浅谈衰老

董碧蓉

国家老年疾病临床医学研究中心(四川大学华西医院),成都 610041

衰老几乎是生物的普遍特征,从医学角度出发,并没有把衰老一词看作或者定义为一种疾病,但衰老被证实是多种疾病的高危因素,例如:肌少症、癌症、心脑血管疾病、骨关节炎、阿尔茨海默病、神经退行性病变。本文就衰老展开论述。

1 影响衰老相关因素

1.1 细胞复制、端粒缩短和DNA完整性 细胞衰老最初是针对可复制细胞进行描述的,仍主要与具有复制能力的机体细胞有关,目前研究表明机体衰老过程与不同组织和器官中细胞的更新速率之间没有明确的关联[1-2],这说明了细胞衰老和机体衰老这两个过程的相对独立性。主要的有丝分裂后形成的器官,以成人的大脑组织为例,与复制器官一样,同样会发生与年龄相关的功能减退、功能障碍[3]。

人体细胞中端粒位于染色体末端,由于受末端复制机制的影响,端粒随着细胞分裂周期不断缩短,当到达一定临界程度时被认为是细胞衰老的关键驱动因素,导致最终增殖停滞的DNA损伤反应[4]。有比较显示,在不同物种甚至个体间的绝对端粒长度可以独立于年龄且存在很大差异,而且通常与它们的寿命呈弱相关[5-6]。因此绝对端粒长度在衰老中的作用存在争议,但是有证据表明端粒缩短率而不是绝对端粒长度可能是将端粒与衰老过程联系的更好预测指标[7]。

衰老细胞似乎在单细胞水平上具有异常大量的DNA损伤,若损伤得不到正确修复,损伤积累可能直接导致衰老相关的疾病发生。尽管生物体中的每个细胞都存在DNA改变,但只有有限的一部分会表现为衰老,因此细胞衰老对机体衰老过程的相对作用大小仍待研究[8-10]。

1.2 炎性衰老和免疫影响 随着机体衰老,细胞、体液免疫及炎症因子可能会出现异常并可累及神经、内分泌网络。在机体自然衰老过程中促炎和抗炎抵消失衡,会出现低级化、慢性、系统性的炎症反应状态,该状态进行性增高的现象被称为炎性衰老[11]。在衰老过程中炎症老化和机体免疫衰老之间存在错综复杂的相互关系,这两种免疫过程相互影响[12-13]。炎症老化表明以激活的巨噬细胞或小胶质细胞为代表的促炎活性增加,而免疫衰老是年龄较高的适应性免疫系统的精确度和活性降低,其原因是胸腺退化和T淋巴细胞亚群的变化[14]。尽管两者存在相互影响和调节相似性,但这两个过程涉及不同的免疫学方面[15]。研究表明衰老细胞能够逃脱免疫清除,通过人类白细胞抗原(HLA)-E介导的自然杀伤细胞(NK)和CD8+细胞抑制促炎细胞因子的旁分泌[16]。衰老细胞的积累曾被认为引发衰老,但这也可能意味着衰老细胞是衰老过程的结果[17]。

1.3 代谢衰老 单磷酸腺苷活化蛋白激酶(AMPK)在调节细胞能量平衡中起着重要作用。AMPK响应细胞内腺嘌呤核苷酸水平的变化,通过AMP/ADP的增加被激活。AMPK的激活会增加分解代谢途径的速率,并降低合成代谢途径的速率,且随着生物体的衰老其活性逐步下调[18]。AMPK除了具有维持细胞内能量平衡的作用外,还调节全身的能量代谢,在衰老过程中起着重要作用。

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)是一种氧化还原反应的辅酶,是能量代谢的中心。NAD可以直接或间接地影响许多关键的细胞功能,包括代谢途径、DNA修复、染色质重塑、细胞衰老和免疫细胞功能。这些细胞过程和功能对维持组织和代谢稳态以及健康老龄化至关重要,许多与衰老相关的疾病都可以通过恢复NAD水平来减缓甚至逆转[19]。

mTOR通路,其在维持细胞和生理稳态方面起到核心作用。mTOR通路整合一系列不同的环境信号,如生长因子信号和营养状态,来指导真核细胞的代谢生长。mTOR信号通路图谱揭示了mTOR通过调节包括蛋白质合成和自噬在内的关键细胞过程,通过该过程mTOR调节控制生物量的积累和代谢与衰老密切相关[20]。

下丘脑是连接神经内分泌系统和生理功能的关键大脑区域。下丘脑介导衰老进程,其细胞机制包括营养感知失调、细胞间通讯改变、干细胞衰竭、蛋白酶稳定丧失和表观遗传改变[21]。

表观遗传可以在不改变DNA 序列的情况下影响基因表达,而不是通过染色质修饰。表观遗传学的作用方式主要有:DNA甲基化,组蛋白乙酰化、甲基化、磷酸化和泛素化,非编码RNA调控等[22]。神经退行性疾病与衰老过程密切相关,双胞胎研究表明,表观遗传通过较高的甲基化水平,影响了神经退行性疾病的发生和进展[23-24]。阿尔茨海默病(AD)和帕金森病(PD)描述了两种不同形式的神经退行性疾病,被发现与表观遗传修饰有关[25]。研究表明,不同的表观遗传机制在衰老生物中富集,包括组蛋白变体的积累以及组蛋白和异染色质的丢失[26]。

2 衰老的跟踪和评估

建立特定的衰老生物标志物那么就可以实现不断跟踪评估的目的。几种形态和分子标准以及评估模式已被用于识别增殖阻滞的衰老细胞和机体衰老。衰老的一些形态学、分子标准和评估方法:(1)细胞形态的改变,衰老细胞通常是变大、扁平、多空泡和多核的细胞形态;(2)周期蛋白依赖性激酶(CDK)抑制剂,p16INK4a/Rb和(或)p53/p21Cip1。其中p16INK4a被认为是最好的衰老标志物之一,因为它在早期胚胎发育中受到抑制,并在衰老过程中逐渐诱导[27],进一步为细胞衰老和机体衰老之间的功能相互依赖提供了联系。在衰老的背景下,p16INK4a的表达减少与年龄相关的功能衰退的逆转有关。(3)衰老相关β-半乳糖苷酶(SA-β-Gal)的活性增加。神经元细胞原代培养中SA-β-Gal的表达增加伴随着DNA损伤的频率的增加和修复能力的受损[28]。尤其是在神经元结构中,使用SA-β-Gal作为细胞衰老的指标可能是非常重要的[29]。(4)DNA损伤累积,DNA损伤强烈地促进衰老,并导致衰老加速。同样一些涉及DNA修复缺陷的遗传综合征与早衰有关[30]。(5) 衰老相关异染色质病灶(SAHF)的积累。(6)早幼粒细胞白血病蛋白(PML)核小体和“增强衰老的DNA片段”(DNA-scar)的积累。(7)基质辅助激光解吸/电离成像质谱法,该方法曾用于研究老化和骨关节炎马软骨切片中不同成分的空间分布[31],为研究软骨中的特定肽和区分衰老与年龄相关疾病提供了新方式。(8)生物标志物的参考区间。将老年人的实验室结果与年轻人的参考值进行比较是不恰当的。这可能会产生误导,因为正常情况可能看起来是病态的或者相反状态,从而导致不必要的治疗。使用年轻人的参考区间来诊断体弱的老年人缺乏相关性,有必要更好地调整制定生物标志物参考区间,以适应特定人群,特别是老年人。(9)剪接因子。人类的剪接随年龄而变化,特别是剪接因子(SF)表达的年龄相关变化。衰老原代细胞和血液中剪接因子随年龄存在差异表达[32]。(10)运动活动模式评估。有一项横断面研究来分析年龄对步态特征的影响,老年人较低的平衡能力在衰老的早期就可以检测到[33]。运动轨迹的统计描述,并将时间序列转化为代表每个参与者生理状态的向量,沿着老化轨迹行进的距离描述为生物年龄的自然测量,可能证明个人剩余寿命和健康寿命的关联[34]。(11)动态机体状态指标(DOSI)。DOSI通过单一变量来描述机体状态,其是以对数形式转换的全因病死率预测模型。在生命后期,DOSI沿着个体老化轨迹捕获的有机体状态的动力学与缓慢老化的随机过程的动力学是一致的,DOSI变异性的增加与年龄呈近似线性关系,可以用机体状态恢复时间的增加来解释,而机体状态恢复时间是老化的独立生物标记和弹性的特征[35]。

3 衰老是否百害无一利

有证据表明在机体发育过程中以及对应激和病理事件的反应中,衰老可以对机体起着有益的作用。衰老细胞在组织和器官中的长期过度和异常积累会影响再生能力,并产生促炎环境,从而影响衰老相关疾病的发作和进展[36]。细胞衰老的急性诱导可以抑制肿瘤发生,程序性衰老伴随着衰老细胞的清除和组织重塑,对机体发挥有益的作用[37]。衰老的有益方面还体现在代谢过程。p16INK4a诱导胰腺β细胞衰老,但它同时刺激了胰岛素分泌和线粒体活化,从而改善了葡萄糖体内平衡,这表明衰老和胰岛素、胰岛素样生长因子之间存在双向正相关[38]。

细胞衰老也参与组织修复。针对肝损伤,活化的鼠肝星状细胞群增殖,从而刺激细胞外基质降解酶代表的SASP成分,招募免疫细胞,并限制纤维化进程[39]。小鼠衰老的成纤维细胞和内皮细胞可促进皮肤损伤的愈合[40],而衰老细胞的去除损害了小鼠的皮肤修复。

在物种水平上,老化可能是一种防止特定环境过度拥挤和“为群体利益节约资源”的手段,或者通过加速世代更替来促进进化变异[41]。在经典的衰老进化理论的背景下,随着年龄的增长,生殖后存活率增加,青少年病死率下降,这可以用代际转移效应来解释[42]。

4 干预衰老

衰老在一定程度上受到外部因素、遗传、转录因子的控制、调节,那么是否对这些因素进行干预就可以达到干预衰老的目的。出于对抗衰老和增加寿命的目的,“减缓”和“重编程”的2种策略被提出。最强的“减缓”或“延迟”是通过热量限制引起的高度保守的适应性应激反应实现的,涉及多效性代谢、抗氧化和抗炎等方面[43]。“重编程”是通过靶向基因调控实现的,如通过调节去乙酰化酶或干扰mTOR 相关通路(也是热量限制的效应器),对衰老过程和寿命产生影响[44-45]。

衰老的表观遗传变化在细胞衰老和机体衰老中作用的发现也为衰老的干预开辟了新的途径,正如衰老细胞的表观遗传的重编程,这种方法可能“恢复”了正在经历复制性衰老的细胞,并使时间性衰老倒退[46]。

干预端粒酶过表达。端粒酶活性在胚胎发育期间很高,但在细胞和组织分化后迅速下降。端粒酶的过度表达已被证明可以逆转包括中枢神经系统在内的多种组织中的几种衰老表型,并延长寿命[47]。

衰老细胞代谢活跃,具有强大的衰老相关分泌表型(SASP)[48],其作用是诱使免疫清除,并在衰老和年龄相关疾病中发挥因果作用,其可使衰老细胞在疾病的解剖部位积累,于是提出了旨在通过相关抗衰老药物清除衰老细胞的治疗方法[49]。抗衰老药物是指在衰老细胞中引发凋亡同时不伤害非衰老组织的药物[50]。许多可用的衰老药物仅针对衰老细胞的亚群,而不区分有益和有害的衰老程序[51]。

此外,还可以通过减少SASP的负面影响的方法干预衰老。例如,通过抑制多效性转录因子NF-κB(SASP的驱动因子),它的抑制可能是对抗炎症衰老、免疫衰老和积极影响衰老表型和寿命的有希望的靶点[52]。一些延长寿命的化合物,如雷帕霉素、白藜芦醇和二甲双胍,已被证明可以降低SASP因子水平[53-54]。

5 关于衰老的展望

机体衰老导致罹患多种慢性疾病及死亡的风险增加,这些风险在生命的最后1/4呈指数增长[55]。随着年龄的增长,衰老是疾病和病症负担增加的“根本原因”,这是发达国家和发展中国家大部分疾病发病率、病死率和健康成本高的重要原因[56]。衰老机制复杂,有内因遗传因素和外在环境因素影响,随着单细胞测序、高通量的组学分析技术、组学技术等新兴技术的应用,开展归因分析研究也是未来研究热点。

我们必须对人体衰老的驱动因素有更深入的了解,以进一步提高研究衰老背后机制的水平,发现药物靶标转化研究成果进而开发有效的治疗机体衰老的相关药物,以预防、延缓或减轻多种与衰老相关的疾病,进而预防、延缓甚至逆转机体衰老。