基于多組學(xué)的老年衰弱人群生物標(biāo)志物研究

【摘要】 衰弱是指老年人以肌少癥為基本特征的全身多系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)受損，導(dǎo)致生理儲備下降、抗疾病能力減退及應(yīng)激后恢復(fù)能力下降的非特異性狀態(tài)，衰弱的早期診斷對于幫助老年人恢復(fù)健康具有重要價(jià)值。近年來，隨著組學(xué)研究的技術(shù)進(jìn)步，為發(fā)現(xiàn)早期衰弱潛在的特異性強(qiáng)及穩(wěn)定可靠的相關(guān)生物標(biāo)志物提供了新的途徑。本文整理分析相關(guān)研究后，從基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)的角度整理衰弱生物標(biāo)志物的研究進(jìn)展，有助于評估衰弱風(fēng)險(xiǎn)，探索衰弱的潛在機(jī)制，制訂針對性的干預(yù)措施，助力老年人健康。

【關(guān)鍵詞】 衰弱；早期衰弱；老年人；多組學(xué)；生物標(biāo)志物；綜述

【中圖分類號】 R 364 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A DOI：10.12114/j.issn.1007-9572.2022.0743

【引用本文】 徐婷，季明輝，陳一萌，等. 基于多組學(xué)的老年衰弱人群生物標(biāo)志物研究［J］. 中國全科醫(yī)學(xué)，2023，26（23）：2871-2876. DOI：10.12114/j.issn.1007-9572.2022.0743. ［www.chinagp.net］

XU T，JI M H，CHEN Y M，et al. Advances in multiomic analyses of frailty biomarkers in the elderly［J］. Chinese General Practice，2023，26（23）：2871-2876.

Advances in Multiomic Analyses of Frailty Biomarkers in the Elderly XU Ting，JI Minghui*，CHEN Yimeng，GAO Yu，ZHU Hanfei，DING Lingyu，XU Qin*

School of Nursing，Nanjing Medical University，Nanjing 211166，China

*Corresponding authors：JI Minghui，Associate professor；E-mail：jiminghui77@sina.com

XU Qin，Professor/Doctoral supervisor；E-mail：qinxu@njmu.edu.cn

【Abstract】 Early diagnosis of frailty is of great value in helping the elderly to regain their health，as it is a non-specific state of reduced physiological reserve，resistance to disease and ability to recover from stress caused by the impairment in homeostasis maintained by multiple systems with sarcopenia as the basic characteristic. Recent developments in multiomic techniques provide new approaches to the detection of potentially specific，stable and reliable biomarkers of pre-frailty. We collected and reviewed recent advances in multiomic techniques for identifying frailty biomarkers，involving genomics，transcriptomics，proteomics and metabolomics，which can assist in assessing the risk of frailty，exploring potential mechanisms of frailty and developing targeted interventions to support healthy aging.

【Key words】 Frailty；Pre-frailty；Aged；Multi-omics；Biomarkers；Review

流行病學(xué)數(shù)據(jù)顯示，2020年全球60歲以上人群衰弱及早期衰弱的發(fā)病率分別為16%和45%，帶來了沉重的社會(huì)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)［1］。衰弱是指年齡依賴性的系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能下降導(dǎo)致包括肌肉力量下降、年齡相關(guān)的激素水平紊亂、炎癥和營養(yǎng)、代謝異常等多系統(tǒng)累積損傷，引起老年人體力活動(dòng)、能量代謝、認(rèn)知水平等生理儲備能力下降的一種多維度老年綜合征［2］。衰弱不僅使老年人發(fā)生跌倒、失能、殘疾、譫妄、住院和死亡的風(fēng)險(xiǎn)增加，也對老年人健康狀態(tài)及預(yù)期壽命構(gòu)成重大威脅。有學(xué)者提出，衰弱狀態(tài)可能是老年慢性疾病亞臨床階段的外在表現(xiàn)。因此，早期診斷衰弱有助于最大限度地降低衰弱進(jìn)一步發(fā)展、減輕或延緩潛在的老年慢性疾病和癥狀并控制反復(fù)住院、死亡等臨床不良結(jié)局［3］。

衰弱的發(fā)展與多個(gè)復(fù)雜的病理生理進(jìn)程有關(guān)，包括慢性炎性反應(yīng)、能量代謝失衡、氧化應(yīng)激、內(nèi)分泌失調(diào)、肌肉減少癥、營養(yǎng)不良等，使得衰弱的臨床診斷和干預(yù)難以有效實(shí)施，其表型異質(zhì)性以及個(gè)體多系統(tǒng)失調(diào)的復(fù)雜性加大了全面評估的難度，也使得衰弱生物標(biāo)志物的研究充滿挑戰(zhàn)性［4］。目前，已有多項(xiàng)研究尋找基于“組學(xué)”的生物標(biāo)志物來評估老年衰弱的風(fēng)險(xiǎn)及其后果［5］，但尚缺乏系統(tǒng)梳理。為此，本文經(jīng)過大量的文獻(xiàn)梳理，從基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)多組學(xué)視角來描述衰弱的生物標(biāo)志物研究進(jìn)展，為開展老年衰弱人群臨床實(shí)踐研究提供思路。

文獻(xiàn)檢索策略：以“衰弱、衰弱早期、表觀基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、生物標(biāo)志物”為中文關(guān)鍵詞檢索萬方數(shù)據(jù)知識服務(wù)平臺、中國知網(wǎng)，以“frailty、pre-frailty、epigenomics、transcriptomics、proteomics、metabolomics、biomarkers”為英文關(guān)鍵詞檢索PubMed、Web of Science，檢索時(shí)間為建庫至2022年7月。文獻(xiàn)納入標(biāo)準(zhǔn)：與老年衰弱早期多組學(xué)生物標(biāo)志物相關(guān)的系統(tǒng)回顧、指南、薈萃分析、原始研究；文獻(xiàn)排除標(biāo)準(zhǔn)：會(huì)議摘要、無法獲得全文的文獻(xiàn)。

1 衰弱基因組學(xué)的變化特征

1.1 單核苷酸多態(tài)性（SNP） SNP在調(diào)節(jié)生物體差異基因表達(dá)、解釋衰弱發(fā)生的個(gè)體間差異方面具有重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，由于參與衰弱相關(guān)通路的基因變異，衰弱人群的循環(huán)細(xì)胞因子濃度在相同炎癥狀態(tài)下有所不同［6］。更重要的是，SNP可顯著影響患者對運(yùn)動(dòng)干預(yù)的耐受性和依從性，從而影響其治療效果［7］。綜上，SNP有助于衰弱潛在個(gè)體的早期識別及衰弱發(fā)生可能機(jī)制的探究，改變患者對某些治療干預(yù)的依從性，從而影響治療效果，研究SNP與衰弱表型的相關(guān)性具有較高的臨床應(yīng)用潛力［8］。

1.2 表觀修飾 表觀修飾會(huì)影響整個(gè)生命周期內(nèi)所有細(xì)胞和組織的生理進(jìn)程，是對衰弱有預(yù)測價(jià)值的生物學(xué)標(biāo)志［9］。其中，DNA甲基化組會(huì)隨著年齡的增長發(fā)生改變，是遺傳、環(huán)境因素影響衰弱發(fā)展的中介因子，是衰弱及相關(guān)疾病表觀修飾研究的主要方向之一［10］。研究發(fā)現(xiàn)，衰弱的加重與啟動(dòng)子特異性胞嘧啶-磷酸-鳥嘌呤位點(diǎn)DNA甲基化水平的升高有關(guān)［11］，基于DNA甲基化水平開發(fā)出的“GrimAge”“DNAm-PhenoAge”等表觀遺傳時(shí)鐘模型顯示出對衰弱［12］、死亡［13］等不良結(jié)局具有良好的預(yù)測能力。DNA甲基化可作為預(yù)測衰弱發(fā)展的指標(biāo)，但在使用表觀遺傳時(shí)鐘預(yù)測衰弱時(shí)需要基于不同性別、種族的人群及不同組織、細(xì)胞和不同疾病的更多數(shù)據(jù)以減少預(yù)測誤差［14］。

2 衰弱轉(zhuǎn)錄組學(xué)的生物標(biāo)志物

2.1 微小RNA（miRNA） miRNA參與細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、分化、增殖等多個(gè)過程的調(diào)控，并介導(dǎo)炎癥、衰老、肌肉萎縮等病理生理進(jìn)程，在衰弱的發(fā)展中起重要作用。衰弱除了伴隨著氧化應(yīng)激和炎性因子水平的升高，還常伴隨miRNA表達(dá)改變［15-24］，見表1。SZEWCZYK-GOLEC等［25］證實(shí)衰弱人群血樣中3種與炎癥相關(guān)的miRNA（miRNA-21、miRNA-146a和miRNA-223）顯著增加，而與具有抗衰老作用的褪黑激素合成相關(guān)的miRNA-483、miRNA-223表達(dá)降低。此外，許多miRNA與肌肉萎縮有關(guān)，并且在劇烈和/或長期運(yùn)動(dòng)后的表達(dá)會(huì)發(fā)生顯著變化。通過早期適當(dāng)干預(yù)miRNA表達(dá)可以維持線粒體功能，減輕肌肉穩(wěn)態(tài)失衡，因此miRNAs也可以作為潛在的衰弱治療靶點(diǎn)。

2.2 外周血單核細(xì)胞總RNA PRINCE等［26］對來自外周血單核細(xì)胞的總RNA進(jìn)行測序，結(jié)果發(fā)現(xiàn)包括SLC2A6、FCGR3B、TEPSIN、抑瘤素、CXCL1、白介素（IL）-6、IL-1β、早期生長反應(yīng)基因1（EGR1）在內(nèi)的8個(gè)基因表達(dá)受到衰弱的影響，其中EGR1的表達(dá)與衰弱程度呈正相關(guān)，SLC2A6、FCGR3B和C17orf56基因表達(dá)量與衰弱程度呈負(fù)相關(guān)。ZHANG等［27］對基因表達(dá)數(shù)據(jù)庫中來自外周血單核細(xì)胞總RNA水平進(jìn)行配位分析，發(fā)現(xiàn)衰弱與非衰弱患者基因組間差異涉及細(xì)胞代謝調(diào)節(jié)以及大分子代謝相關(guān)的過程，其中TSIX、BEST1和ADAMTSL4是引起這些差異關(guān)鍵的基因。

3 衰弱蛋白質(zhì)組學(xué)的生物標(biāo)志物

蛋白質(zhì)組學(xué)旨在將基因和患者表型聯(lián)系起來，通過研究蛋白質(zhì)的表達(dá)、調(diào)控、相互作用及其功能，快速確定細(xì)胞、組織或生物體中的整體蛋白質(zhì)變化。蛋白質(zhì)組學(xué)研究表明，衰弱相關(guān)的潛在途徑包括炎癥、細(xì)胞凋亡、鈣穩(wěn)態(tài)失衡、神經(jīng)元信號傳導(dǎo)、激素水平改變和基因表達(dá)/轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)［28］。肌肉蛋白改變、慢性低度炎癥以及特征性血管和血蛋白質(zhì)組學(xué)特征有助于診斷或預(yù)測衰弱。

3.1 肌肉蛋白 隨著年齡增長，肌肉功能下降和肌少癥是老年人活動(dòng)能力喪失的主要原因，是衰弱的核心標(biāo)志。DANESE等［29］報(bào)告了股外側(cè)肌中參與興奮-收縮耦聯(lián)、肌肉代謝、離子處理和細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)的19種蛋白質(zhì)的變化與年齡的相關(guān)性。其中，碳酸酐酶3（CA3）異構(gòu)體在肌肉老化過程中豐度增加，表明CA3可能是一種潛在的肌少癥生物標(biāo)志物。UBAIDA-MOHIEN等［30］發(fā)現(xiàn)老年人肌肉中能量代謝相關(guān)性蛋白質(zhì)含量減少，而與免疫、蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)和選擇性剪接有關(guān)的蛋白質(zhì)含量升高，其原因可能與能量代謝紊亂、促炎環(huán)境和蛋白質(zhì)水解增加有關(guān)。

3.2 炎癥蛋白 在生物標(biāo)志物研究中，慢性炎癥始終與衰弱有關(guān)。衰老的細(xì)胞分泌炎性因子，可能導(dǎo)致慢性炎癥和衰弱。據(jù)推測，一些炎性因子可能對肌肉有分解作用，低度炎癥狀態(tài)可能會(huì)使老年人常見的一些臨床癥狀發(fā)生惡化，尤其是肌少癥和惡病質(zhì)。對衰弱受試者外周血的研究表明，高水平的IL-6、IL-1、腫瘤壞死因子α（TNF-α）和C反應(yīng)蛋白（CRP）與衰弱的發(fā)病率和受試者死亡率風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)［31］。雖然IL-6、CRP等在臨床研究中已作為衰弱的生物標(biāo)志物，但其在早期識別、風(fēng)險(xiǎn)分層和預(yù)防方面的作用被證明是有限的，并且是非特異性的，在各種炎癥、腫瘤或感染下均會(huì)增加，用作衰弱的篩查仍存在一定的限制。

3.3 血管系統(tǒng)蛋白 蛋白質(zhì)組學(xué)可以用來分析血清中復(fù)雜的蛋白質(zhì)水平變化，對于檢測某些蛋白質(zhì)的功能紊亂或表達(dá)變化具有重要意義。CHEW等［32］在一項(xiàng)橫斷面研究中發(fā)現(xiàn)男性血清中的肌生長抑制素（GDF）和女性血清中的胰島素生長因子1（IGF-1）是社區(qū)老年人同時(shí)存在肌肉減少癥和衰弱的潛在生物標(biāo)志物。LIN等［33］在衰弱老年人的血清蛋白質(zhì)組學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)血管緊張素原（AGT）、激肽原1（KNG1）和抗凝血酶Ⅲ（AT-Ⅲ）隨著衰弱程度加重而升高，且與握力呈高度負(fù)相關(guān)。根據(jù)Fried身體衰弱表型［34］，握力低下是測定衰弱的項(xiàng)目之一，因此AGT、KNG1和AT-Ⅲ可能是監(jiān)測老年人衰弱發(fā)生和進(jìn)展的潛在生物標(biāo)志物。未來還需開展更多基于血清樣本的縱向研究，對確定衰弱生物標(biāo)志物、治療靶點(diǎn)和制訂干預(yù)措施至關(guān)重要。

4 衰弱代謝組學(xué)的生物學(xué)標(biāo)志

衰弱常伴隨能量代謝異常、炎癥、激素失調(diào)等多方面的功能紊亂，尤其是能量失衡多種代謝相關(guān)的途徑紊亂，故代謝相關(guān)生物學(xué)標(biāo)志的研究可為衰弱的干預(yù)提供新思路。

4.1 糖代謝紊亂 糖代謝紊亂會(huì)引起能量供應(yīng)失衡、胰島素敏感性降低等，并且和衰弱密切相關(guān)。WESTBROOK等［35］發(fā)現(xiàn)，衰弱老年人的糖酵解、三羧酸循環(huán)（TCA）加快，TCA代謝產(chǎn)物（谷氨酸和γ-氨基丁酸）水平升高。TCA代謝產(chǎn)物可以通過二羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)體和其他轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制從線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)和血漿，影響機(jī)體整體健康。

4.2 脂質(zhì)代謝失調(diào) 脂質(zhì)代謝可通過調(diào)節(jié)骨骼肌質(zhì)量和功能影響衰弱的發(fā)生、發(fā)展。近年來，隨著代謝組學(xué)的興起，血清非靶向代謝組學(xué)被廣泛用于探究老年衰弱患者的脂質(zhì)代謝特征。在一項(xiàng)對英國老年人的隊(duì)列研究中，研究者通過對1 191名老年人的血清進(jìn)行非靶向代謝分析，確定了包括3種生物三烯酚與6種肉堿在內(nèi)的12種衰弱相關(guān)代謝產(chǎn)物，并利用網(wǎng)絡(luò)富集分析和統(tǒng)計(jì)建模確定了肉毒堿穿梭和維生素E代謝是與衰弱相關(guān)的兩個(gè)主要代謝途徑［2］。隨后，包括血清神經(jīng)酰胺、膽固醇和磷脂酰膽堿在內(nèi)的5種代謝產(chǎn)物與衰弱的正相關(guān)關(guān)系也被證實(shí)［36］，血清溶血磷脂酰膽堿含量也被用于預(yù)測步速下降等衰弱表型［37］。此外研究者提出脂質(zhì)代謝紊亂對衰弱的影響作用可能與線粒體電子傳遞鏈功能障礙和肌肉質(zhì)量及功能下降有關(guān)［38］。未來需要深入探究老年人脂質(zhì)代謝失調(diào)和衰弱可能存在的其他相關(guān)性。

4.3 氨基酸代謝紊亂 氨基酸通過調(diào)節(jié)機(jī)體營養(yǎng)水平、炎性因子水平、胰島素敏感性及氧化還原穩(wěn)態(tài)等機(jī)制引起肌肉萎縮和功能障礙。因此，氨基酸代謝紊亂在衰弱的發(fā)生中具有重要作用。CALVANI等［39］研究發(fā)現(xiàn)，衰弱和肌少癥患者血清中的天冬酰胺、天冬氨酸、乙醇胺、谷氨酸、瓜氨酸、肌氨酸和?；撬崴捷^高，血清α-氨基丁酸和蛋氨酸水平較低，表明衰弱和肌少癥的發(fā)生與機(jī)體氨基酸代謝失衡有關(guān)。也有研究提出，較高水平的循環(huán)氨基酸（如纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、色氨酸、血清素和蛋氨酸）是老年人肌肉質(zhì)量下降及衰弱的生物標(biāo)志物［37］。從中年的合成代謝占優(yōu)轉(zhuǎn)變?yōu)槔夏甑姆纸獯x占優(yōu)，可能造成了衰弱老年人的血清氨基酸水平升高。因此，使用血清代謝組學(xué)深入研究與衰弱老年人氨基酸相關(guān)的代謝途徑，可能會(huì)揭示衰弱老年人潛在的代謝變化與病理機(jī)制。

4.4 激素代謝失調(diào) 激素代謝與老年人衰弱有關(guān)，特別是通過對肌肉質(zhì)量和骨密度產(chǎn)生影響。

4.4.1 性激素 目前發(fā)現(xiàn)可能影響衰弱的性激素主要有游離睪酮（FT）、脫氫表雄酮（DHEA）、雌二醇（E2）。FT水平對不同性別的老年人衰弱影響不同，隨著年齡增長會(huì)出現(xiàn)程度不同的FT水平下降。HSU等［40］研究表明FT水平的下降與年齡增長相關(guān)，并與衰弱引起的能量代謝紊亂、肌肉力量下降和身體機(jī)能減弱有關(guān)。而對衰弱的老年男性進(jìn)行6個(gè)月的FT治療，可以預(yù)防與年齡相關(guān)的下肢肌肉力量減弱，并改善身體成分、功能和生活質(zhì)量，達(dá)到治療衰弱的目的［41］。DHEA能夠調(diào)節(jié)骨代謝，改善衰弱患者的體力與認(rèn)知功能，DHEA水平降低與衰弱患病率的增加有關(guān)，補(bǔ)充DHEA可以改善衰弱的肌肉骨骼癥狀［42］。CARCAILLON等［43］研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)源性E2水平隨年齡和受教育程度的升高而顯著降低，而隨BMI、CRP和日常生活活動(dòng)能力的受損而升高，有望成為衰弱的血清學(xué)標(biāo)志物。

4.4.2 其他激素代謝 血清生長激素（GH）和IGF-1水平在衰弱過程中逐漸下降，GH通過生長激素釋放激素（GHRH）/GH/IGF-1信號通路調(diào)控IGF-1水平。IGF-1在免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)中發(fā)揮著重要作用［28］。此外，IGF-1分泌下降容易導(dǎo)致神經(jīng)元衰老和骨骼肌減少，而這兩者均是衰弱的核心進(jìn)程。

4.5 氧化應(yīng)激水平失調(diào) 老年人衰弱與氧化應(yīng)激標(biāo)志物的升高和抗氧化參數(shù)（谷胱甘肽過氧化物酶、超氧化物歧化酶）的降低有關(guān)。氧化應(yīng)激可能導(dǎo)致老年人肌肉骨骼系統(tǒng)損傷，從而促進(jìn)衰弱。維生素E與衰弱呈負(fù)相關(guān)。維生素E及其代謝產(chǎn)物水平的下降可能導(dǎo)致活性氧對細(xì)胞的損傷增加［44］。MENG等［45］確定了15種衰弱人群血清生物標(biāo)志物，包括了7種抗氧化相關(guān)標(biāo)志物（乙酰肌肽、ERG、S-甲基-ERG、三甲基組氨酸、齊墩果酸、2-酮丁酸和尿酸鹽）和3種具有自由基清除劑特性的標(biāo)志物（蛋氨酸、脯氨酸和色氨酸）。LIU等［46］在一項(xiàng)前瞻性隊(duì)列研究中發(fā)現(xiàn)，衰弱的社區(qū)老年人血清中的異前列腺素、骨保護(hù)素和脂蛋白相關(guān)磷脂酶A2是氧化應(yīng)激的生物標(biāo)志物。因此，降低氧化應(yīng)激水平可能是衰弱的潛在治療目標(biāo)，未來的研究可以探討是否能通過減少氧化應(yīng)激的干預(yù)措施來預(yù)防或治療衰弱。

5 小結(jié)

衰弱是與年齡有關(guān)的穩(wěn)態(tài)失衡，臨床實(shí)踐中可以通過早期識別、早期干預(yù)延緩衰弱的發(fā)生、發(fā)展，然而，目前尚未發(fā)現(xiàn)特異性強(qiáng)、穩(wěn)定和可靠的衰弱相關(guān)生物標(biāo)志物。組學(xué)平臺的問世，使衰弱人群生物標(biāo)志物得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也促進(jìn)了該領(lǐng)域研究水平的提高。本文總結(jié)基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)的衰弱生物標(biāo)志物的研究進(jìn)展，成果有助于識別老年人早期衰弱，制訂有效的干預(yù)措施，防護(hù)衰弱。

作者貢獻(xiàn)：徐婷、季明輝負(fù)責(zé)文章構(gòu)思與設(shè)計(jì)；徐婷、陳一萌、高瑜、朱涵菲、丁玲玉負(fù)責(zé)稿件的撰寫、修改與潤色；季明輝、許勤負(fù)責(zé)稿件的質(zhì)量控制與審校。

本文無利益沖突。

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（收稿日期：2022-08-03；修回日期：2022-10-30）

（本文編輯：鄒琳）