運動誘導細胞自噬在老年肌少癥康復中的研究進展

梁計陵，謝金鳳，王岑依，陳寧

1.武漢體育學院研究生院，湖北武漢市430079；2.杜肯大學蘭格斯健康科學學院，美國賓夕法尼亞州匹茲堡PA 15282；3.武漢體育學院健康科學學院，運動訓練監控湖北省重點實驗室，天久運動營養食品研發中心，湖北武漢市430079

衰老的同時伴隨著組織和器官功能的逐漸喪失，因此，肌肉骨骼疾病成為越來越受關注的公共健康問題。

人體骨骼肌纖維的數量和直徑從30歲開始每年下降0.5%，65歲時速度加劇，這種與年齡相關的肌肉質量和力量的損失通常被稱為“老年肌少癥”[1]。老年肌少癥患病率的不斷升高，使得老年人跌倒和骨折等風險概率上升，這將直接導致住院和殘疾的事件增加[2]。由于其多因素的發病機制被認為是一種復雜的老年綜合征：如神經肌肉退化、肌肉蛋白質周轉的變化、激素水平和敏感性的變化、慢性炎癥、氧化應激以及身體活動減少等因素都影響著老年肌少癥的發生和發展[3]。

老年肌少癥伴隨著骨骼肌的丟失，這源于蛋白質合成和降解之間的不平衡，以及多種信號傳導通路調控。而細胞自噬作為一種重要的管家機制，被認為是一種關鍵的生理過程和蛋白水解系統，用于降解細胞質成分，從而維持細胞內環境的穩定。許多研究表明，老年肌少癥中自噬依賴性信號傳導功能明顯缺陷[4]。而運動干預是獲得和保持骨骼肌質量和力量最為有效的手段之一，同時也是目前預防與治療肌少癥的最佳推薦方式[5]。與此同時，運動干預可以調節肌細胞的自噬功能狀態，從而影響骨骼肌肌肉質量[6]。

因此，本文對運動干預與骨骼肌自噬的關系進行綜述，分析細胞自噬與老年肌少癥的分子機制，探討運動誘導的細胞自噬在老年肌少癥中的作用與相應的分子機制，從而為衰老相關肌肉萎縮癥的預防與治療或康復提供新的思路。

1 運動與自噬

1.1 自噬及其生理意義

細胞自噬是指在營養缺乏、氧化應激/感染等外源性刺激下，細胞將自身變性的蛋白或受損的細胞器包裹進入囊泡，并與溶酶體融合形成自噬溶酶體(autophagy lysosome,AL)，降解其所包裹的內容物的過程，借此實現細胞本身的代謝和更新[7]。在生理情況下，自噬有很多作用，如預防神經退行性變化、抗衰老、抑制腫瘤、清除細胞內微生物和調節免疫等。

隨著年齡的衰老，線粒體功能異常，骨骼肌氧化應激反應和肌細胞凋亡增加；同時骨骼肌的機械收縮會產生破損和衰老的細胞器和毒性蛋白等。因此，肌細胞需要一個有效系統來消除受損蛋白質及異常或功能失常的細胞器，而自噬系統就扮演這樣的角色。

1.2 運動激活骨骼肌自噬

骨骼肌本身是一種代謝器官，細胞自噬是骨骼肌細胞中普遍存在的代謝現象。運動時，機體對于氧氣和葡萄糖的需求明顯升高，而肌肉所在人體的比重最大，在運動過程中肌肉會處于短時間缺氧、缺糖狀態，從而激活細胞自噬，以完成肌肉的適應，防止肌肉的過度損傷；同時，可加速損傷的蛋白或細胞器的消除與重新利用，提高肌肉的代謝水平與維持肌肉內環境的穩定。

目前，運動激活骨骼肌細胞自噬的研究受到廣泛關注。運動誘導自噬可激活FoxO的磷酸化，從而導致自噬相關蛋白的表達，如微管相關蛋白質(microtubule-associated protein,MAP)輕鏈3(light chain 3,LC3)、Bnip3和其他抗胸腺細胞球蛋白(antithymocyte globulin,Atg)，進而調節細胞自噬功能狀態[8]。同樣，細胞自噬受損的小鼠在運動之后骨骼肌表現出更為嚴重的細胞凋亡和缺陷的線粒體數量積累增多[9]。細胞自噬普遍存在于真核細胞生物體內，在生理條件下處于較低活性水平。就運動而言，適度運動可以上調細胞自噬水平，保持細胞內環境穩態；而過度運動則導致自噬的過度激活，反而誘發骨骼肌組織的損傷，同時能夠誘發或加重多種自噬相關疾病[10]。因此，運動激活的細胞自噬調控不同生理病理條件下骨骼肌重塑與內環境穩態的穩定，是骨骼肌健康維持的關鍵[11]。

2 自噬與老年肌少癥

老年肌少癥是一種骨骼肌纖維逐漸失去適應變化環境能力的過程，包括自噬途徑在內的蛋白質降解過程的整體減少而呈現受損產物的積累。功能良好的自噬是機體健康和長壽的根本，自噬與衰老過程緊密相關，衰老往往伴隨自噬活性不足和自噬功能異常。例如，有研究表明老年大鼠骨骼肌中發現自噬特異性蛋白LC3的表達降低[12]；同樣有研究表明24月齡的小鼠體內發現，肌萎縮的同時伴隨著p62/SQSTM1(與蛋白質聚合酶的自噬作用有關的蛋白)的累積[13]，說明在衰老狀態下，細胞自噬處于一種低下的水平或功能狀態的障礙。因此，細胞自噬體被認為是衰老性骨骼肌疾患的一個特征性的標識[14]。

衰老引起骨骼肌蛋白質合成能力下降，最終導致蛋白質代謝負平衡發生可能是造成老年肌少癥的重要誘因之一。磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol 3 kinase,PⅠ3K)/蛋白激酶B(protein kinase B,Akt)/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)信號通路是促進骨骼肌細胞內蛋白質合成的主要途徑[15-16]。隨著年齡的增加，骨骼肌的PⅠ3K/Akt/mTOR信號通路的信號傳導受限，影響骨骼肌內環境的穩態。近年研究發現，AL是細胞蛋白分解的新途徑，其中PⅠ3K/Akt/mTOR信號通路在AL的形成和肌細胞內蛋白質的轉化和降解中起著重要作用[17]。通過衰老的哺乳動物骨骼肌中自噬變化的研究發現，過度或缺陷自噬均與肌萎縮程度密切相關[18]。因此，衰老可能導致細胞自噬低下或自噬流量障礙而引起過度的細胞凋亡，從而引起肌蛋白質過多降解，加重骨骼肌的流失從而加劇老年肌少癥程度。

3 運動誘導的細胞自噬對于老年肌少癥的影響和機制

眾所周知，運動可以延年益壽，但運動延長壽命作用正是通過改善機體細胞自噬功能狀態，從而達到細胞自我保護與修復、延緩衰老的效果[19]。適當和個性化的運動將有助于維持和改善個人身心健康及運動能力；同樣，運動療法作為一種公認康復手段，也是有效預防老年肌少癥引起的身體功能下降、殘疾、從而提高生活質量的有效方式[20]。

由于運動干預可以減輕增齡所致的細胞自噬低下。激活的細胞自噬可以實現對老年肌少癥的預防、延緩進展或治療等。在運動過程中，機體對能量需求激增，需求大于供應，AMP/ATP比值升高，從而激活腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)[21]。AMPK除了能夠激活細胞生物體中的分解代謝過程外，也能通過抑制mTOR來提高自噬的活性[22]。mTOR除了受到AMPK的抑制外，還受到胰島素樣生長因子(insulin-like growth factor 1,ⅠGF-1)、PⅠ3K以及Akt等因子的調控。作為調節肌肉代謝的中心途徑，ⅠGF-1可以激活Akt/mTOR介導的信號轉導并抑制蛋白質水解，促進衰老的骨骼肌的生長[23]。除此之外，PⅠ3K也能夠通過作用于mTOR，形成PⅠ3K/Akt/mTOR信號通路控制Fox O轉錄因子的磷酸化來調控自噬的變化[24]。衰老和mTOR信號通路相關，而mTOR信號通路對負責控制肌纖維蛋白合成的mRNA翻譯的起始發揮重要作用。除此之外，mTOR還被證明為通過磷酸化ULK1復合體來負調控自噬[25]。同時，Akt/mTOR依賴性信號傳導的功能缺陷與衰老密切相關，Akt/mTOR信號傳導的減少也表現出蛋白質降解的增加。有研究證據表明，與年輕受試者相比，老年骨骼肌中Akt的活性減弱，Akt/mTOR信號通路與細胞自噬的激活密切相關[26]。因此，老年骨骼肌中這些介質活化的缺陷則是老年肌少癥的觸發關鍵因素。同時，自噬能夠被AMPK、ⅠGF/Akt/mTOR及PⅠ3K/Akt/mTOR信號調節通路等運動誘導的多條能量代謝相關途徑調節，大部分最終匯集于mTOR來通過調控ULK1磷酸化從而調節自噬的啟動[23,27]。而運動通過不同的機制來激活自噬作用于骨骼肌，使mTORC1的活化降低促炎介質的表達，降低氧化應激，增加線粒體生物合成，增加ⅠGF-1/肌肉生長抑制素的比例[28]，從而改善老年肌少癥。

4 不同運動誘導的細胞自噬對于老年肌少癥的影響

自噬的激活可以由內在和外在因素共同調節，如肌肉纖維類型、運動時間和運動強度。同樣，不同運動方式也同樣影響骨骼肌的自噬作用。按照運動方式的不同，可以簡單地將運動分為兩種，一種為耐力性訓練(有氧運動)，另一種為力量性訓練(抗阻運動)。由于自噬隨著年齡的增長而不斷減弱，有氧運動訓練已被證明可以增強老年小鼠骨骼肌的自噬信號[29]。例如有研究在衰老的小鼠進行的8周有氧運動中發現，其骨骼肌的自噬相關基因LC3-Ⅱ及Beclin-1表達同時得到了升高。這些研究都表明，運動能提高老齡鼠的基礎自噬水平，并改善衰老引起的自噬活性下降[30]。此外，與有氧運動相比，抗阻運動對自噬的肌肉適應能力提高有著重要作用。有研究在為期34周的小鼠自主抗阻運動后發現可以有效提高其自噬流量LC3Ⅱ/Ⅰ的比值，并增加肌細胞內的線粒體密度和氧化供能能力，從而減輕由于衰老出現的肌肉萎縮，這提示自噬水平的升高對延緩衰老有著積極作用[31]。另有研究也證實，進行抗阻運動后骨骼肌質量和力量明顯增加，究其原因是由于蛋白質合成增加、分解減少，其機制可能還與Ⅴps34介導骨骼肌自噬信號途徑相關[32]。因此，不同運動誘導選擇性自噬通過促進有缺陷的細胞成分的降解同時減少肌肉質量的丟失來保持甚至恢復老年人的肌肉力量和功能，從而改善老年肌少癥。

4.1 有氧運動激活自噬對于老年肌少癥的調控及作用

有氧運動能增強肌肉耐力水平，有效改善骨骼肌，卻不能增加肌肉質量和力量。但長期有氧運動可以通過提高AMPK的活性從而上調過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活物1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator 1α,PCG-1α)，對增強骨骼肌線粒體生物合成和機能具有顯著的積極意義[24]。同時，有研究發現，進行有氧運動可明顯增加小鼠骨骼肌自噬基因Beclin1(又稱Atg6)蛋白表達，并顯著降低p62蛋白表達，提示有氧運動可有效增加骨骼肌自噬水平[33]。其主要機制可能是通過提高骨骼肌AMPK的活性，抑制mTOR的方式，減少后者對ULK1的磷酸化，從而上調自噬水平，降解肌肉蛋白質，產生能量底物，供肌肉收縮或者代謝需要[34]。然而，有氧運動并不總對骨骼肌細胞自噬起正向調節作用，當某些刺激因素導致自噬過度激活時，加速了蛋白質或細胞器過度降解，從而造成骨骼肌代謝穩態維持的破壞。因此，有氧運動對于老年肌少癥的主要作用可能不在于促進骨骼肌降解，而是作為一種補償機制阻止細胞功能的流失，從而維持正常水平的肌肉蛋白質量控制及功能。

4.2 抗阻運動激活自噬對于老年肌少癥的調控及作用

對于老年肌少癥而言，骨骼肌力量特別是腿部肌肉力量的維持最為關鍵。抗阻訓練可以增加老年人股四頭肌肌力及爆發力，從而減少肌萎縮引發的跌倒及骨折發生[35]。由于抗阻運動具有刺激凈肌肉蛋白質合成代謝的能力，并且是唯一能有效提高肌肉質量的運動方式。因此，被首選為肌少癥的最佳運動方式[5]。抗阻運動誘導的肌肉蛋白質合成受到多條信號通路的調控。其中，PⅠ3K/Akt/mTOR通路是促進肌肉蛋白質合成，維持骨骼肌質量及其功能最經典的信號通路之一[5,24]。抗阻運動不僅能刺激肌肉蛋白質合成通路，通過激活PⅠ3K/Akt通路，增強mTORC2的活性，磷酸化抑制FoxO3及其介導的蛋白降解通路。有研究表明，抗阻運動在刺激骨骼肌肥大的同時，也可激活mTOR/ULK1介導的自噬通路，從而下調自噬水平，減少肌肉蛋白質降解[36]。此外，抗阻運動在促進蛋白質合成和肌肉質量增加的同時，也可激活Beclin1-Ⅴps通路，增加自噬通量水平，降解蛋白質和破損細胞器，進而優化骨骼肌質量及其功能。因此，抗阻運動調節適度的自噬活性是利于肌少癥骨骼肌質量維持的重要方式。為此，老年肌少癥可采用多種運動形式，建議以抗阻運動與其他康復手段相結合的方式，達到增加肌量和肌力，改善運動能力和維持骨量的效果[37]。

5 小結

隨著我國老齡化的加劇，以及久坐不動的生活方式更容易引起骨骼肌質量丟失，從而加劇老年肌少癥患者的日益增多。以前的研究已經證明自噬調節在老年肌少癥中能夠維持骨骼肌質量和提高運動適應性的重要作用，而國內對于老年肌少癥的基礎及臨床研究才剛剛開始。

本文主要綜述細胞自噬作為調節體內蛋白質代謝平衡的保守機制，在一定程度上可能參與介導了由衰老而發生的肌少癥分子機制，進一步闡明不同運動方式在老年肌少癥康復中的作用機制，也為其在老年肌少癥人群中的實踐應用提供了理論基礎。但骨骼肌自噬途徑復雜，尤其運動強度及作用時間對于自噬的調控機制還有待進一步研究，從而為探討運動療法防治骨骼肌衰減癥的自噬途徑提供理論依據。