衰老對骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖分化影響的研究進(jìn)展

李江，包海姣，謝平波，周紅慶

(昆明醫(yī)科大學(xué)附屬曲靖醫(yī)院，云南曲靖655000)

衰老及慢性老年性肌病對骨骼肌有較大影響，在老化過程中，肌肉質(zhì)量和強(qiáng)度逐漸下降[1]。當(dāng)肌肉損傷或負(fù)荷增加時，可通過骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的增殖、分化來實現(xiàn)肌纖維的再生修復(fù)。肌衛(wèi)星細(xì)胞是指成年個體肌肉組織內(nèi)存留的肌前體細(xì)胞，在受到刺激后，活化的肌衛(wèi)星細(xì)胞遷移至損傷部位并終末分化、融合形成肌纖維，完成損傷后修復(fù)。老化及慢性肌病導(dǎo)致肌衛(wèi)星細(xì)胞再生潛能降低。相比年輕人，老年人由于肌肉的修復(fù)及重塑能力缺陷，更容易遭受肌肉損傷。對老化導(dǎo)致的肌再生障礙研究，并干預(yù)這個病理過程，可能有助于改善甚至逆轉(zhuǎn)衰老導(dǎo)致的肌肉損傷及修復(fù)能力缺陷。本文將從血液灌注、生長因子水平、激素水平、信號傳導(dǎo)通路、蛋白合成、細(xì)胞外環(huán)境、炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡和自噬等方面闡述衰老對骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖分化的影響。

1 衰老后骨骼肌的變化

衰老常伴隨著骨骼肌質(zhì)量和功能的下降、活動障礙、代謝異常，導(dǎo)致老年人生活質(zhì)量下降，這種情況被稱為肌肉減少癥。研究表明，在50歲以后骨骼肌質(zhì)量每年以1%～2%的速度丟失；而在70歲之后肌肉丟失速度為10%～15%。臨床上常以生物電阻抗法進(jìn)行全身骨骼肌量的測定；以握力、步速測試、起立-行走測試、5次起坐測試以及平衡試驗評估身體功能[2]。脆弱性代表肌肉功能的改變，脆弱表型及脆弱指數(shù)是常用的指標(biāo)[3]。肌肉減少癥主要是由于隨著年齡的增長，肌肉蛋白質(zhì)合成和降解之間的不平衡導(dǎo)致的。衰老的一大特點(diǎn)是微血管網(wǎng)密度減少和血管生成障礙，骨骼肌微血管灌注減少可能導(dǎo)致蛋白合成減少[4]。線粒體的穩(wěn)態(tài)失調(diào)是骨骼肌衰老的一個“扳機(jī)點(diǎn)”，線粒體代謝紊亂、動力學(xué)及鈣攝取障礙可能參與了肌肉減少癥的發(fā)病過程[5]。同時，老化的肌肉損傷后其適應(yīng)及修復(fù)能力下降。內(nèi)分泌的變化、神經(jīng)退行性疾病、炎癥、廢用、營養(yǎng)不足、胰島素抵抗、氧化分解和特定年齡因素等可加劇衰老癥狀。

2 衰老后肌衛(wèi)星細(xì)胞的變化

骨骼肌的修復(fù)與再生是由位于肌纖維基底層之下的衛(wèi)星細(xì)胞增殖分化來實現(xiàn)的。受到刺激后，衛(wèi)星細(xì)胞從靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入活化狀態(tài)，遷移至損傷部位，并終末分化、融合形成肌纖維。老年骨骼肌再生功能的下降與衛(wèi)星細(xì)胞功能的改變密切相關(guān)。從數(shù)量上看，老年大鼠骨骼肌中衛(wèi)星細(xì)胞池數(shù)量下降明顯，而功能性的衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量僅相當(dāng)于年輕大鼠的65%。從功能上看，來源于老年供體的肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖、分化形成成熟肌纖維的能力存在顯著缺陷。與年輕小鼠相比，老年鼠衛(wèi)星細(xì)胞會延遲進(jìn)入活化期，且活化標(biāo)記物表達(dá)減少。老化過程中，肌衛(wèi)星細(xì)胞的異質(zhì)性增加。此外，肌衛(wèi)星細(xì)胞的分化能力隨著年齡的增長而下降，相應(yīng)的，調(diào)控分化程序的肌源性調(diào)節(jié)因子(MRF)，如Myf-5、MyoD和MRF4的表達(dá)減少。同時，老年人的肌衛(wèi)星細(xì)胞融合指數(shù)下降，限制了肌管融合形成肌纖維的過程。即使將老年人的肌衛(wèi)星細(xì)胞轉(zhuǎn)移至一個年輕的環(huán)境中，細(xì)胞仍有一個持續(xù)受損的“記憶”，其分裂產(chǎn)生的子代細(xì)胞也遺傳了這種再生受損的變化[6]。

3 衰老相關(guān)因素對骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖分化的影響

3.1 組織灌注量下降 肌毛細(xì)血管作為遞送氧、能量、細(xì)胞因子和生長因子的媒介，對衛(wèi)星細(xì)胞起調(diào)節(jié)作用，鄰近微血管的細(xì)胞更加容易被激活。衰老后的微循環(huán)改變影響著衛(wèi)星細(xì)胞的增殖分化。相比年輕人，老年人Ⅱ型肌纖維中衛(wèi)星細(xì)胞距離毛細(xì)血管的距離更遠(yuǎn)，因此細(xì)胞不易激活[7]。阻力訓(xùn)練可增加肌肉毛細(xì)血管化，該項訓(xùn)練具有衛(wèi)星細(xì)胞池的擴(kuò)增效應(yīng)，年輕組的細(xì)胞數(shù)量擴(kuò)張幅度高于老年組。Nederveen等[8]發(fā)現(xiàn)，老年骨骼肌的毛細(xì)血管灌注量下降導(dǎo)致了這種差異，并認(rèn)為改善組織灌注或者縮短細(xì)胞與灌注血管的距離可逆轉(zhuǎn)細(xì)胞池衰減，進(jìn)而修復(fù)再生功能。

3.2 生長因子表達(dá)水平降低 肌衛(wèi)星細(xì)胞活化、增殖、分化的過程受多種生長因子的調(diào)控，如胰島素樣生長因子-1(IGF-1)、肌生長抑制素、肝細(xì)胞生長因子(HGF)、成纖維生長因子(FGF)。越來越多的證據(jù)表明，在老化的肌纖維中保持著較低的生長因子水平。

HGF是激活衛(wèi)星細(xì)胞增殖的初始因素。衰老細(xì)胞增殖延遲與HGF的表達(dá)下降有關(guān)，體外培養(yǎng)的細(xì)胞加入HGF和FGF2后可促進(jìn)細(xì)胞增殖。肌生長抑制素的功能是保持衛(wèi)星細(xì)胞靜止?fàn)顟B(tài)，敲除該基因后細(xì)胞更易活化，導(dǎo)致肌纖維肥大，其表達(dá)水平可以隨著年齡的增長而增加，這抑制了細(xì)胞增殖，最終導(dǎo)致了肌肉減少。衛(wèi)星細(xì)胞表達(dá)FGF1、FGF2、FGF4和FGF6四種FGF及其受體，對細(xì)胞的增殖、活化、分化和肌纖維肥大起著基礎(chǔ)性作用。FGF1和FGF4在發(fā)育肌肉中表達(dá)，F(xiàn)GF2和FGF6則在肌損傷后起到刺激細(xì)胞擴(kuò)增的作用。老年人(70歲)血漿內(nèi)IGF-1濃度相較于青年人(20歲)在蛋白水平及mRNA水平分別下降33%、45%，這種下降與肌肉質(zhì)量下降呈正相關(guān)。異位激活FGF1可以挽救衰老衛(wèi)星細(xì)胞的增殖能力，從而再次進(jìn)入細(xì)胞周期。伴隨著衰老，衛(wèi)星細(xì)胞內(nèi)FGF2表達(dá)減少，但肌纖維分泌FGF2增加，從而維持了細(xì)胞外環(huán)境中的FGF2濃度。FGF2通過誘導(dǎo)細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK)磷酸化、抑制p38α/β絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路等促進(jìn)細(xì)胞增殖，而在年輕細(xì)胞，這條通路并不起作用[9]。衰老小鼠衛(wèi)星細(xì)胞中，整合素β1的錯誤定位降低了FGF2的敏感性，抑制了老化細(xì)胞的自我更新[10]。

3.3 性激素水平降低 正常肌肉質(zhì)量和強(qiáng)度有賴于性激素維持。老年人肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖、肌管融合障礙與睪酮濃度下降有關(guān)。補(bǔ)充外源性激素可以增加老化肌纖維內(nèi)衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量[11]，但同時卻導(dǎo)致了細(xì)胞分化能力受損。切除卵巢的動物模型或絕經(jīng)婦女補(bǔ)充雌激素可激活磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B通路，促進(jìn)衛(wèi)星細(xì)胞的激活和增殖，從而增加細(xì)胞總量[12]。催產(chǎn)素對于骨骼肌組織再生和穩(wěn)態(tài)維護(hù)是必需的，催產(chǎn)素抑制劑可以導(dǎo)致年輕小鼠肌肉老化。血漿催產(chǎn)素水平和衛(wèi)星細(xì)胞的催產(chǎn)素受體水平隨著年齡的增長而急劇下降，這抑制了細(xì)胞的增殖。短期使用催產(chǎn)素可以通過激活MAPK/ERK信號通路，恢復(fù)老化衛(wèi)星細(xì)胞的再生潛能，促進(jìn)肌肉再生[13]。

3.4 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路異常 老年人細(xì)胞內(nèi)在功能障礙包括多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的改變，并富集于細(xì)胞周期激酶和成肌分化因子。這些變化包括p38 MAPK信號通路、FGFR信號軸的生長因子、Janus酪氨酸蛋白激酶2/信號轉(zhuǎn)導(dǎo)子與轉(zhuǎn)錄激活子蛋白3(JAK2-STAT3)信號軸和細(xì)胞周期抑制劑的改變。p38 MAPK和JAK2-STAT3信號軸負(fù)向調(diào)控抑制肌細(xì)胞周期進(jìn)程，抑制細(xì)胞增殖，其通過調(diào)節(jié)衛(wèi)星細(xì)胞活化標(biāo)記-MyoD，促進(jìn)細(xì)胞活化、分化，破壞衛(wèi)星細(xì)胞的不對稱分裂，耗盡細(xì)胞池[14]。衰老可以抑制細(xì)胞周期抑制劑p16INK4a基因，導(dǎo)致小鼠衛(wèi)星細(xì)胞過早出現(xiàn)衰老表型。老年動物來源的衛(wèi)星細(xì)胞表達(dá)靶向CDK4和CDK6的細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑(P16UK4a)，阻止細(xì)胞由G0期進(jìn)入細(xì)胞周期，導(dǎo)致了再生能力缺陷。衰老細(xì)胞的一個特點(diǎn)是Rb/E2F靶基因受到抑制，由此產(chǎn)生的p16INK4a和p21cip1的表達(dá)增加，阻滯了細(xì)胞周期[15]?？傊?，這些衰老細(xì)胞的信號傳導(dǎo)通路改變抑制了衛(wèi)星細(xì)胞的自我更新和肌纖維再生。

Notch信號通路是衛(wèi)星細(xì)胞增殖和自我更新的主要調(diào)節(jié)通路，其活性的下降是老年骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞功能障礙的原因之一。研究表明，老年骨骼肌中Notch信號活性下降，可能是因為其δ配體隨年齡增長而表達(dá)水平下降。若將老年骨骼肌中的Notch信號通路強(qiáng)制激活，可恢復(fù)其再生能力[16]。調(diào)節(jié)衛(wèi)星細(xì)胞分化的另一個重要信號通路是Wnt信號通路，特別是經(jīng)典的Wnt/β-catenin信號通路。在老年骨骼肌中，IGF與Wnt信號通路表達(dá)水平顯著升高，從而激活其下游基因Axin2和6-catenin，誘導(dǎo)肌細(xì)胞向纖維化譜系轉(zhuǎn)變[17]。年輕小鼠的損傷后骨骼肌注射wnt3A蛋白，可促進(jìn)成肌細(xì)胞向纖維化轉(zhuǎn)化。而向衰老小鼠損傷的骨骼肌中注射Wnt拮抗劑，發(fā)現(xiàn)再生骨骼肌的纖維化程度顯著降低，且骨骼肌再生修復(fù)能力增強(qiáng)。轉(zhuǎn)化生長因子β與Wnt信號通路相似，也可促進(jìn)衰老骨骼肌的纖維化。這些信號通路的改變可能是衛(wèi)星細(xì)胞機(jī)能衰退的原因。磷脂酰肌醇3激酶、MtRC1和轉(zhuǎn)錄因子c-Jun信號通路能激活損傷后成年小鼠肌衛(wèi)星細(xì)胞，但敲除磷脂酰肌醇3激酶會導(dǎo)致更嚴(yán)重的增殖分化受損[18]。

3.5 蛋白合成減少 食物攝取及蛋白合成直接影響生長因子及激素的水平。衰老后肌肉泛素連接酶、蛋白水解酶、組織蛋白酶等蛋白質(zhì)合成減少和蛋白質(zhì)降解導(dǎo)致了老化肌肉功能受損[19]。補(bǔ)充腸內(nèi)營養(yǎng)制劑有利于維持社區(qū)老年人的肌肉質(zhì)量[20]。熱量限制(即保證必需氨基酸、維生素等營養(yǎng)成分前提下限制每日攝取的總熱量)已證實可以有效延長壽命。熱量限制對衛(wèi)星細(xì)胞池數(shù)量、完整性和功能的維持起著重要作用，同時可以增加老化細(xì)胞的線粒體含量，促進(jìn)糖酵解的氧化磷酸化，使細(xì)胞數(shù)量增多，改善肌再生能力[21]。相應(yīng)的，高脂肪飲食則引起相反的效果。老年肌組織內(nèi)常出現(xiàn)脂肪堆積，外環(huán)境的改變損害了衛(wèi)星細(xì)胞分化和肌肉再生功能。肥胖導(dǎo)致的瘦素升高同樣降低了細(xì)胞的增殖分化能力。在阻抗運(yùn)動后1 h補(bǔ)充必需氨基酸，年輕組中與衛(wèi)星細(xì)胞功能相關(guān)的蛋白表達(dá)增加，而老年組卻觀察不到這種變化。衰老后肌肉中的合成代謝基因?qū)ψ杩惯\(yùn)動后補(bǔ)充氨基酸的敏感性下降。隨著年齡的增長，餐后肢體血流量和骨骼肌微血管灌注減少，這也可能導(dǎo)致了蛋白合成的減少。

飲食調(diào)節(jié)，如補(bǔ)充白藜蘆醇、聚胺、?；撬岬龋徽J(rèn)為是一種可能的干預(yù)衰老的策略。牛磺酸衰竭會使小鼠壽命縮短并加速骨骼肌結(jié)構(gòu)和功能性缺陷，包括肌管的中央核增加，線粒體復(fù)合物1活性降低，老化的生物標(biāo)志物,如P16UK4a、分化因子15表達(dá)增加，同時影響衛(wèi)星細(xì)胞的蛋白折疊及其增殖分化。

3.6 細(xì)胞外環(huán)境改變 肌衛(wèi)星細(xì)胞外環(huán)境包括肌纖維外多種類型的細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)，通過分泌營養(yǎng)因子、細(xì)胞因子、細(xì)胞間相互作用影響肌肉再生。細(xì)胞外環(huán)境對衰老肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖分化的影響最直接的證據(jù)來源于異體共生實驗，將衰老的細(xì)胞移植至年輕的環(huán)境后可以恢復(fù)細(xì)胞的增殖能力。在衰老過程中細(xì)胞外環(huán)境改變可影響衛(wèi)星細(xì)胞的功能。

靜止期衛(wèi)星細(xì)胞通過不對稱的有絲分裂產(chǎn)生子代細(xì)胞，其中一個自我復(fù)制繼續(xù)保持靜止，另一個則活化進(jìn)入細(xì)胞周期。在老化環(huán)境的影響下，衛(wèi)星細(xì)胞保持著較高的有絲分裂，但以活化細(xì)胞為主。與造血干細(xì)胞相似，老化的環(huán)境將使衛(wèi)星細(xì)胞退出靜止?fàn)顟B(tài)并使細(xì)胞池枯竭。同時，細(xì)胞自我復(fù)制能力的減弱也將導(dǎo)致細(xì)胞異質(zhì)性增加。

纖維化是老年肌肉的一個特征，肌纖維周圍包含大量的非肌源性的干細(xì)胞，衰老后產(chǎn)生更多的纖維、脂肪細(xì)胞。衛(wèi)星細(xì)胞則受到抑制，同時可轉(zhuǎn)化為非肌源性細(xì)胞系。鄰近細(xì)胞通過旁分泌釋放信號會導(dǎo)致老年肌肉內(nèi)衛(wèi)星細(xì)胞退出靜止?fàn)顟B(tài)。在衰老過程中，旁分泌信號Sprouty1表達(dá)急劇下降，導(dǎo)致靜止細(xì)胞減少，反之活化細(xì)胞增加[22]。老年肌纖維本身FGF2的分泌增加，進(jìn)一步加劇這種效應(yīng)[9]。富含半胱氨酸的酸性分泌蛋白(SPARC)分泌到細(xì)胞外環(huán)境中，抑制脂肪生成，促進(jìn)肌肉發(fā)育。隨著年齡的增長，SPARC的分泌減少，導(dǎo)致衛(wèi)星細(xì)胞增殖減弱，并可導(dǎo)致肌纖維內(nèi)脂肪含量增多[23]。

衛(wèi)星細(xì)胞位于肌纖維質(zhì)膜和基底層之間，通過ECM與外界產(chǎn)生聯(lián)系。ECM中的蛋白成分伴隨著衰老而發(fā)生變化。層粘連蛋白-α1和層粘連蛋白-α5的沉積、層粘連蛋白111/整合素α6β1信號通路的改變均可影響衛(wèi)星細(xì)胞的再生[24]。鈣黏附素介導(dǎo)的細(xì)胞黏附是衛(wèi)星細(xì)胞保持靜態(tài)所必需的，特異性降低鈣粘連蛋白、環(huán)形蛋白、整合素的表達(dá)使衛(wèi)星細(xì)胞退出靜止?fàn)顟B(tài)。老年骨骼肌中β1整聯(lián)蛋白的活性降低，若人為激活老年鼠骨骼肌中的β1整聯(lián)蛋白，可使肌肉的再生功能恢復(fù)到年輕水平。老化細(xì)胞中整合素β1的錯誤定位損害細(xì)胞增殖能力，而增強(qiáng)整合素β1信號可逆轉(zhuǎn)這種老化現(xiàn)象[10]。與年輕骨骼肌相比，老年骨骼肌中纖連蛋白的表達(dá)水平較低，敲除年輕骨骼肌中的纖連蛋白基因會使骨骼肌表現(xiàn)出老化狀態(tài)，而將纖連蛋白注射到老年骨骼肌中，可使其再生功能恢復(fù)至年輕狀態(tài)。提示纖連蛋白的表達(dá)水平與骨骼肌老化密切相關(guān)。

ECM產(chǎn)生的機(jī)械力影響細(xì)胞的形狀、結(jié)構(gòu)和信號傳導(dǎo)?；|(zhì)金屬蛋白酶和金屬蛋白酶組織抑制劑的動態(tài)平衡影響肌肉的發(fā)育和再生。在衰老過程中，這種平衡被持續(xù)的炎癥反應(yīng)破壞，導(dǎo)致肌肉組織ECM成分改變、組織剛性增加、纖維化。

3.7 炎癥 炎癥反應(yīng)對肌肉再生是至關(guān)重要的，成年肌肉損傷后炎癥反應(yīng)急促而短暫，相比之下，老年肌肉損傷后則常引起慢性炎癥。持續(xù)性的炎癥反應(yīng)是慢性肌肉疾病的特征，阻礙了骨骼肌再生。在受傷后老年小鼠(24～28個月)，IL-6信號升高，這導(dǎo)致了肌肉干細(xì)胞衰竭及隨之而來的肌肉萎縮。老化后，衛(wèi)星細(xì)胞對細(xì)胞因子，如單核細(xì)胞趨化因子-1的敏感性增加，這可能會改變骨骼肌的再生能力，進(jìn)而導(dǎo)致受損的細(xì)胞成分積累。在老年人中，磷酸化的核因子κB和JNK信號通路表達(dá)增加。在衰老過程中，腫瘤壞死因子-α和IL-1βα介導(dǎo)下游p38 MAPK信號通路，影響肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖分化[25]。

3.8 細(xì)胞凋亡與自噬功能衰退 衰老被認(rèn)為是細(xì)胞自噬與凋亡的一個誘因。García-Prat等[26]研究發(fā)現(xiàn)，在衰老過程中，小鼠衛(wèi)星細(xì)胞自噬功能衰退，導(dǎo)致細(xì)胞毒性廢物堆積，細(xì)胞“干”性下降。而通過改善自噬，衛(wèi)星細(xì)胞從不可逆的G0期進(jìn)入可逆的G0期，從而逆轉(zhuǎn)衰老狀態(tài)，重新恢復(fù)細(xì)胞自噬調(diào)控及增殖能力。衰老的大鼠肌肉細(xì)胞凋亡水平升高[21]，核紅細(xì)胞-2-p45相關(guān)因子-2可下調(diào)p53的表達(dá)，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡及肌纖維再生受損。同時，細(xì)胞凋亡還與核酸內(nèi)切酶G有關(guān)，它從線粒體遷移到細(xì)胞核中，破壞細(xì)胞核DNA。老年骨骼肌Endot信號通路更容易被激活。對衰老的骨骼肌細(xì)胞研究發(fā)現(xiàn)，線粒體介導(dǎo)的活性氧量雖沒有增加，但是二磷酸腺苷的敏感性下降，限制了線粒體有氧氧化，這也導(dǎo)致細(xì)胞凋亡增加。

總之，衰老期肌衛(wèi)星細(xì)胞的增殖分化受到多種因素調(diào)控，對這些調(diào)控機(jī)制的進(jìn)一步認(rèn)識，將有利于加深對骨骼肌衰老的認(rèn)識，并進(jìn)一步研究老年人肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖分化的影響因素。同時為臨床運(yùn)用提供理論基礎(chǔ)，為老年或老年病造成的肌萎縮、發(fā)育不良等疾病提供新的治療思路。