運(yùn)動(dòng)通過(guò)激活衛(wèi)星細(xì)胞功能延緩和改善骨骼肌衰減癥的研究進(jìn)展

金 晶，馮祎中，黃 偉，馮 燕，陳彩珍，盧 健

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 體育軍訓(xùn)部，浙江 杭州311300；2.華東師范大學(xué) 體育與健康學(xué)院，上海200241）

0 前言

衛(wèi)星細(xì)胞（satellite cell，SC）是骨骼肌的干細(xì)胞，位于骨骼肌纖維基底膜和肌膜之間的狹小空隙中（niche 微環(huán)境），于1961年被Mauro（1961）發(fā)現(xiàn)，其自我復(fù)制與定向分化的干細(xì)胞特性具有廣泛的應(yīng)用前景與內(nèi)在價(jià)值，因而相關(guān)研究受到運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、體育科學(xué)、再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的極大關(guān)注（Bengal et al.,2017；Dinulovic et al.,2017；Sampath et al.,2018）。2011年，McCarthy 等（2011）的研究使衛(wèi)星細(xì)胞能否促進(jìn)骨骼肌肥大問(wèn)題備受關(guān)注，實(shí)驗(yàn)利用Pax7-白喉霉素（diphtheria toxin，DTA）創(chuàng)造出新型小鼠模型，該模型可以在添加他莫普芬（tamoxifen）后條件性的消除＞90%的衛(wèi)星細(xì)胞。他們認(rèn)為，衛(wèi)星細(xì)胞與運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)骨骼肌肥大沒(méi)有直接關(guān)系。2016年，Egner 等（2016）重復(fù)同樣的實(shí)驗(yàn)，再次論證并確定衛(wèi)星細(xì)胞的干細(xì)胞功能，并提出之所以McCarthy 等（2011）未能有陽(yáng)性結(jié)果，是由于損傷程度和肌纖維分析的標(biāo)準(zhǔn)不同。有多種因素均可對(duì)衛(wèi)星細(xì)胞產(chǎn)生影響，如運(yùn)動(dòng)、低氧條件、氧化應(yīng)激、骨骼肌損傷等正向促進(jìn)衛(wèi)星細(xì)胞激活，而衰老、骨骼肌相關(guān)疾病、輻射、基因敲除等負(fù)調(diào)控衛(wèi)星細(xì)胞的激活（Dinulovic et al.,2017；Moal et al.,2017；Rao et al.,2018；Snijders et al.,2017；Sousa-Victor et al.,2016；Szentesi,et al.,2019；Verbrugge et al.,2018；Verdijk et al.,2014）。

衰老，尤其是骨骼肌衰減癥（Sarcopenia）會(huì)導(dǎo)致骨骼肌質(zhì)量、數(shù)量的減少以及肌力的下降，嚴(yán)重影響老年人生活質(zhì)量。運(yùn)動(dòng)可促進(jìn)衛(wèi)星細(xì)胞的激活進(jìn)而刺激骨骼肌增粗/肥大（Nederveen et al.,2016；Snijders et al.,2015,2017），然而Sarcopenia 患者骨骼肌中的衛(wèi)星細(xì)胞出現(xiàn)嚴(yán)重“并發(fā)癥”：衰老增加衛(wèi)星細(xì)胞激活難度（Bazgir et al.,2017；Qaisar et al.,2016），衰老下調(diào)衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量（Snijders et al.,2017），衰老弱化衛(wèi)星細(xì)胞重塑能力（Nederveen et al.,2018；Verbrugge et al.,2018）。近期研究表明，運(yùn)動(dòng)可調(diào)控骨骼肌細(xì)胞外基質(zhì)成分（Lim et al.,2018；Nederveen et al.,2017,2018），促進(jìn)骨骼肌細(xì)胞自噬的發(fā)生（Park et al.,2019；Sebastian et al.,2016），降低骨骼肌氧化應(yīng)激水平（Moal et al.,2017；Szentesi et al.,2019）。這提示，運(yùn)動(dòng)可通過(guò)激活衛(wèi)星細(xì)胞促進(jìn)衰老骨骼肌的肥大和提升肌肉力量，從而預(yù)防和改善Sarcopenia骨骼肌衰減進(jìn)程。

1 運(yùn)動(dòng)激活衛(wèi)星細(xì)胞的研究進(jìn)展

1.1 有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)衛(wèi)星細(xì)胞的影響

研究發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星細(xì)胞在不同肌纖維上的分布情況與其激活狀況存在“不相稱”現(xiàn)象。衛(wèi)星細(xì)胞在慢肌中的含量是快肌的2～4 倍（Mackey et al.,2009），同一骨骼肌中I 型肌纖維中的衛(wèi)星細(xì)胞含量顯著高于II 型肌纖維（Snijders et al.,2017）。與此相反，有氧運(yùn)動(dòng)主要?jiǎng)訂TI 型肌纖維，抗阻運(yùn)動(dòng)則主要?jiǎng)佑肐I 型肌纖維（金晶 等,2017），而衛(wèi)星細(xì)胞的增殖和骨骼肌肥大主要發(fā)生在II 型肌纖維上（Nederveen et al.,2018）。

研究普遍認(rèn)為，中等強(qiáng)度的有氧運(yùn)動(dòng)可激活衛(wèi)星細(xì)胞。20世紀(jì)80年代，Appell 等（1988）對(duì)受試者進(jìn)行為期6 周，每周4 次，30 min/次的自行車蹬車實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有氧運(yùn)動(dòng)可促使衛(wèi)星細(xì)胞被激活同時(shí)融入到肌纖維中，并形成新的肌纖維。Smith 等（2001）等對(duì)大鼠進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)干預(yù)，同樣證明衛(wèi)星細(xì)胞在運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)下激活、增殖，融合進(jìn)入新的骨骼肌中。Mangan 等（2014）采用9 周齡的SD 大鼠進(jìn)行90 min（速度17 m/min）跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)72 h 后觀測(cè)到腓腸肌和比目魚肌上白肌中的衛(wèi)星細(xì)胞顯著增多。Vyver 等（2012）讓受試者進(jìn)行下坡跑運(yùn)動(dòng)（-10°坡度，85%O2max，12 次×5 min/次），試驗(yàn)后第1 天衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量增長(zhǎng)30%。Fry 等（2014）對(duì)6 名男性和17 名女性受試者進(jìn)行為期12 周的有氧自行車訓(xùn)練，I 型和II 型肌纖維的橫截面積均增長(zhǎng)，并伴隨衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量的增長(zhǎng)。Shefer 等（2013）采用中等強(qiáng)度的跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)（11.5 m/min，30 min/天，6 天/周）改善老年小鼠的骨骼肌質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組衛(wèi)星細(xì)胞niche 與對(duì)照組相比，有約1.6 倍的增長(zhǎng)。

1.2 抗阻運(yùn)動(dòng)對(duì)衛(wèi)星細(xì)胞的影響

現(xiàn)階段的研究共識(shí)認(rèn)為，抗阻運(yùn)動(dòng)是促進(jìn)骨骼肌肌力提升和肌肉體積增大的有效方式，并且可通過(guò)激活衛(wèi)星細(xì)胞，發(fā)揮干細(xì)胞特性修復(fù)和加強(qiáng)肌纖維的質(zhì)量（Tierney et al.,2016；Trensz et al.,2015；Verdijk et al.,2014；Yoon,2017）。

1.2.1 長(zhǎng)期抗阻運(yùn)動(dòng)對(duì)衛(wèi)星細(xì)胞激活的影響

Petrella 等（2008）對(duì)66 人采用16 周的伸膝阻力訓(xùn)練進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)k-mean 聚類分析，股外側(cè)肌活檢檢測(cè)發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量提升，并觀察到分化融入肌纖維中，同時(shí)伴隨著肌纖維尺寸的顯著提升。Petrella 等（2008）還提出：1）未經(jīng)訓(xùn)練的群體受到運(yùn)動(dòng)干預(yù)后其衛(wèi)星細(xì)胞的活性更具敏感性；2）可有效擴(kuò)增衛(wèi)星細(xì)胞池，激活衛(wèi)星細(xì)胞及擴(kuò)大肌核區(qū)域；3）衛(wèi)星細(xì)胞的肌核區(qū)域增長(zhǎng)存在“上限”，為2 000 μm2。加拿大麥克馬斯特大學(xué)運(yùn)動(dòng)機(jī)能實(shí)驗(yàn)室的Snijders 教授及其團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域研究10 余年，抗阻運(yùn)動(dòng)干預(yù)對(duì)衛(wèi)星細(xì)胞的激活成果顯著。2014年，他們對(duì)從出生到老年的人類衛(wèi)星細(xì)胞含量等信息進(jìn)行全面分析，肌纖維的尺寸從出生到成年有了極大的增長(zhǎng)。與I 型肌纖維相比較，II 型肌纖維的橫截面積與衛(wèi)星細(xì)胞含量隨年齡的增長(zhǎng)而顯著減小。12 周的抗阻運(yùn)動(dòng)可顯著改善上述變化，研究認(rèn)為，抗阻運(yùn)動(dòng)是增加衛(wèi)星細(xì)胞含量，逆轉(zhuǎn)II 型肌纖維萎縮的有效策略。2017年兩篇文章分別報(bào)道為期16 周（Nederveen et al.,2017）和24 周（Snijders et al.,2017）的抗阻運(yùn)動(dòng)，均能增加骨骼肌I 型和II 型肌纖維的橫截面積、周長(zhǎng)，且衛(wèi)星細(xì)胞激活顯著提升。Bellamy 等（2014）發(fā)現(xiàn)，23 名男性受試者經(jīng)過(guò)16 周抗阻運(yùn)動(dòng)，股四頭肌的體積和肌纖維橫截面積都顯著提升。Mackey 等（2011）對(duì)12 名男性進(jìn)行腿部抗阻訓(xùn)練，試圖探究極輕的負(fù)荷能否對(duì)骨骼肌中的衛(wèi)星細(xì)胞產(chǎn)生影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，極輕的負(fù)荷經(jīng)過(guò)12 周的訓(xùn)練后也能促進(jìn)衛(wèi)星細(xì)胞的激活。

1.2.2 急性抗阻運(yùn)動(dòng)對(duì)衛(wèi)星細(xì)胞激活的影響

2004年，Crameri（2004）等首次對(duì)活體進(jìn)行急性抗阻運(yùn)動(dòng)干預(yù)，觀察衛(wèi)星細(xì)胞的激活、增殖情況，為該領(lǐng)域開創(chuàng)了先河。研究認(rèn)為，單次抗阻運(yùn)動(dòng)后，第4、8 天后衛(wèi)星細(xì)胞均發(fā)生激活，并進(jìn)入細(xì)胞周期。Bellamy 等（2014）研究發(fā)現(xiàn)，急性抗阻運(yùn)動(dòng)72 h 后II 型肌纖維上衛(wèi)星細(xì)胞進(jìn)行擴(kuò)張。Mackey 等（2009）通過(guò)對(duì)活檢的骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞和肌核進(jìn)行鑒別過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，健康成年人骨骼肌中激活的衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量很少（僅約1.3%），而通過(guò)急性抗阻運(yùn)動(dòng)后衛(wèi)星細(xì)胞的數(shù)量可達(dá)7 倍。

Snijders 及其研究團(tuán)隊(duì)對(duì)急性抗阻運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了系列研究：2012年，通過(guò)對(duì)8 名青年組受試（22±1 歲）進(jìn)行一次抗阻運(yùn)動(dòng)（運(yùn)動(dòng)負(fù)荷為75%蹬腿和伸膝運(yùn)動(dòng)組合，共6組，10 次/組），發(fā)現(xiàn)I 型和II 型肌纖維中的衛(wèi)星細(xì)胞含量顯著高于運(yùn)動(dòng)干預(yù)前，此前該研究團(tuán)隊(duì)也證明了一次抗阻運(yùn)動(dòng)能有效刺激衛(wèi)星細(xì)胞的激活；2014年，研究單次運(yùn)動(dòng)后衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量和激活狀態(tài)與年齡是否存在差異性，研究認(rèn)為，基于年齡因素，老年受試者運(yùn)動(dòng)后恢復(fù)期隨年齡增長(zhǎng)而下降；同年，還研究了飲食中蛋白對(duì)運(yùn)動(dòng)后衛(wèi)星細(xì)胞增殖的影響，結(jié)果認(rèn)為，飲食中蛋白攝入不直接調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)后衛(wèi)星細(xì)胞的增加，但可以調(diào)節(jié)肌生成抑制蛋白的表達(dá)，間接作用于衛(wèi)星細(xì)胞；2018年，通過(guò)對(duì)29 名年輕人進(jìn)行300 次伸膝抗阻運(yùn)動(dòng)（角度180°）發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)24 h 后顯著提升衛(wèi)星細(xì)胞含量和毛細(xì)血管密度，激活的衛(wèi)星細(xì)胞與毛細(xì)血管的距離顯著縮進(jìn)，提示，肌纖維中毛細(xì)血管的改善有助于衛(wèi)星細(xì)胞池的擴(kuò)張和激活（Snijders et al.,2012,2014a,2014b；Nederveen et al.,2018）。

Nielsen 等（2012）最先探索低強(qiáng)度急性抗阻運(yùn)動(dòng)對(duì)衛(wèi)星細(xì)胞激活的影響，研究采用20% 1RM 進(jìn)行伸膝運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星細(xì)胞被激活，甚至能促進(jìn)骨骼肌纖維肥大。Wernbom等（2013）也采用低負(fù)荷30% 1RM 強(qiáng)度進(jìn)行單次抗阻運(yùn)動(dòng)，結(jié)果也證明衛(wèi)星細(xì)胞被激活。綜上，目前的研究成果仍未確定抗阻運(yùn)動(dòng)的最小強(qiáng)度閾值。

運(yùn)動(dòng)可促進(jìn)骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的激活，不同運(yùn)動(dòng)（有氧/抗阻）對(duì)I 型和II 型肌纖維同時(shí)起作用，而且活體研究中骨骼肌纖維中同時(shí)發(fā)生著有氧代謝和糖酵解反應(yīng)。因而本研究認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、時(shí)間和頻次3 種因素均能影響運(yùn)動(dòng)對(duì)衛(wèi)星細(xì)胞激活，三者之間是互相聯(lián)系和共同發(fā)生的。相同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度隨著時(shí)間和次數(shù)增多機(jī)體疲勞程度增加后，相對(duì)強(qiáng)度逐步提升，運(yùn)動(dòng)時(shí)間與頻數(shù)之間成正相關(guān)，因此，三者之間共同影響運(yùn)動(dòng)刺激衛(wèi)星細(xì)胞的激活。

2 運(yùn)動(dòng)延緩和改善Sarcopenia 衛(wèi)星細(xì)胞的研究進(jìn)展

2.1 運(yùn)動(dòng)激活衛(wèi)星細(xì)胞改善Sarcopenia 骨骼肌的研究進(jìn)展

Sarcopenia 在世界范圍內(nèi)的發(fā)病率顯著上升，我國(guó)是“老齡化問(wèn)題”較為嚴(yán)重的國(guó)家之一，應(yīng)予以高度重視。Sarcopenia 的發(fā)生主要以骨骼肌量（質(zhì)量和數(shù)量）的丟失和肌肉力量下降為特征，骨骼肌功能的缺失常伴隨著跌倒、骨折甚至死亡（Sousa-Victor et al.,2016；Suzman et al.,2015）。骨骼肌進(jìn)程性的丟失隨年齡逐步增加，起始于40 歲并以8%/10年的速率遞增，至70 歲后將以15%/10年的速率激增（Sousa-Victor et al.,2016）。研究認(rèn)為，衰老機(jī)體的骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量、活性等均下降（Lacraz et al.,2015；Nederveen et al.,2018），是導(dǎo)致增齡性骨骼肌丟失的重要原因。

1）衰老提高衛(wèi)星細(xì)胞激活難度：Snijders 等（2014a）和Dreyer 等（2006）分別對(duì)青年組和老年組進(jìn)行抗阻運(yùn)動(dòng)研究發(fā)現(xiàn)，老年組衛(wèi)星細(xì)胞的激活情況顯著低于青年組，表明，衰老會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星細(xì)胞活性的延緩；2）衰老下調(diào)衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量：Verdijk 等（2014）以0～75 歲的不同人群為研究對(duì)象研究發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星細(xì)胞的數(shù)量隨年齡提升而下降，該結(jié)論與另一項(xiàng)研究結(jié)果一致，老年組的衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量顯著低于青年組（Snijders et al.,2017）。Motohashi 等（2014）和Lacraz 等（2015）對(duì)比老年小鼠和青年小鼠發(fā)現(xiàn)，老年小鼠肌纖維中的衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量顯著下降；3）衰老弱化衛(wèi)星細(xì)胞重塑能力：衰老導(dǎo)致衛(wèi)星細(xì)胞微環(huán)境的改變迫使衛(wèi)星細(xì)胞重塑能力弱化，多項(xiàng)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)均證實(shí)，將年老小鼠的衛(wèi)星細(xì)胞移植進(jìn)入年輕鼠的微環(huán)境中，能恢復(fù)衛(wèi)星細(xì)胞的功能（Conboy et al.,2005；Sousa-Victor et al.,2014；Villeda et al.,2011），另有研究發(fā)現(xiàn)，青年和老年群體經(jīng)過(guò)急性運(yùn)動(dòng)后衰老的衛(wèi)星細(xì)胞重塑能力變?nèi)酰―reyer et al.,2006）。

人體實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)能夠影響衛(wèi)星細(xì)胞的數(shù)量和功能：Snijders 等（2014b）對(duì)老年組（73±1 歲）的蹬腿和伸腿肌群進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，取股外側(cè)肌作為活檢肌肉，發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)72 h 后衛(wèi)星細(xì)胞顯著增多；Nederveen 等（2016）對(duì)老年組（67±4 歲）進(jìn)行腿部訓(xùn)練，結(jié)果顯示，一次急性抗阻運(yùn)動(dòng)后，老年組的衛(wèi)星細(xì)胞和激活狀態(tài)的衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量顯著增多，并發(fā)現(xiàn)，年輕組的衛(wèi)星細(xì)胞更接近于毛細(xì)血管；Dreyer 等（2006）通過(guò)老年受試者進(jìn)行急性運(yùn)動(dòng)觀察對(duì)衛(wèi)星細(xì)胞的影響，研究發(fā)現(xiàn)，老年受試者24 h 后衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量增長(zhǎng)了51%顯著低于青年組的141%；Verdijk 等（2009）發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)12 周的抗阻運(yùn)動(dòng)后衛(wèi)星細(xì)胞顯著性增加，且蹬腿量增加25%～30%，股四頭肌的橫截面積增加6%～9%。在研究不同肌纖維類型中衛(wèi)星細(xì)胞含量時(shí)發(fā)現(xiàn)，其分布存在差異性，慢肌（比目魚?。┲行l(wèi)星細(xì)胞的含量是快肌（脛骨前?。┑?～4 倍（Mackey et al.,2009），并且，在同一肌肉中I 型肌纖維中的衛(wèi)星細(xì)胞含量顯著高于II 型肌纖維（Snijders et al.,2017；Yin et al.,2013）。但運(yùn)動(dòng)（特別是抗阻運(yùn)動(dòng)）在促進(jìn)衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量和肌纖維橫截面積增長(zhǎng)時(shí)，多發(fā)生在II 型肌纖維上（Snijders et al.,2017）。Snijders 等（2017）還發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)12 周和24 周的抗阻運(yùn)動(dòng)后，老年組的II 型肌纖維粗大，并且II 型肌纖維上的衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量顯著增多，毛細(xì)血管豐富組通過(guò)鍛煉后更有利于II 型肌纖維的肥大、衛(wèi)星細(xì)胞的增多和激活，且經(jīng)過(guò)抗阻運(yùn)動(dòng)后具有Pax7 標(biāo)記的衛(wèi)星細(xì)胞更接近于毛細(xì)血管。

衰老機(jī)體骨骼肌中衛(wèi)星細(xì)胞激活難度雖然較年輕機(jī)體困難許多，但通過(guò)一定的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練也能提升衛(wèi)星細(xì)胞的效果，尤其是抗阻運(yùn)動(dòng)能提升毛細(xì)血管的數(shù)量、密度，為肌纖維提供必要的氧份和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，最終改善衰老機(jī)體的骨骼肌質(zhì)量、橫截面積等（Binder et al.,2005；Bunout et al.,2001；Suetta et al.,2008）。

圖1 Sarcopenia 對(duì)骨骼肌及衛(wèi)星細(xì)胞功能的影響Figure 1.Effect of Sarcopenia on Skeletal Muscle and Satellite Cell Function

2.2 運(yùn)動(dòng)延緩和改善Sarcopenia 衛(wèi)星細(xì)胞的機(jī)制

2.2.1 運(yùn)動(dòng)可調(diào)控骨骼肌細(xì)胞外基質(zhì)成分

為探究干細(xì)胞感知與作用于基質(zhì)彈性和信號(hào)傳導(dǎo)的機(jī)制，Engler 等（2006）通過(guò)不同硬度的培養(yǎng)基對(duì)細(xì)胞間質(zhì)干細(xì)胞（mesenchymal stem cells，MSC）進(jìn)行分類培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，不同底物彈性（剛度）對(duì)干細(xì)胞的分化組織類型有極高的相關(guān)性，硬度從小到大分別為神經(jīng)細(xì)胞（0.1～1 KPa）、成肌細(xì)胞（8～17 KPa）和成骨細(xì)胞（25～40 KPa）。Boonen等（2009）首次使用生物力學(xué)方式對(duì)衛(wèi)星細(xì)胞細(xì)胞外基質(zhì)的剛度與衛(wèi)星細(xì)胞重塑過(guò)程進(jìn)行研究，利用可調(diào)剛度的培養(yǎng)基對(duì)衛(wèi)星細(xì)胞進(jìn)行離體培養(yǎng)，結(jié)果顯示，壓強(qiáng)在21 kPa時(shí)，更有利于骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的分化作用，研究還認(rèn)為，存在多聚賴氨酸和層粘連蛋白的培養(yǎng)基中促進(jìn)骨骼肌的重塑。通過(guò)利用剛性可調(diào)式的水凝膠，衛(wèi)星細(xì)胞在楊氏模型（young's modulus）剛性強(qiáng)度為12 kPa 時(shí)增殖情況最好（Trensz et al.,2015），當(dāng)強(qiáng)度增加到18 KPa 時(shí)（模擬觀察到受損衰老肌纖維）衛(wèi)星細(xì)胞進(jìn)行分化。衛(wèi)星細(xì)胞的微環(huán)境由多糖、蛋白聚糖和膠原蛋白等物質(zhì)構(gòu)成復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其中最為廣泛的是膠原蛋白、纖連蛋白、整合素及層粘連蛋白等（Yin et al.,2013）。對(duì)衰老骨骼肌的基底膜研究發(fā)現(xiàn)其改變不規(guī)則，且呈現(xiàn)出增厚片層等物質(zhì)，還發(fā)現(xiàn)膠原蛋白家族的顯著增多，這對(duì)衛(wèi)星細(xì)胞發(fā)揮正常功能不利（Brack et al.,2016；Thomas et al.,2015）。衛(wèi)星細(xì)胞的微環(huán)境剛度直接駕馭衛(wèi)星細(xì)胞的命運(yùn)（激活、增殖、分化、融合等），因而衛(wèi)星細(xì)胞的狀態(tài)與細(xì)胞外基質(zhì)成分極為相關(guān)。

1）運(yùn)動(dòng)下調(diào)細(xì)胞外基質(zhì)中的膠原蛋白。轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）是通過(guò)與Smad作用后促進(jìn)成肌纖維細(xì)胞增殖，誘導(dǎo)I 型膠原蛋白在細(xì)胞外基質(zhì)合成，Czarkowska-Paczek B（2009）的小鼠實(shí)驗(yàn)證明，一次急性運(yùn)動(dòng)后可下調(diào)TGF-β1 mRNA 水平。Emter 等（2010）發(fā)現(xiàn)，10月齡的尤卡坦半島微型豬經(jīng)過(guò)15 周的低強(qiáng)度間歇訓(xùn)練有效改善了心肌功能并抑制線粒體功能障礙，研究認(rèn)為，該現(xiàn)象是通過(guò)增加左心室纖維（23%）和減少膠原蛋白（36%）沉積實(shí)現(xiàn)的。Derumeaux 等（2018）發(fā)現(xiàn)，8 只6～18月齡小鼠通過(guò)4 周的游泳訓(xùn)練后，左心室內(nèi)膜的膠原蛋白沉積相對(duì)于對(duì)照組顯著下降。Alves 等（2014）對(duì)慢性心力衰竭大鼠進(jìn)行為期8 周的抗阻訓(xùn)練（4次/周，4 組/次，重復(fù)次數(shù)為10～12 次，運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度為65%～75% 1 RM），發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干預(yù)能改善大鼠的心臟功能、力量、膠原蛋白沉積和炎癥分布的改善。

2）運(yùn)動(dòng)上調(diào)基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）。MMPs 又稱為解膠酶，是一類依賴于鋅和鈣的水解蛋白酶主要負(fù)責(zé)細(xì)胞外基質(zhì)的降解，其主要靶點(diǎn)目標(biāo)是細(xì)胞外基質(zhì)上的膠原蛋白。MMPs 主要有兩個(gè)亞型為MMP2和MMP9，最早發(fā)現(xiàn)MMP9的提升可導(dǎo)致骨骼肌肥大和Akt/ mTOR 信號(hào)通路的上調(diào)。Ogasawara 等（2014）采用單次電刺激對(duì)SD 大鼠進(jìn)行骨骼肌訓(xùn)練（共5 組，5 s 時(shí)間刺激×5次/組，5 s間隔，組間休息3 min），右腿作為實(shí)驗(yàn)組，左腿為對(duì)照，研究認(rèn)為，單次電刺激可顯著提升MMP2 和MMP9，并未發(fā)現(xiàn)膠原蛋白IV、層粘連蛋白、α7 整合素的改變，有研究發(fā)現(xiàn)，3月齡的大鼠進(jìn)行為期8 周（3 次/周）的低強(qiáng)度和高強(qiáng)度抗阻運(yùn)動(dòng)，兩種運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度都能提升MMP2 的表達(dá)，且認(rèn)為MMP2 與血乳酸有強(qiáng)相關(guān)性（Deus et al.,2012）。

綜上所述，運(yùn)動(dòng)后衛(wèi)星細(xì)胞外基質(zhì)的組成發(fā)生變化，膠原蛋白數(shù)量下降，可通過(guò)激活解膠酶MMP2/9 清除膠原蛋白，扭轉(zhuǎn)衰老所引起的衛(wèi)星細(xì)胞的微環(huán)境，進(jìn)而促進(jìn)其激活。

2.2.2 運(yùn)動(dòng)可促進(jìn)細(xì)胞自噬的發(fā)生

隨著衰老的不斷加劇，嚙齒動(dòng)物和人類骨骼肌的自噬功能逐步消逝。實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，隨著年齡的增加會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物線粒體紊亂并出現(xiàn)自噬的進(jìn)程性下降，包括降低自噬表達(dá)和較低的自噬水平（Sebastian et al.,2016）。Demontis 等（2010）認(rèn)為，在骨骼肌衰老過(guò)程保持自噬可以保護(hù)果蠅不發(fā)生與年齡相關(guān)的骨骼肌功能障礙，并可以通過(guò)FoxO、4E-BP 信號(hào)通路來(lái)延長(zhǎng)壽命。有研究發(fā)現(xiàn)，一次急性的抗阻運(yùn)動(dòng)可以提升不同人群（老年和青年）骨骼肌的降解和自噬能力（Fry et al.,2011）。研究顯示，阻斷自噬將阻礙衛(wèi)星細(xì)胞的激活，自噬極可能提供衛(wèi)星細(xì)胞激活時(shí)所需的亞細(xì)胞器（Lee et al.,2019；Tang et al.,2014）。

運(yùn)動(dòng)可通過(guò)促進(jìn)自噬改善衰老導(dǎo)致的骨骼肌力量和數(shù)量丟失。Kim 等（2013）比較老年和青年鼠之間的自噬相關(guān)基因7（Autophagy-related gene 7，Atg7）、溶酶體相關(guān)膜蛋白等，趾長(zhǎng)伸肌和腓腸肌的表達(dá)低于青年小鼠，老年小鼠經(jīng)過(guò)8 周跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)（16.4 m/min，5°坡度，40 min/天，一周5 次），檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)后Beclin-1、Atg7 顯著提升，還增加IGF-1/IGF-1R 表達(dá)量、腺苷5'-磷酸腺苷活化蛋白激酶（Adenosine 5'-monophosphate-activated protein kinase，AMPK）表達(dá)和AMPK 磷酸化和FOXO3a 磷酸化水平。White 等（2016）等探索了骨骼肌衰減癥的分子機(jī)制，采用C57BL/6J 小鼠15月齡開始抗阻跑輪運(yùn)動(dòng)直到23月齡，認(rèn)為，長(zhǎng)期的抗阻運(yùn)動(dòng)顯著改善了線粒體和自噬體通路的一些標(biāo)志物，并延緩骨骼肌衰減癥狀。通過(guò)選用24月齡的C57BL/6J 雄性小鼠進(jìn)行單次游泳運(yùn)動(dòng)，研究表明，急性有氧運(yùn)動(dòng)上調(diào)了衰老小鼠腓腸肌的應(yīng)激誘導(dǎo)蛋白2（Sestrin2，Sesn2），并誘導(dǎo)多種自噬標(biāo)志物的包括Atg5、Atg7、p62 和自噬標(biāo)志物輕鏈3（light chain 3，LC3）-II 蛋白水平（Lenhare et al.,2017）。構(gòu)建動(dòng)物模型也得到運(yùn)動(dòng)可促自噬提升的結(jié)果，D-半乳糖構(gòu)建的小鼠衰老模型，通過(guò)30 次游泳訓(xùn)練（60 min/天，5 天/周，共42 天）觀察到通過(guò)訓(xùn)練可減少衰老的萎縮程度，通過(guò)電鏡觀察自噬體增多，噬絲分裂激活等自噬信號(hào)增強(qiáng)現(xiàn)象，同時(shí)藥物結(jié)合運(yùn)動(dòng)組可通過(guò)激活A(yù)MPK-FOXO3a 信號(hào)通路誘導(dǎo)自噬發(fā)生（Fan et al.,2017）。Kwon 等（2015）對(duì)注射氯喹制造肌肉降解的模型，進(jìn)行分組對(duì)照組，氯喹注射組和氯喹注射+訓(xùn)練組（每周5 次注射+16 周訓(xùn)練），研究結(jié)果認(rèn)為，氯喹注射+訓(xùn)練組最大攜重能力抗阻訓(xùn)練后可以顯著的提升，9 周抗阻運(yùn)動(dòng)有效阻止肌肉丟失和增強(qiáng)肌力，通過(guò)降低LC31/LC3-1比率，減少p62 蛋白水平，增加自噬調(diào)節(jié)蛋白，包括Beclin-1，ATG5127 和溶酶體。研究認(rèn)為，利用氯喹誘導(dǎo)自噬能力損害，可通過(guò)抗阻運(yùn)動(dòng)得到改善，規(guī)律性的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可以延緩肌肉衰減的發(fā)生，通過(guò)p62 蛋白加強(qiáng)自噬水平進(jìn)而提高肌肉功能和力量。

綜上所述，運(yùn)動(dòng)可提升動(dòng)物模型及衰老個(gè)體的細(xì)胞自噬調(diào)節(jié)功能，自噬可為衛(wèi)星細(xì)胞提供必需的物質(zhì)，同時(shí)激活衛(wèi)星細(xì)胞并參與增殖、遷徙、融合等過(guò)程。

2.2.3 運(yùn)動(dòng)可降低骨骼肌氧化應(yīng)激水平

衰老將導(dǎo)致骨骼肌肌力和肌肉體積的下降，直接指向衛(wèi)星細(xì)胞的老化，其中，損傷蛋白的集聚、線粒體功能失調(diào)、表觀遺傳學(xué)的改變、活性氧（Reactive oxygen species，ROS）代謝毒素的積累和DNA 損傷是衰老干細(xì)胞的標(biāo)志（Oh et al.,2014）。Harman（1956）的“衰老自由基理論”認(rèn)為，衰老導(dǎo)致的退行性疾病是由于細(xì)胞和組織持續(xù)的受到自由基的攻擊造成的。

1）衰老會(huì)使衛(wèi)星細(xì)胞ROS 水平增加（Szentesi et al.,2019）：Bortoli 等（2003）提取不同年齡人體的衛(wèi)星細(xì)胞進(jìn)行基因表達(dá)分析，認(rèn)為，不同年齡及不同增殖狀態(tài)的衛(wèi)星細(xì)胞的基因表達(dá)存在很大差異。衰老的衛(wèi)星細(xì)胞中線粒體總量下降，產(chǎn)生的三磷酸腺苷（ATP）整體下降，且線粒體產(chǎn)生的ATP 遠(yuǎn)多于所需利用的ATP，研究還顯示，衰老的衛(wèi)星細(xì)胞增加超氧化物/線粒體質(zhì)量和過(guò)氧化氫/線粒體質(zhì)量的比率（Minet et al.,2012）。2）衰老的衛(wèi)星細(xì)胞中抗氧化酶的活性下降：衰老導(dǎo)致衛(wèi)星細(xì)胞中ROS 的異常積累，且發(fā)現(xiàn)過(guò)氧化氫酶和谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶的抗氧化活性較年輕人顯著降低（Fulle et al.,2005）；Miller 等（2012）也證明，衰老小鼠骨骼肌中ROS 的顯著增加，而谷胱甘肽水平下降，核因子E2 相關(guān)因子2（NF-E2-related factor 2，Nrf2-/-）抗氧化能力受損。Vettor 等（2009）認(rèn)為，在衰老導(dǎo)致的高ROS 水平環(huán)境下，誘導(dǎo)衛(wèi)星細(xì)胞向脂肪形成的表型轉(zhuǎn)變，解釋了Sarcopenia人群中脂肪組織增多的現(xiàn)象。

運(yùn)動(dòng)可促進(jìn)衰老骨骼肌及衛(wèi)星細(xì)胞活性氧的降低。Radak 等（2008）的研究認(rèn)為，單次抗阻或簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)可降低機(jī)體中ROS，而中等強(qiáng)度或高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生更多的活性氧，同時(shí)會(huì)刺激抗氧化酶的顯著增加，因而總體ROS水平下降。Kuwahara 等（2010）為探索氧化應(yīng)激對(duì)骨骼肌的病理意義，制作了骨骼肌特異性超氧化物歧化酶缺陷SOD2-/-小鼠，突變小鼠受到運(yùn)動(dòng)的干擾后，氧化損傷激增，ATP 含量下降現(xiàn)象。Abruzzo 等（2013）對(duì)2月齡大鼠進(jìn)行14 周跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)（1 h/天，3 天/周），結(jié)果顯示，抗氧化酶和氧化酶都顯著增加，且發(fā)現(xiàn)，中等強(qiáng)度的訓(xùn)練可以誘導(dǎo)小鼠的ROS 適應(yīng)。另外，離體實(shí)驗(yàn)也證明通過(guò)外源性抗氧化物的補(bǔ)給，可有效改善衰老衛(wèi)星細(xì)胞的活性，減少線粒體相關(guān)的凋亡和細(xì)胞老化癥狀（Betters et al.,2008；Haramizu et al.,2017）。

綜上，衰老骨骼肌中較高的ROS 水平將給予衛(wèi)星細(xì)胞的生存和功能等造成不利的外在條件，但運(yùn)動(dòng)可以調(diào)控衛(wèi)星細(xì)胞及微環(huán)境中的氧化和抗氧化水平，一方面運(yùn)動(dòng)增加了氧化應(yīng)激水平，另一方面，運(yùn)動(dòng)積極誘導(dǎo)激活更多的抗氧化酶，因而起到下調(diào)衰老骨骼肌的ROS/RNS 水平，進(jìn)而調(diào)控衰老骨骼肌。

圖2 運(yùn)動(dòng)通過(guò)激活衛(wèi)星細(xì)胞功能延緩和改善Sarcopenia 的機(jī)制Figure 2.The Mechanism of Exercise in Delaying and Improving Sarcopenia by Activating Satellite Cell Function

3 小結(jié)

Sarcopenia 的主要表征為骨骼肌質(zhì)量減少和肌力下降，衰老骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的老化/失活是造成Sarcopenia 的重要原因。運(yùn)動(dòng)可通過(guò)改善衛(wèi)星細(xì)胞及微環(huán)境的變化（氧化還原、細(xì)胞外基質(zhì)、細(xì)胞自噬），激活衛(wèi)星細(xì)胞使其發(fā)揮自我更新和定向分化的干細(xì)胞功能，促進(jìn)衰老骨骼肌的修復(fù)和骨骼肌肥大等現(xiàn)象的發(fā)生，最終可延緩和改善衰老機(jī)體Sarcopenia 的癥狀。

研究表明，實(shí)驗(yàn)對(duì)象年齡太大會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星細(xì)胞難以激活，雖然衰老的衛(wèi)星細(xì)胞可通過(guò)運(yùn)動(dòng)改善Sarcopenia，但過(guò)度衰老的動(dòng)物或人類骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞將出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)變，因此，建議及早進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干預(yù)，可有效激活衛(wèi)星細(xì)胞預(yù)防/延緩和改善Sarcopenia 的癥狀。