淺談衰老

董碧蓉

國家老年疾病臨床醫(yī)學研究中心(四川大學華西醫(yī)院),成都 610041

衰老幾乎是生物的普遍特征,從醫(yī)學角度出發(fā),并沒有把衰老一詞看作或者定義為一種疾病,但衰老被證實是多種疾病的高危因素,例如:肌少癥、癌癥、心腦血管疾病、骨關節(jié)炎、阿爾茨海默病、神經(jīng)退行性病變。本文就衰老展開論述。

1 影響衰老相關因素

1.1 細胞復制、端粒縮短和DNA完整性 細胞衰老最初是針對可復制細胞進行描述的,仍主要與具有復制能力的機體細胞有關,目前研究表明機體衰老過程與不同組織和器官中細胞的更新速率之間沒有明確的關聯(lián)[1-2],這說明了細胞衰老和機體衰老這兩個過程的相對獨立性。主要的有絲分裂后形成的器官,以成人的大腦組織為例,與復制器官一樣,同樣會發(fā)生與年齡相關的功能減退、功能障礙[3]。

人體細胞中端粒位于染色體末端,由于受末端復制機制的影響,端粒隨著細胞分裂周期不斷縮短,當?shù)竭_一定臨界程度時被認為是細胞衰老的關鍵驅動因素,導致最終增殖停滯的DNA損傷反應[4]。有比較顯示,在不同物種甚至個體間的絕對端粒長度可以獨立于年齡且存在很大差異,而且通常與它們的壽命呈弱相關[5-6]。因此絕對端粒長度在衰老中的作用存在爭議,但是有證據(jù)表明端粒縮短率而不是絕對端粒長度可能是將端粒與衰老過程聯(lián)系的更好預測指標[7]。

衰老細胞似乎在單細胞水平上具有異常大量的DNA損傷,若損傷得不到正確修復,損傷積累可能直接導致衰老相關的疾病發(fā)生。盡管生物體中的每個細胞都存在DNA改變,但只有有限的一部分會表現(xiàn)為衰老,因此細胞衰老對機體衰老過程的相對作用大小仍待研究[8-10]。

1.2 炎性衰老和免疫影響 隨著機體衰老,細胞、體液免疫及炎癥因子可能會出現(xiàn)異常并可累及神經(jīng)、內分泌網(wǎng)絡。在機體自然衰老過程中促炎和抗炎抵消失衡,會出現(xiàn)低級化、慢性、系統(tǒng)性的炎癥反應狀態(tài),該狀態(tài)進行性增高的現(xiàn)象被稱為炎性衰老[11]。在衰老過程中炎癥老化和機體免疫衰老之間存在錯綜復雜的相互關系,這兩種免疫過程相互影響[12-13]。炎癥老化表明以激活的巨噬細胞或小膠質細胞為代表的促炎活性增加,而免疫衰老是年齡較高的適應性免疫系統(tǒng)的精確度和活性降低,其原因是胸腺退化和T淋巴細胞亞群的變化[14]。盡管兩者存在相互影響和調節(jié)相似性,但這兩個過程涉及不同的免疫學方面[15]。研究表明衰老細胞能夠逃脫免疫清除,通過人類白細胞抗原(HLA)-E介導的自然殺傷細胞(NK)和CD8+細胞抑制促炎細胞因子的旁分泌[16]。衰老細胞的積累曾被認為引發(fā)衰老,但這也可能意味著衰老細胞是衰老過程的結果[17]。

1.3 代謝衰老 單磷酸腺苷活化蛋白激酶(AMPK)在調節(jié)細胞能量平衡中起著重要作用。AMPK響應細胞內腺嘌呤核苷酸水平的變化,通過AMP/ADP的增加被激活。AMPK的激活會增加分解代謝途徑的速率,并降低合成代謝途徑的速率,且隨著生物體的衰老其活性逐步下調[18]。AMPK除了具有維持細胞內能量平衡的作用外,還調節(jié)全身的能量代謝,在衰老過程中起著重要作用。

煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)是一種氧化還原反應的輔酶,是能量代謝的中心。NAD可以直接或間接地影響許多關鍵的細胞功能,包括代謝途徑、DNA修復、染色質重塑、細胞衰老和免疫細胞功能。這些細胞過程和功能對維持組織和代謝穩(wěn)態(tài)以及健康老齡化至關重要,許多與衰老相關的疾病都可以通過恢復NAD水平來減緩甚至逆轉[19]。

mTOR通路,其在維持細胞和生理穩(wěn)態(tài)方面起到核心作用。mTOR通路整合一系列不同的環(huán)境信號,如生長因子信號和營養(yǎng)狀態(tài),來指導真核細胞的代謝生長。mTOR信號通路圖譜揭示了mTOR通過調節(jié)包括蛋白質合成和自噬在內的關鍵細胞過程,通過該過程mTOR調節(jié)控制生物量的積累和代謝與衰老密切相關[20]。

下丘腦是連接神經(jīng)內分泌系統(tǒng)和生理功能的關鍵大腦區(qū)域。下丘腦介導衰老進程,其細胞機制包括營養(yǎng)感知失調、細胞間通訊改變、干細胞衰竭、蛋白酶穩(wěn)定喪失和表觀遺傳改變[21]。

表觀遺傳可以在不改變DNA 序列的情況下影響基因表達,而不是通過染色質修飾。表觀遺傳學的作用方式主要有:DNA甲基化,組蛋白乙?；⒓谆?、磷酸化和泛素化,非編碼RNA調控等[22]。神經(jīng)退行性疾病與衰老過程密切相關,雙胞胎研究表明,表觀遺傳通過較高的甲基化水平,影響了神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生和進展[23-24]。阿爾茨海默病(AD)和帕金森病(PD)描述了兩種不同形式的神經(jīng)退行性疾病,被發(fā)現(xiàn)與表觀遺傳修飾有關[25]。研究表明,不同的表觀遺傳機制在衰老生物中富集,包括組蛋白變體的積累以及組蛋白和異染色質的丟失[26]。

2 衰老的跟蹤和評估

建立特定的衰老生物標志物那么就可以實現(xiàn)不斷跟蹤評估的目的。幾種形態(tài)和分子標準以及評估模式已被用于識別增殖阻滯的衰老細胞和機體衰老。衰老的一些形態(tài)學、分子標準和評估方法:(1)細胞形態(tài)的改變,衰老細胞通常是變大、扁平、多空泡和多核的細胞形態(tài);(2)周期蛋白依賴性激酶(CDK)抑制劑,p16INK4a/Rb和(或)p53/p21Cip1。其中p16INK4a被認為是最好的衰老標志物之一,因為它在早期胚胎發(fā)育中受到抑制,并在衰老過程中逐漸誘導[27],進一步為細胞衰老和機體衰老之間的功能相互依賴提供了聯(lián)系。在衰老的背景下,p16INK4a的表達減少與年齡相關的功能衰退的逆轉有關。(3)衰老相關β-半乳糖苷酶(SA-β-Gal)的活性增加。神經(jīng)元細胞原代培養(yǎng)中SA-β-Gal的表達增加伴隨著DNA損傷的頻率的增加和修復能力的受損[28]。尤其是在神經(jīng)元結構中,使用SA-β-Gal作為細胞衰老的指標可能是非常重要的[29]。(4)DNA損傷累積,DNA損傷強烈地促進衰老,并導致衰老加速。同樣一些涉及DNA修復缺陷的遺傳綜合征與早衰有關[30]。(5) 衰老相關異染色質病灶(SAHF)的積累。(6)早幼粒細胞白血病蛋白(PML)核小體和“增強衰老的DNA片段”(DNA-scar)的積累。(7)基質輔助激光解吸/電離成像質譜法,該方法曾用于研究老化和骨關節(jié)炎馬軟骨切片中不同成分的空間分布[31],為研究軟骨中的特定肽和區(qū)分衰老與年齡相關疾病提供了新方式。(8)生物標志物的參考區(qū)間。將老年人的實驗室結果與年輕人的參考值進行比較是不恰當?shù)?。這可能會產生誤導,因為正常情況可能看起來是病態(tài)的或者相反狀態(tài),從而導致不必要的治療。使用年輕人的參考區(qū)間來診斷體弱的老年人缺乏相關性,有必要更好地調整制定生物標志物參考區(qū)間,以適應特定人群,特別是老年人。(9)剪接因子。人類的剪接隨年齡而變化,特別是剪接因子(SF)表達的年齡相關變化。衰老原代細胞和血液中剪接因子隨年齡存在差異表達[32]。(10)運動活動模式評估。有一項橫斷面研究來分析年齡對步態(tài)特征的影響,老年人較低的平衡能力在衰老的早期就可以檢測到[33]。運動軌跡的統(tǒng)計描述,并將時間序列轉化為代表每個參與者生理狀態(tài)的向量,沿著老化軌跡行進的距離描述為生物年齡的自然測量,可能證明個人剩余壽命和健康壽命的關聯(lián)[34]。(11)動態(tài)機體狀態(tài)指標(DOSI)。DOSI通過單一變量來描述機體狀態(tài),其是以對數(shù)形式轉換的全因病死率預測模型。在生命后期,DOSI沿著個體老化軌跡捕獲的有機體狀態(tài)的動力學與緩慢老化的隨機過程的動力學是一致的,DOSI變異性的增加與年齡呈近似線性關系,可以用機體狀態(tài)恢復時間的增加來解釋,而機體狀態(tài)恢復時間是老化的獨立生物標記和彈性的特征[35]。

3 衰老是否百害無一利

有證據(jù)表明在機體發(fā)育過程中以及對應激和病理事件的反應中,衰老可以對機體起著有益的作用。衰老細胞在組織和器官中的長期過度和異常積累會影響再生能力,并產生促炎環(huán)境,從而影響衰老相關疾病的發(fā)作和進展[36]。細胞衰老的急性誘導可以抑制腫瘤發(fā)生,程序性衰老伴隨著衰老細胞的清除和組織重塑,對機體發(fā)揮有益的作用[37]。衰老的有益方面還體現(xiàn)在代謝過程。p16INK4a誘導胰腺β細胞衰老,但它同時刺激了胰島素分泌和線粒體活化,從而改善了葡萄糖體內平衡,這表明衰老和胰島素、胰島素樣生長因子之間存在雙向正相關[38]。

細胞衰老也參與組織修復。針對肝損傷,活化的鼠肝星狀細胞群增殖,從而刺激細胞外基質降解酶代表的SASP成分,招募免疫細胞,并限制纖維化進程[39]。小鼠衰老的成纖維細胞和內皮細胞可促進皮膚損傷的愈合[40],而衰老細胞的去除損害了小鼠的皮膚修復。

在物種水平上,老化可能是一種防止特定環(huán)境過度擁擠和“為群體利益節(jié)約資源”的手段,或者通過加速世代更替來促進進化變異[41]。在經(jīng)典的衰老進化理論的背景下,隨著年齡的增長,生殖后存活率增加,青少年病死率下降,這可以用代際轉移效應來解釋[42]。

4 干預衰老

衰老在一定程度上受到外部因素、遺傳、轉錄因子的控制、調節(jié),那么是否對這些因素進行干預就可以達到干預衰老的目的。出于對抗衰老和增加壽命的目的,“減緩”和“重編程”的2種策略被提出。最強的“減緩”或“延遲”是通過熱量限制引起的高度保守的適應性應激反應實現(xiàn)的,涉及多效性代謝、抗氧化和抗炎等方面[43]?！爸鼐幊獭笔峭ㄟ^靶向基因調控實現(xiàn)的,如通過調節(jié)去乙酰化酶或干擾mTOR 相關通路(也是熱量限制的效應器),對衰老過程和壽命產生影響[44-45]。

衰老的表觀遺傳變化在細胞衰老和機體衰老中作用的發(fā)現(xiàn)也為衰老的干預開辟了新的途徑,正如衰老細胞的表觀遺傳的重編程,這種方法可能“恢復”了正在經(jīng)歷復制性衰老的細胞,并使時間性衰老倒退[46]。

干預端粒酶過表達。端粒酶活性在胚胎發(fā)育期間很高,但在細胞和組織分化后迅速下降。端粒酶的過度表達已被證明可以逆轉包括中樞神經(jīng)系統(tǒng)在內的多種組織中的幾種衰老表型,并延長壽命[47]。

衰老細胞代謝活躍,具有強大的衰老相關分泌表型(SASP)[48],其作用是誘使免疫清除,并在衰老和年齡相關疾病中發(fā)揮因果作用,其可使衰老細胞在疾病的解剖部位積累,于是提出了旨在通過相關抗衰老藥物清除衰老細胞的治療方法[49]?？顾ダ纤幬锸侵冈谒ダ霞毎幸l(fā)凋亡同時不傷害非衰老組織的藥物[50]。許多可用的衰老藥物僅針對衰老細胞的亞群,而不區(qū)分有益和有害的衰老程序[51]。

此外,還可以通過減少SASP的負面影響的方法干預衰老。例如,通過抑制多效性轉錄因子NF-κB(SASP的驅動因子),它的抑制可能是對抗炎癥衰老、免疫衰老和積極影響衰老表型和壽命的有希望的靶點[52]。一些延長壽命的化合物,如雷帕霉素、白藜蘆醇和二甲雙胍,已被證明可以降低SASP因子水平[53-54]。

5 關于衰老的展望

機體衰老導致罹患多種慢性疾病及死亡的風險增加,這些風險在生命的最后1/4呈指數(shù)增長[55]。隨著年齡的增長,衰老是疾病和病癥負擔增加的“根本原因”,這是發(fā)達國家和發(fā)展中國家大部分疾病發(fā)病率、病死率和健康成本高的重要原因[56]。衰老機制復雜,有內因遺傳因素和外在環(huán)境因素影響,隨著單細胞測序、高通量的組學分析技術、組學技術等新興技術的應用,開展歸因分析研究也是未來研究熱點。

我們必須對人體衰老的驅動因素有更深入的了解,以進一步提高研究衰老背后機制的水平,發(fā)現(xiàn)藥物靶標轉化研究成果進而開發(fā)有效的治療機體衰老的相關藥物,以預防、延緩或減輕多種與衰老相關的疾病,進而預防、延緩甚至逆轉機體衰老。