衰老機制及其干預(yù)研究進展

周佳雯綜述，靳建亮審校

0 引 言

衰老是指生物體的生理器官隨著年齡的增長發(fā)生不可避免的功能性下降、內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定能力與應(yīng)對應(yīng)激能力下降，結(jié)構(gòu)、組分逐步退化，趨向死亡且不可逆轉(zhuǎn)的一種現(xiàn)象。截至2019年，中國65歲及以上人口占比達12.6%，總?cè)丝谕黄?4億，人口老齡化日益加重。機體衰老引起的老年人常見慢性疾病大大降低了老年人口的健康水平，加大了家庭和社會的經(jīng)濟負擔(dān)。本文就近年來對于衰老機制的研究以及相應(yīng)防治手段展開綜述。

1 衰老機制的研究進展

1.1細胞衰老細胞衰老是一種由應(yīng)激性刺激和某些生理過程觸發(fā)的細胞狀態(tài)，其特征是具有分泌特性、大分子損傷、代謝改變的細胞周期延長和一般不可逆轉(zhuǎn)的細胞周期阻滯[1-2]。主要由端?？s短、DNA損傷、氧化應(yīng)激以及細胞周期阻滯等因素引起。

1.1.1端?？s短端粒位于真核細胞染色體末端，由于“末端復(fù)制”問題，端粒不能被DNA聚合酶完全復(fù)制。人體細胞每分裂1次，端粒縮短50～100 bp，當(dāng)端粒長度縮短到傷害DNA的臨界值而細胞又無法代償此長度縮短時，染色體穩(wěn)定性變差，最終導(dǎo)致細胞死亡、機體衰老[3-4]。

1.1.2氧化應(yīng)激細胞在生物氧化代謝過程中會產(chǎn)生活性氧簇(reactive oxygen species, ROS)，并可被體內(nèi)的抗氧化劑清除，因此活性氧一般在體內(nèi)保持一種動態(tài)平衡。衰老過程中，線粒體呼吸鏈作為ATP產(chǎn)生和ROS清除的亞細胞器，產(chǎn)生超氧陰離子，使得氧化應(yīng)激增加，ROS產(chǎn)生增多。如果氧化應(yīng)激持續(xù)存在，將最終導(dǎo)致細胞衰老，這也是衰老的重要標志[5]。

1.1.3DNA損傷研究表明，DNA損傷是癌癥和衰老發(fā)生的共同基礎(chǔ)，DNA損傷如果沒有得到正確修復(fù)，其不斷積累直接涉及癌癥和其他衰老相關(guān)的疾病，如神經(jīng)退行性疾病和誘導(dǎo)促炎因子的分泌等[6]。同時，細胞中存在一種進化保守途徑——DNA損傷反應(yīng)(DNA-damage response, DDR)。當(dāng)DDR發(fā)生時，DNA損傷感應(yīng)因子ATM、ATR及其下游因子Chk1、Chk2被激活。Chk1激活p53導(dǎo)致細胞周期阻滯；DNA雙鏈斷裂發(fā)生時，ATM也可通過ATR影響Chk1的活性[7]。如果DNA損傷嚴重或未修復(fù)，則DDR會導(dǎo)致永久性細胞周期阻滯或死亡。而Bmi-1可以通過阻止Chk2的激活減少DNA損傷反應(yīng)防止細胞衰老[8]。另外，新近確認的衰老標志分子GATA4，主要由ATM/ATR介導(dǎo)的DNA損傷信號穩(wěn)定表達，通過p62介導(dǎo)的選擇性自噬進行降解，可以激活SASP，加快衰老進程[9]。

1.1.4細胞周期阻滯細胞周期參與調(diào)控細胞增殖、分化、衰老和凋亡。細胞周期受多方面因素的調(diào)控，當(dāng)產(chǎn)生永久性的細胞周期阻滯時，就會發(fā)生細胞衰老[10]。

細胞周期蛋白激酶抑制子(cyclin dependent kinase inhibitor, CDKI)通過調(diào)控細胞周期影響衰老速度，分為Ink4和KIP家族。研究發(fā)現(xiàn)，衰老的細胞中Rb蛋白表現(xiàn)為低磷酸化，使衰老細胞停滯在G1期[11]。多梳基因(polycomb, PcG)家族對于Ink4a/Arf基因座的表觀調(diào)控具有重要作用。其中Bmi-1作為PcG抑制復(fù)合體1 (polycomb-repressive complex 1, PRC1)中的重要一員，通過抑制細胞周期蛋白激酶抑制子p16和p19的表達來維持細胞的自我更新和細胞周期進程[12]。Bmi-1對于Ink4a/Arf基因座的抑制作用依賴于與PRC2中組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶EZH2復(fù)合物的持續(xù)性結(jié)合。在衰老細胞中，EZH2水平下降導(dǎo)致甲基化組蛋白H3K27me3缺失，使Bmi-1移位，上調(diào)p16和p19轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致細胞周期阻滯和細胞衰老[13]。

1.2炎性衰老炎性衰老指機體在自然衰老過程中出現(xiàn)的低級、慢性系統(tǒng)性的促炎反應(yīng)狀態(tài)進行性增高的現(xiàn)象[14]。炎性衰老由循環(huán)中明顯增加的炎性細胞因子介導(dǎo)，主要包括IL-1β、IL-6和TNF-α等，是由促炎和抗炎抵消失衡所致。其中，IL-1β、IL-6、TNF-α及IL-6介導(dǎo)肝產(chǎn)生的C反應(yīng)蛋白隨年齡增高而增加，已成為心血管風(fēng)險因子[15]。目前，炎性衰老的機制主要有細胞因子論、DNA損傷論、應(yīng)激論、自噬論和線粒體論。

1.2.1細胞因子論機體在衰老過程中出現(xiàn)的慢性炎癥的主要原因是衰老機體促炎因子與抑炎因子失衡，循環(huán)中促炎因子水平升高，使老年人的組織器官持續(xù)的存在炎性環(huán)境中，進而誘導(dǎo)組織器官的衰老[16]。TNF-α、IFN-β、IFN-γ等促炎細胞因子通過產(chǎn)生ROS和激活A(yù)TM/P53/P21通路誘導(dǎo)上皮細胞衰老[17]；趨化因子受體CXCR2通過P53通路誘導(dǎo)成纖維細胞衰老；NF-κB等信號通路產(chǎn)生促炎細胞因子IL-6、IL-8等阻滯細胞周期，促進細胞衰老[18]。

1.2.2DNA損傷論研究表明，干細胞以及基質(zhì)成纖維細胞會因為DNA損傷(端?？s短、雙鏈解螺旋等)累積分化為促炎因子過表達細胞，引起炎性衰老[19]。體內(nèi)和體外實驗表明，促炎因子和某些應(yīng)激源可通過介導(dǎo)相關(guān)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，激活NF-κB，使細胞分泌大量促炎因子，如：IL-1β、TNF-α等，誘發(fā)炎癥和氧化應(yīng)激反應(yīng)[20]，導(dǎo)致機體產(chǎn)生大量的自由基和ROS，與DNA、蛋白質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)，引起上皮細胞DNA過氧化導(dǎo)致自由基連鎖反應(yīng)，加速炎性衰老進程[21]。

1.2.3應(yīng)激論應(yīng)激論認為，自然衰老進程中機體長期處于應(yīng)激原微環(huán)境中，導(dǎo)致并維持機體的慢性炎性狀態(tài)，最終導(dǎo)致炎性衰老[2,22]。

1.2.4自噬論自噬是細胞新陳代謝的方式之一，細胞通過自噬活動維持胞內(nèi)微環(huán)境的穩(wěn)定。機體衰老往往伴隨著內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的失衡，細胞的自噬清除能力降低，導(dǎo)致蛋白質(zhì)和線粒體功能失調(diào)，進而誘發(fā)炎性腸病、慢性肺病和自身免疫疾病等慢性炎癥，最終使炎性衰老進一步加重[23-24]。

1.2.5線粒體論線粒體是衰老表型潛在的驅(qū)動器，衰老過程中，線粒體功能障礙增加，自噬清除力下降，引起線粒體ROS升高和線粒體來源的危險信號相關(guān)分子模式增加。并通過與模式識別受體蛋白NLRP3結(jié)合，誘導(dǎo)炎癥小體的組裝與激活，導(dǎo)致模式識別受體蛋白NLRP3主要通過其PYD結(jié)構(gòu)域招募下游凋亡相關(guān)斑點樣蛋白，進而形成復(fù)合體，活化Caspase-1蛋白，誘發(fā)炎癥反應(yīng)；或通過AMPK介導(dǎo)的p53活化誘導(dǎo)SASP，被稱為線粒體功能障礙相關(guān)衰老的分泌表型，也可引起炎性衰老[25]。

1.3代謝性衰老機體衰老的常見表現(xiàn)為代謝改變。下丘腦-垂體單位作為身體功能的中央調(diào)節(jié)器，介導(dǎo)衰老進程的潛在的細胞機制包括營養(yǎng)感知失調(diào)、蛋白內(nèi)穩(wěn)態(tài)喪失和表觀遺傳改變[26]。此外，哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)、NF-κB、下丘腦干細胞、自噬和SIRT1的作用靶點已被認為是介導(dǎo)這一機制的關(guān)鍵因素或途徑。

1.3.1AMPK通路單磷酸腺苷活化蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase, AMPK)是一種高度保守的細胞能量代謝調(diào)控器，隨著生物體的衰老活性逐步下調(diào)。AMPK通過多個途徑來維持機體代謝平衡：①AMPK/AAK-2通過磷酸化CRTC-1位點阻止其核移位，進而抑制CREB轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子CRH-1的反式激活，延長壽命[27]；② AMPK通過激活SIRT1，激活下游PGC-1、FoxO1和FoxO3，干預(yù)衰老進程[28]；③ AMPK能促進胞內(nèi)p53活性升高進而調(diào)節(jié)細胞衰老進程[29]。④SIRT2通過促進AMPK磷酸化，調(diào)節(jié)自噬和氧化應(yīng)激水平延緩衰老[30]。除此之外，AMPK對于衰老相關(guān)的信號通路，如：NF-κB、mTOR和胰島素通路等也存在間接調(diào)控的關(guān)系。

1.3.2mTOR通路mTOR通路是細胞代謝的一個關(guān)鍵組成部分，它將營養(yǎng)傳感與促進細胞生長和增殖的細胞過程結(jié)合起來。mTOR屬于磷脂酰肌醇-3激酶(phosphatidylinositol 3-kinase, PI3K)相關(guān)激酶家族，mTORC1對過多的細胞外刺激和細胞內(nèi)環(huán)境改變做出應(yīng)答，同時抑制自噬，最終刺激細胞生長和增殖；與之相反，mTORC2調(diào)控細胞骨架組織和AGC激酶家族如AKT和SGK1的活動，且與新合成的多肽降解有關(guān)[31]，它通過AKT依賴和獨立的機制參與葡萄糖和脂質(zhì)代謝。先前通過哺乳動物衰老和熱量限制相關(guān)的多組織單細胞測序結(jié)果顯示，利用熱量限制手段干預(yù)后，mTOR通路相關(guān)基因在衰老哺乳動物的腎和白色脂肪組織中被下調(diào)[32]。

1.3.3表觀遺傳修飾衰老是環(huán)境因素決定的多因素過程，表觀遺傳學(xué)的作用方式主要有：DNA 甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA調(diào)控等。DNA甲基化是指 DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的作用下，將甲基轉(zhuǎn)移至CpG 島二核苷酸序列區(qū)域。人類干細胞的DNMT基因在細胞衰老調(diào)控中起重要作用。隨著年齡的增長 DNA 甲基化逐漸下降，同時破壞細胞的基因表達引起生理功能衰退。衰老過程中基因CpG位點發(fā)生不同程度的甲基化改變[33]，因此可以說DNA特異位點的甲基化水平是能反映衰老的生物學(xué)標記。研究表明組蛋白甲基化和乙?；揎椀目傮w水平在衰老過程中發(fā)生變化，且具有物種特異性和細胞特異性。組蛋白甲基化根據(jù)結(jié)合位點的不同對基因的表達會產(chǎn)生不同的影響，在H3K4發(fā)生的甲基化是調(diào)節(jié)衰老相關(guān)蛋白變化的關(guān)鍵基因[34]。環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(CREB-binding protein, CBP)和p300是最主要的組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶[35]，主要作用于H3K18、H3K27的乙?；Ｋダ系牟溉閯游锝M織的CBP和p300水平下降，增加p300活性能延緩衰老，反之阻滯細胞周期進程、誘導(dǎo)細胞衰老[36]。

1.4腸道微生物影響衰老及其相關(guān)疾病諾貝爾醫(yī)學(xué)獎得主梅契尼科夫提出，衰老與腸道菌群有關(guān)[37]。研究發(fā)現(xiàn)，隨著機體衰老，腸道中革蘭陰性菌數(shù)目增多，產(chǎn)生脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)增加，透過腸道進入全身循環(huán)，進而激活慢性炎癥因子[38]。另外，研究表明，腸道中雙歧桿菌細菌數(shù)目與促炎因子(如TNF-α、IL-6等)水平呈負相關(guān)[39]。老年人腸道菌群穩(wěn)態(tài)改變，積累的LPS會導(dǎo)致巨噬細胞功能改變，進而加劇炎癥進程。因此，腸道的健康和穩(wěn)態(tài)對于機體免疫功能和壽命至關(guān)重要。

2 防治衰老及其相關(guān)疾病的研究進展

針對以上總結(jié)的衰老的相關(guān)因素，可以通過衰老細胞清除、減少應(yīng)激反應(yīng)、抗氧化、抗炎和腸道菌群移植等藥物或非藥物干預(yù)達到抗衰老以及防治相關(guān)疾病的目標。

2.1衰老細胞的清除研究表明，抑制衰老細胞表達SASP相關(guān)成分的藥物可以改善衰老表型。常見的藥物有雷帕霉素、二甲基雙胍、魯索利替尼和p38MAPK抑制劑。同時，抗凋亡蛋白BCL-2和BCL-xL的特異性抑制劑也常用作衰老細胞清除劑，如：口服ABT263可以選擇性的清除衰老小鼠體內(nèi)衰老的造血干細胞和肌肉干細胞，使衰老的干細胞再生，緩解造血系統(tǒng)衰老[40]。然而，ABT263存在一些毒性副作用，其在延緩衰老以及衰老相關(guān)疾病的應(yīng)用還有待進一步研究。另外，ABT-737作為早期的navitoclax類似物，能夠在體內(nèi)驅(qū)動輻射誘導(dǎo)的肺上皮SNCs和p19誘導(dǎo)的真皮細胞凋亡，但其相關(guān)臨床試驗有待進一步開展[41]。

2.2抗氧化應(yīng)激治療抗氧化劑可分為外源性抗氧化劑和內(nèi)源性抗氧化劑。外源性抗氧化劑包括姜黃素、白藜蘆醇、槲皮素和活性維生素D等天然植物活性化合物[42]?；钚跃S生素D作為外源性抗氧化劑，通過上調(diào)Nrf2，降低氧化應(yīng)激水平，從而減少體內(nèi)DNA損傷，下調(diào)p16/Rb和p21/p53通路，延緩細胞衰老[43-44]。內(nèi)源性抗氧化劑主要指谷胱甘肽，分為氧化型谷胱甘肽和還原型谷胱甘肽(Glutathione, GSH)，在人體內(nèi)起作用的主要是GSH[45]。N-乙酰半胱氨酸(N-acetylcysteine, NAC)是內(nèi)源性抗氧化劑合成的必要前體，通過補充胞內(nèi)谷胱甘肽來抑制氧化應(yīng)激。由于飲食攝取的左旋半胱氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)楣入赘孰谋幌拗?，口服NAC治療可以作為抗氧化劑治療的有效途徑[46]。我們先前研究發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)激誘導(dǎo)的成熟前衰老小鼠模型中，利用飲水補充NAC可以通過維持氧化還原平衡、保護線粒體結(jié)構(gòu)功能，改善小鼠的腎小管間質(zhì)性損傷和衰老相關(guān)的肺纖維化[47-48]?？寡趸瘎┩ㄟ^調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激引起的異常細胞信號，進而抑制氧化應(yīng)激表型，延緩衰老進程[49]。

2.3抗炎治療近年來研究均將衰老、促炎細胞因子網(wǎng)絡(luò)作為衰老過程中的現(xiàn)象之一[50]。在健康衰老過程中，NLRP3的表達減少。同樣，正常老年小鼠的巨噬細胞產(chǎn)生的IL-1β也較少[51]，因此NLRP3抑制劑和IL-1β受體拮抗劑可以作為改善衰老相關(guān)慢性炎癥的治療手段。

常見的NLRP3-炎癥小體抑制劑包括CY-09、MCC950、豆蔻明(Cardamonin)和阿那白滯素(Anakinra)等。CY-09與NLRP3的NACHT結(jié)構(gòu)域的ATP結(jié)構(gòu)基序結(jié)合，抑制NLRP3 ATP酶活性，從而抑制NLRP3炎癥小體的活化，可以改善急性腎損傷小鼠腎功能不全、炎癥反應(yīng)加劇表型[17]。MCC950是一種選擇性的NLRP3抑制劑，其通過抑制NLRP3/NF-κB通路活性減少脂質(zhì)累積，可有效改善小鼠非酒精性脂肪肝。Anakinra作為IL-1β受體拮抗劑，能阻斷IL-1α和IL-1β的作用，目前已在類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和蛋白相關(guān)的周期性綜合征中得到了應(yīng)用[52]。

2.4移植腸道菌群治療糞菌移植 (fecal microbiota transplantation, FMT)指將健康人糞便中的功能菌群，移植到患者胃腸道內(nèi)，重建新的腸道菌群，實現(xiàn)腸道及腸道外疾病的治療。FMT是一種高效安全的抗衰老方法，已被證實可治療艱難梭菌感染、應(yīng)激性腸病和肝性腦病等[53]。其在防治衰老相關(guān)的疾病上的應(yīng)用也逐漸被發(fā)現(xiàn)，例如動脈硬化、II型糖尿病、帕金森病等[54]。但是，目前FMT還有著一系列的臨床應(yīng)用和倫理問題需要我們進一步解決。

2.5調(diào)節(jié)代謝治療研究發(fā)現(xiàn)，能量限制是延緩壽命的有力措施，可引起胰島素、血糖和生長激素水平下降，進而激活下游通路。近年來研究表明：除間歇性節(jié)食控制能量攝入外[32]，使用一些代謝調(diào)節(jié)藥物也可以調(diào)節(jié)代謝通路進而延長壽命，如：雷帕霉素抑制mTOR信號通路，白藜蘆醇激活SIRT1活性，二甲基雙胍活化AMPK[55]。然而這些藥物的臨床應(yīng)用因某些副作用受到限制，使用方式、劑量等需要進一步探討分析。

3 結(jié)語與展望

人均壽命的延長正在使我國人口的年齡分布峰從青年移向老年，預(yù)計到2050年，我國將進入重度老年化社會。老年人口的增加，不僅會引發(fā)越來越多的衰老相關(guān)疾病，降低老年人的生活質(zhì)量，還會帶來嚴重的經(jīng)濟、健康、醫(yī)療等社會問題。隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展，各種衰老學(xué)說的研究在逐步深化，但許多機制尚不完全清楚，還需要進一步的研究。目前，雖然雷帕霉素、二甲基雙胍、抗氧化劑、活性維生素D等藥物已經(jīng)在臨床用于防治衰老及其相關(guān)疾病，且免疫細胞自體移植、糞菌移植等新型干預(yù)手段已通過臨床試驗，但是許多藥物和非藥物干預(yù)手段仍有許多臨床應(yīng)用問題亟待解決?？傊?，抗衰老研究目的應(yīng)為防治衰老相關(guān)疾病，延長人口的平均壽命，助推健康衰老和健康中國戰(zhàn)略而服務(wù)。