胞克隆的生存和扩张。
与 idelalisib 治疗相关的不良事件包括肝酶升高、腹泻、肺炎和肺炎。idelalisib 的后续试验，包括其他组合的试验和在年轻和治疗无效患者中的试验，发现了更严重的不良事件，如结肠炎、肺炎和肝酶高度升高。不幸的是，几个与药物有关的死亡是肺囊虫或巨细胞病毒感染，导致试验中止。目前，idelalisib 加利妥昔单抗仅用于抢救性治疗，通过中断治疗或皮质类固醇治疗管理全身免疫抑制和 / 或炎症并发症。鉴于与基因工程小鼠缺乏 p110δ 活性的病症相似，与 idelalisib 相关的毒性被认为是基于相似的机制。idelalisib 治疗后患有 3 级或以上结肠炎或转氨酶的患者显示出较高的血浆趋化因子水平和较低的 Tregs 数量，这表明 p110δ 抑制的毒性作用可能部分源于 Treg 耗竭，解除了对细胞毒性 T 细胞的限制。有趣的是在接受 mTOR 抑制剂依维莫司的癌症患者中也有肺囊虫感染的报道。idelalisib 治疗的患者中 Treg 功能的明显抑制表明，p110δ 的抑制可能通过抑制免疫抑制性肿瘤微环境的一个重要细胞贡献者的功能来增强抗肿瘤活性。抑制 p110δ 可能部分地通过抑制抗原反应性 Treg 细胞中 AKT 的激活来干扰 Treg 功能。Treg 细胞中 AKT 不敏感的 FOXO1 突变体的单倍表达导致激活的 Tregs 的肿瘤浸润减少，同时伴随着肿瘤浸润性细胞毒性 T 淋巴细胞的激活增强，反过来，在三个不同的临床前模型中发现对肿瘤生长的抑制增强。上文讨论了 p110δ 抑制剂通过抑制 Treg 提高小鼠抗肿瘤免疫力的潜力。在正在进行的临床研究中，正在探索 p110δ 抑制剂与抗 PD-1 抗体相结合的潜在免疫刺激作用。
# 由失调的 mTORC1 激活引起组织过度生长和 Hamartoma 综合症
尽管在 PI3K /mTOR 通路抑制剂的临床开发过程中遇到了一些挑战，但在鉴定携带 PI3K 下游突变的患者群体时，出现了一些值得注意的成功案例，这些突变驱动 mTORC1 信号的过度激活（表 1）。mTORC1 驱动的疾病病理的典型例子是结节性硬化症，这是一种常染色体显性遗传疾病，其发病率为每 6000 名活产儿中就有一个。与 mTORC1 在刺激细胞生长和增殖方面的普遍作用相一致，结节性硬化症是一种多器官疾病，其特点是在大脑、肾脏、心脏和其他器官中长出被称为 hamartomas 的良性肿瘤。令人惊讶的是，这些病人的寿命相对正常，但肿瘤在中枢神经系统的发展倾向导致认知缺陷和癫痫发作，可能使人身体衰弱，甚至威胁到生命。常见的脑部病变是脑仓瘤和依赖性下巨细胞瘤（SEGAs）。
在 TSC 缺陷的小鼠模型中获得的令人鼓舞的结果促使雷帕霉素类药物在结节性硬化症患者中进行临床试验。目前，依维莫司已成为诊断为结节性硬化症的高危肾脏血管肌脂瘤成人患者和手术不可切除的 SEGA 青年和成人患者的治疗药物。雷帕霉素和依维莫司在降低结节性硬化症患者的癫痫严重程度方面都显示出了有效性。然而，雷帕霉素类单药治疗并不能完全治愈上述疾病，部分原因可能是在这些药物的临床可耐受剂量下未能完全阻断失调的 mTORC1 信号。此外，长期暴露于雷帕霉素类药物往往会导致严重的并发症，如粘膜炎、肺炎和感染风险增加，这迫使人们停止治疗。在没有长期雷帕克治疗的情况下，病人会发生肿瘤再生和疾病症状进展。
淋巴管瘤病（LAM）是一种几乎只发生在女性身上的综合征，其特征是肺部出现平滑肌样囊肿，伴随肺功能逐渐下降。大多数患有 LAM 的妇女被诊断为偶发病，其中父母的致病克隆体在 TSC1 或 TSC2（在大多数情况下）中发生了双拷贝功能丧失的突变。LAM 被称为 "良性肿瘤"，因为越来越多的证据表明，LAM 细胞在表型和行为上与低级别肉瘤细胞相似。事实上，引起囊性肺病主要症状的原发性 LAM 细胞似乎是从远处器官移来的，子宫被怀疑是转移前 LAM 细胞的主要来源。LAM 发病率的巨大性别差异表明，激素因素，特别是雌性激素，在疾病的发生和发展过程中与 TSC 功能的丧失相协作。直到最近，LAM 的患者还没有有效的治疗方法，他们只能忍受肺功能不可阻挡的下降，最终导致需要进行拯救生命的肺部移植。然而，TSC 功能丧失与 LAM 之间的强烈遗传联系表明，mTORC1 的治疗靶点可能被证明能有效地阻止或推迟 LAM 的发展。随后的一项临床研究（MILES 试验）表明，雷帕霉素（西罗莫司）治疗可显著降低肺功能几个参数的下降速度，导致该药物被 FDA 批准为 LAM 的第一种疗法（表 1 和表 S1）。不幸的是，与结节性硬化症患者的情况一样，雷帕霉素只能延缓疾病的发展，不能逆转已经对肺部造成的损害。最近，一项重要的新西罗莫司试验（MILED 试验）被宣布，预计将进一步提高雷帕霉素治疗对 LAM 疾病过程的影响（NCT03150914）。这项试验将集中在比 MILES 试验所接纳的病人更早的疾病阶段。重要的是，为 MILED 选择的西罗莫司的剂量（每天 1 毫克）将是 MILES 试验中测试剂量的一半。这样做的目的是为了减少因药物不良反应而导致的退出率，并使这些更健康的早期患者能够从 mTORC1 抑制剂中获得更大的益处，并在更长期的基础上进行治疗。鉴于 LAM 的病变与明显的癌症肿瘤相似，预计涉及雷帕霉素类和 / 或其他靶向药物的组合可能对这种疾病有最好的疗效。
在恶性疾病中也观察到了雷帕霉素类疗法在涉及 TSC 的体细胞丧失突变情况下的疗效。Solit 等人使用深层基因组测序来确定转移性膀胱癌患者 TSC1 的体细胞突变，并观察到这些患者在依维莫司治疗中的表现明显好于膀胱肿瘤含有野生型 TSC1 基因的患者。随后发表的一篇文章确定了一名晚期无性系甲状腺癌患者，该患者带有 TSC1 的无义突变，对依维莫司的反应也非常好。该患者的疾病在用药 18 个月后出现进展，肿瘤基因组的重新测序发现了 MTOR 的一个突变，该突变在 FKBP12 结合域中编码了一个氨基酸。虽然这种改变赋予了对雷帕罗格的抗性，但原则上，肿瘤应该保留对 ATP 竞争性 mTOR 激酶抑制剂或上文讨论的双靶点的 Rapalink 的敏感性。最近的一项研究确定了一组具有 TSC1 功能丧失和 / 或 mTOR 激活性突变的肾癌患者，他们是雷帕罗格疗法的特殊反应者。有趣的是，上述与癌症相关的 TSC 突变涉及 TSC1 基因，而支撑结节性硬化症和 LAM 的大多数改变是针对 TSC2 亚单位的。我们可以推测，除了激活 mTORC1 外，这些突变还破坏了 TSC1 不依赖 mTORC1 的功能，如对转化生长因子 β 信号的调节。
# PI3K 信号失调引起的综合症
PTEN 是 PI3K /mTOR 通路信号网络的一个关键负调控因子，其可遗传的生殖系统功能缺失突变产生了一组组织过度生长综合征，统称为 PTEN 错构瘤综合征（PHTS）。这些与 PTEN 相关的疾病是以常染色体显性方式进行代际传递的。这组疾病的典型是考登氏综合征（CS）。与上述结节性硬化症综合征一样，CS 是一种多器官系统疾病，以异常组织过度生长为特征。然而，CS 有相当大的癌症发展风险，乳腺、肾脏、结肠、甲状腺和子宫内膜是肿瘤发生的主要目标。CS 患者的管理主要需要支持性护理，特别注意对各种癌症的筛查。西罗莫司已经在 CS 患者中进行了测试（表 1），虽然似乎可以改善疾病症状，但反应只是部分的，而且在治疗几个月后已经观察到药物的耐受。迄今为止，雷帕霉素类药物治疗的效果并不理想，这反映了治疗整个 PI3K /mTOR 通路失调疾病靶向 mTORC1 的挑战。
CLOVES 综合征是一种罕见的非恶性疾病，由 PIK3CA 基因的体细胞获得性、镶嵌性激活突变引起。该综合征的特点是区域性组织过度生长和畸形，影响到表皮、内部器官、骨骼和中枢神经系统。CLOVES 综合征在 10 年前才被确认为一个独立的疾病实体，主要的疾病矫正治疗是手术。疾病本身和手术都会造成毁容，并有可能危及生命。在与 PI3K /AKT/mTOR 信号升高相关的血管异常患者中，雷帕霉素在一项 2 期研究中入选的 57 名患者中产生了部分反应（表 1）。PIK3CA 依赖性血管异常和其他组织过度生长的患者可能会从选择性 p110α 抑制剂的治疗中获得更好的益处，这将阻断雷帕霉素未涵盖到的 p110α 的独立于 mTORC1 的功能。正如预期的那样， PI3K 抑制剂强烈抑制 CLOVES 综合征细胞在培养中的增殖。我们预计 p110α 抑制剂将在不久的将来在 CLOVES 综合征患者身上进行测试，尽管有毒性问题，但希望这些药物将提供雷帕霉素疗法无法实现的完全缓解的可能性。
最近的一份报告发现了 PTEN 失活的另一种途径，该途径由 PARK2 的体细胞失活驱动，PARK2 编码 Parkin，是一种参与通过有丝分裂消除功能障碍的线粒体的 E3 连接酶。PARK2 缺陷的癌细胞表现出活性氧（ROS）和氧化氮合成酶活性升高，可能是由于线粒体功能缺陷。这些异常导致 PTEN 脂质磷酸酶活性的丧失和 PTEN 蛋白的表达减少，可归因于催化结构域中一个关键半胱氨酸残基的亚硝化以及随后的蛋白泛素化和降解。这项研究的结果表明，PARK2 是一种单倍体的肿瘤抑制因子，多达三分之二的人类癌症表现出 PARK2 基因产品的表达减少。将这些结果推及 PTEN 功能，认为至少有同等比例的人类癌症由于 PtdIns-3,4,5-P3 降解受损而容易出现 PI3K /mTOR 途径过度活跃。此外，这些发现还为帕金森病的神经变性机制提供了一个吸引人的联系。PARK2 的功能缺失突变首次在早发帕金森病患者中被发现，而这可能是测试 PI3K /mTOR 通路抑制剂的一个指征（表 1）。抑制 mTORC1 对帕金森病的有益作用可能不限于那些与 PARK2 突变有关的病例。在果蝇中的一项研究显示，由雷帕霉素或遗传操作诱导的 4E-BP1 依赖性翻译抑制的增加，增加了携带 PARK、PINK1 和 LRRK2 同源物的疾病相关突变的苍蝇对细胞死亡的抵抗力。以前的研究发现了帕金森病与某些癌症风险增加之间的联系。了解黑质多巴胺能神经元中 Parkin 活性的降低是否也导致 PTEN 活性的丧失，以及反过来， PI3K /mTOR 信号的不适当增加是否与帕金森病患者中这些神经元的死亡有因果关系，将是非常有趣的。
# 展望
三十多年来，密集的基础研究和药物开发使针对 PI3K /mTOR 途径的癌症治疗取得了缓慢但不可否认的进展，同时也显示出未来的成功前景。雷帕霉素类药物通常未能实现这些药物将成为具有广泛影响的抗癌药物的期望，但依维莫司与芳香化酶抑制剂的组合现在已被批准为激素依赖性乳腺癌的二线疗法。尽管 PI3K /mTOR 通路抑制剂的早期试验并不像希望的那样成功，但下一波临床试验方法可能会改善许多肿瘤学领域的临床结果。例如，新一代的同工酶选择性 PI3K 抑制剂在与氟维司群和 / 或 CDK4/6 抑制剂联合治疗乳腺癌方面显示出巨大的前景。开发选择性抑制 p110α 突变激活形式的化合物这一长期追求的目标几乎已经实现，Taselisib 已进入第三期试验，用于治疗肿瘤带有 PIK3CA 突变的患者。p110δ 抑制剂 idelalisib 是各种血癌的临床选择，其他 p110δ 选择性化合物的安全性明显提高，目前正在开发中。间歇性给药方案和纳米粒子介导的药物输送可能会扩大泛 PI3K 抑制剂和 TORKi 的治疗窗口。开发治疗方案，通过升高的葡萄糖和胰岛素尽量减少全身反馈，可能会进一步提高这些化合物的疗效和安全性。完善用于患者选择和预测复发的生物标志物无疑将提高 PI3K /mTOR 途径抑制剂的成功率。为了在 PI3K /mTOR 抑制剂的应用中产生更大的收益，有必要进行基础研究，以发现不同癌症类型的合成致死方案，并利用这一知识进行有效的组合。
人们对 PI3K /mTOR 信号在免疫系统中的复杂作用有了更多的了解，发现了调节肿瘤微环境以获得治疗效果的意外策略。抑制 p110δ 或 p110γ（两者在实体瘤细胞中都不常表达）可以克服免疫耐受和 / 或免疫抑制环境，促进 T 细胞抗肿瘤反应，以及在临床前模型中增强免疫疗法的疗效。抑制树突状细胞中的 PI3K 和 / 或 mTOR 也有望增强癌症疫苗方法。PI3K /mTOR 研究的另一个意外结果是发现了肿瘤学以外的几种疾病适应症，这些疾病可能会从 PI3K /mTOR 靶向抑制剂中获益良多（表 1）。虽然这些疾病的发病率相对较低，但它们有着共同的病因，都是基于 PI3K /mTOR 信号的失调，并给患者及其家庭带来巨大的痛苦。 PI3K 和 mTOR 在生物体衰老中的进化保守作用也为延长寿命提供了新的机会，更重要的是通过抑制部分通路来延长健康跨度。在未来几年，对 PI3K /mTOR 生物学的研究肯定会发现更多的惊喜和改善人类疾病的新方法。
