氧化應(yīng)激在衰弱發(fā)病機(jī)制中的作用

徐率軒，HUANG Wei ，孔二艷*，彭楠

(1新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院精神神經(jīng)醫(yī)學(xué)研究院，河南 新鄉(xiāng) 453000；2 美國(guó)Emory 大學(xué)醫(yī)學(xué)院康復(fù)醫(yī)學(xué)部，亞特蘭大 30322；3中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院第二醫(yī)學(xué)中心康復(fù)醫(yī)學(xué)科，國(guó)家老年疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心，北京 100853)

衰弱是老年人生理儲(chǔ)備功能降低，導(dǎo)致個(gè)體在面對(duì)各種應(yīng)激時(shí)表現(xiàn)出的一種過(guò)度脆弱的臨床狀態(tài)，在軀體、認(rèn)知、社會(huì)功能方面表現(xiàn)不佳，并增加與健康有關(guān)的負(fù)面事件的產(chǎn)生，如跌倒、譫妄、失能、共病、住院，甚至發(fā)生死亡[1]。盡管衰弱的定義尚未達(dá)成共識(shí)，但一致認(rèn)為失能是衰弱的后果而不是原因，衰弱被認(rèn)為是失能前階段[2]。我國(guó)最新人口調(diào)查顯示，≥60歲老年人達(dá)2.64億，占18.70%；其中≥65歲人口為1.9億，占13.5%，預(yù)計(jì)到2040年老齡化水平將超過(guò)30%[3]。2020年，我國(guó)失能人口達(dá)5 271萬(wàn)，預(yù)計(jì)到2030年老年失能人口將達(dá)7 765萬(wàn)[4]。一項(xiàng)系統(tǒng)的綜述分析了來(lái)自62個(gè)國(guó)家，≥50歲共1 755 497人群衰弱的患病率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)年齡70～79歲患病率為20%，80～89歲為31%，≥90歲為51%，衰弱患病率隨增齡而升高[5]。衰弱也逐漸成為老年醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

衰弱的生物學(xué)機(jī)制尚未得到充分的認(rèn)識(shí)，目前認(rèn)為是由全身多系統(tǒng)、多因素導(dǎo)致，主要機(jī)制有慢性炎癥、氧化應(yīng)激、線粒體功能障礙、胰島素抵抗、激素水平降低及腸道菌群失調(diào)等[6]。明確衰弱的發(fā)病機(jī)制對(duì)探究有效的衰弱干預(yù)措施以及制定個(gè)體化的治療方案至關(guān)重要。氧化應(yīng)激是指細(xì)胞抗氧化防御系統(tǒng)和氧化應(yīng)激毒性作用之間的平衡發(fā)生惡化，從而產(chǎn)生大量的自由基和活性氧(reactive oxygen species，ROS)，在許多疾病過(guò)程中構(gòu)成了獨(dú)特的損傷機(jī)制[7]。氧化應(yīng)激產(chǎn)生各種高度活性的自由基，破壞細(xì)胞，啟動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑和改變基因表達(dá)。細(xì)胞能夠通過(guò)一個(gè)復(fù)雜的氧化還原緩沖系統(tǒng)來(lái)對(duì)抗氧化應(yīng)激的影響。氧化應(yīng)激是細(xì)胞衰老過(guò)程中的一個(gè)重要因素，日常生活行為方式，包括久坐、低體力活動(dòng)、營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充不足等，再合并老年人慢性疾病便會(huì)促進(jìn)自由基的產(chǎn)生增多，使細(xì)胞抗氧化防御系統(tǒng)和氧化應(yīng)激反應(yīng)失去平衡，促進(jìn)氧化損傷[8]。近年來(lái)，越來(lái)越多的證據(jù)表明，氧化應(yīng)激和炎癥變化可能在衰弱的發(fā)展中發(fā)揮作用。本文通過(guò)檢索近年來(lái)國(guó)內(nèi)外發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)衰弱相關(guān)氧化應(yīng)激的機(jī)制進(jìn)行探討。

1 與衰弱相關(guān)氧化應(yīng)激標(biāo)志物

氧化應(yīng)激標(biāo)志物在脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、DNA、RNA等氧化損傷等過(guò)程中形成。衰弱與氧化應(yīng)激的關(guān)系通過(guò)檢測(cè)循環(huán)中氧化應(yīng)激標(biāo)志物與炎癥標(biāo)志物共同決定。

1.1 脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物

弗雷明翰后代研究(Framingham offspring study)發(fā)現(xiàn)，在年齡≥60歲的1 919名受試者中，炎性介質(zhì)白細(xì)胞介素6(interleukin 6, IL-6)(OR=1.90)和脂肪酸過(guò)氧化產(chǎn)物，包括8-異前列腺素(isoprostanes)(OR=1.46)和脂蛋白磷脂酶A2(lipoprotein phospholipase A2，Lp-PLA2)(OR=1.29)水平升高，衰弱的風(fēng)險(xiǎn)也有所增加。進(jìn)一步的逐步回歸分析結(jié)果顯示這些生物標(biāo)志物水平的增加與步速的下降相關(guān)(P<0.05)[9]。由于Lp-PLA2也被稱為血小板活化因子乙酰水解酶，該酶屬于A2磷脂酶家族，催化磷脂水解為促炎癥或促動(dòng)脈粥樣硬化的溶血磷脂和脂肪酸, Lp-PLA2也被認(rèn)為是心血管疾病和缺血性中風(fēng)的預(yù)測(cè)因子[10],因此，Lp-PLA2并不能作為衰弱的特異性標(biāo)志物，它可能是衰弱與心血管疾病的共同影響因素。

另一項(xiàng)對(duì)140例≥65歲被診斷為阿爾茲海默癥( Alzheimer′s disease，AD)的日本患者進(jìn)行的研究[11]，發(fā)現(xiàn)44例非衰弱，62例為衰弱前期，34例為衰弱期，與非衰弱患者相比，衰弱患者8-異前列腺素水平顯著升高(P<0.001)，IL-6水平也顯著升高(P<0.01)。丙二醛(malondialdehyde，MDA)作為脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)生的代謝物在血清中的檢出提示機(jī)體存在脂質(zhì)氧化損傷，在62例意大利老年患者中，發(fā)現(xiàn)衰弱老年人血清MDA水平顯著升高(P<0.01)，并與衰弱成正相關(guān)[12]。

1.2 蛋白質(zhì)氧化損傷指標(biāo)

蛋白羰基化(protein carbonyl，PC)水平被認(rèn)為是蛋白質(zhì)氧化損傷的指標(biāo)之一。生物體的老化以蛋白質(zhì)羰基化的增強(qiáng)為標(biāo)志，其構(gòu)成了衰弱的氧化應(yīng)激生物標(biāo)志物。托萊多健康老齡化研究表明，在社區(qū)居住的老年人群中，MDA和蛋白質(zhì)羰基化水平與衰弱相關(guān)，而與壽命的長(zhǎng)短無(wú)關(guān)[13]。

1.3 DNA與RNA氧化損傷指標(biāo)

8-羥基脫氧鳥(niǎo)苷(8-hydroxy-2′-deoxyguanosine，8-OHdG)是氧化性DNA損傷產(chǎn)物。在90名≥65歲中國(guó)老年人樣本中(非衰弱13例，衰弱前期56例，衰弱期21例)，發(fā)現(xiàn)以血清8-OHdG顯著升高為特征的氧化應(yīng)激與衰弱OR值獨(dú)立相關(guān)[14]。最新發(fā)現(xiàn)RNA氧化損傷指標(biāo)8-氧化鳥(niǎo)苷 (8-dihydroguanosine，8-oxo-Gsn)，是與衰弱相關(guān)的氧化應(yīng)激標(biāo)志物。在北京社區(qū)230名≥75歲的老年人中發(fā)現(xiàn)，衰弱組尿8-oxo-Gsn、血清高敏C反應(yīng)蛋白(high sensitivity C-reactive protein，hsCRP)和白細(xì)胞(white blood cell，WBC)明顯高于非衰弱及衰弱前期組(P<0.05)，尿8-oxo-Gsn是診斷衰弱的一個(gè)很有價(jià)值的標(biāo)志物[15]。

2 抗氧化防御系統(tǒng)與衰弱

2.1 抗氧化代謝物與衰弱

近期有研究顯示，抗氧化防御減弱與衰弱的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)。Kameda等[16]選定19名老年受試者(9例衰弱、10例非衰弱)進(jìn)行非靶向代謝組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)7種在衰弱患者中減少的化合物與抗氧化防御有關(guān)，包括乙酰肌肽、麥角硫因(ergothioneine，ET)、s-甲基ET、三甲基組氨酸、眼晶體酸(ophthalmic acid，OA)、2-酮丁酸和尿酸。三甲基組氨酸和s-甲基ET參與ET合成。ET是一種天然抗氧化劑，具有清除自由基、維持細(xì)胞正常生長(zhǎng)等多種生理功能。2-酮丁酸是OA的前體。OA是內(nèi)源性三肽谷胱甘肽的一種類似物，由于谷胱甘肽是細(xì)胞中最豐富的抗氧化化合物之一，因此OA被認(rèn)為是一種氧化應(yīng)激標(biāo)記物[17]。ET和OA的合成通路都參與了抗氧化過(guò)程，并與衰弱相關(guān)。尿酸是一種內(nèi)源性的水溶性抗氧化劑，在人體血液中清除自由基的活動(dòng)中，尿酸起到很大作用[18]。各種抗氧化代謝物作為衰弱和衰老的標(biāo)志物，提示老年人衰弱的關(guān)鍵應(yīng)激源之一是氧化應(yīng)激。

其次，細(xì)胞具有一個(gè)抗氧化防御網(wǎng)絡(luò)，包括內(nèi)源性抗氧化劑和外源性抗氧化劑，內(nèi)源性抗氧化劑包括超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、過(guò)氧化氫酶(catalase，CAT)和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(glutathione peroxidase，GSH-Px)，細(xì)胞氧化還原狀態(tài)對(duì)于維持ROS介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和線粒體功能至關(guān)重要，而細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽的缺失將導(dǎo)致線粒體功能障礙和ROS產(chǎn)生[19]。外源性抗氧化劑包括抗壞血酸(維生素C)，它可以清除羥基和超氧自由基陰離子，α-生育酚(維生素E)參與對(duì)抗細(xì)胞膜的脂質(zhì)過(guò)氧化，維生素E水平的減少意味著高轉(zhuǎn)化活性和高氧化應(yīng)激[20]。一項(xiàng) InCHIANTI 研究[21]顯示，在827名≥65歲老年人中，從非衰弱組到衰弱組(經(jīng)年齡和性別校正)維生素E水平逐漸降低，在考慮多種潛在混雜因素的logistic模型中，高維生素E水平比低維生素E水平的參與者患衰弱的風(fēng)險(xiǎn)更低，表明低血漿維生素E水平與衰弱具有高度相關(guān)性。

值得一提的是，生物抗氧化電位(biological antioxidant potential，BAP)測(cè)試了血漿整體抗氧化能力，檢測(cè)鐵還原能力。白蛋白是血漿中最豐富的循環(huán)蛋白，參與重要的抗氧化活動(dòng)。膽紅素是主要的內(nèi)源性脂質(zhì)抗氧化劑，在多種組織和器官中具有細(xì)胞保護(hù)作用。研究發(fā)現(xiàn)在日本衰弱老年人合并AD的患者BAP水平顯著較低，膽紅素也顯著降低(P<0.01)，結(jié)果表明，氧化應(yīng)激可能為AD個(gè)體衰弱狀態(tài)的病理生理學(xué)機(jī)制[11]。此外，在衰弱個(gè)體中幾種抗氧化劑的信使RNA(messenger RNA，mRNA)表達(dá)減少，也支持了抗氧化劑防御能力減弱在衰弱中起作用的觀點(diǎn)[22]。

2.2 抗氧化干預(yù)改善衰弱

抗氧化防御能力降低將導(dǎo)致過(guò)度氧化應(yīng)激，增加肌少癥和衰弱的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。多組分運(yùn)動(dòng)干預(yù)作為衰弱干預(yù)的基石(包括有氧、抗阻、平衡柔韌性訓(xùn)練)，其中有氧運(yùn)動(dòng)既可減少自由基的產(chǎn)生，又能增強(qiáng)老年人的抗氧化能力。在一項(xiàng)橫斷面多中心研究中，Kobayashi等[23]發(fā)現(xiàn)較高的膳食抗氧化能力與衰弱有關(guān)，綠茶、咖啡、蔬菜和水果的攝入有助于提高飲食中的總抗氧化能力，也降低了發(fā)生衰弱的風(fēng)險(xiǎn)。一項(xiàng)縱向研究顯示[24]，在前3年的隨訪中，經(jīng)常攝入白藜蘆醇與老年人患衰弱綜合征的風(fēng)險(xiǎn)較低有關(guān)，白藜蘆醇可提高機(jī)體的抗氧化能力，抗氧化治療(如白藜蘆醇等營(yíng)養(yǎng)化合物)，加上適度的有氧運(yùn)動(dòng)，可能對(duì)氧化應(yīng)激引起的衰弱有積極的影響，增加機(jī)體抗氧化防御能力。但未來(lái)仍需要進(jìn)一步的研究來(lái)評(píng)估這些治療干預(yù)的確切療效。

3 氧化應(yīng)激相關(guān)線粒體功能障礙與衰弱

氧化應(yīng)激是細(xì)胞氧化損傷的重要因素，是機(jī)體氧化與抗氧化防御系統(tǒng)失衡的一種狀態(tài)，氧化應(yīng)激會(huì)導(dǎo)致機(jī)體產(chǎn)生大量ROS，可直接損害線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)，導(dǎo)致線粒體功能障礙[25]。線粒體不僅是氧化應(yīng)激的來(lái)源，而且是氧化應(yīng)激導(dǎo)致線粒體功能障礙的靶點(diǎn)，從而導(dǎo)致惡性循環(huán)。氧化應(yīng)激相關(guān)線粒體功能障礙包括蛋白酶沉積、生物發(fā)生、動(dòng)力學(xué)和線粒體吞噬的改變，是衰老的一個(gè)關(guān)鍵特征?？砂l(fā)生衰老過(guò)程中，動(dòng)物和人類不同類型組織中(尤其是骨骼肌組織)均有出現(xiàn)線粒體功能下降[26]。線粒體功能障礙會(huì)導(dǎo)致骨骼肌質(zhì)量下降、乏力、慢性疲勞等不良的生活狀態(tài)，氧化應(yīng)激相關(guān)線粒體功能障礙可能是衰弱與其他年齡相關(guān)疾病關(guān)聯(lián)的決定性因素。

3.1 線粒體功能障礙參與衰弱發(fā)生

Huang等[27]用核因子E2相關(guān)因子(nuclear factor E2-related factor 2，Nrf2)敲除的小鼠構(gòu)建衰弱模型，發(fā)現(xiàn)Nrf2缺乏導(dǎo)致中老年小鼠的活動(dòng)功能和肌肉質(zhì)量下降，并加劇老年小鼠的衰弱。在骨骼肌中，生理功能和肌肉質(zhì)量的降低，都伴隨著線粒體生物活性相關(guān)基因表達(dá)水平的降低，包括線粒體數(shù)量、線粒體含量、mtDNA拷貝數(shù)的減少及線粒體形態(tài)的受損，初步驗(yàn)證了衰弱與線粒體功能障礙的相關(guān)性。Nrf2缺失在一定程度上加劇了與年齡相關(guān)的肌肉質(zhì)量和生理功能受損的不良結(jié)果，同時(shí)也增加了氧化應(yīng)激相關(guān)線粒體功能障礙[28]。

Andreux等[29]研究發(fā)現(xiàn)，與健康老年人相比，衰弱前期老年人磷酸肌酸恢復(fù)障礙，線粒體呼吸復(fù)合蛋白和活動(dòng)水平顯著降低，肌肉中線粒體基因的表達(dá)水平也顯著下調(diào)。這些結(jié)果表明能量代謝與線粒體功能障礙是衰弱發(fā)病的主要階段，線粒體損傷是識(shí)別衰弱老年人肌肉功能衰退的一個(gè)重要標(biāo)志。氧化應(yīng)激相關(guān)線粒體功能障礙直接導(dǎo)致能量缺乏，肌肉蛋白質(zhì)合成降低，最終導(dǎo)致肌少癥的發(fā)生，肌量、肌力的損失與衰弱密切相關(guān)。

3.2 肉堿水平降低與衰弱相關(guān)

線粒體代謝障礙是衰弱的潛在根源，肉堿是長(zhǎng)鏈脂肪酸( long-chain fatty acids，LCFAs)通過(guò)線粒體內(nèi)膜的分子載體，作為氧化磷酸化的主要底物，LCFAs被輔酶A (coenzyme A，CoA)酯化，形成酰基-CoA，肉堿也刺激線粒體呼吸速率，影響線粒體膜的物理性質(zhì)。一個(gè)大隊(duì)列的成年人中進(jìn)行的代謝組學(xué)研究[30]發(fā)現(xiàn)，衰弱患者血清中肉堿濃度較低，肉堿的減少會(huì)導(dǎo)致線粒體中LCFAs的可用性減少和能量不足，特別是在最需要能量的組織如骨骼肌組織中表現(xiàn)更為明顯。肉堿穿梭蛋白的遺傳缺陷與受損的脂肪酸β-氧化有關(guān)，這導(dǎo)致電子傳遞鏈(electron transport chain，ETC)的阻塞，增加了游離ROS的產(chǎn)生，而衰弱患者肉堿水平降低也會(huì)造成類似的結(jié)果。

3.3 運(yùn)動(dòng)干預(yù)改善衰弱患者線粒體功能

一項(xiàng)系統(tǒng)的綜述表明，有效的運(yùn)動(dòng)干預(yù)可改善衰弱老年人氧化應(yīng)激相關(guān)線粒體功能障礙，無(wú)氧運(yùn)動(dòng)刺激生長(zhǎng)激素釋放，促進(jìn)肝臟分泌胰島素樣生長(zhǎng)因子1(insulin-like growth factor-1，IGF-1)，IGF-1被認(rèn)為是生長(zhǎng)激素作用的介質(zhì)，并通過(guò)血液傳播到肌肉，促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成[31]。有氧運(yùn)動(dòng)通過(guò)下調(diào)三磷酸腺苷/一磷酸腺苷(adenosine triphosphate/adenosine monophosphate, ATP/AMP)并激活A(yù)MP依賴的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)，它是一種感知細(xì)胞能量狀態(tài)的酶，AMPK磷酸化并激活過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體-共激活因子-1α(peroxisome proliferator-activated receptor-gamma co-activator-1 alpha，PGC-1α)，最終促進(jìn)線粒體生物發(fā)生[32]。因此，制定有效的運(yùn)動(dòng)干預(yù)方案可改善氧化應(yīng)激相關(guān)線粒體功能，促進(jìn)肌肉的合成，并保持體內(nèi)氧化應(yīng)激與抗氧化狀態(tài)的平衡，從而預(yù)防或延緩老年人衰弱的發(fā)生，減少失能、長(zhǎng)期照護(hù)甚至死亡等不良事件的發(fā)生，減輕社會(huì)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

4 總結(jié)與展望

綜上所述，衰弱與氧化應(yīng)激標(biāo)志物增多和抗氧化防御功能參數(shù)下降密切相關(guān)，檢測(cè)相關(guān)標(biāo)志物對(duì)于衰弱的早期識(shí)別及干預(yù)有重要意義。但目前相對(duì)特異性的標(biāo)志物尚不明確，且大多數(shù)生物標(biāo)志物是衰老的產(chǎn)物，還是衰弱的起因，不能被有效區(qū)分。同時(shí)，國(guó)內(nèi)氧化應(yīng)激與衰弱的相關(guān)研究相對(duì)較少，國(guó)內(nèi)外大部分研究也僅局限于橫斷面研究，無(wú)法有效闡明觀察指標(biāo)的方向性變化。因此，設(shè)計(jì)良好的縱向研究來(lái)闡明它們之間的關(guān)系，觀察干預(yù)前后指標(biāo)的變化，并尋找符合我國(guó)人群的更為可靠的衰弱相關(guān)氧化應(yīng)激標(biāo)志物，將其納入臨床實(shí)踐和揭示干預(yù)新靶點(diǎn)非常必要。

值得一提的是，由于線粒體功能與氧化應(yīng)激水平密切相關(guān)，未來(lái)可以更注重衰弱與線粒體功能的相關(guān)機(jī)制研究，關(guān)注線粒體健康指數(shù)(mitochondrial health index，MHI)、氧化呼吸功能等與衰弱老年人軀體功能狀態(tài)的相關(guān)性，有助于加強(qiáng)我們對(duì)衰弱的病理生理學(xué)機(jī)制的理解，這為今后實(shí)施更有效的治療策略及尋找重要的預(yù)防性干預(yù)手段提供重要見(jiàn)解，從而增強(qiáng)機(jī)體抗氧化能力，改善老年人的軀體功能，降低老年人發(fā)生衰弱和失能的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)健康衰老。