衰老在肺血管疾病中的作用及研究進展

陳旭，陳紀元，王健

呼吸疾病國家重點實驗室，廣州呼吸健康研究院，廣州醫科大學附屬第一醫院，廣東廣州510030

隨著我國社會經濟的發展以及人口老齡化程度不斷加深，衰老相關疾病得到人們越來越多的關注。目前，包括動脈粥樣硬化、慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease,COPD）等在內的眾多慢性疾病均證實與衰老密切相關，其具體發病過程和機制也成為研究的熱點話題之一。其中，血管在衰老過程中的結構與功能變化是各種老年慢性病發生的重要因素，也是引起機體各器官系統衰老的關鍵生理病理基礎。肺動脈高壓（pulmonary hypertension，PH）是一類常見肺血管疾病，通常以肺動脈壓力升高合并不同程度右心功能衰竭為其主要特征。西方國家流行病學顯示，普通人群中肺動脈高壓患病率約為1%，但在60 歲以上人群中高達10%，提示年齡可能是肺動脈高壓發病的獨立危險因素[1]。而現有血管衰老研究方向主要集中在心血管系統方面，在呼吸系統領域仍受關注甚少。本文就肺血管衰老與肺血管疾病的關系，特別是肺動脈高壓方面研究進行綜述。

1 衰老及衰老的表現

衰老（aging）是指生物個體的正常生理功能出現衰退的過程[2]，而細胞衰老（cellular senescence）是指在多種應激條件下，細胞增殖和再生能力逐漸停滯以至最后喪失的不可逆轉變過程[3],是衰老在細胞中的具體表現。其過程伴隨多種信號通路的改變以及遺傳穩定性下降、端粒縮短、細胞自噬、線粒體功能紊亂和表觀遺傳學變化等一系列復雜現象，這都共同導致細胞周期停滯和表型的變化，進而引發各類老年疾病。

2 血管衰老與肺血管疾病

隨著研究的深入,“人與血管共老”的觀點得到了越來越多的結果證實[4]。在形態學上，衰老血管的典型改變包括血管內膜增厚、平滑肌肥大、膠原沉積以及彈性纖維紊亂甚至斷裂；在功能上表現為血管內皮功能失調、血管舒張功能障礙和血管生成減少。兩者共同促進了多種慢性呼吸系統疾病的發生。如在COPD 中，吸煙產生的氧化應激加速肺泡上皮細胞和肺血管內皮細胞的衰老，成為發病的重要誘因[5]。與此相似，Alder 等[6]發現在上皮細胞和成纖維細胞中，衰老引起的端粒縮短可導致肺纖維化的發生。在肺動脈高壓中同樣如此，血管衰老直接促進肺血管損傷和重構，增加肺血管壓力[7]。總之，由衰老引起的肺小氣道纖維化、肺泡細胞減少和肺血管損傷是造成呼吸系統慢性疾病特別是肺血管疾病的關鍵原因。

3 衰老相關分泌表型（SASP）與肺血管疾病

新近研究證實，相對于凋亡細胞，衰老細胞仍具有生物活性并能進行代謝等活動，能分泌多種因子對自身以及周圍細胞生長狀態產生影響，被稱為衰老相關分泌表型（senescence-associated secretory phenotype,SASP）。2008年，Coppé 等[8]提出衰老細胞通過分泌具有致炎作用的小分子物質，影響鄰近細胞的生理功能，甚至出現癌變，將這種現象命名為SASP。SASP 的發現不僅是衰老研究中的重要突破，而且在呼吸系統中同樣有研究表明，SASP 下游產生一系列變化能促進血管炎癥發生和血栓形成，是血管衰老過程中的重要一環，研究SASP 的發生和機制對深入研究血管衰老有著重要的意義。SASP 包括眾多趨化因子、炎性因子以及生長因子，其成分在不同細胞中有所差別，但生物效應上均能導致慢性炎癥，從而誘導呼吸系統疾病的產生[9]。現普遍認為，細胞分裂或氧化應激等多種因素均可產生DNA 損傷，導致損傷-修復機制失衡進而產生不可逆的效果。損傷的DNA 激活下游p53 和p16INK4a 通路，導致細胞衰老相關通路p21CIP1 表達上調，細胞周期停滯。激活的p21CIP1通路使得DNA 損傷相關蛋白如NF-ΚB、p38MAPK和JAK 蛋白表達上調，促進細胞SASP 的釋放，進而產生一系列促衰老效應。較為明確的SASP 類型包括炎性因子IL-1 、IL-1 、TNF-α 和IL-6，趨化因子CXCL1、CXCL8、CXCL10 和CCL2。蛋白酶MMP1及MMP8 等和生長因子TGF-β同樣可以促進細胞衰老化。SAPA 家族成員仍在不斷增加中，炎性因子PAI-1 是近年來新發現的SASP 成員，在COPD 以及肺纖維化患者血清中表達上升，提示炎癥反應與呼吸系統慢性疾病密切相關[10]。分泌的SASP 可作用于自身造成胞內ROS 水平釋放增加，引起細胞衰老進一步加重，也可作用于周圍細胞導致肺血管破壞程度增加，促進纖維化和氣道重構。

當然，衰老是一個及其復雜的過程，涉及眾多通路和關鍵分子以及表型變化，近來有研究顯示非編碼RNA[11]、抗衰老分子的減少以及表觀遺傳改變也可能參與到衰老過程中，其具體過程仍有待進一步的研究。

4 血管衰老與肺動脈高壓

肺動脈高壓常伴有肺血管內皮細胞功能失調以及肺血管平滑肌細胞增生肥大，最終導致血管重塑和右心衰等一系列不良后果，其預后差，病死率高，且尚無滿意治療手段。近年有研究表明，肺動脈高壓與血管衰老存在以下共同特點：（1）促衰老誘因同時促進肺動脈高壓的發生；（2）肺血管重塑現象同時見于衰老相關疾病與肺動脈高壓；（3）衰老相關信號通路同樣存在于肺動脈高壓發生過程；（4）針對衰老的治療可明顯緩解肺血管重塑以及肺動脈高壓的癥狀。上述4 點提示肺動脈高壓與血管衰老之間可能存在極為密切的聯系。

4.1 血管衰老與肺動脈高壓發病的共同特征 在形態改變上，早期肺動脈高壓典型特征包括血管內膜增生，中、外膜纖維化程度增加，彈性纖維層斷裂以及血管周圍炎癥。這與血管衰老中產生的形態變化極為相似。Noureddine 等[12]選取124 例COPD 患者在肺血管平滑肌細胞中檢測端粒長度以及p16 和p21 等衰老相關分子水平，發現衰老是重要的致血管重構因素。在分子水平，眾多衰老標記物以及SASP 的變化也具有一致性。如衰老標記物蛋白SMP30 證實有抗衰老作用，敲除SMP30 后小鼠肺動脈高壓易感性增加[13]。同時，進一步研究認為肺血管內皮細胞和平滑肌細胞中的DNA 損傷積累是血管衰老和肺動脈高壓的共同誘發因素[14]，Federici 和Li 等[15]證實在肺動脈高壓早期過程中即存在DNA 損傷現象。損傷積累造成肺血管內皮細胞凋亡和血管重重構，均使得血管壁硬化程度增加。

以上多種因素均使得平滑肌細胞功能障礙而導致血管廣泛收縮，從而引起肺血管阻力（PVR）和肺血管壓力（PAP）增加，誘發肺動脈高壓的發生[16]。隨著外膜纖維化和炎性細胞浸潤程度加深，肺血管呈現一系列衰老變化，并分泌SASP 進一步促進炎癥的發生和一系列退行性改變，最終導致疾病的進一步發展。

4.2 血管衰老與肺動脈高壓共同信號通路 信號通路變化是導致血管衰老與肺動脈高壓發生發展的重要機制之一。衰老和肺動脈高壓進展過程中通路變化情況有眾多相似之處，如TGF-β/BMP 通路調節失衡、TNF-α和mTOR 等促衰老通路表達增加、受損血管修復機制喪失以及肺血管血流動力狀態改變后新通路激活等。

4.2.1 TGF-β/BMP 通路 肺動脈高壓中，骨形態發生蛋白受體2 基因（BMPR2）被公認為最主要的肺動脈高壓致病基因[17]，同時TGF-β/骨形態發生蛋白（BMP）通路在發病中處于核心位置。在衰老方面，Li 等[18]認為TGF-β直接激活p16 和p21，同時間接促使ROS 水平增加從而起到促衰老作用。TGF-β也是SASP 成分之一，在衰老細胞中表達明顯增加。BMPR2 不僅是重要的致病基因，也與DNA 損傷-修復機制密切相關，而后者正是誘發衰老的起始環節。在肺血管內皮細胞中，下調BMPR2 后DNA 損傷敏感性增加[15]，可能是由于保護性基因BRCA1 在細胞中表達降低所致。值得注意的是，DNA 損傷同時導致BMPR2 表達下調，提示兩者可能存在獨特的循環途徑共同誘導衰老的發生。

4.2.2 mTOR 通路 mTOR 是絲氨酸/蘇氨酸激酶家族的一員，mTOR 信號通路在細胞增殖、蛋白質合成和細胞凋亡等過程中均起到重要作用。同時，mTOR 分子本身作為SASP的一種具有促細胞衰老作用。mTOR通路與肺動脈高壓等多種呼吸系統疾病有密切的關系。近來研究顯示在轉基因小鼠中上調mTOR 表達導致肺動脈高壓的發生，同時COPD 患者肺血管內皮細胞、平滑肌細胞和肺泡上皮細胞中mTOR 通路和衰老標記物均表達增加[19]，提示mTOR 與細胞衰老和眾多慢性呼吸系統疾病的發生息息相關。現普遍認為mTOR通路與肺血管平滑肌細胞的增殖以及肺血管重構關系密切，激活mTOR 通路引起p16 和p21 等蛋白表達增高、細胞周期改變和血管重塑，進而導致肺動脈高壓癥狀的產生。mTOR 抑制劑能緩解衰老癥狀以及減少SASP 分泌水平[20]，同時可以改善血管重塑以及血流動力學狀態，提示mTOR 信號通路是一個具有前景的肺動脈高壓治療靶點。

4.2.3 血管再生相關信號通路 隨著年齡的增加，血管再生潛能逐漸下降，再生相關基因如Klotho 和sirtuin通路均表達降低，而后者往往在血管細胞衰老中充當保護性角色。小鼠體內Klotho 基因缺失會導致血管呈衰老樣變化，如血管內膜增生、鈣化和EC 功能障礙[21]。而在MCT 誘導的肺動脈高壓大鼠模型中同樣發現Klotho 表達下降，輸入Klotho 過表達的間充質干細胞能緩解血管重構，減輕肺動脈高壓癥狀，這提示Klotho在PH和衰老過程中發揮著重要作用[22]。Klotho通過上調Sirtuin 起到抗衰老作用，后者也是血管衰老過程中常見的保護性因素，有研究顯示Sirtuin 在肺動脈高壓患者血管細胞中表達明顯下降[23]。此外，血管生成相關通路如Wnt、胰島素樣生長因子（IGF-1）以及FoxOs 與衰老和肺動脈高壓的發生密切相關。

5 以衰老為靶點的治療手段

隨著對衰老機制以及信號分子通路研究的不斷加深，近年來，在慢性呼吸系統疾病中以衰老為靶點的治療手段取得了長足的進步。現有的治療手段期望能針對衰老相關通路，預防或延緩非生理性衰老的發生。目前，其研究主要集中在3 個方面：（1）減少氧化應激，減少DNA 損傷以防止衰老的發生；（2）使用SASP 抑制劑阻斷炎癥反應；（3）選擇性清除衰老細胞。此外，基因治療和免疫療法也在積極的探索中[24]。Baker 等[25]發現定向清除小鼠體內p16Ink4a 細胞能緩解器官衰老，顯著延長生命預期，這種方法同樣能減輕肺纖維化程度和肺部炎性反應[26]。特別值得關注的是，Justice等[27]首次將細胞衰老靶向藥物Senolytics用于肺纖維化治療的人體試驗，經治療后14 名被試者的活動程度和6 分鐘步行試驗等指標明顯改善，提示靶向藥物定向清除衰老細胞可能是具有良好前景的肺纖維化治療手段。mTOR 抑制劑能上調sirtuin 表達，延緩細胞衰老，對COPD 和肺纖維化均有良好的治療作用[28]。依維莫司（Everolimus）是第一種用于小型肺動脈高壓治療評估的mTOR 抑制劑，在治療6 個月后80%的患者肺血管阻力下降31%，但其臨床應用仍有待進一步的大樣本臨床試驗觀察。

6 總結與展望

綜上所述，隨著年齡的增大，血管細胞通過激活衰老相關信號通路以及釋放SASP 從而產生了一系列的病理表型變化，造成形態及功能改變，最終導致了慢性呼吸系統疾病特別是肺血管疾病的發生。正確理解衰老與肺血管疾病的關系及機制，應用正確的方法延緩衰老對防控和治療肺血管疾病有著重要的意義。同時，衰老相關信號通路中的關鍵分子也有望為肺動脈高壓等疾病提供新的治療靶點。逆轉衰老雖然不甚現實，但對血管衰老的早期發現、早期干預以及針對性治療是未來防治肺血管疾病的新方向。