腸道菌群
——調(diào)控骨骼肌衰老新靶點(diǎn)

馬 壯 李雯婷 毛登輝 何恩鵬

2019年國家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布新中國成立70周年經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展成就系列報(bào)告顯示，人口老齡化的加速是進(jìn)入新時(shí)代人口發(fā)展面臨的重要風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)[1]，老齡化已成為影響發(fā)達(dá)國家以及發(fā)展中國家社會(huì)發(fā)展的沉重負(fù)擔(dān)。事實(shí)上，在自然界中包括人類在內(nèi)的所有物種都會(huì)受到衰老的影響，但不同物種的衰老過程又有很大不同[2]，人類的衰老常伴隨著老年人常見疾病(包括高血壓、糖尿病、惡性腫瘤、心腦血管疾病等)的發(fā)生，其后果是造成了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

近年來關(guān)于衰老的研究越來越多，其中骨骼肌衰老是一項(xiàng)重要議題。Aversa[3]等認(rèn)為骨骼肌衰老會(huì)造成力量下降、跌倒風(fēng)險(xiǎn)升高、住院率增加甚至死亡風(fēng)險(xiǎn)升高，同時(shí)代謝穩(wěn)態(tài)被打破，機(jī)體復(fù)原能力降低。Solovyeva[4]等同樣認(rèn)為骨骼肌衰老可能導(dǎo)致與跌倒有關(guān)的傷害、殘疾、獨(dú)立性喪失以及老年人死亡率的顯著增加。Ubaida-Mohien[5]等人研究發(fā)現(xiàn)老年人肌肉的特征是能量代謝紊亂、促炎環(huán)境和蛋白質(zhì)水解增加。

近期有研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群與骨骼肌之間存在較大關(guān)聯(lián)[6]。Nay[7]等人的研究表明腸道菌群對(duì)葡萄糖穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)對(duì)肌肉發(fā)揮最佳功能起著至關(guān)重要的作用；Lahiri[8]等人的研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群可能會(huì)影響小鼠骨骼肌萎縮的通路以及相關(guān)基因的表達(dá)，從而影響骨骼肌的功能和質(zhì)量；吳愁飛[9]及其團(tuán)隊(duì)通過將不同品種的肥豬與瘦豬的腸道菌群移植到無菌小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)受體小鼠表現(xiàn)出與供體豬相同的骨骼肌脂質(zhì)代謝特征。據(jù)此，腸道菌群與骨骼肌一定存在某種聯(lián)系，但其機(jī)制尚不明朗。因此本文從腸道菌群影響骨骼肌衰老的作用機(jī)理進(jìn)行探討，以期為預(yù)防老齡化帶來的骨骼肌衰老問題提供理論參考。

1.骨骼肌衰老相關(guān)表象及其機(jī)制

1.1 骨骼肌衰老相關(guān)表象 骨骼肌的衰老伴隨著肌肉質(zhì)量和功能的喪失是一種稱為肌肉減少癥的現(xiàn)象，身體研究表明，肌肉的總橫截面積隨著年齡的增長(zhǎng)而下降。早有研究表明肌肉面積和纖維數(shù)量在生命的第4個(gè)十年便開始減少[10,11]。最早的關(guān)于衰老和肌纖維組成的研究表明，Ⅰ型纖維百分比隨著年齡的增長(zhǎng)而增加[12]。但是，隨著研究的不斷深入，研究人員提出了另一種猜想，Ⅰ型纖維沒有受到老化的影響，只是Ⅱ型纖維隨著年齡變化橫截面積在不斷減少，導(dǎo)致Ⅰ型肌纖維相對(duì)整體骨骼肌的比例增加。除了肌肉纖維大小隨年齡增長(zhǎng)而減少之外，同樣有研究報(bào)告了肌肉纖維總數(shù)隨年齡增長(zhǎng)而減少。Lexell[13]等人發(fā)現(xiàn)平均年齡為72歲的老年人比平均年齡為30歲的青年人股外側(cè)肌的大小減少了18%，肌肉纖維的總數(shù)減少了25%，這表明隨著年齡的增長(zhǎng)，肌肉萎縮可能在很大程度上是由于肌肉纖維的損失導(dǎo)致。

1.2 骨骼肌衰老的可能機(jī)制

1.2.1 蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)：在生理?xiàng)l件下，蛋白質(zhì)降解和合成之間的動(dòng)態(tài)相互作用確保了骨骼肌內(nèi)蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的維持，并允許充分適應(yīng)身體活動(dòng)、營養(yǎng)輸入和代謝需求的變化[14]。研究表明，蛋白質(zhì)體內(nèi)平衡的進(jìn)行性喪失是導(dǎo)致衰老過程中肌肉喪失和功能障礙的主要發(fā)病機(jī)理之一。在蛋白水解系統(tǒng)中，泛素-蛋白酶體系統(tǒng)和自噬-溶酶體途徑在骨骼肌蛋白降解中起著重要作用[15]。在泛素-蛋白酶體系統(tǒng)中，要降解的蛋白質(zhì)首先通過酶的級(jí)聯(lián)反應(yīng)(包括E1泛素激活酶、E2泛素結(jié)合酶和E3泛素連接酶)共價(jià)連接到泛素分子鏈上，然后被26S蛋白酶體處理[16]，通過對(duì)衰老骨骼肌的研究發(fā)現(xiàn)蛋白酶體的活性增強(qiáng)[17]。Avergin-1/MAFbx和MuRF1是兩種重要的肌肉特異性E3泛素連接酶，在許多與肌肉萎縮相關(guān)的條件下轉(zhuǎn)錄上調(diào)[15]。

自噬是一種進(jìn)化保守的穩(wěn)態(tài)機(jī)制，細(xì)胞成分在自噬小體的雙層膜小泡中與溶酶體融合，對(duì)其內(nèi)容物進(jìn)行降解，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞本身的代謝需要和某些細(xì)胞器的更新[18]。自噬在維持骨骼肌質(zhì)量中同樣起著至關(guān)重要的作用，在不同的病理?xiàng)l件下自噬的改變與肌肉萎縮的發(fā)病機(jī)制有關(guān)[19]。

1.2.2 干細(xì)胞衰竭：衛(wèi)星細(xì)胞是必需的骨骼肌干細(xì)胞。這些細(xì)胞與成熟肌纖維并列存在，位于其質(zhì)膜之外，但被周圍的基底層所包圍[20]。衛(wèi)星細(xì)胞對(duì)于骨骼肌損傷后的再生是絕對(duì)必要的，在缺乏衛(wèi)星細(xì)胞的情況下，骨骼肌萎縮、纖維丟失、纖維化、脂肪積聚、免疫細(xì)胞浸潤和炎癥在損傷后會(huì)變得明顯。缺乏衛(wèi)星細(xì)胞的小鼠確實(shí)表現(xiàn)出纖維化的顯著增加，這是一種老化肌肉的表型[21]。

肌肉再生能力因衰老而明顯受損，在小鼠[22]和人類[23]中，肌肉干細(xì)胞的數(shù)量及其自我更新的能力都隨著年齡的增長(zhǎng)而下降，特別是在IIb型肌纖維中。除了數(shù)量之外，衛(wèi)星細(xì)胞的分子表型也表現(xiàn)出與年齡相關(guān)的變化[24]。在老化的肌肉干細(xì)胞中，p38α/β應(yīng)激信號(hào)的激活增加，衰老相關(guān)的細(xì)胞周期蛋白依賴激酶抑制劑p16Ink4a和p21Cip1的表達(dá)增加，這與它們的增殖潛力降低一致[24]。藥物抑制p38α/β在體外恢復(fù)了衰老肌肉干細(xì)胞的增殖能力，并顯著改善了體內(nèi)植入。對(duì)老年小鼠的衛(wèi)星細(xì)胞的分析也揭示了p16Ink4a的表達(dá)升高，p16Ink4a是一種參與細(xì)胞衰老的細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑[25]。在年輕小鼠的肌肉受到心臟毒素?fù)p傷后，來自老年小鼠的移植衛(wèi)星細(xì)胞不能激活和擴(kuò)增。總的來說，衛(wèi)星細(xì)胞的內(nèi)在變化是衰老的結(jié)果，同時(shí)會(huì)嚴(yán)重?fù)p害骨骼肌的再生能力。

1.2.3 細(xì)胞衰老：衰老細(xì)胞及衰老相關(guān)的分泌表型(SASP)是衰老和衰老相關(guān)疾病的驅(qū)動(dòng)因素[26,27]。衰老，一種穩(wěn)定生長(zhǎng)停滯的狀態(tài)，是增殖細(xì)胞的最終命運(yùn)。為了應(yīng)對(duì)基因組、蛋白質(zhì)組、代謝或復(fù)制應(yīng)激，衰老程序由細(xì)胞周期抑制蛋白啟動(dòng)，包括p16Ink4a和p21Cip1，它們拮抗細(xì)胞周期蛋白依賴激酶的作用，最終停止細(xì)胞增殖[28]，因此衰老是一種內(nèi)在的保護(hù)性腫瘤抑制程序[29]。然而，隨著年齡的增長(zhǎng)，由于對(duì)凋亡的抵抗和免疫系統(tǒng)的低效清除衰老細(xì)胞開始積累[30]。通過耗盡有絲分裂活性祖細(xì)胞庫并大量分泌細(xì)胞因子、趨化因子、基質(zhì)重塑蛋白和生長(zhǎng)因子的混合物，衰老細(xì)胞損害再生并介導(dǎo)衰老生物組織中的炎癥、惡化和纖維化[31]。推測(cè)衰老細(xì)胞和SASP可能是骨骼肌老化和肌減少癥的基礎(chǔ)。

1.2.4 線粒體功能：線粒體在骨骼肌功能中起著舉足輕重的作用，通過產(chǎn)生ATP滿足肌肉纖維內(nèi)的代謝需求，包括收縮功能、維持膜電位、鈣處理以及整體細(xì)胞維持和動(dòng)態(tài)平衡。除了作為能量源泉的作用外，線粒體也是活性氧(ROS)的主要來源，ROS作為重要的信號(hào)分子發(fā)揮作用，但同時(shí)也可以通過破壞細(xì)胞成分如DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)來啟動(dòng)細(xì)胞死亡[32]。鑒于線粒體在細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)中的關(guān)鍵作用，線粒體已被認(rèn)為與肌減少癥和多種年齡相關(guān)疾病的病因有關(guān)，并被視為治療靶點(diǎn)[33]。

2.腸道菌群調(diào)控骨骼肌衰老的機(jī)制

2.1 腸道菌群影響炎癥反應(yīng)及肌蛋白穩(wěn)態(tài) 肌減少癥在與年齡相關(guān)的炎癥中起重要作用[34]，同時(shí)，肥胖會(huì)加重炎癥負(fù)擔(dān)，從而加劇肌減少癥的發(fā)生[35]，導(dǎo)致肌肉減少型肥胖，表現(xiàn)為肌肉質(zhì)量/身體總質(zhì)量比值減小[36]。導(dǎo)致這種與年齡相關(guān)的炎癥狀態(tài)升高的原因是多方面的，包括氧化還原應(yīng)激[37]、免疫衰老[38,39]、內(nèi)分泌功能下降、DNA損傷[40]、表觀遺傳修飾[41]以及內(nèi)毒素-革蘭氏陰性細(xì)菌的增多[42]。

內(nèi)毒素-革蘭氏陰性細(xì)菌是通過脂多糖(LPS)引起系統(tǒng)性炎癥的。脂多糖誘導(dǎo)炎癥的一個(gè)極端模型是敗血癥，這是一種威脅生命的疾病，特征是由于蛋白水解、降解增加和蛋白質(zhì)合成減少而導(dǎo)致的嚴(yán)重肌肉萎縮[43]。在骨骼肌炎癥的背景下，關(guān)于TNF-a和IL-6的研究最廣泛，它們可以被循環(huán)LPS誘導(dǎo)[44]并在老年人中升高[45]。TNF-a的巨噬細(xì)胞產(chǎn)生顯示出在應(yīng)激反應(yīng)的早期發(fā)生，并且已經(jīng)證明刺激培養(yǎng)細(xì)胞中的蛋白質(zhì)降解和凋亡[46]。同時(shí)，在動(dòng)物和人類中的研究表明由巨噬細(xì)胞和T細(xì)胞分泌的IL-6參與蛋白質(zhì)合成的抑制[47]。這些發(fā)現(xiàn)綜合說明了腸道菌群在影響蛋白質(zhì)平衡(即合成和分解)的方面起著決定性作用，并表明隨著年齡增長(zhǎng)內(nèi)毒素水平升高可能導(dǎo)致肌肉質(zhì)量減少。

2.2 腸道菌群影響骨骼肌代謝 腸道菌群可能通過多種途徑影響人類骨骼肌的代謝，老年人的肌減少和全身虛弱與腸道生態(tài)失調(diào)有關(guān)，導(dǎo)致腸道屏障通透性增加、血液LPS水平升高、免疫系統(tǒng)激活和胰島素敏感性降低[48]。另外，動(dòng)物研究明確強(qiáng)調(diào)了補(bǔ)充乳桿菌菌株的小鼠中肌肉萎縮標(biāo)記物(Atrogin-1、MuRF1)的表達(dá)下降[49]，以及補(bǔ)充植物乳桿菌的小鼠中肌肉質(zhì)量和力量增加[50]。另外，肥胖者和非肥胖者的腸道菌群組成存在差異[51]，與非肥胖小鼠的腸道微生物群相比，肥胖小鼠的腸道微生物群富含編碼碳水化合物代謝酶的基因，并具有更強(qiáng)的從飲食中提取能量和產(chǎn)生短鏈脂肪酸的能力[52]。此外，肥胖者體內(nèi)的微生物區(qū)系發(fā)生了變化，多樣性減少[53]，但這種多樣性減少對(duì)肥胖癥發(fā)展的功能影響尚不清楚。報(bào)告顯示，中國2型糖尿病患者的腸道微生物群發(fā)生了變化[54]，更重要的是腸道微生物區(qū)系的組成能夠預(yù)測(cè)2型糖尿病。

3.前景與展望

2008年，美國國立衛(wèi)生研究院?jiǎn)?dòng)了人類微生物組項(xiàng)目，中國作為此項(xiàng)計(jì)劃的參與者一直積極推動(dòng)初期研究工作，作為一項(xiàng)公共衛(wèi)生倡議，該項(xiàng)目一直以確定對(duì)人類健康有貢獻(xiàn)的微生物的特征為目標(biāo)。在短短十幾年的時(shí)間里，高通量16s rRNA基因測(cè)序技術(shù)已經(jīng)確定了腸道微生物生態(tài)與世界范圍內(nèi)許多主要死亡原因(如癌癥[55]、糖尿病[56])之間的密切聯(lián)系。盡管這一領(lǐng)域仍處于起步階段，但大量研究數(shù)據(jù)已經(jīng)為腸道微生物群和骨骼肌之間的雙向交流網(wǎng)絡(luò)提供了證據(jù)。隨著年齡的增長(zhǎng)，腸道健康和骨骼肌也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，這就是這種關(guān)系的例證。在老鼠模型中的研究已經(jīng)開始識(shí)別可能具有骨骼肌分支的微生物靶標(biāo)。這些發(fā)現(xiàn)為戰(zhàn)略性人類干預(yù)奠定了框架，旨在將操縱微生物生態(tài)作為一種有益于骨骼肌健康和延長(zhǎng)快速擴(kuò)張的老齡化人口健康壽命的手段。