炎性衰老研究的現(xiàn)狀和新策略

夏世金

炎性衰老(in flamm-aging)是指在自然衰老進(jìn)程中機(jī)體內(nèi)出現(xiàn)促炎癥反應(yīng)狀態(tài)慢性進(jìn)行性升高的現(xiàn)象[1],是衰老研究領(lǐng)域的新成員,衰老研究的新課題。炎性衰老被視為機(jī)體衰老進(jìn)程速率和壽命的一個(gè)決定因素[2],與老年相關(guān)疾病如阿爾茨海默病、帕金森病、動(dòng)脈粥樣硬化和心臟病等密切相關(guān)[3]。

在國(guó)外,目前炎性衰老的機(jī)制主要有應(yīng)激論和細(xì)胞因子論。應(yīng)激論認(rèn)為自然衰老進(jìn)程中機(jī)體長(zhǎng)期處在應(yīng)激原微環(huán)境中,應(yīng)激原是導(dǎo)致和維持慢性促炎性反應(yīng)狀態(tài)的原因。過(guò)度持續(xù)的應(yīng)激反應(yīng)引起的高促炎癥反應(yīng)狀態(tài)能導(dǎo)致炎性衰老[4-5]。細(xì)胞因子論認(rèn)為促炎細(xì)胞因子 (proinflammatory cytokine)在炎性衰老發(fā)生發(fā)展中起著核心作用[6]。研究顯示人體內(nèi)未激活和記憶 CD4+T淋巴細(xì)胞的Ⅰ型細(xì)胞因子[如干擾素-γ(IFN-γ),腫瘤壞死因子 -α(TNF-α)]和 Ⅱ型細(xì)胞因子[如白介素-4(IL-4)]參與了促炎癥反應(yīng)過(guò)程[7]。細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)重建也能導(dǎo)致炎性衰老,CD8+和CD4+T淋巴細(xì)胞在重建中起關(guān)鍵作用[8]。老年人血清中 IL-6和TNF-α水平的升高與疾病、殘疾和死亡率有關(guān)。循環(huán)中促炎細(xì)胞因子和介質(zhì)如 IL-1β、TNF-α、IL-6、IL-15、IL-18和前列腺素 E2(PGE2)水平的升高是導(dǎo)致并維持高促炎癥反應(yīng)狀態(tài)的主要原因[9-10]。因此提出血清 IL-6水平可作為炎性衰老的預(yù)測(cè)指標(biāo)[2]。循環(huán)中存在著高水平的促炎細(xì)胞因子,使得老年人的組織器官持續(xù)地處于這種炎性環(huán)境之中。作用相互拮抗的細(xì)胞因子強(qiáng)弱對(duì)比的最終結(jié)果在炎性衰老發(fā)展中可能起著決定性的作用。但是,細(xì)胞因子與長(zhǎng)壽的關(guān)系存在人種特異性[11]。

促炎細(xì)胞因子能誘導(dǎo)細(xì)胞衰老。促炎細(xì)胞因子(如 TNT-α、IFN-β、IFN-γ等)通過(guò)產(chǎn)生活性氧和激活A(yù)TM/p53/p21(WAF1/Cip1)信號(hào)通路誘導(dǎo)上皮細(xì)胞衰老[12]。趨化因子受體 CXCR2通過(guò) p53通路誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞衰老;DNA損傷激活核因子 -κB(NF-κB)等信號(hào)通路產(chǎn)生促炎細(xì)胞因子(IL-1、IL-6、IL-8等),從而阻滯細(xì)胞周期,誘導(dǎo)和維持細(xì)胞衰老表型[13]。

在國(guó)內(nèi),夏世金等基于神經(jīng) -內(nèi)分泌 -免疫網(wǎng)絡(luò),以老年大鼠的海馬、下丘腦、垂體、腎上腺、脾淋巴細(xì)胞標(biāo)本為對(duì)象,應(yīng)用炎癥細(xì)胞因子與受體基因芯片進(jìn)行時(shí)空動(dòng)態(tài)檢測(cè),篩選關(guān)鍵基因。同時(shí)檢測(cè)大鼠血清、海馬、下丘腦、垂體、腎上腺、脾淋巴細(xì)胞中與上述關(guān)鍵基因?qū)?yīng)的關(guān)鍵蛋白。研究發(fā)現(xiàn),在轉(zhuǎn)錄和蛋白水平上老年大鼠出現(xiàn)部分促炎細(xì)胞因子表達(dá)上調(diào),這可能是炎性衰老中出現(xiàn)高促炎性反應(yīng)狀態(tài)的原因。還發(fā)現(xiàn)淫羊藿總黃酮和淫羊藿苷能夠干預(yù)炎性衰老[14-15]。

總之,炎性衰老的研究目前尚處于初級(jí)階段。有關(guān)炎性衰老機(jī)制、生物學(xué)標(biāo)志物、評(píng)價(jià)體系、研究模型和干預(yù)手段等研究還十分欠缺。此外,炎性衰老涉及整體、器官和細(xì)胞多水平,需要全方位加以深入研究和闡明。然而,目前研究方法過(guò)于單一,難以闡明炎性衰老中復(fù)雜的炎性反應(yīng)規(guī)律,嚴(yán)重制約著研究的深入進(jìn)行[16]。

基于炎癥細(xì)胞因子(inflammatory cytokine)在炎性衰老進(jìn)程中的關(guān)鍵作用和復(fù)雜性,我們認(rèn)為可以炎癥細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)為切入點(diǎn),探討炎性衰老的炎癥細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機(jī)制和量化評(píng)價(jià)體系。炎癥細(xì)胞因子是由神經(jīng)、免疫、內(nèi)分泌以及組織細(xì)胞分泌的具有高度生物活性的可溶性蛋白或糖蛋白,包括 IL、IFN、TNF、集落刺激因子和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(TGF)等,通過(guò)受體介導(dǎo),以旁分泌和(或)自分泌的方式參與機(jī)體內(nèi)復(fù)雜的細(xì)胞-細(xì)胞調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò),在其生成的微環(huán)境中直接發(fā)揮作用。通過(guò)對(duì)炎癥細(xì)胞和免疫活性細(xì)胞的激活及細(xì)胞因子的釋放,在細(xì)胞、分子水平發(fā)揮重要的調(diào)控作用?？蛇M(jìn)入循環(huán)并引起全身效應(yīng)。眾多炎癥細(xì)胞因子交互作用構(gòu)成炎癥細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)(inflammatory cytokine network),其特征有三性:多源性指同一種炎癥細(xì)胞因子可由不同細(xì)胞產(chǎn)生;多效性是同一種炎癥細(xì)胞因子可具有多種功能;交疊性表示不同種的炎癥細(xì)胞因子具有共同的活性。因此它們?cè)隗w內(nèi)構(gòu)成縱橫交錯(cuò)、四通八達(dá)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。炎癥細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)分為:促炎細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)(proinflammatory cytokine network)和抗炎細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)(antiinflammatory cytokine network)。促炎細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)主要成員有 TNF-α、IFN-γ、某些 IL(IL-1、IL-6、IL-8)等;抗炎細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)中主要有TGF-β1、IL-4、IL-10、 IL-13 等。炎癥反應(yīng)如同免疫反應(yīng)一樣是機(jī)體的正常生理防御功能,適度的炎癥反應(yīng)對(duì)機(jī)體有利,反之則有害。炎癥細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)的變化控制著炎癥發(fā)生發(fā)展的方向。促炎細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)和抗炎細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)平衡共同維持機(jī)體的炎癥正常功能,一旦這個(gè)平衡被打破就會(huì)引起病理性炎癥變化[17-19]。我們推測(cè):導(dǎo)致炎性衰老的原因是促炎細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)和抗炎細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)之間的動(dòng)態(tài)平衡被破壞,促炎癥反應(yīng)狀態(tài)隨年齡增高進(jìn)行性升高,這可能是炎性衰老發(fā)生發(fā)展的新機(jī)制。

炎癥細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)行為變化也有 3個(gè)特性:(1)平行性意味著許多事件在同時(shí)平行發(fā)生并使得這個(gè)網(wǎng)絡(luò)一直處在變化之中,調(diào)控機(jī)制無(wú)時(shí)無(wú)刻不在發(fā)揮作用,且隨時(shí)都在調(diào)節(jié)與再調(diào)節(jié);(2)多層次性指炎癥細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)包含各個(gè)子網(wǎng)絡(luò);(3)非線性是這個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有非線性動(dòng)力學(xué)特征。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性可想而知。因此,我們認(rèn)為用線性思維和方法去認(rèn)識(shí)復(fù)雜的炎癥細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)是不可能的,非線性研究方法(如系統(tǒng)生物學(xué)方法等)逐步介入已是必然趨勢(shì)。炎癥細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)典型的系統(tǒng)生物學(xué)課題,要克服傳統(tǒng)研究中的單個(gè)基因或分子的孤立的研究模式,用系統(tǒng)生物學(xué)整體研究模式取而代之。

系統(tǒng)生物學(xué)給炎癥細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)闡明帶來(lái)契機(jī)與希望,也為闡明炎性衰老的炎癥細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機(jī)制和構(gòu)建量化評(píng)價(jià)體系提供理論指導(dǎo)和新方法,可能成為炎性衰老研究的突破口[20]。系統(tǒng)生物學(xué)是一門集生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等多學(xué)科交叉滲透的學(xué)科,研究整合各種生物信息的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),建立數(shù)學(xué)模型,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證完善模型,最終預(yù)測(cè)生物系統(tǒng)的行為。它的研究分為四個(gè)邏輯層次[20-21]:第一層次是對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的識(shí)別和研究,包括基因相互作用網(wǎng)絡(luò)、生化代謝途徑的識(shí)別、節(jié)點(diǎn)分析等;第二層次是對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征和屬性進(jìn)行分析,如敏感性分析、魯棒性分析、相圖分析和分歧性分析等,以捕捉系統(tǒng)的特征與規(guī)律[22-23];第三層次是研究控制系統(tǒng)的方法和規(guī)律,使系統(tǒng)的損失最小而效用最大;第四層次是將生物系統(tǒng)按照需要修改、重建和仿真模擬以及進(jìn)行相應(yīng)的方法學(xué)研究[24],也包括確定和變動(dòng)設(shè)計(jì)原則與構(gòu)想,提出創(chuàng)新的基于計(jì)算的假設(shè),并指導(dǎo)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn),這樣可以避免盲目的反復(fù)試錯(cuò)的方法[25]。

基因芯片檢測(cè)技術(shù)能系統(tǒng)檢測(cè)出基因的轉(zhuǎn)錄水平,已成為系統(tǒng)生物學(xué)研究的有效手段,相應(yīng)的基因表達(dá)譜分析也被成功應(yīng)用在生物科學(xué)的眾多領(lǐng)域中?；虮磉_(dá)譜芯片技術(shù)的應(yīng)用,使得人們對(duì)生物的研究從單個(gè)基因的局部、片面性研究,上升到對(duì)整個(gè)基因組的系統(tǒng)性、定量的研究層面,發(fā)展為從全局角度分析復(fù)雜系統(tǒng)的生物信息數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)[26]。

總之,炎性衰老和炎癥細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)都是典型的系統(tǒng)生物學(xué)課題,炎癥細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)貫通于炎癥和衰老網(wǎng)絡(luò),成為炎性衰老研究理想的切入點(diǎn),基因芯片檢測(cè)技術(shù)是解決系統(tǒng)生物學(xué)某些問(wèn)題的有效手段。因此,在系統(tǒng)生物學(xué)理論指導(dǎo)下,運(yùn)用基因芯片檢測(cè)技術(shù)篩選炎性衰老進(jìn)程中特征性炎癥細(xì)胞因子基因,探討炎性衰老的炎癥細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)調(diào)控新機(jī)制,這是開(kāi)展炎性衰老基礎(chǔ)研究的新策略,為闡明炎性衰老機(jī)制和建立量化評(píng)價(jià)體系提供新方法和新思路。

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