自由基、炎癥與衰老

夏世金 孫濤 吳俊珍

自由基（free radicals）是生命科學的研究熱點，1956年美國的Harman［1］將輻射化學中的自由基概念引入生物領域，提出了著名的自由基學說（free radial theory）。活性 氧 （reactive oxygen species，ROS）是機體內最常見的自由基。人體的自由基以氧自由基為主。過量的自由基誘發機體氧化反應，可損害機體的組織和細胞，進而導致衰老，于是Harman提出了著名的自由基衰老學說（free radical theory of aging）［1－2］。氧化應激導致生物分子的氧化損傷，引起機體內源性損傷相關分子模式（damage－associated molecular patterns，DAMPs）產生和細胞因子釋放［3］。細胞因子能激活模式識別受體（pattern recognition receptors，PRRs）下游的信號通路，如核因子κB （NF－κB）、JAK、STAT 和MAPK等，導致細胞因子和趨化因子釋放增加，招募和激活更多的炎性細胞，引起機體系統性慢性炎癥反應。基于氧化應激與炎癥、衰老的密切關系，De la Fuente等［4］提出了氧化－炎癥衰老學說（oxidation－inflammation theory of aging，oxi－inflamm－aging），并認為氧化應激導致炎性衰老。自由基、炎癥和衰老三者關系密切且錯綜復雜，已受到學者的高度關注。

1 自由基與炎癥

自由基是指單獨存在的、具有配對價電子的離子、原子、分子基團，共同特征是最外層電子軌道上具有不配對電子，主要特點是性質活潑和反應性強。自由基是機體內的一種不可或缺的具有雙刃劍性質的活性元素，對生物體既有益又有害。通常生物體內存在一套完整的抗氧化體系，抗氧化系統能夠清除自由基，使自由基的生成與清除處于動態平衡狀態，維持自由基的代謝平衡。正常情況下，自由基在抗菌、消炎和抑制腫瘤等方面具有重要意義。但是，當機體受到某些疾病或外源性物質攻擊后，自由基代謝異常，從而誘發脂質過氧化反應，并可致組織細胞發生氧化應激性損傷［5］。

在正常代謝過程中細胞呼吸鏈產生高反應活性的自由基，尤其是ROS自由基。為應對氧化毒性，細胞通過多種抗氧化機制阻止ROS的形成或中和其代謝過程中所產生的ROS。當ROS的生成量超過細胞抗氧化清除的能力，細胞因ROS過量堆積而引起異常炎癥反應［6］。

在免疫激活和效應階段，消滅外來或改變的自身抗原的同時，機體出現炎癥狀態。氧化和炎癥在維持機體穩態的免疫反應過程中密切相關。適度的ROS有利于免疫系統執行防御功能，ROS既可作為化學武器消滅惡性細胞和病原體，又能調節免疫反應過程中抗體、細胞因子等表達。免疫細胞的細胞膜具有脆弱的結構特征，因此比其他細胞更易遭受氧化應激的損傷［7］。氧自由基是炎癥反應的效應器，氧自由基的過度產生能通過PRRs和非PRRs途徑誘發炎癥反應［8］。

自由基與慢性炎癥反應有著密切的關系。慢性炎癥反應過程可導致氧化應激的增強和胞內抗氧化能力的降低，過量生成的自由基可作用于細胞的膜脂，損害蛋白的結構和功能，導致DNA的突變。自由基所致的氧化應激可以通過不同的機制增加細胞因子的產生，含氧衍生物作為第二信使激活轉錄因子NF－κB和激活蛋白1（AP－1），細胞膜上的還原型輔酶H（NADPH）氧化酶復合物的氧化作用產生ROS放大氧化應激反應，從而進一步刺激炎癥細胞的激活，因此氧化應激和炎癥反應之間形成螺旋上升的惡性循環［9］。炎癥狀態與氧化應激狀態密切相關，NF－κB是聯系炎癥和氧化應激的關鍵［9］。AP－1參與調控廣泛的生理過程包括細胞的增殖、凋亡、存活和分化［10］。ROS和胞內氧化還原狀態特別是巰基的平衡態可直接影響 AP－1的活性［11］。AP－1基因的表達同樣可受到細胞因子的調控［12］。NF－κB 是一種非常特殊的轉錄因子，可以被多種病理因素激活，參與調控眾多炎癥因子基因表達，是多種促炎癥基因轉錄的必需因子［13］。同時，NF－κB對參與炎性反應放大與持續（即級聯瀑布樣效應）的多種酶（如iNOS、COX－2等）基因的表達也具有重要的調控作用［14］。NF－κB 的適度活化對于機體抵御各種因素的危害具有重要意義，但同時由于NF－κB的過度活化活化又可誘導細胞因子如IL－1β、黏附分子、免疫受體、炎癥相關酶類的表達，從而形成炎癥反應的惡性循環［15］。氧自由基可加快巨噬細胞遷移，引起炎癥和促纖維化細胞因子的釋放，從而進一步刺激ROS 產生［16］。過多的 ROS可通過激活對氧化還原狀態敏感的轉錄因子NF－κB和AP－1來促進促炎細胞因子的表達，從而進一步上調與炎癥有關的基因產物如VCAM－1、ICAM－1及 MCP－1的表達，加劇炎癥反應。因此，氧化應激誘導細胞因子的產生很可能會進一步提高氧化應激強度，從而形成惡性循環。

氧化應激與腫瘤壞死因子－α（TNF－α）的關系十分復雜，TNF－α可誘導氧自由基的產生，促進中性粒細胞“氧化爆發”，產生氧自由基等ROS介質并導致組織損傷，而ROS也可以增加TNF－α的水平。TNF－α可以激活 NF－κB通路介導的炎癥介質的轉錄和表達，通過NF－κB通路誘導多種炎癥介質在血管內皮細胞和系膜細胞中的表達，形成一個自分泌增強的回路，并借此加重炎癥損傷程度，促進炎癥的發生和發展［17］。

自由基所致的氧化應激與炎癥通過調控轉錄水平進而相互影響，形成自由基－氧化應激－炎癥－氧化應激－自由基的惡性循環。氧化應激是炎癥過程中的伴隨現象，通過氧化加重炎癥反應，炎癥通過炎癥介質促進氧化。

2 自由基與衰老

在正常情況下，細胞內自由基的產生與清除處于動態平衡狀態，隨著年齡的增長，這種平衡漸漸遭到破壞，結果自由基的濃度超過了“閾值”，鏈式的自由基反應使得DNA、蛋白質，尤其是多不飽和脂肪酸等大分子物質發生變性和交聯，損傷細胞器、細胞膜等結構，導致生物體的氧化應激傷害，最終出現衰 老 與 死 亡［18］。 因 此，Harman［1－2］提出自由基衰老學說，可以概括為線粒體產生的ROS過量／ROS的防御能力減弱之間矛盾的激化，最終導致衰老。1994年，Barja等［19］指出單位耗氧量產生的ROS越少，壽命越長。使用藥物或營養素、限食（calorie restriction，CR）、運動是延緩衰老的有效措施［20］，都能增加抗氧化能力和降低ROS的產生，成為自由基衰老學說的有力支 撐［21－23］。自由基 衰 老 學說基本反映了生物衰老的普遍規律，但目前新的研究證據對該學說提出了嚴峻挑戰。Harman認為細胞代謝率越低，產生的ROS越多，引起衰老，但 Ristow 等［24］在研究老化的模式生物線蟲時發現，CR延緩衰老是通過誘導線粒體代謝率和增加ROS的產生來實現的。Sesso等［25］經過長達8年的隨機調查得出這樣的結論：抗氧化劑維生素C和維生素E不能有效地預防心血管疾病，維生素E甚至增加了缺血性中風的患病概率，自由基理論似乎被動搖了，然而2011年，權威雜志報道，低濃度ROS能誘導性啟動許多保護機制，例如激活細胞氧化還原敏感元件以及相關信號通路，從而穩定地、全面地、長效地提高機體抗氧化能力，最終祛病延壽［26］。因此，一般而言，低濃度抗氧化劑起抗氧化作用，高濃度時則起促氧化作用。

3 炎癥與衰老

隨著年齡的增長，機體中出現一種促炎癥反應狀態進行性升高狀態（a chronic progressive increase in pro－inflammatory status ），Franceschi等［27］首次將這個現象命名為炎性衰老。炎性衰老對應的英 文 名 詞 最 先 是 inflamm－aging［27］，后 來 的 文 獻 出 現 inflammaging［28］、inflamm－ageing［29］和inflammageing［30］等。夏世金等［31］首先將“inflamm－aging”翻譯成中文名詞“炎性衰老”，并率先在國內開展了一系列炎性衰老機制與干預的研究［32－36］。

炎性衰老與多種老年病密切相關［37］。老年人體內促炎因子與抗炎因子出現消長變化，最終表現為促炎反應的過度，炎癥穩態失衡而致炎性衰老［38］。Salvioli等［39］研究表明：促炎癥細胞因子在慢性炎癥所致的機體的炎癥衰老中發揮著重要的作用。老年人血清中白介素－6（IL－6）和 TNF－α水平的升高與疾病、殘疾和死亡率有關。大量人群研究表明：血清IL－6水平可作為老年人功能殘疾的可靠標志，也可作為老年人炎性衰老的預測指標。從健康老年人實驗可知，衰老與高促炎癥反應狀態相關，高促炎癥反應狀態產生的原因是循環中促炎癥介質，包括IL－1、IL－6、TNF－α和前列腺素 E2（PGE2）水平的升高［40］。衰老與炎癥是緊密聯系的事件，因此有學者建議把慢性炎癥作為衰老的生物標志物［41］。最近研究發現，下丘腦是小鼠整體炎癥的主要部位，IKK－β、NF－κB等炎癥關鍵分子明顯激活［42］。

促炎細胞因子能誘導細胞衰老。促炎細胞因子（如TNF－α、IFN－β、IFN－γ等）通過產生 ROS和激活ATM／p53／p21（WAF 1／Cip1）信號通路誘導上皮細胞衰老［43］。趨化因子受體CXCR2通過p53通路誘導成纖維細胞衰老，DNA損傷激活NF－κB等信號通路產生促炎細胞因子（IL－1、IL－6、IL－8等），從而阻滯細胞周期，誘導和維持細胞衰老表型［44］。分泌TNF和IFN－γ的CD4＋Th1細胞能抑制侵襲性β細胞瘤的生長，其機制是引起細胞衰老，上調衰老標志蛋白p16的表達［45］。

NF－κB是炎癥信號通路的分子開關。研究發現：長壽基因SIRT1可以 與 NF－κB 的 Rel／p65 亞 基 結合，使K310去乙酰化而抑制NF－κB的轉錄活性，NF－κB能調控衰老［46］，SIRT1可通過調控NF－κB發揮干預衰老的作用［47］。去乙酰化酶SIRT6在調節TNF－α的分泌中起關鍵的作用，能明顯增加雄性小鼠的壽命［48］。上述結果表明，干預炎癥對延緩衰老具有重要的意義。

4 自由基、炎癥、衰老三者之間的關系

總之，自由基可以導致炎癥穩態失衡，后者又引起自由基過量產生；自由基穩態失衡可以導致衰老，而衰老又引起自由基代謝平衡破壞；衰老進程中出現炎癥穩態失衡，而炎癥又可導致衰老。自由基?炎癥?衰老?自由基互為因果，關系錯綜復雜。

NF－κB、TOR、RIG－I、JNK、Notch、Sirtuins、TGF－β、Wnt、Ras、Insulin／IGF－1等信號通路可調控炎癥和衰老。這些調控信號通路可能是自由基、炎癥、衰老三者之間聯系的樞紐，有待深入研究。

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