增齡性骨骼肌減少癥的細胞及分子機制研究

王永春　蒲榮喜　楊　忠

(第三軍醫(yī)大學學員旅8營，重慶　400038)

增齡性骨骼肌減少癥的細胞及分子機制研究

王永春蒲榮喜1楊忠1

(第三軍醫(yī)大學學員旅8營，重慶400038)

〔關鍵詞〕增齡性骨骼肌減少癥；細胞和分子機制；防治策略

增齡性骨骼肌減少癥的特征為隨著老化進程，骨骼肌質量減少(包括肌纖維體積和數(shù)量) 、力量降低，肌肉代謝水平下降以及脂肪等結締組織增多〔1，2〕。由于骨骼肌在機體運動和能量代謝過程中的關鍵作用，增齡性骨骼肌減少癥不僅是老年群體摔跤、骨折和失能的重要原因，同時還顯著增加罹患糖尿病、骨關節(jié)炎、骨質疏松及動脈粥樣硬化等疾病的風險。有報道60歲以上老人的發(fā)病率為13%～24%，80歲以上>50%〔3〕。深入研究增齡性骨骼肌減少癥的細胞及分子機制，對延緩此類疾患的發(fā)生與發(fā)展、提高老年人的生活質量具有重要意義。

1增齡性骨骼肌減少癥的細胞與分子機制

1.1細胞水平的研究骨骼肌在正常成年個體占體重的45%～50%，男性略高，這一比例在75～80歲老年個體減少為約25%。從組織病理學的觀點，增齡性骨骼肌減少癥的重要特征是Ⅱ型骨骼肌纖維的萎縮和死亡，線粒體等細胞器成分減少，同時伴有肌纖維間脂肪組織沉積增多；而作為骨骼肌主要干細胞成分的肌衛(wèi)星細胞(SC)數(shù)量與功能減退近年也受到廣泛關注。

1.1.1細胞凋亡凋亡在保持機體內環(huán)境的穩(wěn)定以及器官的生長發(fā)育中起著重要作用研究發(fā)現(xiàn)增齡性骨骼肌減少癥患者肌組織內與凋亡有關的蛋白酶明顯升高，表明凋亡可能是導致肌肉減少的原因之一〔4，5〕。含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-3(Caspase-3)是細胞凋亡的主要效應因子，其活化標志著凋亡進入不可逆階段。但是研究發(fā)現(xiàn)在肌肉萎縮模型中2個月之后才觀察到明顯細胞凋亡，提示細胞凋亡在肌肉萎縮初期的作用可能是有限的〔6〕。

1.1.2SC數(shù)量功能下降和骨骼肌再生能力減退SC位于基底膜與肌膜之間，是骨骼肌組織內最主要的干細胞成分；一般情況下處于靜止狀態(tài)，當肌組織受到損傷或刺激時，即被迅速激活，增殖分化為成肌細胞，可與受損的骨骼肌纖維融合或相互融合，形成新的肌纖維〔7〕。Ⅱ型肌纖維的減少在增齡性骨骼肌減少癥中尤為突出，Verdijk等〔8〕發(fā)現(xiàn)Ⅱ型肌纖維中衛(wèi)星細胞減少尤為嚴重，說明衛(wèi)星細胞的減少可能是Ⅱ型肌纖維丟失的重要原因。此外近幾年研究發(fā)現(xiàn)在機體衰老過程中骨骼肌SC也存在明顯的功能減退，其數(shù)量和功能的下降使得老年骨骼肌再生和修復能力顯著降低，這與骨骼肌萎縮密切相關。

1.1.3脂肪沉積隨著年齡增長，在骨骼肌肌量和力量下降的同時，肌組織內脂肪相對增加。Tardif等〔9〕證明肥胖老年大鼠肌肉中存在脂質的再分配和異位脂質堆積。有研究發(fā)現(xiàn)對于高脂喂養(yǎng)的小鼠，肌肉蛋白分解代謝加快可能與血漿游離脂肪酸增加而脂聯(lián)素降低有關。游離脂肪酸可降解骨骼肌蛋白質，而脂聯(lián)素可通過減少E3連接酶的激活阻斷這一過程，這兩類分子的失衡將導致肌肉體積及力量的下降〔10〕。

1.2分子水平的研究增齡性骨骼肌減少癥的發(fā)生是蛋白質合成和分解失衡的結果，表現(xiàn)為蛋白分解增加或/(和)合成相對減退，最終導致肌肉的逐漸丟失。蛋白水解系統(tǒng)包括泛素-蛋白酶體系統(tǒng)、鈣激活蛋白酶以及自噬等直接參與這一過程，而老年機體激素改變、線粒體功能障礙及氧化應激、慢性炎癥等對此過程具有重要調控作用。

1.2.1骨骼肌蛋白水解系統(tǒng)活動增強泛素-蛋白酶體系統(tǒng):泛素-蛋白酶體途徑是肌肉萎縮時蛋白質降解的主要途徑。通過泛素活化酶E1和連接酶E3使泛素與蛋白結合，然后經蛋白酶催化后降解進入再循環(huán)。E3 是該途徑關鍵酶，參與底物識別并能結合特定的靶蛋白序列或者特異性地調節(jié)靶蛋白的降解速率。其中最常見的兩種E3為Atrogin-1/MAFbx和MuRF-1〔11〕。在多種骨骼肌萎縮模型中Atrogin-l和MuRF-1 mRNA水平表達明顯上調且先于代謝變化，被視為骨骼肌萎縮早期的分子標記物；而抑制蛋白酶體的活性可以減少蛋白質降解。在禁食的大鼠及C2C12骨骼肌細胞中，用腺病毒轉染shRNA抑制Atrogin-1的生成，顯示Atrogin-1的下調可使肌纖維萎縮有所緩解〔12〕。蛋白酶體系統(tǒng)的激活受多種信號途徑調控，其中最主要的是 核轉錄因子(NF-κB)途徑，通過該途徑可以誘導肌萎縮相關基因的表達和促炎因子的釋放〔13〕。

鈣激活蛋白酶:鈣激活蛋白酶包括鈣蛋白酶系統(tǒng)和Caspases 。鈣蛋白酶系統(tǒng)由參與真核細胞蛋白質降解途徑的鈣蛋白酶和鈣蛋白酶抑素組成，此類蛋白酶是鈣依賴性的非溶酶體半胱氨酸蛋白酶，受內源抑制劑和鈣蛋白酶抑素的調控；鈣蛋白酶可使肌動蛋白-肌球蛋白復合體分離，釋放肌節(jié)的蛋白成分，然后被細胞其他的蛋白水解系統(tǒng)水解〔14〕。目前，在幾種病理性肌肉萎縮模型中，都已證實存在鈣蛋白酶系統(tǒng)的激活。Caspases 是非鈣依賴的含半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶，不僅可介導骨骼肌細胞的凋亡，而且可裂解其他蛋白質。Du等〔15〕研究表明Caspases-3 可降解肌動蛋白-肌球蛋白復合物，降解后的產物再被細胞內的其他蛋白降解系統(tǒng)降解。

自噬:自噬作為細胞內重要的蛋白質降解途徑，不僅可直接使骨骼肌纖維發(fā)生凋亡，還可調節(jié)骨骼肌內蛋白質代謝平衡；體內外實驗均證實老年骨骼肌纖維中自噬體的存在〔16〕。 Mizushima等〔16〕發(fā)現(xiàn)禁食小鼠骨骼肌自噬系統(tǒng)激活時出現(xiàn)了自噬相關蛋白(LC3)的過表達，其過表達可作為自噬活動的一個重要指標。雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信號通路是調節(jié)機體自噬的最主要途徑，主要通過mTORC1和 mTORC2兩種形式，前者主要調節(jié)細胞生長、凋亡和細胞自噬，后者與細胞骨架蛋白的構建和細胞存活有關；FOXO3是調控肌肉自噬的關鍵因子，在衰老肌纖維中FOXO3介導的泛素連接酶atrogin1和MuRF1表達增加，肌細胞降解增強〔17〕；骨骼肌NF-κB的激活可導致肌肉蛋白的降解，誘導炎癥反應和纖維化，并阻礙肌組織的再生，導致骨骼肌流失〔18〕。

1.2.2激素及生長因子水平變化的影響激素對骨骼肌的結構與功能具有重要的調控作用。隨年齡增加，體內的游離睪酮以及腎上腺皮質激素等逐步下降。有研究發(fā)現(xiàn)，年齡73～94歲的老年人，大約每增加1歲，游離睪酮水平減少3% ，其減少程度與老年肌肉質量和力量下降基本一致〔19〕。此外，胰島素可通過加速蛋白質合成促進Ⅱ型肌纖維的生長，而胰島素抵抗可使胰島素信號通路或肌肉血流受損，從而影響蛋白質的合成〔20〕。生長激素(GH)可通過誘導肝臟合成胰島素樣生長因子(IGF)-1協(xié)助維持骨骼肌肌肉質量；隨年齡的增加，GH分泌不足引起IGF-1水平下降，導致肌肉質量下降。

IGF -1是骨骼肌代謝重要的調節(jié)因子，骨骼肌肥大常伴隨IG F-I 及其下游信號分子表達和活性增強，而骨骼肌萎縮常合并IGF -1信號通路抑制或活性下降。在老年(70歲)與年輕男性(20歲)的對比研究中發(fā)現(xiàn)老年骨骼肌源性IGF-1表達下降了45%，同時與IGF-1關聯(lián)的下游與蛋白質合成有關的信號靶點也出現(xiàn)了衰減，包括I3K，Akt，mTOR等〔21〕。IGF-1 可刺激PI3K/Akt信號通路，導致肌肉肥大，還可通過抑制泛素-蛋白酶體途徑抑制蛋白降解。然而在動物模型中胰島素樣生長因子信號和TOR信號通路間的聯(lián)系及其詳細的作用機制還有待研究。轉化生長因子(TGF)-β信號通路在調控肌肉質量及功能方面有重要作用，它可抑制衛(wèi)星細胞激活、成肌分化、成肌細胞融合和肌肉特異性蛋白表達，其激活與肌肉損傷、肌肉營養(yǎng)不良和胰島素抵抗誘發(fā)的肌萎縮密切關聯(lián)〔22〕。經典的TGF- β信號通路是TGF-β/smad信號途徑，Ⅰ型受體激活后磷酸化smad2/3，再與smad4結合，然后進入胞核，發(fā)揮轉錄因子作用。有研究報道TGF-β信號增強阻礙了肌肉再生是增齡性骨骼肌減少癥發(fā)生的重要原因〔23〕。

1.2.3線粒體功能障礙、氧化應激和炎癥反應衰老時骨骼肌內氧化應激增強會導致線粒體功能下降、分子炎癥，這些因素相互作用誘導肌纖維凋亡，并干擾蛋白質代謝平衡，可能是衰老性肌萎縮的重要機制。線粒體是細胞活性氧(ROS)的主要來源，也是氧化應激的主要靶點。mtDNA與核DNA相比，自身修復效率低，并缺乏保護性組織蛋白，因此容易被氧化損傷；此外，線粒體基因組缺乏內含子，使得每一種突變都會影響到基因的完整性和蛋白質的功能；mtDNA突變常導致氧化磷酸化降低，ROS大量產生，最終誘導細胞凋亡〔24〕。ROS 還可誘導促炎癥轉錄因子活化，如NFκ-B；NFκ-B 可誘導炎癥細胞因子腫瘤壞死因子(TNF)、白細胞介素(IL)-6，引起慢性炎癥。

氧化應激參與調節(jié)肌肉蛋白的水解，主要通過增加蛋白質的水解導致骨骼肌質量下降。介導氧化應激至肌肉萎縮的細胞信號轉導途徑主要有NF-κB 信號途徑和MAPK 信號途徑。骨骼肌中NF-κB 途徑的激活可以增強泛素蛋白酶體系統(tǒng)的蛋白表達〔18〕，同時NF-κB 干擾肌原性分化以及損傷肌組織的再生。MAPK 信號途徑可影響肌肉蛋白質的降解和細胞核的凋亡；研究表明長期供給以胱氨酸為基礎的抗氧化劑則可以延緩骨骼肌的丟失，也證實了氧化應激對骨骼肌的損害〔25〕。

老年機體常出現(xiàn)炎癥細胞因子的失調，表現(xiàn)為促炎成分的增加、抗感染成分減少，在肌組織呈現(xiàn)慢性低水平的炎癥狀態(tài)。研究顯示TNF-α升高可以通過抑制Akt / mTOR途徑增加肌肉分解代謝；在體外實驗中，TNF-α可導致肌絲蛋白合成減少〔26〕。研究還提示IL-6和C反應蛋白(CRP)的升高與老年骨骼肌質量與力量的下降有關〔27〕。

1.3其他運動單位的改變是增齡性骨骼肌減少癥的重要影響因素。老年運動神經元軸索的傳導速率下降及有髓神經纖維減少可導致肌肉力量的下降；隨著老化，運動單位特別是alpha運動單位減少，去神經后神經再支配能力減退，都會由于神經營養(yǎng)因子的缺乏導致肌纖維凋亡增加，從而導致肌肉質量的丟失〔28〕。此外，有報道神經營養(yǎng)因子受體TRkB對神經肌連接的穩(wěn)定和突觸傳導具有重要作用，而老年時這一因子的表達顯著下降〔29〕。

血管緊張素系統(tǒng)對骨骼肌可塑性和老年萎縮也有重要影響。研究發(fā)現(xiàn)血管緊張素Ⅰ受體阻斷劑氯沙坦有助于加速骨骼肌損傷愈合，防止老年小鼠退行性肌萎縮，這可能是因為氯沙坦下調了TGF-β水平所致〔30〕。

2基于細胞分子機制的增齡性骨骼肌減少癥防治策略

由于增齡性骨骼肌減少癥的發(fā)生很大程度上可歸因于影響肌纖維大小、線粒體穩(wěn)態(tài)和細胞凋亡等一系列分子介質的改變，導致這些有害變化的細胞分子過程各環(huán)節(jié)即可能成為潛在的治療靶位。

目前抗阻訓練結合氨基酸補充是最為常用的防治增齡性骨骼肌減少癥的手段，尤其是含有高濃度亮氨酸成分的必需氨基酸；肌抑素抑制劑由于對肌營養(yǎng)不良癥的顯著治療效應已進入臨床Ⅱ期試驗〔31〕；熊果酸和二十碳五烯酸(EPA)由于能減緩退行性肌萎縮癥狀和惡病質肌病近年也受到關注；抗阻訓練等對過氧化物酶體增殖活化受體γ共激活因子(PGC)-1α的活化已得到廣泛證實，因此對該途徑的調控也可能成為拮抗增齡性骨骼肌減少癥的策略，但上述手段正式用于臨床前尚需大量的基礎實驗和臨床研究。

3總結與展望

增齡性骨骼肌減少癥與個體體育活動和飲食減少減退、肌組織氧化應激、炎癥和體內激素等改變密切相關，但對此過程細胞分子機制的了解，包括上述各種因素的特定作用，迄今尚不完全清楚；具體來講，下述問題尤需闡明：(1)生活方式如飲食、體育活動減少參與增齡性骨骼肌減少癥發(fā)生的細胞分子過程；(2)體內因素如激素、生長因子失衡及炎性微環(huán)境引起蛋白合成減退/分解增加的具體細胞分子過程；(3)流行病學和臨床研究顯示骨骼肌質量和功能受不同的環(huán)境因素調節(jié)，研究生活方式在增齡性骨骼肌減少癥預防和治療中的作用，需要更長時程的補充干預等實驗；(4)近年資料顯示高脂飲食是異位特別是肌組織內脂肪沉積的重要危險因素，對此現(xiàn)象及其機制研究將有助于闡明增齡性骨骼肌減少癥的發(fā)生發(fā)展過程。

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〔2015-10-20修回〕

(編輯袁左鳴)

基金項目：國家自然科學基金資助項目(No.31171148，31571242)

通訊作者：楊忠(1968-)，男，博士，博士生導師，教授，主要從事干細胞及老年醫(yī)學研究。

〔中圖分類號〕R685

〔文獻標識碼〕A

〔文章編號〕1005-9202(2016)11-2799-04；

doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2016.11.110

1第三軍醫(yī)大學西南醫(yī)院暨檢驗系臨血教研室

第一作者：王永春(1990-)，男，第三軍醫(yī)大學學員，主要從事臨床醫(yī)學研究。