衰老個體骨骼肌蛋白質代謝相關問題

夏　志　趙　艷　尚畫雨　張　丹　蘇全生　孫君志

(井岡山大學體育學院，江西　吉安　343009)

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衰老個體骨骼肌蛋白質代謝相關問題

夏志趙艷1尚畫雨2張丹3蘇全生4孫君志4

(井岡山大學體育學院，江西吉安343009)

肌少癥(Sarcopenia)；衰老；骨骼肌；蛋白質代謝

衰老個體的骨骼肌蛋白質代謝調節是世界體育科學和老年學研究領域近年來興起的熱門話題〔1〕。然而，通過比較國內外相關研究成果也暴露出一系列令人疑惑且值得推敲的問題。本文擬就目前相關研究中的幾個突出問題進行一個初步的梳理與分析。

1　肌少癥(Sarcopenia)之溯本求源

衰老個體肌肉的衰減現象最早為著名英國神經學家MacDonald Critchley所發現〔1〕，而后由Rosenberg〔2〕將這一現象定義為Sarcopenia。關于Sarcopenia綜合征的定義仍有爭議。分歧點主要在于隨衰老而發生的骨骼肌功能(力量和動作性能)降低是否應作為Sarcopenia綜合征的一部分。Clark等〔3〕于2008年提出Sarcopenia僅能表示肌肉的減少，而至于骨骼肌的力量則應用希臘語中表示力、動力的Dyna結合表示損失、損耗的Penia組成Dynapenia一詞以表示隨年齡而發生的力量下降。不僅從詞源角度來說，Sarcopenia僅能代表“肌肉的缺乏”，而且肌肉力量本身的強弱也不是單純依靠肌肉質量，還與肌肉的收縮性能和神經功能等因素有關，肌肉力量與肌肉質量之間并不呈線性相關。雖然如此，美國國立衛生研究院、歐洲老年人Sarcopenia工作組等權威組織〔3，4〕仍將其定義為衰老所導致的肌肉質量減少和肌肉功能降低(力量或動作性能二者擇一)，理由有：①僅將Sarcopenia定義為肌肉質量的減少顯得范圍狹窄，且可能使其臨床應用價值受限；②Sarcopenia一詞已得到廣泛認可，將其替換反而有可能造成進一步的混淆〔4〕。由此可見，Sarcopenia目前仍缺乏能夠用于研究和臨床實踐且被廣泛接受的定義，但可以明確的一點是：骨骼肌的減少是公認的綜合征表現之一。

2　衰老性骨骼肌缺乏綜合征的發生與發展機制〔5～7〕

衰老性骨骼肌缺乏綜合征發生與發展的可能機制包括，①營養狀態：機體組織對營養素的反應下降和(或)營養不良，造成蛋白質代謝紊亂；②缺乏體力活動和(或)運動：現代社會靜坐少動的生活方式使得老年人群易于進入“缺乏體力活動-體質健康下降-難以進行運動”這樣一個惡性循環；③自由基的攻擊：線粒體脫氧核糖核酸缺失突變所致的氧化損傷；④內分泌功能的改變：激素、生長因子的分泌與釋放發生變化，如雌激素、生長激素、睪酮、脫氫表雄酮減少和(或)機體組織對胰島素、胰島素樣生長因子刺激的反應性改變；⑤慢性炎癥：白細胞介素(IL)-1、腫瘤壞死因子(TNF)-α和IL-6等促炎性細胞因子的分解代謝效應；⑥神經-肌肉完整性的損害：不可逆的纖維損傷或永久性失神經支配使神經-肌肉之間失去正常聯系；⑦衛星細胞募集的改變：衰老過程中Ⅱ型肌纖維中衛星細胞的數量和募集能力都大大下降；⑧細胞凋亡：肌細胞的凋亡及其所誘導的線粒體脫氧核糖核酸突變。

上述種種可能機制看似相互獨立、沒有聯系，實際上卻互有關聯，構成了一個龐大而復雜的發生機制網絡。但需要強調的是，任何導致衰老性肌肉丟失的病原學因素最終都是通過誘導肌肉蛋白質合成與降解之間出現不平衡而導致肌肉蛋白質及整體肌肉質量的丟失。因此，對于肌肉蛋白質代謝的研究是探討衰老性骨骼肌缺乏綜合征發生發展機制非常有效的途徑。

3　衰老個體骨骼肌蛋白質代謝的干預手段

3.1激素當前激素治療所采用的有睪酮、脫氫表雄酮、生長激素等，但其應用效果卻略欠理想〔7,8〕：雖然給老年被試補充超生理劑量的睪酮，可以增強下肢力量，并增加瘦體重，但其副作用卻更為顯著，可導致被試出現攻擊性行為、血栓性并發癥、睡眠呼吸暫停、外周水腫等，甚至會導致男性乳房發育并增加罹患前列腺癌的風險。

3.2運動運動可以顯著影響蛋白質周轉，運動后1 h內蛋白質合成即開始增加，且此效應可維持24～48 h。運動過程中同時持續發生著蛋白質的合成與降解。空腹靜息時，因為蛋白質分解超過合成而呈蛋白質負平衡。空腹運動后，蛋白質合成與分解均增加，但后者變化幅度相對較小，所以負平衡程度稍有減弱，但仍呈負平衡狀態。多數耐力項目運動員想方設法增加肌肉質量，通過訓練課結束前或結束后即刻攝取碳水化合物和(或)氨基酸混合物以對抗氨基酸轉運和肌肉有效利用率的增加。在這種情況下，蛋白質合成增加而分解不會增加，則蛋白質平衡變為正態〔9〕。這提示肌肉生長的最佳刺激很可能取決于運動訓練與營養的整合。研究表明高體力活動水平對衰老性骨骼肌缺乏綜合征具有積極的影響，較低水平的體力活動則與肌肉質量和力量的加速下降有關〔10〕。盡管衰老性肌肉丟失這種現象通常發生于不從事鍛煉的人群，但在終身堅持體育運動的人群中也有發生，提示僅僅依靠運動并不足以完全預防和延緩此現象的發生。因此很多學者均認為運動結合足夠的蛋白質攝入才是預防和延緩衰老性骨骼肌缺乏綜合征的關鍵手段〔11〕。

3.3營養氨基酸具有刺激肌肉蛋白質合成的效應〔12〕。相對于其他可能應用于蛋白質合成促進的營養補劑而言，其作為蛋白質的合成底物更具有獨特優勢。必需氨基酸的可利用性是骨骼肌合成過程的關鍵因素〔13〕，而支鏈氨基酸尤其是亮氨酸則是必需氨基酸中最具有促蛋白質合成潛力的一種〔14〕。支鏈氨基酸不僅是蛋白質合成的底物，同時也被認為是通過活化細胞信號轉導而調節蛋白質周轉的營養信號，與胰島素一樣通過哺乳動物雷帕霉素靶蛋白活化真核起始因子4E結合蛋白1和核糖體蛋白S6激酶1這兩種具有調節翻譯起始功能的關鍵調節蛋白。運動、訓練合并易吸收的氨基酸膳食補充的方式可能才是調節衰老個體骨骼肌蛋白質合成的較好手段。

4　影響骨骼肌蛋白質合成和肌肉生長的運動類型

4.1抗阻運動抗阻運動是促進蛋白質合成和肌肉生長的良好刺激，在衰老性骨骼肌缺乏綜合征的預防和治療過程中具有重要作用〔15〕。無論是急性抗阻運動還是慢性抗阻訓練對于骨骼肌蛋白質合成均有一定的促進，但同時必須注意3個問題：①目前認為大于70% 1RM的高強度抗阻運動才能較好地刺激肌肉蛋白質合成與肥大〔16〕，且多采用70%～85% 1RM強度進行干預。然而由于機體衰老，心血管功能下降，從事大強度力量訓練時肌肉劇烈收縮并暫時性封閉局部血管可能增加心臟后負荷，使從事運動的老年個體發生危險，且過重的負荷易導致運動損傷的發生；②血流限制性抗阻運動是一種新穎的抗阻方式，通過限制工作肌血流和低強度抗阻運動兩種刺激作用于骨骼肌的蛋白質合成。有趣的是，與多數人所認同的高強度相比，這種低強度抗阻運動(20%～50% 1RM)與工作肌血流限制也可產生類似的肌肉體積和力量增加〔17〕。這兩種不同的運動強度產生了近似的結果，可能是因為它們都有工作肌局部的血流阻斷。運動中靜脈回流的封閉使代謝終產物在局部積聚，這種代謝環境的改變可能在運動單位募集(增強肌力)和信號轉導的增強方面具有重要作用；③鑒于衰老性骨骼肌缺乏綜合征未來的高流行性，所面向的人群龐大，需要一種安全、經濟、方便的運動方式來進行干預。除了高強度抗阻運動可能導致損傷甚至發生意外之外，現有研究多是采用配重片機等專門器械進行運動訓練而得出的實驗結果。在實際應用中不僅沒有專門針對老人使用所設計的抗阻器材，且相關器材(如配重片機、氣壓或液壓機及等速測力計)價格昂貴并需要專人指導進行訓練，不利于廣泛使用。俯臥撐、杠鈴、啞鈴、彈力帶等雖然經濟方便但一方面難以達到所需負荷，另一方面也難以保證技術動作的規范性，均會影響運動效果，見表1。由此可見，抗阻運動方式可能并不是一種適于廣泛使用的干預手段。

4.2有氧運動有氧運動在促肌肉生長方面的作用一直未受到應有的重視。研究〔18〕報道有氧訓練不能改變老年人群的整體肌肉體積，但也有證據〔19〕表明有氧運動能增強肌肉功能。然而，由于在運動干預過程中往往伴有體重下降和(或)被試患有二型糖尿病或心臟疾病的情況，學者們也因此質疑這些混雜因素可能會影響骨骼肌蛋白質代謝響應運動刺激的真實變化，所以有氧運動對老年人肌肉體積和功能的影響迄今仍未明確〔20〕。

近年來研究發現急性有氧運動在空腹〔21〕和餐后〔22〕狀態下均能刺激蛋白質合成，而慢性有氧訓練也可誘導安靜時蛋白質合成率的增加，提示有氧運動可能具有誘導肌肉適應性肥大的作用，可用于對衰老性骨骼肌缺乏綜合征的干預。雖然目前普遍認為衰老性骨骼肌缺乏綜合征主要表現為快肌的丟失，而有研究〔19〕卻認為有氧運動對慢肌的影響比對快肌更為顯著，但要明確的是：慢肌對于人體正常姿勢的維持有著快肌不可替代的作用，在很大程度上慢肌可以說是后續快肌發展的平臺條件，畢竟這些干預手段的唯一目的就是使人體能夠具有獨立生活的能力即相對正常的運動能力。此外，有氧運動相對于抗阻運動形式豐富，不易受到環境、條件等因素限制且經濟易行，因此可能更適于推廣至普通人群預防和延緩該綜合征發生發展。

目前關于有氧運動導致肌肉蛋白質合成增加的細胞機制探討極少，近年來有限的研究結果提示哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合物1在其中可能具有重要作用，因為哺乳動物雷帕霉素靶蛋白可響應急性有氧運動而上調〔23〕，但目前仍未達成共識，尚需進一步探討。此外，必須要注意的是：持續性大強度耐力運動主要導致的是分解效應，因為運動中骨骼肌對氨基酸的代謝需求可能同時導致蛋白質合成和血漿氨基酸濃度的下降，從而影響骨骼肌蛋白質的合成。這也提示長期大負荷的有氧訓練可能并不是促進骨骼肌蛋白質合成的良好手段。

表1　應用抗阻運動作為干預手段的利弊

5　衰老造模

在老年學研究領域，利用D-半乳糖制作快速衰老動物模型是常用的手段，使用這種模型基于兩方面因素：①足夠月齡的自然衰老動物難以購得。國內實驗動物中心通常只能購買到8～9月齡的退役種鼠，即便能夠購得少量自然衰老大鼠卻也難以統一月齡、性別、級別和保證所需數量；②價格昂貴。目前一只自然衰老12月齡大鼠需約250元，每增加1個月齡價格要高50元，那么一只24月齡的大鼠保守估計也需要800元左右。如果研究者購入年輕或成年動物后自己飼養到足夠月齡則飼養成本太高，周期太長，而且需承擔大鼠突然死亡的風險。大鼠的生存周期可長達3年，檢索SCI源刊可發現，通常使用的大鼠要達到24月齡(約相當于人60周歲)，小鼠生存周期稍短，但至少也要達到12月齡。因此沒有項目資助或一般項目資助的研究很難承擔起實驗動物這部分開支，從而也就導致了快速衰老動物模型的出現。

目前國內所采用的造模方法多是參考王少康等〔24〕和徐智等〔25〕，這兩種建模方法在驗證過程中雖然所選擇的檢驗指標不盡相同，但卻都沒有將模型動物與自然衰老動物的肌肉組織進行比較，因此不能確定這種模型是否能較好地模擬衰老所造成的骨骼肌代謝與功能變化。通過檢索Pubmed(2014-2-4)，在“題名/摘要”范疇內，以“D-半乳糖”和“衰老”(aging和ageing兩種表達方式)為檢索詞，分別檢出了3 673、114和11篇論文，但是將“肌肉”與其聯合檢索，則檢索結果均為“0”。這也說明采用此模型進行骨骼肌研究在國際上并未獲得同行認可。因此擬采用此模型進行骨骼肌研究之前可能還需考慮所檢測指標究竟是否適用于實驗。若要進行衰老個體的骨骼肌蛋白質代謝研究，自然衰老的小鼠似乎是最為合適的動物，無論是ICR還是C57小鼠價格都較大鼠便宜且飼養成本也較低，即便是選擇SPF級甚至無菌級，所需經費也低于大鼠。小鼠不僅生命周期更短，且衰老在早期就已經對肌肉產生了作用，如果選擇較低月齡的小鼠從早期開始進行蛋白質代謝紊亂的預防似乎要比進行衰老小鼠的后期治療更為有趣和有意義。

6　評價骨骼肌代謝的變化

國內體育科學領域主要集中探討涉及蛋白質代謝調節關鍵信號轉導通路在響應運動及其他等刺激時所產生的變化，以通路中關鍵蛋白的基因表達和(或)磷酸化表達變化來判斷取樣肌肉內蛋白質代謝情況，如用哺乳動物雷帕霉素靶蛋白、真核起始因子4E結合蛋白1和核糖體蛋白S6激酶1等作為反映蛋白質合成的指標〔26〕，而肌肉萎縮盒F基因和肌肉環狀指基因1等作為反映蛋白質降解的指標〔27〕，然后補充檢測取樣肌肉內蛋白質總量。凡是涉及骨骼肌蛋白質代謝的變化，研究者均會采用穩定放射性核素示蹤技術來檢測骨骼肌內和(或)全身的蛋白質合成率和(或)降解率(蛋白質周轉或更新)及干預后的蛋白質合成量〔28〕，畢竟肌肉生長過程中一個主要的環節就是蛋白質的沉積，也即蛋白質合成與降解之間誰占優勢的問題。這種檢測技術同時可應用于人體和動物，但是若采用動物進行研究，因為收集呼出氣困難，其對全身蛋白質代謝率的測定難以實現，但仍可以檢測出肌肉內合成分速率和絕對合成率。

此外，就專門針對衰老個體的研究尤其是以干預衰老性骨骼肌缺乏綜合征為目的的研究而言，被試肌肉力量變化的測定是必要的。因為從美國國立衛生研究院〔3〕和歐洲老年人Sarcopenia工作組〔4〕的觀點來看，肌肉力量的下降同樣也是此綜合征的判斷依據之一，而且力量的增長也意味著收縮蛋白合成的增多。如果將機體蛋白質合成率、蛋白質含量、總蛋白質合成量等直接指標，調節通路中關鍵蛋白的蛋白水平變化、力量、肌肉橫截面積等間接指標相結合，似乎能夠更好地反映出骨骼肌蛋白質代謝在干預手段的影響下所發生的真正變化。

綜上，氨基酸營養與運動、訓練干預可能能較好地促進衰老個體的骨骼肌蛋白質合成并因此延緩或預防衰老性骨骼肌缺乏綜合征的發生發展，但長期有氧運動結合營養干預對衰老個體骨骼肌蛋白質會有何種影響仍不清楚。目前所采用的運動手段中無論是抗阻還是有氧方式均難以為殘障老年人群所使用，如何發展出一種能夠為廣泛的人群所適用的干預手段或研制出一種適用于廣大老年人群(處于不同健康狀態)的專用健身設備，又或者是開發出一種專用于干預此綜合征的功能食品、飲料和(或)蛋白質與氨基酸的補充劑量將是研究方向。

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〔2015-07-04修回〕

(編輯苑云杰/王一涵)

10.3969/j.issn.1005-9202.2016.14.119

江西省科技廳青年科學基金項目(20142BAB215048)；江西省教育廳科技項目(GJJ13550)；云南省教育廳科研項目(2012Y259)；四川省教育廳科技項目(13ZB0073)

孫君志(1977-)，男，高級實驗師，博士，主要從事運動與骨骼肌功能研究。

夏志(1982-)，男，副教授，博士，主要從事運動性疲勞與骨骼肌功能研究。

G804.2；R87

A

1005-9202(2016)14-3604-04；

1武漢體育學院研究生院2北京體育大學研究生院

3四川省體育科學研究所4成都體育學院運動醫學系