氧化應激在肌少癥發(fā)生過程中作用的研究進展

董欣 王小清 王秀華 莫懿晗

(中南大學 1湘雅護理學院，湖南 長沙 410013；2湘雅二醫(yī)院老年病科)

肌少癥是指與增齡相關(guān)的進行性、全身骨骼肌肌量減少和(或)肌力下降或肌肉生理功能減退的一種疾病〔1〕，是一種常見的老年綜合征，中國60歲以上社區(qū)老年人肌少癥的發(fā)病率達10.4%〔2〕，而肌少癥與活動障礙、跌倒、低骨密度及代謝紊亂等密切相關(guān)，是老年人生理功能逐漸減退的重要原因和表現(xiàn)之一，可增加老年人的住院率及醫(yī)療花費，嚴重影響老年人的生活質(zhì)量，甚至縮短壽命〔3〕。目前國內(nèi)針對肌少癥的研究多集中于危險因素調(diào)查，發(fā)病機制研究較少，而國外有關(guān)機制研究則較為深入，并發(fā)現(xiàn)衰老過程中蛋白合成與水解作用失衡、神經(jīng)-肌肉功能衰退、內(nèi)分泌功能障礙、慢性炎癥和氧化應激損傷等均為肌少癥發(fā)生的潛在機制〔4〕。其中，大量研究均提出氧化應激可能是肌少癥發(fā)生的重要機制之一，并與其他發(fā)病通路之間存在復雜聯(lián)系〔5，6〕。本文從氧化還原穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)成及其在衰老過程中的變化、氧化應激對骨骼肌的影響和維持肌肉氧化應激穩(wěn)態(tài)的運動策略3個方面對氧化應激在肌少癥發(fā)生過程中的作用進行綜述。

1 氧化還原穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)與衰老

細胞活動使機體內(nèi)活性氧(ROS)不斷生成，線粒體是其主要的產(chǎn)生場所，最初研究認為，ROS為線粒體氧化磷酸化的副產(chǎn)物，將對機體產(chǎn)生毒害作用，因此機體內(nèi)也存在多種機制防止ROS產(chǎn)生過多來維持氧化還原穩(wěn)態(tài)，包括防止呼吸鏈中電子的泄露、清除過多的ROS和氧化損傷分子等，最新研究則指出在生理濃度范圍內(nèi)，ROS是調(diào)節(jié)機體生長、增殖、分化和適應的重要調(diào)節(jié)因子〔7〕，但是當機體內(nèi)自由基的產(chǎn)生和細胞清除自由基的能力不平衡時，將導致機體處于氧化應激狀態(tài)并對生物分子產(chǎn)生毒害作用。衰老的氧化應激理論認為衰老相關(guān)的功能障礙是由于ROS對生物大分子氧化損傷的積累所導致的，并指出衰老過程中常伴隨著體內(nèi)ROS產(chǎn)生的增多和(或)抗氧化防御體系的功能下降〔8〕，但這種變化的原因尚未闡明。其中，ROS產(chǎn)生增多主要與衰老相關(guān)的線粒體DNA突變、缺失和損傷引起的線粒體功能障礙有關(guān)〔9〕，進一步研究也指出衰老機體清除這些功能障礙線粒體的能力下降〔10〕，不斷升高的ROS水平又進一步對線粒體DNA造成損傷，形成惡性循環(huán)。關(guān)于抗氧化體系功能下降的原因，Zhang等〔11〕指出核因子(NF)-E2相關(guān)因子(Nrf)2/親電子反應元件(EpRE)信號的激活及誘導其抗氧化酶靶基因的表達水平隨著年齡增長而下降。但因為每種抗氧化酶基因的調(diào)控機制具有極大的復雜性，如血紅素加氧酶(HO)-1的表達受Nrf2/EpRE、NF-κB和低氧誘導因子(HIF)-1α等多條信號通路的調(diào)控，因此仍需進一步探索Nrf2/EpRE信號通路在衰老相關(guān)抗氧化功能下降中的確切機制。研究也發(fā)現(xiàn)p53蛋白的亞硝基化是一氧化氮(NO)/過氧化物酶體增殖活化受體γ輔助活化因子(PGC)-1α介導的抗氧化通路中必須經(jīng)歷的一個環(huán)節(jié)，但在衰老過程中核神經(jīng)元NO合酶的含量減少，導致p53蛋白的亞硝基化作用顯著降低，抗氧化劑生成減少〔12〕，因此，如何維持或恢復p53蛋白的亞硝基化水平也成為維持機體氧化防御系統(tǒng)的一個重要干預靶點。

2 氧化應激對骨骼肌的影響

衰老機體內(nèi)氧化還原穩(wěn)態(tài)的失衡與很多老年疾病的發(fā)生有關(guān)，如心血管疾病、阿爾茨海默病、肌少癥等〔13〕，其中肌少癥是一種多因素致病的老年疾病，其典型表現(xiàn)為骨骼肌肌量減少和(或)肌肉功能下降，研究發(fā)現(xiàn)，肌少癥患者體內(nèi)蛋白質(zhì)羰基、脂質(zhì)過氧化物、終末糖基化物等氧化修飾產(chǎn)物的濃度均高于正常老年人〔14，15〕，且體內(nèi)的抗氧化劑如尿酸濃度下降也與老年人肌量減少、肌力下降有關(guān)〔16〕，因此衰老過程中氧化還原穩(wěn)態(tài)失衡也被認為可能是肌少癥發(fā)生的重要機制之一。

2.1肌肉降解作用增強 衰老過程中ROS產(chǎn)生的增加將引起線粒體功能障礙，并激活線粒體介導的細胞凋亡信號通路使肌肉細胞發(fā)生凋亡，從而導致肌量減少。高水平的ROS也可直接作為一些凋亡信號通路中的第二信使，促使細胞凋亡〔17〕，研究發(fā)現(xiàn)通過給衰老小鼠服用能改善線粒體氧化還原穩(wěn)態(tài)及自噬功能的藥物SS31后，雖能維持肌肉內(nèi)線粒體功能的正常，但不能逆轉(zhuǎn)或緩解肌肉萎縮和肌無力的表現(xiàn)〔18〕，因此，線粒體在ROS介導的肌肉損失中所起到的作用有待進一步研究。肌肉蛋白的水解作用顯著超過合成作用被認為是肌少癥發(fā)生過程中的一個重要環(huán)節(jié)，研究指出ROS激活p38絲裂原活化蛋白激酶(MAPKs)，并進一步激活叉形頭轉(zhuǎn)錄因子O亞型(FOXO)3分子，激活的FOXO3分子將抑制磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(PI3K/AKT/mTOR)合成通路，并激活泛素-蛋白酶體途徑中兩個關(guān)鍵的肌肉特異性連接酶-肌萎縮盒F蛋白(MAFbx，也稱Atrogin-1)和肌肉環(huán)指蛋白(MuRF)-1，從而抑制肌肉蛋白的合成同時促進其水解作用，導致肌量減少〔19，20〕。Vina等〔21〕發(fā)現(xiàn)在生理狀態(tài)下，ROS對p38 MAPK的刺激可激活PGC-1α而促進線粒體的生物合成，但當p38 MAPK受到ROS持續(xù)性刺激時，這條信號通路將會中斷而影響肌肉健康。研究指出衰老小鼠體內(nèi)mTOR敏感型復合體(mTORC)1的激活將增加信號傳導子和轉(zhuǎn)錄激活子(STAT)-3的磷酸化使生長分化因子(GDF)15的表達增加并引起肌纖維內(nèi)出現(xiàn)異常形態(tài)的線粒體和氧化應激水平的增加及肌纖維的減少，而抑制mTORC1的激活則可逆轉(zhuǎn)這一過程〔22〕，這也為預防肌少癥的發(fā)生發(fā)展提供了一個可能的干預靶點。

2.2肌肉再生和修復機制受損 肌衛(wèi)星細胞附著在肌纖維表面，具有干細胞的性質(zhì)，當肌纖維受損傷時，肌衛(wèi)星細胞可增殖分化參與肌纖維的修復，對肌肉質(zhì)量的維持十分重要。Bengal等〔23〕發(fā)現(xiàn)衰老進程中，肌衛(wèi)星細胞的增殖和分化潛能明顯降低，雖然確切的分子機制還有待進一步闡明，但氧化應激在其中扮演著重要角色。肌衛(wèi)星細胞增殖后，部分子細胞會遷移到成體肌纖維中進行分化以維持正常肌量。但老年人體內(nèi)的肌衛(wèi)星細胞易發(fā)生凋亡誘導的細胞死亡，且衰老肌肉中ROS水平增高，更易觸發(fā)各種細胞凋亡通路，因此并非所有增殖的肌衛(wèi)星細胞都能存活下來，同時ROS還能抑制肌衛(wèi)星細胞分化〔24〕。雖然衰老相關(guān)的肌衛(wèi)星細胞數(shù)量減少被認為是肌肉再生和修復的關(guān)鍵限制因素，并與肌少癥的發(fā)生有關(guān)，但也有研究指出即使肌衛(wèi)星細胞數(shù)量減少，剩余駐留的肌衛(wèi)星細胞也足以激活和維持足夠的再生功能，因此衰老肌肉再生能力受損可能與肌衛(wèi)星細胞的功能變化有關(guān)〔25〕。Marzetti等〔26〕發(fā)現(xiàn)肌衛(wèi)星細胞所處的體液環(huán)境將會影響肌衛(wèi)星細胞的功能，而ROS就是其中一個重要的環(huán)境影響因子。進一步研究指出肌衛(wèi)星細胞外在的信號環(huán)境和細胞自身一些內(nèi)在因素的聯(lián)合調(diào)控才是決定肌衛(wèi)星細胞行為的關(guān)鍵因素，如Sousa-Victor等〔27〕發(fā)現(xiàn)老年動物體內(nèi)的肌衛(wèi)星細胞表現(xiàn)出細胞周期阻滯而失去了分化和增殖能力，且獨立于周圍體液環(huán)境的變化。因此，ROS如何影響肌衛(wèi)星細胞的數(shù)量和功能并導致肌少癥的發(fā)生值得進一步探討。

2.3神經(jīng)-肌接頭(NMJ)功能障礙 骨骼肌的正常收縮依賴于完整的NMJ結(jié)構(gòu)和功能，Ivannikov等〔28〕發(fā)現(xiàn)相比于幼鼠，在老年小鼠耳提肌的NMJ處，ROS的產(chǎn)生顯著增加，且這種改變似乎與突觸釋放神經(jīng)遞質(zhì)減少有關(guān)，但是尚不明確發(fā)生在NMJ處的增齡相關(guān)氧化應激是否會影響肌肉功能。鋅銅超氧化物歧化酶(Cu/Zn SOD)是機體內(nèi)一種重要的抗氧化劑，Sod1KO小鼠體內(nèi)所有組織均缺乏這種酶而表現(xiàn)高水平的氧化應激，同時具有很多衰老進程加快的特征，其中以肌少癥癥狀最為突出，并成為最近幾年研究肌少癥的一種重要動物模型〔29〕。Jang等〔30〕發(fā)現(xiàn)與健康老年小鼠相比，Sod1KO小鼠表現(xiàn)出NMJ退化、乙酰膽堿受體碎片化及運動神經(jīng)元的退化和回縮，從而導致肌纖維的去神經(jīng)化，并認為這是Sod1KO小鼠肌肉功能下降的主要原因，隨后一系列實驗通過基因調(diào)控使Cu/Zn SOD表達在不同的組織，探索外周神經(jīng)氧化還原失衡導致Sod1KO小鼠肌少癥發(fā)生的機制。Deepa等〔31〕提出肌少癥發(fā)生的“兩次打擊”機制，第一次打擊是由于外周神經(jīng)元內(nèi)氧化還原穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)受損，導致NMJ功能障礙，使衰老肌肉內(nèi)線粒體ROS產(chǎn)生增多；第二次沖擊為增多的ROS又進一步導致NMJ發(fā)生退化反應使其功能障礙加劇而形成惡性循環(huán)，出現(xiàn)肌肉NMJ破裂、去神經(jīng)支配、肌纖維減少等，并最終可能發(fā)展為少肌癥。Hamilton等〔32〕也發(fā)現(xiàn)衰老過程中高水平的氧化應激將破壞外周運動神經(jīng)的軸索結(jié)構(gòu)，導致神經(jīng)傳導功能下降而引起肌肉功能障礙。研究指出Sod1KO小鼠外周神經(jīng)內(nèi)氧化還原穩(wěn)態(tài)失衡可能與外周神經(jīng)中過氧化物還原酶6中一個具有催化作用的半胱氨酸殘基發(fā)生改變有關(guān)〔33〕，但外周神經(jīng)內(nèi)氧化還原穩(wěn)態(tài)失衡導致NMJ功能障礙的確切機制，仍需要進一步探索。

2.4肌肉興奮-收縮解耦聯(lián) 針對衰老過程中氧化應激導致肌力下降的原因，有研究認為與肌肉量和神經(jīng)肌肉傳導無關(guān)，而與肌肉內(nèi)在的收縮結(jié)構(gòu)受損有關(guān)。在衰老動物及人體內(nèi)均發(fā)現(xiàn)興奮-收縮解耦聯(lián)導致的肌質(zhì)網(wǎng)鈣釋放減少與肌力下降相關(guān)，鈣釋放通道(RYR)是興奮-收縮耦聯(lián)中的一個重要結(jié)構(gòu)，Thomas等〔34〕發(fā)現(xiàn)衰老過程中RYR的表達沒有減少，但RYR具有較長的半衰期使其容易受到翻譯后修飾。進一步研究指出在衰老小鼠與人體內(nèi)RYR中鈣通道穩(wěn)定蛋白(calstabin)的氧化程度升高，這種蛋白與每個RYR單位結(jié)合，起到穩(wěn)定通道的作用，calstabin蛋白的氧化修飾使其與RYR的相互作用受損，導致鈣釋放通道出現(xiàn)漏鈣現(xiàn)象，肌漿網(wǎng)內(nèi)的鈣量減少，進一步使其釋放量減少，最終可導致肌力下降〔35〕。Lamboley等〔36〕則發(fā)現(xiàn)抗氧化劑二硫蘇糖醇治療可逆轉(zhuǎn)老年人體內(nèi)肌質(zhì)網(wǎng)鈣泄露，促進肌力恢復，但仍需要進一步探討RYR的氧化修飾達到什么程度才會引起肌少癥的發(fā)生。和RYR一樣，肌漿網(wǎng)/內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣三磷酶腺苷酶(SERCA)同樣也具有較長的半衰期，使其容易受到氧化損傷，Qaisar 等〔37〕發(fā)現(xiàn)Sod1KO小鼠SERCA的氧化修飾蛋白增加。對此，最近一項研究發(fā)現(xiàn)與沒有治療的Sod1KO小鼠相比，采用一種新型的SERCA激活劑CDN1163對Sod1KO小鼠進行6 w治療后，可緩解23%的肌量減少和22%的肌力下降，此外還能逆轉(zhuǎn)線粒體ROS產(chǎn)生的增加〔38〕，提示維持SERCA功能的藥物具有預防氧化應激介導的肌肉功能障礙的潛能。

3 維持肌肉氧化應激穩(wěn)態(tài)的運動策略

相對于靜止肌肉，收縮肌肉內(nèi)ROS的產(chǎn)生將顯著增加，同時有研究指出，耐力運動將促進肌肉的氧化、代謝和熱應激，并將激活一些與肌肉適應相關(guān)的細胞通路，一方面促進了線粒體的生物合成，另一方面通過兩條相互獨立的通路來改善線粒體質(zhì)量，一是改變線粒體動力學，二是促進線粒體的自噬作用〔39，40〕，Bouzid等〔41〕也發(fā)現(xiàn)終身的規(guī)律運動可促進抗氧化酶表達，而服用抗氧化復合制劑治療后將抵消運動帶來的有益的肌肉適應效應，表明ROS在運動過程中扮演這一個重要的信號分子作用，機體內(nèi)一些維持肌肉穩(wěn)態(tài)的細胞成分如NF-κB、活化蛋白(AP)-1、MAPKs等對氧化還原環(huán)境的改變非常敏感〔42〕，而適度運動可促進MAPKs的激活，并進一步激活NF-κB，從而誘導抗氧化酶的表達〔43〕。但目前關(guān)于預防或治療肌少癥的最佳運動類型、強度、頻率等尚無定論，尤其是運動強度。一些研究認為低中等強度運動對維持肌肉功能無益，但高強度運動又導致一些細胞成分出現(xiàn)氧化應激損傷〔44，45〕，如Lee等〔46〕發(fā)現(xiàn)長時間劇烈訓練使老年人體內(nèi)線粒體的融合蛋白(Mfn2)和分裂蛋白(Drp1)數(shù)量減少，使線粒體功能發(fā)生障礙。目前，維持肌肉氧化還原平衡的運動類型主要包括耐力運動、抗阻運動、抗阻聯(lián)合耐力運動、平衡運動等〔47〕，此外，對一些無法正常進行運動鍛煉的老年人，肌肉電刺激成為一種具有應用前景的運動替代方法，能產(chǎn)生與耐力運動相似的分子調(diào)控效應，同時還可激活蛋白質(zhì)的合成代謝通路，促進肌肉蛋白合成等〔48〕，但仍需進一步的研究來探討肌電刺激對改善肌少癥患者肌肉質(zhì)量和功能的最佳電流(或電壓)、時間、頻率等參數(shù)。

綜上，在衰老過程當中，各種因素導致機體內(nèi)氧化還原穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)失衡使機體處于氧化應激狀態(tài)，過多的ROS通過調(diào)控各種信號通路，一方面破壞了肌肉內(nèi)蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)，并可能損害肌衛(wèi)星細胞的功能使得肌肉量減少；另一方面也可能直接造成神經(jīng)-肌接頭和興奮-收縮耦聯(lián)等結(jié)構(gòu)出現(xiàn)功能障礙而出現(xiàn)肌肉功能下降，并最終導致肌少癥的發(fā)生，雖然目前尚不明確這些機制之間的聯(lián)系，但為預防或治療肌少癥提供了重要的靶點，未來的研究可從以下方面進行：(1)進一步分析衰老過程中抗氧化防御體系減弱(如抗氧化酶表達減少或活性降低)的分子機制；(2)進一步驗證線粒體在ROS介導的肌肉損失中所起到的作用，探索能夠阻斷ROS對IGF-1/PI3K/Akt/mTOR蛋白合成通路產(chǎn)生抑制作用的干預方法；(3)進一步探討ROS對肌衛(wèi)星細胞的數(shù)量和功能影響的確切機制；(4)分析外周神經(jīng)內(nèi)氧化還原穩(wěn)態(tài)失衡導致NMJ功能障礙的分子機制；(5)制定一套能有效維持肌肉內(nèi)氧化還原穩(wěn)態(tài)的運動處方，并且針對一些無法進行體力活動的老年人群，探索如何利用物理治療手段(如肌肉電刺激)來作為運動的替代療法，從而預防或緩解肌少癥的發(fā)生發(fā)展。