衰老的意義、特征及相關(guān)生物標(biāo)記與評估模式

許志剛，劉曉蕾，董碧蓉

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

古人曾說“寒暑迭變，不覺漸成衰老。”衰老是每個(gè)人生命里程中無法回避的自然現(xiàn)象。衰老幾乎是生物有機(jī)體的普遍特征，從醫(yī)學(xué)的角度出發(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(shí)是與多種疾病相關(guān)，是很多疾病的高危因素，例如：肌少癥、癌癥、心腦血管疾病、骨關(guān)節(jié)炎、阿爾茨海默病、神經(jīng)退行性病變等多種病。本文就衰老意義、特征及生物標(biāo)記與評估模式展開以下論述。

1 衰老的概念

目前關(guān)于衰老普遍接受的基本概念是：機(jī)體對環(huán)境的適應(yīng)能力進(jìn)行性降低、逐漸趨向死亡的一種過程。衰老包含一種有機(jī)現(xiàn)象，包括隨著時(shí)間的推移死亡機(jī)會增加和(或)功能下降[1]。

細(xì)胞衰老是機(jī)體衰老的公認(rèn)標(biāo)志，衰老組織中衰老細(xì)胞的積累被認(rèn)為是機(jī)體衰老過程的驅(qū)動因素。對于衰老的基本定義適用于器官和組織水平，但細(xì)胞衰老主要針對于體外生長的二倍體可復(fù)制細(xì)胞建立定義的，而哺乳動物中的多數(shù)細(xì)胞是非增殖的，細(xì)胞增殖衰老對機(jī)體衰老的因果影響仍然存在不同觀點(diǎn)，所以在細(xì)胞和分子水平上定義衰老還是有一定的爭論[2]。

2 衰老的部分意義

在物種水平上，衰老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(jìn)進(jìn)化[3]。經(jīng)典的衰老進(jìn)化理論提出，隨著年齡的增長，生殖后存活率增加，青少年死亡率下降，這可以用代際轉(zhuǎn)移效應(yīng)來解釋闡述[4]。

有研究表明衰老細(xì)胞能夠逃脫免疫清除，通過人類白細(xì)胞抗原(HLA)-E介導(dǎo)的自然殺傷細(xì)胞(NK)和CD8+細(xì)胞抑制促炎細(xì)胞因子的旁分泌[5]。衰老細(xì)胞的積累曾被認(rèn)為引發(fā)衰老，但這也可能意味著衰老細(xì)胞是機(jī)體衰老過程的結(jié)果[6]。

衰老細(xì)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(chǎn)生促炎環(huán)境，從而影響衰老相關(guān)疾病的發(fā)作和進(jìn)展[7]。然而細(xì)胞衰老的急性誘導(dǎo)可以抑制腫瘤發(fā)生，程序性衰老伴隨著衰老細(xì)胞的清除和組織重塑，對機(jī)體發(fā)揮有益的作用[8]。

代謝衰老的過程中，p16Ink4a可誘導(dǎo)的胰腺β細(xì)胞衰老，但它同時(shí)刺激了胰島素分泌和線粒體活性，從而改善了葡萄糖體內(nèi)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(guān)[9]。

細(xì)胞衰老也參與組織修復(fù)。針對肝損傷，活化的鼠肝星狀細(xì)胞群增殖，從而刺激細(xì)胞外基質(zhì)降解酶代表的衰老相關(guān)分泌表型(SASP)成分，招募免疫細(xì)胞，并限制纖維化進(jìn)程[10]。小鼠中衰老的成纖維細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞被發(fā)現(xiàn)促進(jìn)皮膚損傷的愈合[11]，而衰老細(xì)胞的去除損害了小鼠的皮膚修復(fù)。

3 衰老的特征

既往經(jīng)典的衰老特征包括:基因組不穩(wěn)定性、端粒損耗、細(xì)胞衰老、蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)喪失、營養(yǎng)感應(yīng)失調(diào)、線粒體功能障礙、干細(xì)胞耗竭、細(xì)胞間通訊受損、表觀遺傳改變[12]。以上標(biāo)志基本滿足：(1)正常機(jī)體衰老過程中顯現(xiàn)；(2)其實(shí)驗(yàn)中增強(qiáng)惡化加重會加速衰老；(3)其標(biāo)志在實(shí)驗(yàn)中通過改善可延緩正常的衰老過程。

3.1 DNA損傷導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定性 衰老細(xì)胞在單細(xì)胞水平上常具有大量異常的DNA損傷，如果該損傷得不到及時(shí)正確的修復(fù)，就會造成異常DNA不斷積累直接造成基因組的不穩(wěn)定性，進(jìn)而涉及導(dǎo)致衰老相關(guān)的疾病的發(fā)生，如神經(jīng)退行性疾病和誘導(dǎo)促炎因子的分泌等[13]。一些涉及DNA修復(fù)缺陷的遺傳綜合征，如缺硫性毛發(fā)營養(yǎng)不良病等與早衰有關(guān)[14]。其機(jī)制是DNA損傷嚴(yán)重或未修復(fù)，則會發(fā)生DNA損傷反應(yīng)(DDR)，DNA損傷感應(yīng)因子ATM、ATR及其下游因子Chk1、Chk2被激活，通過P53通路等導(dǎo)致細(xì)胞周期阻滯或死亡。常見DNA損傷包括：基因突變或刪除、染色體異倍性和拷貝數(shù)變異、克隆鑲嵌等。DNA損傷過度或DNA修復(fù)不足使得機(jī)體衰老過程加快，不論細(xì)胞核DNA和線粒體DNA都會出現(xiàn)增齡性基因組改變。盡管生物體中的每個(gè)細(xì)胞都存在DNA改變，但只有有限的一部分會表現(xiàn)出衰老，因此細(xì)胞衰老對機(jī)體衰老過程的相對作用大小仍待研究[15-17]。

3.2 端粒損耗 人體細(xì)胞中端粒位于染色體末端，由于末端復(fù)制機(jī)制的影響，端粒隨著細(xì)胞分裂周期不斷縮短損耗，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定臨界程度時(shí)被認(rèn)為是細(xì)胞衰老的關(guān)鍵驅(qū)動因素。端粒能限制DNA修復(fù)，一旦端粒發(fā)生DNA損傷，則會持續(xù)而高效地誘導(dǎo)細(xì)胞衰老和(或)凋亡，最終導(dǎo)致增殖停滯的DNA損傷反應(yīng)[18]。有研究比較，在不同物種甚至個(gè)體間的幼稚端粒長度可以獨(dú)立于年齡并可以存在很大差異，并且通常與它們的壽命相關(guān)性成弱相關(guān)[19-20]。有證據(jù)表明端?？s短率而不是絕對端粒長度可能是將端粒與衰老過程聯(lián)系起來的更好預(yù)測指標(biāo)[21]。

3.3 細(xì)胞衰老 細(xì)胞衰老最初是針對可復(fù)制細(xì)胞進(jìn)行描述的，主要與具有復(fù)制能力的機(jī)體細(xì)胞有關(guān)。細(xì)胞衰老初定義為：細(xì)胞周期的穩(wěn)定性中止，目前研究表明機(jī)體衰老過程與不同組織和器官中細(xì)胞的更新率之間沒有明確的關(guān)聯(lián)[22-23]，但衰老組織中，衰老細(xì)胞的積累仍是機(jī)體衰老的驅(qū)動因素。

衰老細(xì)胞可產(chǎn)生分泌蛋白質(zhì)組的顯著改變，其分泌蛋白質(zhì)組中包含大量促炎癥細(xì)胞因子和基質(zhì)金屬蛋白酶，稱之為細(xì)胞衰老相關(guān)分泌表型，而這種促炎性分泌蛋白質(zhì)組可促進(jìn)衰老發(fā)展[24]。p16INK4a/Rb和(或)p53/p21Cip1通路可誘導(dǎo)細(xì)胞衰老，其中p16INK4a被認(rèn)為是最好的衰老標(biāo)志物之一，因?yàn)樗谠缙谂咛グl(fā)育中受到抑制，并在衰老過程中逐漸誘導(dǎo)[25]，進(jìn)一步為細(xì)胞衰老和機(jī)體衰老之間可能的功能相互依賴提供了聯(lián)系。在衰老的背景下，p16INK4a的表達(dá)減少與年齡相關(guān)的功能衰退的逆轉(zhuǎn)有關(guān)。

3.4 蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)喪失 衰老過程中伴隨著蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的改變。穩(wěn)態(tài)喪失出現(xiàn)未折疊蛋白、錯誤折疊蛋白或蛋白聚合體的慢性表達(dá)，會促進(jìn)某些衰老相關(guān)性疾病發(fā)生，例如：阿爾茨海默病、帕金森病、白內(nèi)障等[26]。蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)需要正確折疊蛋白質(zhì)[主要的是熱激蛋白(HSP)家族]的穩(wěn)定，和蛋白酶體或溶酶體實(shí)現(xiàn)的蛋白質(zhì)降解。當(dāng)他們功能完好并相互協(xié)調(diào)，能夠?qū)崿F(xiàn)錯誤折疊蛋白的結(jié)構(gòu)復(fù)原，或被完全清除和降解，從而阻止損傷成分的聚集，并確保胞內(nèi)蛋白的持續(xù)更新。若未折疊蛋白重新折疊或降解失敗，則會導(dǎo)致這些蛋白聚集和聚合，進(jìn)而引發(fā)蛋白毒性效應(yīng)。機(jī)體細(xì)胞蛋白質(zhì)組的穩(wěn)定和功能將發(fā)生異常改變。

3.5 營養(yǎng)感應(yīng)失調(diào)和線粒體功能障礙 在機(jī)體中發(fā)現(xiàn)，生長激素(GH)、胰島素樣生長因子(IGF-1)受體、胰島素受體及其下游胞內(nèi)效應(yīng)因子(如AKT、mTOR、FOXO)的基因多態(tài)性或突變，均與長壽有關(guān)，營養(yǎng)和能量通路對壽命有重要影響。

胞內(nèi)IGF-1信號通路與胰島素誘發(fā)的反應(yīng)類似，均可使細(xì)胞感應(yīng)到葡萄糖水平。此外還有幾種相互關(guān)聯(lián)的營養(yǎng)素感應(yīng)系統(tǒng)成為研究熱點(diǎn)。單磷酸腺苷活化蛋白激酶(AMPK)響應(yīng)細(xì)胞內(nèi)腺嘌呤核苷酸水平的變化，通過相對于ATP的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，其隨著生物體的衰老其活性逐步下調(diào)[27]。

煙酰胺腺嘌呤二核苷酸是一種氧化還原反應(yīng)的輔酶，是能量代謝的中心，可直接或間接地影響許多關(guān)鍵的細(xì)胞功能，包括代謝途徑、DNA修復(fù)、染色質(zhì)重塑、細(xì)胞衰老和免疫細(xì)胞功能[28]。mTOR信號通路通過調(diào)節(jié)包括蛋白質(zhì)合成和自噬在內(nèi)的關(guān)鍵細(xì)胞過程，通過該過程mTOR調(diào)節(jié)控制生物量的積累和代謝與衰老密切相關(guān)[29]。

線粒體功能障礙存在多種原因包括：mtDNA突變、生成減少、電子傳遞鏈復(fù)合物異常、線粒體動力學(xué)改變等。線粒體功能障礙會導(dǎo)致活性氧ROS代謝異常，若ROS低于特定閾值，則會誘發(fā)生存信號以恢復(fù)細(xì)胞穩(wěn)態(tài)；若ROS高于特定閾值或持續(xù)存在，則會促進(jìn)衰老[30]。

3.6 干細(xì)胞耗竭和細(xì)胞間通訊受損 干細(xì)胞耗竭是多種衰老相關(guān)損害相互整合的結(jié)果，可能是組織和機(jī)體衰老的終極元兇。有研究提示，干細(xì)胞恢復(fù)年輕態(tài)可逆轉(zhuǎn)機(jī)體水平的衰老表型[31]。衰老過程中造血干細(xì)胞減少，導(dǎo)致貧血和骨髓異常增生的發(fā)病率增加，同樣也會使得適應(yīng)性免疫細(xì)胞的生成減少[32]，出現(xiàn)比較低級化、慢性、系統(tǒng)性的炎癥反應(yīng)狀態(tài)，產(chǎn)生免疫衰老[33]。

衰老還涉及到胞間通訊水平的改變，主要是內(nèi)分泌、神經(jīng)內(nèi)分泌的改變。易出現(xiàn)神經(jīng)內(nèi)分泌信號通路異常，例如胰島素-IGF-1信號通路的失調(diào)。胞間通訊水平的改變主要體現(xiàn)為炎癥反應(yīng)增強(qiáng)、對抗病原體和癌前細(xì)胞的免疫監(jiān)視功能降低，以及細(xì)胞外環(huán)境組分的改變[34]。在衰老過程中炎癥老化和機(jī)體免疫衰老之間存在錯綜復(fù)雜的相互關(guān)系，這2種免疫過程相互影響[35]。

3.7 表觀遺傳改變 表觀遺傳是指可以在不改變DNA序列的情況下影響基因表達(dá)，而不是通過染色質(zhì)修飾。表觀遺傳學(xué)的作用方式主要有：DNA甲基化、組蛋白乙酰化、甲基化、磷酸化和泛素化、非編碼RNA調(diào)控等[36]。神經(jīng)退行性疾病與衰老過程密切相關(guān),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)展和進(jìn)展[37]。阿爾茨海默病(AD)和帕金森病(PD)描述了2種不同形式的神經(jīng)退行性疾病，它們被發(fā)現(xiàn)與表觀遺傳修飾有關(guān)[38]。已有研究表明，不同的表觀遺傳機(jī)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(zhì)的丟失[39]。

4 衰老的相關(guān)標(biāo)記與評估

根據(jù)上述衰老的特征，如果建立特定的衰老生物標(biāo)志物體系那么就可以更有利于衰老的跟蹤識別和跟進(jìn)評估。幾種形態(tài)和分子標(biāo)準(zhǔn)以及評估模式已被用于識別增殖阻滯的衰老細(xì)胞和評估機(jī)體衰老。衰老的一些形態(tài)學(xué)、分子標(biāo)準(zhǔn)和評估方法：(1)細(xì)胞形態(tài)的改變，衰老細(xì)胞通常是變大，扁平，多空泡和多核的細(xì)胞形態(tài)；(2)Cdk(周期蛋白依賴性激酶)抑制劑的變化，p16INK4a/Rb和(或)p53/p21Cip1。(3)衰老相關(guān)β-半乳糖苷酶(SA-β-Gal)的活性增加。神經(jīng)元細(xì)胞原代培養(yǎng)中SA-β-Gal的表達(dá)增加伴隨著DNA損傷的頻率的增加和修復(fù)能力的受損[40]。尤其是在神經(jīng)元結(jié)構(gòu)中，使用SA-β-Gal作為細(xì)胞衰老的指標(biāo)可能是非常重要的[41]。(4)DNA的損傷累積。(5)衰老相關(guān)異染色質(zhì)病灶(SAHF)的累積。(6)早幼粒細(xì)胞白血病蛋白(PML)核小體和“增強(qiáng)衰老的DNA片段”(DNA-scar)的積累。(7)基質(zhì)輔助激光解吸/電離成像質(zhì)譜法,該方法曾用于研究老化和骨關(guān)節(jié)炎馬軟骨切片中不同成分的空間分布[42]，為研究軟骨中的特定肽和區(qū)分衰老與年齡相關(guān)疾病提供了新方式。(8)生物標(biāo)志物的特定參考區(qū)間。老年人的實(shí)驗(yàn)室結(jié)果與年輕人的正常參考區(qū)間應(yīng)是有所區(qū)別的。有必要更好地調(diào)整制定生物標(biāo)志物參考區(qū)間，以適應(yīng)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(dá)的年齡相關(guān)變化。衰老原代細(xì)胞和血液中剪接因子隨年齡存在差異表達(dá)[43]。(10)運(yùn)動活動模式評估。有一項(xiàng)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[44]。運(yùn)動軌跡的統(tǒng)計(jì)描述，并將時(shí)間序列轉(zhuǎn)化為代表每個(gè)參與者生理狀態(tài)的向量，沿著老化軌跡行進(jìn)的距離描述為生物年齡的自然測量，可能證明個(gè)人剩余壽命和健康壽命的關(guān)聯(lián)[45]。(11)動態(tài)有機(jī)體狀態(tài)指標(biāo) (DOSI)。DOSI通過單一變量來描述機(jī)體狀態(tài)，其是以對數(shù)形式轉(zhuǎn)換的全因死亡率預(yù)測模型。在生命后期，DOSI沿著個(gè)體老化軌跡捕獲的有機(jī)體狀態(tài)的動力學(xué)與緩慢老化的隨機(jī)過程的動力學(xué)是一致的，DOSI變異性的增加與年齡呈近似線性關(guān)系，這可以用機(jī)體狀態(tài)恢復(fù)時(shí)間的增加來解釋，而機(jī)體狀態(tài)恢復(fù)時(shí)間是老化的獨(dú)立生物標(biāo)記和生物彈性的特征[46]。

5 關(guān)于衰老研究的展望

機(jī)體衰老導(dǎo)致罹患多種慢性疾病及死亡的風(fēng)險(xiǎn)增加，這些風(fēng)險(xiǎn)在生命的最后四分之一呈指數(shù)增長[47]。我們必須對人體衰老的驅(qū)動因素有更深入的了解，以提高進(jìn)一步研究衰老背后機(jī)制的水平。

機(jī)體的衰老機(jī)制十分復(fù)雜，既有內(nèi)因遺傳因素也存在外在環(huán)境因素影響。隨著單細(xì)胞測序、高通量的組學(xué)分析技術(shù)、組學(xué)技術(shù)等新興技術(shù)的發(fā)展，還伴隨衰老組織特異性生物標(biāo)志物的研究、歸因分析研究等等，將對基因表達(dá)背后調(diào)控機(jī)制有所突破。衰老機(jī)制的研究將為發(fā)現(xiàn)藥物靶標(biāo)、轉(zhuǎn)化研究成果進(jìn)而開發(fā)有效的治療機(jī)體衰老的相關(guān)藥物提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，以達(dá)到延緩、預(yù)防或減輕多種與衰老相關(guān)的疾病的目的，最終預(yù)防衰老、延緩衰老，甚至逆轉(zhuǎn)機(jī)體衰老。