衰老生物標志物的研究進展

衰老是隨著時間的推移，機體的組織、器官發生退行性變化的過程[1],是機體發生生理生化和氧化應激的綜合體現。盡管衰老不是疾病,但是可以增加衰老相關疾病的風險,包括癌癥、糖尿病、心血管疾病和神經退行性疾病。目前關于衰老已提出了許多學說,但是沒有一種學說可以完整地解釋衰老的發生機制[2]。

1 體能和人體測量

1.1 步行速度、椅子站立測試、站姿平衡和握力 體能的測量是當前和未來健康狀況的重要標志,在人群研究中已經形成了客觀標準的體能測試方法。握力、30 s椅子站立測試、步行速度等體能測試是功能測定的客觀指標,可以在任何的健康個體中完成。握力降低和行走速度減緩與死亡率具有顯著的相關性。對后續發生的傷殘危險性(通過評估日常生活活動)進行評估發現:在體能測試方面表現比較差的老年個體更容易發生功能性殘疾[3]。許多證據表明,在握力、步行速度、下肢力量和站立平衡方面表現較差的個體更容易患心血管疾病和癡呆。英國紐斯卡爾市對85歲以上個體研究顯示,較低的握力與多疾病發病率、認知損傷、殘疾具有顯著相關性[4]。Leong等[5]就握力和死亡率的關系對139 691例年齡在35～70歲的個體進行了為期4年的跟蹤研究,研究發現握力不僅能預測全因死亡率,而且也能預測非心血管疾病的死亡率和心血管疾病的發生率以及卒中。不僅如此,他們還發現骨骼肌的功能也與健康、疾病和衰老相關,肌肉力量較弱的個體會通過增加傷殘率直接影響死亡率。最新研究顯示,除了握力和步行速度,在中年人中站姿平衡和椅子站立測試能夠很好地預測未來13年的死亡率[6]。

1.2 腰圍和體質量指數(BMI) 衰老也和身體成分的改變有關,包括體脂增加、肌肉重量減少、器官(不包括心臟)體積減小。腹部過多的脂肪堆積是發生衰老的一個危險因素。美國高加索地區腰圍低于94 cm的男性和腰圍低于77 cm的女性患衰老相關疾病的風險性會更低, 如果男性的腰圍大于132 cm、女性大于116 cm，其死亡率將翻倍[7]。BMI是預測總體肥胖率的一種實用手段,BMI每增加5將增加30%總體死亡率,血管疾病的死亡率增加40%,糖尿病、腎臟和肝臟疾病的死亡率將增加60%～120%[8]。此外,在排除性別和其他混雜因素的影響下,高BMI是認知下降的一個重要的危險因素[9]。

1.3 肌肉質量 排除肌少癥,年齡相關的骨骼肌質量損失和肌肉功能強度低下是衰老過程中導致殘疾和死亡的重要危險因素[10]。對局部肌肉質量和健康狀況的關系進行橫斷面和前瞻性研究發現,低骨骼肌指數會增加個體患功能性損傷和殘疾的風險[11]。

2 基于血液的可能生物標志物

在血液樣本中測量的大多數衰老生物標志物都與心血管功能、葡萄糖代謝、炎癥、營養狀況、內分泌學和簡單的血液學有關。與年齡相關的炎性肽生物標志物和C-反應蛋白(CRP)在免疫衰老方面研究的最好,它們統稱為“炎性衰老”[12]。

2.1 白介素-6(IL-6)和CRP 老年個體血漿中IL-6>1.80 pg/ml和腫瘤壞死因子-α(TNF-α)>3.20 pg/ml[13]時，肌肉質量和握力都會明顯降低，說明免疫和功能狀態之間有交互作用。CRP是一種急性期蛋白，已證明是人類冠狀動脈疾病的標志物，因為衰老是一個與炎癥反應相關的過程，CRP是心肌發病的預測因子，因此該蛋白被認為是老年病理損傷的生物標志物[14]。CRP水平的升高是衰老相關肌肉退行性變的獨立危險因素[15]。而且研究還發現，CRP幾乎和所有原因引起的死亡相關，在一份前瞻性隊列研究中發現，升高的CRP水平作為獨立的危險因素可以使死亡的危險性翻倍(包括心血管和非心血管疾病引起的死亡)[16]。

2.2 葡萄糖代謝 代謝和激素功能的很多方面都與衰老有關,包括組織細胞中胰島素受體和葡萄糖轉運體的異常表達。在這些組織中碳水化合物的代謝也會發生相對的改變,包括細胞葡萄糖氧化的降低。這些改變也直接導致了葡萄糖耐受的降低。臨床上較常用禁食或者餐后血糖濃度來診斷糖尿病[17]。糖化血紅蛋白不需要觀察禁食或者餐后血糖濃度的改變,被認為是監測糖代謝的一種可行指標[18]。

2.3 脂肪因子、維生素D和B型氨基端利鈉肽原(NT-proBNP) 最新研究發現,像脂聯素、生長素釋放肽、瘦素和內脂素之類的脂肪因子是炎癥和中樞功能的主要調節器。血清脂肪因子的改變能增加患肥胖和代謝綜合征的風險[19]。目前,對維生素D、B12、B6和葉酸等小微量元素集團進行了很多研究,發現只有缺乏維生素D才能增加功能損傷的發病率和風險[20]。在心臟衰竭的情況下研究顯示,NT-proBNP與多疾病發病率、認知損傷和死亡率相關[21]。這也使NT-proBNP成為與年齡相關心力衰竭功能紊亂的一般標志。心肌肌鈣蛋白與心肌的生理更新或重塑有關,和NT-proBNP具有顯著相關性[22]。這兩種物質可以作為心肌損傷和心血管疾病有效的預測因素,在男性和女性個體中它們都可以隨著年齡而增加,可以成功地將它們定義為衰老生物標志物。

3 基于分子/DNA的生物標志物

3.1 DNA的損傷和DNA的修復 目前關于衰老已提出了眾多學說,主要有活性氧(ROS)的堆積、DNA損傷、線粒體功能紊亂、抗氧化防御系統損傷、端粒縮短學說等。基于衰老的自由基理論認為,在生命周期中，線粒體產生ROS的堆積會導致老年個體發生慢性氧化應激損傷。在老年個體中由于抗氧化防御機制和DNA修復能力的減弱,DNA損傷被認為是衰老的一種結果[23]。DNA穩定性的降低增加了細胞發生畸變的頻率,反過來細胞畸變又導致一些衰老相關疾病的發生,比如癌癥、糖尿病、心血管疾病和智力減退[24]。然而,這種線性增加會持續到60～70歲,85歲以后線粒體損傷的速度將會隨著年齡的增加而降低[25]。

3.2 端粒長度 端粒是位于真核生物染色體末端的核蛋白結構。端粒的長度一直被認為是潛在的衰老生物標志物[26]。較長的端粒和較高的端粒酶活性能促進基因組的穩定性和DNA的完整性,和衰老的過程呈正相關[27]。在一份由143位年齡在60周歲以上的個體組成的樣本中,相對于時序年齡，有較短端粒長度的群體有更高的死亡率。Bakays等[28]對瑞典的雙胞胎(平均年齡79歲)進行前瞻性研究發現:具有較短端粒的個體在未來七年內的死亡率是其孿生兄弟的3倍。一般來講,男性端粒縮短的速率快于女性,這也可以作為評價女性壽命比男性長的參考因素。許多研究表明,端粒縮短速度增快會增加個體患衰老相關疾病的風險,比如動脈粥樣硬化、早發性心肌梗死、糖尿病、高血壓、阿爾茨海默病和癌癥[29]。然而,到目前為止還不清楚端粒的長度是否能測量正常的衰老過程。

正常的衰老過程和慢性疾病的發生都會伴隨DNA損傷、線粒體破壞、端粒縮短現象的發生[30]。此外,越來越多的數據表明，在正常衰老個體中染色體穩定性、DNA修復活性、抗氧化防御能力和年輕人幾乎相當。因此,基于目前的理論,DNA完整性、基因組穩定性、抗氧化防御能力和端粒的長度并不能滿足當前有效衰老生物標志物的標準。

4 新型和未確定的生物標志物

4.1 膽紅素 膽紅素是監測抗慢性非傳染性疾病的新興生物標志物。據報道,輕度升高的血清膽紅素水平能夠降低心血管疾病(CVD)相關的死亡率,最新數據也將膽紅素和死亡率及其他慢性疾病聯系起來,包括癌癥和2型糖尿病。因此,膽紅素是慢性疾病流行率降低和預測全因死亡率的生物標志物,也是成功老化的新型生物標志物[31]。

4.2 高級糖基化終末產物(AGEs) 研究表明,AGEs能明顯加速衰老的過程[32], AGEs的堆積將會對組織造成不可逆的損傷,而且AGEs還會激活巨噬細胞和單核細胞的活性,最終導致Ros的產生。在小鼠模型試驗中,AGEs水平的升高會引起早衰癥狀的出現,也會導致出現活動能力下降、記憶延遲、免疫反應消失等總體功能減退的現象[33]。在人群中,AGEs的堆積能夠加速衰老相關疾病的發生,比如白內障、腎臟疾病、視網膜病變和心血管疾病[34]。在阿爾茨海默癥病人中也發現AGEs超出正常水平[35]。到目前為止共發現了20種AGEs,將AGEs作為潛在衰老生物標志物似乎合理,因為其在血液或者尿液中檢測比較容易。

4.3 金屬硫蛋白(MTs) MTs是富含半胱氨酸、鋅結合蛋白的低分子量蛋白質,其水平在老年個體中會出現下調的趨勢。MTs在鋅介導的轉錄調控中發揮重要作用,涉及生長、增殖、分化、發育和神經功能等多種途徑。有實驗證據表明，MTs在老化大腦中被誘導,作為減輕氧化和應激的防御機制。MTs也可以作為自由基清除劑,以神經保護機制的形式保護衰老大腦中線粒體功能[36]。

4.4 miRNA miRNA是由21～23個核酸組成的單鏈非編碼RNA分子,能夠調節一系列生物活動,被認為是衰老的標志。miRNA是細胞衰老的重要調節器。大多數miRNA在血清或者血漿中都會以穩定狀態存在。因此在臨床上被認為是最有希望的生物標志物。Cui等[37]對唾液外來體中miRNAs研究發現,miR-24-3p被認為是新的衰老生物標志物,通過miR-24-3p的表達情況可以正確的區分老年組和年輕組。一份臨床研究表明,miR-151a-3p、 miR-181a-5p和miR-1248的血清表達水平在老年個體中會明顯降低[38]。對血清樣本進行PCR研究發現,miR-29b、miR-106b、miR-130b、miR-142-5p和miR-340這5種miRNAs的表達水平隨著年齡增加而降低,miR-92a、miR-222和miR-375這3種會隨著年齡增加而增加。

5 展望

由于在衰老過程中許多生物和分子機制的復雜性,沒有任何一種生物標志物可以對正常的衰老過程進行準確的測量。基于現有的理論,還沒出現任何一種鑒定分子功能的手段可以勝過現有的血液中脂質、肽類和激素類生物標志物的常規分析。我們常常忽視將這些手段和已經確立的集體和功能標志物結合起來。

目前通過新的分析技術許多新的標志物正在被評估,潛在生物標志物的數量有可能迅速增加。“omics”技術的產生,比如代謝組學、基因組學、蛋白質組學將會為新衰老生物標志物提供更多被發現的機會[39]。然而,對健康測量的驗證將需要一些時間。哪些標志物可以更好的預測生物性衰老并且提供連續最佳的健康測量措施需要我們進一步研究。

雖然對衰老的生物標志物還需要進一步研究,但是我們可以采取一些措施來延緩衰老[40]。例如堅持進行一些有氧運動,可以保持線粒體的活性,對預防老年人肌肉萎縮和神經退行性病變具有積極的作用。在進入老年期之后，由于機體代謝率的下降,在保證蛋白質、維生素和微量元素的情況下,減少熱量的攝入可以促進細胞的自我修復,延緩衰老相關的器官功能失調的癥狀,如腫瘤、肥胖和神經退行性疾病等。老年個體的健康化對減緩人口老齡化所帶來的社會壓力具有積極的促進作用。

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