心血管老化的機制、標志物和治療

陳映泉 鐘勇

衰老常伴隨著生理功能的進行性減退,是包括心血管疾病(cardiovascular diseases,CVDs)在內(nèi)的慢性病的主要危險因素,嚴重影響人們的生活質(zhì)量。人們在一生中總是難以避免地反復(fù)暴露于各種潛在有害刺激,這可能導(dǎo)致器官組織功能、結(jié)構(gòu)乃至整體健康的差異,使生物學(xué)年齡和時序年齡分離[1]。目前,我國CVDs的患病率處于持續(xù)上升階段,且在城鄉(xiāng)居民疾病死亡構(gòu)成比中占首位,本文旨在綜述心血管老化的發(fā)生機制、生物標志物及可能的治療方法,以期為CVDs提供更多的治療靶點。

1 心血管老化的特點

隨著年齡的增長,血管形態(tài)上呈現(xiàn)出管腔擴大、管壁增厚及僵硬度增加的特點;功能上表現(xiàn)為對收縮性因子更敏感而對舒張性因子反應(yīng)降低,且血管新生能力減退[2]。細胞衰老是血管老化的直接原因,血管內(nèi)皮細胞及血管平滑肌細胞(vascular smooth muscle cells,VSMCs)的衰老通過各種機制影響血管的結(jié)構(gòu)和功能,增加CVDs的易感性。

心臟由多種類型的細胞組成,包括心肌細胞、內(nèi)皮細胞、成纖維細胞、平滑肌細胞等[3]。衰老過程中心肌細胞數(shù)量減少、體積增大,其收縮功能受損、起搏頻率增加,并能分泌衰老相關(guān)分泌表型(senescence-associated secretory phenotype,SASP)因子,通過旁分泌途徑誘導(dǎo)鄰近細胞衰老。心臟老化常伴隨著左心室肥厚、左心室收縮功能減退,最終導(dǎo)致泵血儲備、心率儲備的減少[1]。

2 心血管老化的相關(guān)機制

2.1 細胞衰老與SASP 細胞衰老是一種與細胞類型和環(huán)境相關(guān)的異質(zhì)性表型,特征是不可逆轉(zhuǎn)的細胞周期停滯于G1/S或G2期,從而失去增殖潛能。衰老又可以分為復(fù)制性衰老和應(yīng)激誘導(dǎo)的過早衰老等亞型。心血管老化以細胞的衰老為基礎(chǔ),其參與了心臟纖維化、動脈粥樣硬化、心肌梗死等CVDs的發(fā)生發(fā)展。衰老的細胞具有復(fù)雜的SASP,可分泌各種細胞因子、趨化因子、生長因子、生物活性脂類等,參與介導(dǎo)慢性炎癥、誘導(dǎo)心臟成纖維細胞的激活等[4-5]。例如,免疫細胞的衰老可導(dǎo)致SASP釋放積累和持續(xù),加劇動脈粥樣硬化斑塊的形成。研究顯示,動脈粥樣硬化斑塊部位的衰老M1巨噬細胞釋放SASPs,可增強斑塊的氧化應(yīng)激,導(dǎo)致斑塊不穩(wěn)定和破裂;在頸動脈粥樣硬化斑塊部位發(fā)現(xiàn)衰老的Th1和Th17 CD4+輔助性T淋巴細胞數(shù)量增加,可分泌大量的IL-17、IL-21、IL-23,加速斑塊進展[6]。

2.2 端粒磨損 端粒是染色體末端的串聯(lián)重復(fù)序列,隨著每一輪體細胞復(fù)制逐漸變短。然而,有絲分裂后心肌細胞處于低增殖狀態(tài),免受復(fù)制應(yīng)激的影響,其衰老表型可能由包括氧化應(yīng)激的DNA 損傷劑誘導(dǎo),氧化應(yīng)激會優(yōu)先導(dǎo)致位于端粒內(nèi)的 DNA 損傷,稱為端粒相關(guān)灶(telomere-associated foci,TAF)。在生理衰老過程中,人類和小鼠的心肌細胞會積累TAF,通過激活p16和p21途徑誘導(dǎo)衰老,并且獨立于端?？s短而發(fā)生[7]。此外,有研究證明,白細胞端粒長度(leucocyte telomere length,LTL)與梗阻性及非梗阻性肥厚型心肌病呈負相關(guān),并與梗阻型心肌病的嚴重程度相關(guān);動脈粥樣硬化病人的LTL也比同齡健康人短[8]。

端粒逆轉(zhuǎn)錄酶(telomerase reverse transcriptase,TERT)除了可以通過維持端?？顾ダ贤?還具有獨立于端粒保存的活性。特別是,線粒體定位的TERT表達可改善線粒體功能,減少線粒體活性氧的產(chǎn)生。由于心肌細胞的有絲分裂后性質(zhì),TERT不太可能在廣泛增殖過程中上調(diào)以維持端粒;相反,TERT上調(diào)可以通過防止線粒體功能障礙和氧化應(yīng)激,從而防止DNA損傷和細胞衰老[9]。

2.3 表觀遺傳改變 DNA甲基化是最常見的DNA修飾,可作為生物年齡的標志物評估衰老程度?！氨碛^遺傳學(xué)時鐘”可基于CpG位點的甲基化水平,量化表觀遺傳漂移對細胞、組織衰老的影響[10]。

衰老細胞中也常觀察到組蛋白甲基化和乙酰化。在成年心肌細胞中,組蛋白賴氨酸去甲基化酶 4D(lysine demethylase 4D,KDM4D)表達增加,可使啟動子處H3組蛋白第9個賴氨酸三基甲基化(lysine 9 of histone H3,H3K9me3)水平下降,導(dǎo)致細胞增殖和細胞周期基因表達增加,從而逆轉(zhuǎn)細胞周期退出[11]。Sirtuins(SIRT)則是一類依賴于NAD+的組蛋白脫乙酰酶家族,SIRT1可使組蛋白去乙?；?從而在心肌細胞中抑制SASP的轉(zhuǎn)錄,在內(nèi)皮細胞中通過調(diào)節(jié)內(nèi)皮型一氧化氮合酶減少氧化損傷,適度過表達SIRT1可延緩心肌細胞衰老[12]。

非編碼RNA中的microRNAs(miRs)和lncRNA已被證實可以調(diào)節(jié)心血管的衰老及CVDs的進展。有研究表明,心臟中miRs簇(包括miR-17、miR-18a、miR-19a、miR-20a、miR-19b和miR-92a)與年齡相關(guān)性的減少,可促進心臟纖維化和硬化;此外,miR-22在老化的心臟中上調(diào)時,也會誘導(dǎo)心臟成纖維細胞加速衰老[3,13]。lncRNAs則主要通過與核糖核蛋白、miR結(jié)合,及與DNA片段結(jié)合3種機制在心臟再生和發(fā)育中起作用。例如,過表達lncRNA H19可通過抑制miR-19a刺激p53/p21信號通路來促進心肌細胞衰老; IncRNA SNHG12可與DNA依賴性蛋白激酶結(jié)合,其敲除可導(dǎo)致DNA損傷修復(fù)受損,從而加速血管老化及動脈粥樣硬化的形成[3,14]。

2.4 線粒體功能障礙和氧化應(yīng)激 線粒體功能障礙、活性氧自由基(reactive oxygen species,ROS)產(chǎn)生增加以及相關(guān)的氧化應(yīng)激會激活DNA 損傷反應(yīng)并導(dǎo)致衰老。老年小鼠的心肌細胞表現(xiàn)為大多數(shù)線粒體基因的表達下降,包括那些涉及電子傳遞鏈的基因。在衰老過程中,線粒體形態(tài)經(jīng)歷了融合和分裂的動態(tài)變化,其中Mfn1/Mfn2介導(dǎo)融合,Drp1介導(dǎo)分裂。一項研究表明,與單獨敲除心肌細胞Drp1或單獨敲除Mfn1/Mfn2的小鼠相比,同時敲除Mfn1/Mfn2/Drp1的小鼠存活時間更長,并且表現(xiàn)為一種獨特的心臟肥厚病理形式,說明線粒體分裂和融合過程的失衡比其動力學(xué)的整體中斷更有害[15]。此外,線粒體自噬是線粒體質(zhì)量的控制途徑。有研究證明,在心臟中,必要的自噬基因Atg9的表達隨著小鼠年齡的增長而下降[16]。自噬調(diào)節(jié)因子Parkin的過表達則可恢復(fù)線粒體自噬,有效延緩心臟衰老[17]。

2.5 其他心血管老化的可能機制 衰老誘導(dǎo)是公認的化療反應(yīng),癌癥幸存者總體上表現(xiàn)出加速的衰老表型,通常表現(xiàn)為包括心臟事件在內(nèi)的與衰老相關(guān)的合并癥增加。蒽環(huán)類藥物是研究最深入的引起心臟毒性的化療藥物之一,常用藥物阿霉素以DNA損傷為主要治療機制,可在體外誘導(dǎo)成纖維細胞和心肌細胞衰老。研究表明,心肌細胞特異性過度表達 TERT可以通過防止線粒體功能障礙和ROS生成,從而避免阿霉素誘導(dǎo)的心臟功能障礙。由此可見,明顯的DNA損傷特性加上線粒體功能障礙和(或)ROS是心肌細胞衰老的驅(qū)動因素[9,18-19]。

此外,病毒感染可能與心血管老化相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn),急性心血管并發(fā)癥與嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒 2(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2,SARS-CoV-2) 感染有關(guān),且年齡是感染后死亡和發(fā)病的最大風(fēng)險。雖然SARS-CoV-2與衰老之間的相互作用尚未完全了解,但有研究表明,消除衰老細胞可提高老年冠狀病毒感染小鼠的存活率,由此可見,病毒感染可能通過誘導(dǎo)心血管老化導(dǎo)致心血管事件的發(fā)生[20]。

3 心血管老化的標志物

衰老細胞具有高度的表型異質(zhì)性,完全特異性的生物標志物很難被發(fā)現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn),β-半乳糖苷酶(SAβ-galactosidase,SA-βgal)、p16在人動脈粥樣硬化斑塊的內(nèi)皮細胞和VSMCs中均有高表達。目前,鑒定心血管老化最常用的組合是測量pH 6.0時SA-βgal和p16INKA的表達。

心血管系統(tǒng)細胞的SASP以抗增殖蛋白、炎性細胞因子、基質(zhì)金屬蛋白酶、黏附分子和SIRT的合成變化為特征。其中,炎性細胞因子中的IL-6和IL-8廣泛存在于各種衰老細胞類型中,被認為是普遍存在的衰老標志物;但IL-6和IL-8也參與各種炎癥和免疫反應(yīng),并不是衰老細胞特有的。趨化因子配體1(melanoma growth-stimulatory activity,CXCLI)、粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子(granulocyte-macrophage colony-stimulating factor,GM-CSF)、金屬蛋白酶等SASP因子特異性也不強。因此SASP因子不適合單獨作為心血管系統(tǒng)細胞衰老的生物標志物,但有時候也可以被用作一種差異性衰老細胞的生物標志物[21]。

此外,LTL與肥胖、血脂、血壓和炎癥生物標志物等多種CVDs危險因素密切相關(guān),LTL縮短與血管細胞衰老、主動脈瓣狹窄和動脈粥樣硬化血栓形成風(fēng)險增加相關(guān),可作為心血管老化的生物標志物[22]。

抑癌基因p53/p21、增殖標記蛋白Ki-67、載脂蛋白J、衰老相關(guān)異染色質(zhì)聚集、層粘連蛋白B1和層粘連蛋白B受體等特異性較低的細胞衰老生物標志物可以被用作補充[6,23]。

4 抗心血管老化的治療方法

4.1 衰老細胞清除劑 很多動物研究已經(jīng)證明,消除體內(nèi)積累的衰老細胞可以延長健康壽命。酪氨酸激酶抑制劑達沙替尼和類黃酮槲皮素是首批測試用于治療CVDs的藥物。這些藥物均可以通過激活A(yù)MPK、sirtuin1-PINK1介導(dǎo)的線粒體自噬和NRF-NF-κB信號通路誘導(dǎo)的細胞凋亡,從而消除衰老的內(nèi)皮細胞和VSMCs[4]。研究證明,槲皮素和達沙替尼聯(lián)合給藥可改善老年小鼠左心室收縮功能,同時可以改善血管舒縮功能并減輕主動脈鈣化[3]。此外,槲皮素和達沙替尼聯(lián)合給藥后觀察到血管內(nèi)皮功能和血管平滑肌對硝普鈉的敏感性顯著改善,但對平滑肌收縮功能沒有任何影響[24]。

BCL-2家族蛋白抑制劑(BH3類似物)可選擇性清除衰老細胞,使衰老的組織干細胞恢復(fù)活力。研究證明,ABT263可消除老年小鼠衰老的心肌細胞,并減少纖維化和心肌細胞肥大;改善心力衰竭小鼠左心室收縮功能;也可促進心肌梗死后小鼠衰老心肌細胞的清除,改善心臟舒張功能,提高小鼠存活率;并能顯著預(yù)防接受高脂肪飲食的 Ldlr-/-小鼠主動脈粥樣硬化的發(fā)生[24-25]。

強心苷(cardiac glycosides,CGs)對動脈粥樣硬化具有潛在的抗衰老作用,其作為 Na+-K+-ATP 酶的抑制劑,可促進細胞膜去極化和細胞質(zhì)酸化。衰老細胞對CGs誘導(dǎo)的細胞凋亡敏感,因為它們表現(xiàn)出去極化的質(zhì)膜和比非衰老細胞更低的pH值。也有研究發(fā)現(xiàn),洋地黃毒苷具有抗衰老特性,其用藥劑量與治療心力衰竭和心房顫動的劑量相似[26]。

此外,阿螺旋霉素作為HSP90抑制劑已被證明可降低p16INKA表達,延長早衰小鼠的壽命并改善小鼠的動脈粥樣硬化[24,27]。β-羥基丁酸通過與異構(gòu)核糖核蛋白A1(heterogeneous nuclear ribonucleoprotein particle A1,HNRPA1)相互作用上調(diào)Oct4的表達,誘導(dǎo)細胞靜止來防止血管細胞衰老,減輕小鼠主動脈老化[28]。溶酶體SA-βgal前藥SSK1可被SA-βgal特異性激活,獨立于衰老誘導(dǎo)物和細胞類型選擇性地消除衰老細胞[29]。

其他正在研究的非常規(guī)治療方法包括各種抗炎和免疫調(diào)節(jié)方法(免疫療法、抗體和疫苗),這些方法可以抑制 CVDs 相關(guān)的炎癥途徑,目前主要集中于動脈粥樣硬化性心血管疾病。例如,尿激酶型纖溶酶原激活物受體是一種在衰老過程中被廣泛誘導(dǎo)的細胞表面蛋白,其特異性CAR-T細胞可有效地消融衰老細胞[30]。一種主要靶向表達高水平GPNMB的內(nèi)皮細胞的抗衰老疫苗,也被證實可減少肥胖和動脈粥樣硬化小鼠模型的動脈粥樣硬化斑塊負擔(dān)和代謝功能障礙[31]。

4.2 SASP抑制劑 SASP抑制劑可以通過抑制NF-κB信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、JAK-STAT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶mTOR、線粒體復(fù)合體1/線粒體復(fù)合體4相關(guān)的靶標或參與SASP誘導(dǎo)和維持的其他通路,直接或間接減少衰老細胞的SASP[32]。例如,二甲雙胍不僅可以增強自噬,而且可以減少SASP,從而改善衰老VSMC的增殖和遷移,減少動脈斑塊的形成[33]。雷帕霉素及其類似物可通過誘導(dǎo)自噬抑制衰老,抑制內(nèi)皮細胞和成纖維細胞中的SASP。此外,他汀類藥物、利伐沙班、一些草藥提取物(如白藜蘆醇)、小分子物質(zhì)(如ML324)、激素(如褪黑素、雄激素、雌激素、雌二醇和糖皮質(zhì)激素等)也顯示出抗SASP的活性[4,24]。

4.3 外源性細胞為基礎(chǔ)的產(chǎn)品 衰老過程伴隨著干細胞數(shù)量和功能的下降,外源性干細胞及其細胞外囊泡可以清除衰老細胞的活性并在心臟保護中發(fā)揮重要作用。骨髓源性間充質(zhì)干細胞可清除衰老細胞并改善衰老小鼠的心功能,多能干細胞可防止心肌細胞源性細胞應(yīng)激誘導(dǎo)的衰老。而干細胞細胞外囊泡不僅具有強大的抗衰老活性,也更不容易發(fā)生排斥或?qū)е履[瘤形成[4]。研究證明,鈉-葡萄糖共轉(zhuǎn)運蛋白抑制劑恩格列凈預(yù)處理的間充質(zhì)干細胞外囊泡可通過抑制心肌凋亡顯著改善心肌梗死后的心臟修復(fù),miR-214-3p通過AKT信號通路部分介導(dǎo)了其心肌保護作用[34]。

4.4 基因治療 端?？s短是細胞衰老的重要機制,編碼端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶的Tert基因可能成為干預(yù)衰老的一個靶點。此外,NF-κB是炎癥的中樞介質(zhì),被認為是SASP的主要調(diào)節(jié)因子,其抑制基因IκBα已被確定為潛在的治療靶點。編碼血管內(nèi)皮生長因子的VEGF基因是干預(yù)衰老的另一個靶基因,可通過再生或修復(fù)血管延緩血管老化。

衰老是一個整體性過程,組合基因療法可能產(chǎn)生更大的保護價值。利用腺相關(guān)病毒載體介導(dǎo)FGF21、TGFβR2、αKlotho的共表達可以減輕包括心臟在內(nèi)的多個與衰老相關(guān)的器官缺陷。

4.5 生活方式的干預(yù) 不良的生活方式,如熬夜、過多熱量攝入可以加速衰老,而適量運動、健康飲食則可以延緩衰老的進程。適度運動可能通過調(diào)節(jié)線粒體功能、炎癥、SASP和調(diào)脂作用對免疫衰老和與年齡相關(guān)的疾病產(chǎn)生有益影響。飲食干預(yù)還可以通過表觀遺傳改變和修改腸道微生物種群來影響與年齡相關(guān)的健康[4]。

5 結(jié)論和展望

年齡是CVDs的獨立危險因素,而處于相同年齡的不同個體心血管生物年齡也可能有較大的差別,這說明衰老可導(dǎo)致正常組織功能的喪失進而導(dǎo)致疾病的發(fā)生發(fā)展,而疾病也可能反過來加速生物體衰老的速度。我們對心血管老化研究的最終目的就是找到合適的干預(yù)手段影響其進程,以期延緩CVDs的進展,然而很多問題亟待解決。首先,衰老是一個整體的、復(fù)雜的生物學(xué)過程,其發(fā)生機制間具有強相關(guān)性,如何采取干預(yù)措施延緩衰老進程的同時又不妨礙正常的組織功能需要進行綜合考慮。此外,細胞衰老具有高度表型異質(zhì)性,目前尚未發(fā)現(xiàn)完全特異性的標志物鑒定不同衰老細胞的存在及器官老化的程度,這也為心血管老化的靶向治療帶來了難度。目前很多針對心血管老化的藥物治療、細胞替代治療、基因治療尚處于臨床試驗甚至是實驗室階段,安全性、有效性還有待評估。