衰老機制及抗衰老治療的研究進展

孫曉康，張艷艷，張曉元，劉英梅，張秀華，孫新曉，陳 勉，劉 飛*

（1.山東省藥學科學院，山東 濟南 250101；2.北京化工大學，北京 100029）

衰老是機體各組織器官隨著年齡的增長，在體內(nèi)外遺傳、精神緊張、環(huán)境污染等多種因素的影響下，導致結(jié)構(gòu)和功能逐步發(fā)生不可逆的退行性變化。衰老可分為生理性衰老和病理性衰老，前者指機體功能和代謝隨時間推移發(fā)生自然衰老的狀態(tài)，如蛋白退化、組織萎縮、代謝率降低和鈣代謝異常等；后者指由于各種疾病引起的衰老狀態(tài)。伴隨年齡的推移，衰老引起的疾病如阿爾茨海默病、帕金森病、心腦血管疾病和癌癥等在全球范圍內(nèi)呈指數(shù)級增長[1]。

現(xiàn)代醫(yī)學和社會科技的不斷發(fā)展，人類平均壽命得到大幅度地提高。中國第七次全國人口普查數(shù)據(jù)顯示，2010年～2020年，65歲及以上人口上升了4.63個百分點，人口老齡化程度進一步加深，預(yù)測到2050年老年人口將達5億。2016年發(fā)布《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》，到2030年，人均預(yù)期壽命將達到79歲，人民健康水平顯著提高。老年人口基數(shù)和比重的不斷提高，不僅加重了經(jīng)濟社會負擔和勞動年齡人口的負擔，而且給醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)和社會養(yǎng)老服務(wù)業(yè)帶來極大挑戰(zhàn)。因此，開展人類衰老機制及開發(fā)抗衰老藥物研究，延緩人類衰老速度，增加老年人健康壽命，具有重要的社會意義。

1 衰老機制

衰老由多種復雜因素共同作用形成的，且不同機體存在差異性。目前，尚無法用一種理論解釋所有的衰老現(xiàn)象。中醫(yī)和現(xiàn)代醫(yī)學關(guān)于衰老機制存在多種不同的假說，為抗衰老藥物的開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。

1.1 中醫(yī)學說

衰老在中醫(yī)學上有五臟虛弱衰老說、腎虛衰老說、脾胃虛弱衰老說、陰陽失調(diào)衰老說、肝郁衰老說和痰濁血瘀衰老說等不同學說[2]。其中腎虛衰老說被廣為接受，腎在中醫(yī)臟腑學說中有著“生命之根”的重要地位，腎精維持人體的生理功能，使其保持動態(tài)平衡，從而進行正?；顒?。當腎氣衰竭，五臟之氣缺乏來源，各種衰老病癥將逐漸顯現(xiàn)。

1.2 現(xiàn)代醫(yī)學學說

現(xiàn)代醫(yī)學關(guān)于衰老機制也有多種學說[3-5]，如自由基學說、線粒體DNA損傷學說、遺傳程序?qū)W說、端粒學說、交聯(lián)學說、生物膜損傷學說、染色體突變學說、差錯學說、細胞凋亡學說和廢物累積學說等。其中自由基學說、線粒體DNA損傷學說、遺傳程序?qū)W說和端粒學說最具代表性。

1.2.1 自由基學說 該理論認為機體既可產(chǎn)生自由基又攜帶自由基清除系統(tǒng)[如超氧化物歧化酶（SOD）等]，以此維持機體的正?；顒?。伴隨年齡增長，兩者難以維持平衡，導致自由基過剩。過量的自由基引發(fā)脂質(zhì)過氧化，嚴重地損傷細胞，形成脂質(zhì)白由基并產(chǎn)生過氧化脂質(zhì)（LPO），進一步損傷生物大分子而導致衰老、死亡。過量自由基或清除能力下降可引發(fā)衰老、癌癥、休克和炎癥等多種疾病[6]。

1.2.2 線粒體DNA損傷學說 線粒體調(diào)節(jié)ATP產(chǎn)生、凋亡和鐵硫簇合成等多種細胞過程，在機體能量代謝中起重要作用。線粒體氧化磷酸化生成ATP的過程中，約有1 %～4 %攝入的氧轉(zhuǎn)化為氧自由基，線粒體DNA由于缺乏組蛋白和DNA結(jié)合蛋白的保護，極易受到氧自由基損傷，最終導致線粒體DNA片段缺失，如阿爾茨海默病、帕金森病等老年性疾病均發(fā)生不同程度的片段缺失。隨年齡增長，線粒體極易受氧自由基損傷而發(fā)生形態(tài)變化并導致功能減退，最終造成機體衰老[7]。線粒體過氧化氫酶的過表達可延長脊椎動物的壽命[8]。針對線粒體的合成抗氧化劑（如SKQ1）可延長野生型嚙齒動物和mtDNA突變小鼠的健康壽命和壽命[9]。

1.2.3 遺傳程序理論 遺傳程序理論認為衰老是從受精卵到成熟階段延長生命的遺傳信號，衰老在每個物種中被編程，以此確定個體的平均壽命。研究者在機體內(nèi)發(fā)現(xiàn)與長壽或抗衰老有關(guān)的基因，如 age-1、p53、p16、clk-1、daf-2、gro-1、klotho等，這些基因發(fā)生突變可延長物種壽命。野生型線蟲age-1單基因發(fā)生突變后，平均壽命提高65 %，最高壽命提高110 %[10]。Li等[11]發(fā)現(xiàn)p53基因在調(diào)控細胞周期和細胞凋亡過程中發(fā)揮關(guān)鍵性作用，當機體細胞受到外界刺激后，p53蛋白呈現(xiàn)應(yīng)激性快速上調(diào)，誘導p21蛋白激活，從而抑制p21蛋白磷酸化過程，阻礙了正常狀態(tài)下的細胞周期，最終延緩細胞衰老。

1.2.4 端粒學說 端粒學說認為真核生物染色體末端的端粒長度與機體衰老密切相關(guān)，端粒 DNA隨細胞分裂次數(shù)增加而不斷縮短，當其縮短至Hayflick界限時，端粒功能失調(diào)會引起DNA損傷反應(yīng)，進而誘導細胞周期阻滯和促炎因子表達，最終導致機體衰老[12]。Bernadotte等[13]研究發(fā)現(xiàn)端粒長度受端粒酶活性控制，當端粒酶活性增強，端粒就越長，染色體的穩(wěn)定性和完整性就越好，從而延長機體壽命。

2 抗衰老治療

迄今為止，抗衰老治療按理化屬性大致分為化學藥物治療、中藥治療和生物治療。

2.1 化學藥物治療

2.1.1 合成抗衰老藥物 臨床使用較多延緩衰老藥為合成藥物，如阿司匹林、吡拉西坦和拉莫三嗪等。

2.1.1.1 阿司匹林 依賴于FOXO轉(zhuǎn)錄因子，減弱胰島素樣生長因子1受體（insulin-like growth factor 1，IGF-1）信號，降低活性氧（ROS）水平，從而保護氧化應(yīng)激，延緩與年齡相關(guān)的功能衰退或疾病。在無外源性應(yīng)激的情況下，喂食阿司匹林的秀麗隱桿線蟲平均壽命延長了21 %～23 %[14]。阿司匹林還能延長雄性小鼠的壽命，并顯著降低2型糖尿病患者的全因死亡率[15]。

2.1.1.2 吡拉西坦 是γ-氨基丁酸衍生物，可加快大腦磷脂新陳代謝，刺激核糖核酸和蛋白質(zhì)合成，增加腦血流量，從而達到強化記憶、延緩腦衰老功能。謝展雄等[16]證實衰老模型大鼠喂食吡拉西坦后，超氧化物歧化酶（SOD）活性增強、丙二醛（MDA）含量降低，有抗衰老效果。

2.1.1.3 拉莫三嗪 是一種抗癲癇藥物。Avanesian等[17]給果蠅喂食12 mg/ml拉莫三嗪，雄蠅平均壽命和最大壽命分別增加了3.3 d和6.5 d，雌蠅分別增加4.2 d和6.3 d，可作為有效的抗衰老藥物使用。

2.1.2 靶向抗衰老藥物 近年，研究者通過遺傳篩選和自然突變的方法，鑒定出多種影響衰老的相關(guān)信號傳導通路，如胰島素信號通路（Insulin/IGF-1 signaling pathway，IIS），哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin,mTOR）信號通路，腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK）信號通路，沉默信息調(diào)控因子1（silent information regulator 1，SIRT1）和促分裂原激活蛋白激酶（mitogen activated protein kinase，MAPK）。一些潛在的抗衰老藥物通過作用于衰老相關(guān)的信號通路，既可延緩模型生物的壽命，也可改善與衰老相關(guān)的疾病，如雷帕霉素作用于mTOR信號通路、二甲雙胍作用于AMPK 信號通路和白藜蘆醇作用于SIRT1信號通路等。

2.1.2.1 雷帕霉素 是一種從吸水鏈霉菌中首次分離出的大環(huán)內(nèi)酯類抗生素[18]。作為mTOR抑制劑，雷帕霉素進入機體與他克莫司結(jié)合蛋白-12（FKBP12）相結(jié)合，該復合物再與mTOR的FKBP-雷帕霉素復合物區(qū)域結(jié)合，抑制mTOR活性，阻礙了細胞周期G1期至S期的進程，抑制蛋白質(zhì)翻譯，阻止細胞增殖，從而發(fā)揮延長壽命的功能[19]。雷帕霉素在無脊椎動物（酵母、線蟲和果蠅）[20-22]和脊椎動物（小鼠和狗）[23-24]等多種動物模型中均展現(xiàn)出延長壽命的作用。更重要的是，無論在生命的早期還是晚期，即使短暫使用，雷帕霉素均能延長物種的壽命。早期使用雷帕霉素可使雜合子p53+/-小鼠的平均壽命延長28 %并延遲腫瘤發(fā)生[25]。給中年伴侶犬使用10周雷帕霉素可改善心臟收縮和舒張功能，并延長壽命[24]。喂食雷帕霉素于老年期（600日齡）小鼠，雌鼠平均壽命增加14 %，雄鼠平均壽命增加9 %[26]。低劑量雷帕霉素間歇給藥，不僅降低易患癌小鼠的衰老速率并延長壽命，且顯著抑制癌變[27]。

研究表明，雷帕霉素除抑制mTOR信號轉(zhuǎn)導途徑外，還可重塑小鼠腸道、口腔等微生物組的組成，從而影響機體代謝、免疫和健康，減少與年齡相關(guān)疾病的患病率，進而延緩機體衰老。雷帕霉素短期治療中年（20月齡）小鼠3個月，誘導宿主免疫細胞分化的分節(jié)絲狀菌數(shù)量增加，降低癌癥風險，從而導致小鼠的預(yù)期壽命提高60 %[28]。Jonathan等[29]證明雷帕霉素治療老年小鼠8周，口腔微生物組測序分析表明，牙齦和牙周骨炎癥衰減，擬桿菌門細菌減少，口腔微生物組恢復年輕態(tài)。

2.1.2.2 二甲雙胍 是一種從植物山羊豆中提取的小分子化合物，臨床多用于治療2型糖尿病[30]。二甲雙胍不僅延緩小鼠和秀麗隱桿線蟲等模型生物的壽命，而且預(yù)防多種與人類年齡相關(guān)的疾病[31-32]。Onken等[33]研究表明，50 mmol/L二甲雙胍可將秀麗隱桿線蟲的平均壽命延長36 %。流行病學研究發(fā)現(xiàn)，接受二甲雙胍治療的糖尿病患者死亡率相對于其他人群降低了18 %[34]。

迄今為止，二甲雙胍關(guān)于延緩生物衰老產(chǎn)生的分子機制尚不明確，主要包括以下5個方面[35-36]：（1）激活A(yù)MPK信號通路，進而激活長壽蛋白SIRT-1以及阻止下游靶標磷酸化，延緩內(nèi)皮細胞的衰老；（2）通過抑制mTOR，降低胰島素水平和阻斷IGF-1信號傳導，延長了無脊椎動物的壽命；（3）抑制電子傳遞鏈中的線粒體復合物1并降低內(nèi)源性活性氧（ROS）的產(chǎn)生；（4）上調(diào)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)谷胱甘肽過氧化物酶7（GPx7）的表達延緩人類衰老進程；（5）減少DNA損傷。

2.1.2.3 白藜蘆醇 又稱芪三酚，是一種非黃酮類的天然多酚類化合物，普遍存在于葡萄、藍莓、虎杖、堅果和桑葚等植物中[37-38]。白藜蘆醇已在酵母、果蠅和線蟲中被證實延緩物種衰老并延長壽命的作用[39-40]，同時可改善老年人的記憶能力，降低心力衰竭、癲癇、帕金森病和阿爾茨海默病等發(fā)作風險[41-42]。

白藜蘆醇發(fā)揮抗衰老作用有以下3種機制：（1）激活SIRT1抗衰老。白藜蘆醇作為沉默信息調(diào)節(jié)因子 SIRT1的強效激活劑，在飼糧中添加30和60 mg/kg白藜蘆醇能顯著延長果蠅的平均壽命，分別為39.5 %和41.9 %[43]。（2）激活A(yù)MPK抗衰老。Caballero等[44]證實白藜蘆醇通過激活 AMPK信號通路，抑制細胞內(nèi)活性氧的產(chǎn)生，導致野生型秀麗隱桿線蟲的平均壽命延長50.8 %，從而改善衰老癥狀。（3）增強線粒體功能抗衰老。給出血性損傷的大鼠飼喂白藜蘆醇，發(fā)現(xiàn)大鼠左心室組織中ATP顯著升高，胞質(zhì)細胞色素c水平降低，改善心臟收縮力，增強線粒體功能并延長壽命[45]。

2.2 中藥治療

中藥抗衰老作用機制主要表現(xiàn)在以下3個方面：（1）清除自由基，巴戟天可以有效地清除羥自由基（·OH）和超氧陰離子自由基（·O2-），減少脂質(zhì)過氧化物引起的細胞損傷，從而延緩衰老[46]。（2）增強免疫功能，枸杞多糖在嚙鼠模型中顯著上調(diào)腹腔巨噬細胞CD40、CD80、CD86和MHC II類分子的表達進而增強先天性免疫[47]。（3）提高抗氧化酶活性，淫羊藿通過抑制p-p53/p21和chk1/chk2表達，提高SOD活性，降低MDA含量，有效降低氧化應(yīng)激誘導的衰老大鼠DNA損傷[48]。

2.3 生物治療

除了抗衰老藥物外，為了對抗外貌和體形的衰老，還開發(fā)出多種抗衰老技術(shù)進行治療，主要包括：干細胞移植、糞菌微生物移植和激素代替療法等。

2.3.1 干細胞移植 脂肪干細胞和骨髓間充質(zhì)干細胞常用于抗衰老干細胞移植，這兩類干細胞有組織損傷小、取材方便、分化能力強和效果持久等特點，分泌多種生長因子和炎性相關(guān)因子，提高機體抗自由基能力，抑制炎癥反應(yīng)，加速傷口愈合以達到抗衰老效果。在衰老模型大鼠體內(nèi)靜脈注射異體脂肪干細胞，發(fā)現(xiàn)其SOD水平升高，抗氧化能力增強，延緩了衰老進程[49]。Zhang等[50]研究發(fā)現(xiàn)，骨髓間充質(zhì)干細胞移植可通過分化為心肌細胞、免疫抑制活性和分泌保護因子或細胞因子，改善年齡相關(guān)的骨質(zhì)疏松癥、帕金森病和動脈粥樣硬化，顯著改善衰老大鼠心臟受損功能，并恢復其身體和認知功能，從而產(chǎn)生強大的抗衰老作用。

2.3.2 糞便微生物移植 隨年齡增長，機體免疫力下降、腸道生理功能和飲食結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，導致腸道菌群有益菌減少、多樣性減少且兼性厭氧菌增多[51]。衰老相關(guān)腸道菌群的改變，通過腸神經(jīng)系統(tǒng)影響腦-腸軸，阻礙神經(jīng)、內(nèi)分泌和免疫信號，將引起阿爾茨海默病、帕金森綜合征等中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病。Kelly等[52]發(fā)現(xiàn)腸道菌群的多樣性增加會降低心臟疾病的風險。將非洲青鳉魚仔的腸道菌群移植至老年青鳉魚體內(nèi)，其壽命延長41 %[53]。因此，在臨床上以腸道菌群作為靶點的糞便微生物移植抗衰老技術(shù)被廣泛應(yīng)用，例如糞菌膠囊、糞便藥丸等。

2.3.3 激素替代療法 由于激素水平的下降導致皮膚和整體外觀隨年齡的增長發(fā)生變化，最常用的激素包括生長激素、雄激素、雌激素和孕酮。健康女性絕經(jīng)后使用激素替代療法治療，大腸癌的發(fā)病率下降了37 %[54]。安全合理進行激素代替療法，將有效延緩衰老，從而提高老年人的生命質(zhì)量。

3 展望

目前，人口老齡化是全球面臨的必然趨勢，抗衰老需求日益增強。雷帕霉素、阿司匹林、二甲雙胍和白藜蘆醇等藥物已證明能夠延緩多種物種的壽命，但考慮人體用藥延緩衰老，尚缺乏大規(guī)模、長時間的臨床實驗數(shù)據(jù)。在保證安全性、有效性和長期使用性上，上述藥物均有一定缺點，如雷帕霉素會引起高血糖、高脂血癥、腎臟毒性、傷口愈合受損、血小板數(shù)量降低和免疫抑制等不良反應(yīng)；阿司匹林易引起惡心、嘔吐不適和疼痛等胃腸道的癥狀，同時也會導致皮疹，血管神經(jīng)性水腫和哮喘等異常過敏反應(yīng)；長期大劑量服用二甲雙胍可誘發(fā)乳酸酸中毒；服用大劑量白藜蘆醇可導致人類胃腸道和肝臟功能紊亂等。

對此，針對現(xiàn)有藥物開展結(jié)構(gòu)修飾改造和劑型改進，篩選更高效、更低副作用的衍生物是應(yīng)對措施之一。如源于雷帕霉素開發(fā)的衍生物替西羅莫司、依維莫司、利達福莫司和佐他莫司等，均展現(xiàn)出較優(yōu)水溶性或藥理活性。2014年諾華公司發(fā)現(xiàn)小劑量的依維莫司使老年人對流感疫苗的免疫應(yīng)答提高了20 %[55]，從免疫力的恢復方面證明了依維莫司可延長人類壽命，相比雷帕霉素而言，依維莫司的藥物代謝動力學更優(yōu)[56]。不同靶點藥物聯(lián)用以抵消潛在的副作用已成為另一種抗衰老治療的熱門應(yīng)對措施[57-59]，如雷帕霉素與二甲雙胍聯(lián)合使用，可降低二甲雙胍引起的高水平乳酸，并克服雷帕霉素誘發(fā)葡萄糖耐量下降、胰島素敏感性降低等問題。

干細胞移植、糞便微生物移植、激素替代療法、年輕血液置換、端粒酶激活術(shù)等近年來出現(xiàn)的抗衰老新策略，為抗衰老治療帶來新的方向與希望，但真正做到臨床應(yīng)用和治療，尚需克服眾多難關(guān)。如干細胞移植研究期長、異體移植免疫排斥反應(yīng)、極易引起出血和感染等風險；糞便微生物移植手術(shù)在臨床實踐中存在健康捐獻者的篩選、移植介入方式、對病原體傳播的擔憂和缺乏標準化治療方案等問題等。隨著現(xiàn)代醫(yī)學和生物學新技術(shù)的進步和創(chuàng)新，新的抗衰治療方法也會不斷涌現(xiàn)。如衰老細胞裂解法（Senolytics），其中達沙替尼聯(lián)用槲皮素清除體內(nèi)衰老細胞，已進入Ⅱ期臨床階段[60]。2019年[61]首次人體衰老試驗，證實二者聯(lián)用可選擇性地消除衰老細胞，改善特發(fā)性肺纖維化患者的身體功能，增強肺纖維化患者的活動能力，并成功清除了糖尿病腎病患者脂肪組織的部分衰老細胞。

另外，衰老作為人體一種正常生理過程，基于自然規(guī)律，加強體育鍛煉、適當熱量限制，結(jié)合抗衰老藥物協(xié)同治療，實現(xiàn)最大限度地預(yù)防或延緩衰老，降低衰老相關(guān)疾病的發(fā)生率，提高老年人的生活質(zhì)量，降低家庭和社會的經(jīng)濟負擔，對于改善我國老齡化問題具有重要意義。