海洋生物活性物質抗衰老作用研究進展

王 力，肖嵋方，劉 斌，陳福泉，倪 輝，曾 峰,

（1.閩臺特色海洋食品加工及營養健康教育部工程研究中心，福建福州 350002；2.福建農林大學食品科學學院，福建福州 350002；3.福建省食品微生物與酶工程重點實驗室，福建廈門 361021）

自20世紀以來，人類的預期壽命有了極大的提高，但是衰老仍然成為人們面臨的主要問題之一，衰老除了直接造成易跌倒、行動不便、虛弱和失禁等癥狀，還會誘發代謝類相關疾病包括糖尿病、心血管疾病、癌癥等老年綜合征，造成生活質量下降甚至死亡[1-2]。人口老齡化在包括中國、日本、德國在內的許多國家中已日漸成為一個較為重大的社會問題，引起了國際多領域的關注。據統計，2019年，全球65歲及以上的人口數為7.03億，其人口所占比例從1990年的6%增加到9%，預計到2050年，老年人的數量將翻一番，達到15億，老年人口所占比例將進一步上升到16%[3]。

衰老是一個無法逆轉的過程，但具有可塑性，現有科學手段可以調節衰老的速度，達到預防和延緩衰老的目的，以提高生命質量和效率[4-5]。有關衰老的機制有多種理論，但大多數仍然不明確，現有研究將衰老轉向了一個更廣泛的概念，即在衰老過程中許多形式的損傷都可能導致衰老，其中活性氧（reactive oxygen species, ROS）的堆積是主要的原因之一，因此，諸多具有抗氧化功效的生物活性物質成為抗衰老研究的關鍵[6-7]。目前，抗衰老藥物在開發上越發困難，抗衰老藥物雖然種類繁多，但是大多數對人體有不良反應，因此，高效且毒副作用小的天然活性物質的開發將成為抗衰老食品研究的趨勢[8]。近年來，豐富的海洋生物資源受到廣泛關注，絕大部分海洋生物活性物質具有很強的抗氧化活性，如扇貝多肽、蝦青素、海藻β-胡蘿卜素等，對于延緩衰老有一定的幫助[9]。因此，海洋生物活性物質用于抗衰老具有一定的優勢，探尋抗衰老的海洋天然活性物質將成為現代食品研究領域中的重要課題。

1 衰老發生的機制

衰老是一個非常復雜的過程，會影響機體系統的大部分功能，其作用機理仍然很難解釋，但是科學研究從不同生物模式的分析出發，對長壽和短壽物種的基因組、轉錄組、蛋白質組和代謝組學進行分析比較，逐漸形成了一部分被認可的理論[10-14]。衰老的過程主要分為兩類，其一是生理性衰老，也就是指隨著機體年齡的增長，各個組織和器官功能發生相應的衰退，導致機體負擔加重，影響機體的正常生活；其二是病理性衰老，是指患有某些疾病加速了生理性衰老，如糖尿病、心血管疾病和癌癥等；這兩類衰老模式相互聯系，共同影響衰老的過程[15-16]。此外，影響衰老的因素還有很多，如吸煙、喝酒、輻射及不健康的生活方式，有研究表明心理壓力也是影響衰老的主要因素之一[17]。目前，越來越多的研究證明衰老是一個可調控的過程，衰老作用機理的相關學說包括自由基衰老學說、端粒DNA縮短學說、細胞凋亡學說、衰老基因學說、DNA損傷學說等。

1.1 自由基衰老學說

1954年，衰老自由基理論首次提出了衰老的基本化學過程：通常在生物體中產生的活性氧自由基與細胞之間的反應引發了與衰老相關的變化[18]。自由基是機體在生理活動中產生的，活性氧參與機體內代謝和免疫等過程，但是過多的自由基在代謝過程中通過許多相互關聯的反應，會導致機體DNA、蛋白質和脂質損傷，并攻擊機體組織、器官和細胞，使機體走向衰老甚至死亡[19]。目前認為，機體內各種與抗氧化和抗衰老相關的酶能清除機體內多余的自由基，形成天然的防御系統，如超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）、過氧化氫酶（catalase , CAT）、谷胱甘肽過氧化物酶（glutathione peroxidase, GSH-Px）等[20]。隨著衰老的發生與發展，機體的抗氧化酶活性減弱、合成速度減慢，使機體內自由基生成和清除的平衡被打破，造成機體中各種有害物質的逐步積累，并隨著時間的推移加速衰老的過程。自由基學說是目前最為流行的一個觀點，被眾多研究者們所接受。

1.2 端粒DNA縮短學說

1985年，Blackburn在研究酵母端粒時，發現了“端粒酶”[21]。端粒是由真核細胞染色體末端的TTAGGG重復序列的蛋白質和核苷酸組成的復合物，能夠在細胞分裂時保護DNA。端粒主要有兩個功能：保護染色體和防止染色體臂末端附近基因的降解。在細胞復制過程中，端粒會丟失一些遺傳物質，長度也會隨著細胞的每次分裂而縮短，而在正常生理狀況下，核糖核蛋白端粒酶能夠修復受損端粒，且端粒酶活性與端粒長度正相關，較高的酶活性使染色體的完整性和穩定性增強，但隨著年齡的增長，端粒逐步變短，老年人的端粒長度明顯短于青年人[22-24]。端粒縮短被認為是細胞衰老的關鍵因素，隨著細胞分裂周期的增加，端粒長度一旦達到臨界值，就會引發增殖阻滯從而導致細胞凋亡和機體生理功能衰退[25-26]。然而不同物種的初端粒長度，甚至是個體間的初端粒長度，都可能有很大的差異，且變化不受年齡的影響，通常與壽命的相關性較弱[27-28]，因此，絕對端粒長度在機體衰老中的指導作用仍存在爭議。

1.3 細胞凋亡學說

細胞凋亡也叫細胞的衰老死亡，是機體為了維持自身內環境穩態以及細胞分裂和死亡之間的平衡，而在機體進行各項生命活動中清除受損細胞的正常生理過程，也是機體的一種自保措施。細胞凋亡主要通過清除受損的細胞和不能再生的細胞，調節機體內環境的平衡，延緩機體的病理變化，與衰老密切相關[29-30]。

1.4 衰老基因學說

根據不同生物的壽命以及衰老速度的差異，研究者們猜測DNA上存在與衰老有關的“衰老基因”和“抗衰老基因”，各種生物的壽命可能與各自的遺傳基因有關，且衰老主要與衰老基因有關，抗衰老基因作為輔助起到一定的作用[31-32]。衰老基因對DNA和蛋白質的合成有著重要影響，抗衰老基因可能與阻礙衰老基因的表達有關，隨著機體能量的不斷消耗，細胞分裂增殖的次數越來越多，其代謝能力逐漸下降，抗衰老基因的表達能力也隨之下降[33]。目前，已經發現很多與衰老有關的基因，有學者為此建立了衰老相關基因的數據庫，進一步穩固了衰老基因學說的可信性[34]。

1.5 DNA損傷學說

衰老的DNA損傷理論認為，與衰老相關的功能性衰退的主要原因是DNA突變和損傷的積累。DNA突變是指核苷酸序列的改變，包括堿基對的缺失、插入、替換或重排，并可能導致蛋白質功能障礙。DNA損傷是雙螺旋結構發生物理或化學改變，可引起細胞和組織內環境穩態的破壞[35]。這些突變和損傷可能導致非整倍體、基因擴增和雜合性喪失，最終導致基因的部分或全部功能喪失、基因表達的改變和基因組的不穩定性[36]。細胞本身具有一個強大的修復系統來抵消DNA損傷，當修復機制不足以應對一定水平的損傷時，細胞可能會有表型變化的異常，從細胞周期停滯、凋亡或細胞衰老向惡性轉化[37]。因此，DNA損傷對衰老有很大的影響，是加速衰老的關鍵原因之一。

1.6 其他學說

除了以上五種學說，還有很多種學說如神經遞質學說、免疫功能退化學說、核糖體學說、遺傳程序學說等，每一種學說都有其依據，都有學者進行深入研究[38]。研究還表明，衰老與腸道菌群有關，腸道菌群能夠分泌腸道黏液保護腸黏膜屏障，腸道菌群的主要產物短鏈脂肪酸能調節基因的表達、細胞的增殖、分化和凋亡，一旦腸道功能發生紊亂就會使短鏈脂肪酸水平下降，影響腸道黏膜完整性，從而加速細胞的凋亡及肌肉蛋白的分解代謝，引發炎癥、帕金森病、糖尿病等疾病[39-40]。

目前的研究大多只是圍繞某一種機制學說展開，研究結果有不少局限性。衰老是由多因素引起的一個復雜的生理過程，存在著各種機制相互作用、相互制約，還受到環境和心理因素等影響。人們普遍認為氧化應激是衰老過程中的關鍵因素，活性氧和活性氮是在機體中發揮重要作用的自由基，能夠參與細胞內信號轉導和防御病原體入侵機體，自由基的產生和內源性抗氧化防御的失衡可能導致細胞氧化應激，從而對組成細胞的各種成分如DNA、蛋白質以及膜脂成分造成氧化損傷，導致各種病理反應如心臟病、中風、動脈硬化、糖尿病和癌癥等，此外，氧化蛋白的積累也是一些與年齡相關的疾病發展的基礎，與衰老有一定關聯性。綜上所述，目前衰老仍是科學研究的一大難題，其相關機制有待進一步研究和確定。

2 抗衰老的海洋生物活性物質

海洋生物資源一直是國內外研究的熱點，我國海岸線有1.8萬千米，海洋生物資源豐富，使得海洋成為開發天然活性食品資源的新領域[41-42]。海洋生物活性物質主要有多肽、多糖、不飽和脂肪酸等成分，研究證明，這些活性成分具有抗衰老、抗疲勞、降血糖、降血脂、抗癌等多種功能特性[43]。海洋生物活性肽是對生物有機體有特殊生理功能的多肽，其功能取決于氨基酸序列和組成，相較于蛋白質，海洋生物活性肽分子量更小（一般小于6 kDa），易吸收，生物利用率高，且具有很強的抗氧化活性，能清除體內多余的自由基，是目前作為機體抗衰老的最佳選擇之一[44]。多糖是生命物質基礎的重要組成部分，海洋生物來源的多糖因其潛在的營養價值和功能特性引起了人們的關注，多糖的生物活性與它的化學性質密切相關，分子量大小、分子類型和單糖組成比例，以及糖苷鍵等特征都會影響多糖的生物活性，此外，多糖能為機體供能，具有調控免疫細胞間的信息傳遞、維持細胞生長和正常的生理代謝等多種功能[45-47]。不飽和脂肪酸是機體不可缺少的、構成脂肪的一種脂肪酸，根據雙鍵個數的不同，分為單不飽和脂肪酸和多不飽和脂肪酸兩種，根據雙鍵的位置及功能又將多不飽和脂肪酸分為n-6系列和n-3系列，n-3多不飽和脂肪酸在海洋魚類中含量較為豐富（主要是魚油），主要包括有α-亞麻酸（α-linolenic acid, ALA）、二十碳五烯酸（eicosapentaenoic acid, EPA）及二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid, DHA）等，不飽和脂肪酸具有很強的抗氧化活性，對延緩衰老、促進嬰兒智力發育和改善老年人退行性疾病等具有重要意義[48-49]。除了海洋生物活性多肽、多糖和不飽和脂肪酸，海洋生物中含有的牛磺酸、磷脂和蝦青素等活性物質也具有抗衰老的功效，其作用機制大多與抗氧化、氧化應激、糖脂代謝和衰老基因的調控等方面有關[50-51]。表1列出了近年來海洋生物活性物質的種類、來源、劑量、實驗模型及抗衰老的作用機制。海洋生物抗衰老活性物質主要有多肽、多糖、磷脂、魚油和蝦青素等，目前大多采用線蟲、小鼠、果蠅等生物模型進行抗衰老作用研究，其作用機制主要是通過清除自由基、提高抗氧化酶活性、抑制脂質過氧化以及調控衰老相關基因的表達等途徑延緩衰老。

表1 具有抗衰老活性的海洋生物活性物質Table 1 Marine bioactive substance of anti-aging activity

3 海洋生物活性物質對衰老的干預機制

3.1 調控AMPK-mTOR-ULK1信號通路干預衰老

細胞動態平衡需要合成和分解代謝途徑的結合，協同調節蛋白質的合成、運輸和分泌。自噬是一種保守的分解代謝途徑，它將被自噬小體隔離的胞內底物運送到溶酶體進行降解，降解的底物被回收用于蛋白質的合成和新陳代謝，自噬體還能隔離受損的細胞器、錯誤折疊的蛋白質和病原體，以維持細胞健康狀態和防止病原體感染。真核細胞可以通過自噬降解細胞內成分來補充營養，從而提高它們在饑餓條件下的生存能力，在動物發育過程中，自噬能選擇性地清除受損的大分子、細胞器和入侵的微生物[66-67]。人體的衰老實際上是細胞的衰老，隨著人體新陳代謝，組織器官不斷地老化，細胞清除機體代謝廢物的能力也隨之下降，導致分解和利用受損蛋白質和細胞器的功能下降，細胞的生存能力下降，造成衰老，因此，細胞自噬是影響衰老的主要原因之一。

AMP激活酶（AMPK）是一種高度保守的感受器，在機體細胞以及所有組織器官水平上都是新陳代謝的重要調節因子，ULK1是一種蘇氨酸激酶，需要AMPK介導的磷酸化來完全激活，它們共同在誘導細胞自噬過程中起到關鍵作用[68]。AMPK可以通過兩種不同的機制抑制mTOR復合物（MTORC1）的活性，一種是直接磷酸化mTORC1的調控成分Raptor，另一種是通過磷酸化結節性硬化蛋白2（TSC2）來抑制mTORC1的活性，進而抑制mTOR的活性[69-70]。有研究表明，ULK1由mTOR和AMPK調控，它們分別抑制和激活ULK1的活性。mTOR是眾所周知的自噬負調控因子，mTOR通過與ULK1/ATG13/FIP200復合物結合，直接磷酸化ULK1，從而抑制其蛋白激酶活性；而AMPK通過Raptor組分的磷酸化將ULK1從mTORC1中解離出來，是自噬的正調控因子[71]。因此，AMPK信號的缺失可能會影響ULK1解離mTORC1的途徑，從而調控細胞的自噬清除。房其軍等[72]用人近端腎小管上皮細胞（HK-2）進體外細胞實驗，研究褐藻多糖硫酸酯（FPS）的抗衰老功效，結果發現，FPS能有效改善D-半乳糖誘導的細胞衰老，并能調控D-半乳糖誘導的細胞LC3II、p-AMPK以及p-ULK1蛋白表達水平的變化，也就是抑制自噬相關AMPK-ULK1信號通路活性，其研究表明衰老的分子機制可能與抑制自噬相關AMPK-ULK1信號通路活性有關。因此，AMPK-mTOR-ULK1作為衰老過程中必不可少的調節器，海洋褐藻多糖硫酸酯能有效調控該信號通路，延緩機體衰老。

3.2 增加端粒酶活性延緩衰老

端粒是位于每條染色體兩端的特殊DNA-蛋白質結構，保護基因組免受核溶解、不必要的重組、修復和染色體間融合的影響，端粒DNA的合成和維持除了需要DNA聚合酶外，還需要一種被稱為端粒酶的特殊逆轉錄酶[73]。端粒酶是一種負責染色體DNA端粒區域復制的酶，當端粒酶被抑制時，細胞分裂過程中的DNA合成會導致端粒DNA的合成逐漸受損[74]。因此，端粒在保護基因組中的信息方面起著至關重要的作用。在一個正常的細胞過程中，每次細胞分裂都會丟失小部分端粒DNA，當端粒長度達到臨界極限時，細胞將經歷衰老和凋亡，因此，端粒長度可以作為生物鐘來決定細胞和機體的壽命。

有研究表明，端粒長度隨著年齡的增長而縮短，而端粒的進行性縮短會導致體細胞的衰老、凋亡或致癌轉化，影響個體的健康和壽命，端粒越短，疾病的發病率越高，存活率越低。機體每次DNA復制時都會發生端粒縮短，如果持續下去會導致染色體退化和細胞死亡，端粒縮短的速率受特定的生活方式等因素調控，調節日常飲食、活動以及攝入對機體有益的活性物質對于降低端粒縮短率、防止端粒過度磨損、延遲年齡相關疾病發病時間和延長壽命具有重要意義[75-76]。Ramin等[77]探討了海洋ω-3脂肪酸與端粒老化的關系，發現ω-3脂肪酸的攝入量與端粒縮短速率之間存在負相關關系，提高ω-3脂肪酸的攝入量可能保護冠心病患者抵抗細胞衰老。

3.3 調節抗氧化酶活性減輕氧化損傷

正常情況下，機體內部代謝整體處于動態平衡，以此保證了機體的健康狀態，但是在機體自身或外界因素干擾下，機體細胞產生過多的活性氧會導致機體內環境紊亂，引發機體產生氧化應激反應。氧化應激是由于活性氧的產生和細胞通過抗氧化途徑修復或消除受損分子來減輕活性氧損傷的能力之間的不平衡所引起，氧化應激會造成細胞老化損傷、組織器官功能減退或病變，從而引發機體衰老[78]。

機體主要參與抗氧化的酶有SOD、CAT、GSHPx等，通過調節抗氧化酶的活性，能有效清除過氧化氫和脂質過氧化物，保護機體免受氧化應激的損害[79]。抗氧化活性成分可以提高機體內抗氧化酶活性，并能調節抗氧化相關基因的表達，提高機體抗氧化水平，減少氧化應激對機體的損害，從而延緩衰老的發生。張亞[80]研究羊棲菜多糖對黑腹果蠅的抗衰老作用，結果發現，機體SOD、CAT、GSH等抗氧化酶的活性均顯著提高，MDA含量下降，果蠅的生存率提高，并發現在0.167%的濃度下，羊棲菜多糖能明顯激活mRNA水平的Nrf2/ARE信號通路，提高Nrf2基因的表達量，激活下游抗氧化基因HO-1、NADPH、GCLC等的表達，并加速了甘油三酯的分解代謝，延長了果蠅的壽命。Li等[81]通過構建D-半乳糖導致的衰老小鼠肝腎損傷動物模型，研究羅非魚膠原蛋白多肽（TSCP，分子量小于3 kDa）對機體的修復和保護作用，結果表明，TSCP能提高衰老損傷小鼠的肝、腎SOD、CAT、GSH-Px的活性，并抑制丙二醛和誘導型一氧化氮合酶的表達，改善D-半乳糖所致的肝、腎損傷。綜上可知，衰老的機制可能與抗氧化指標聯系，調節機體內抗氧化酶的活性能增強機體抗氧化能力，有效緩解氧化應激帶來的損傷，維持細胞、組織和器官的正常代謝，從而延緩衰老。

3.4 清除自由基減緩細胞凋亡

自由基也稱游離基，含有未配對的電子，因此性質極不穩定，過多的自由基會使機體內抗氧化穩態失衡，造成細胞結構破壞、細胞程序性死亡、功能喪失、基因突變以及活性氧水平的升高和細胞組成成分的氧化損傷，活性氧包括超氧陰離子（O2·-）、過氧化物、羥自由基（·OH）和單線態氧（1O2），這些分子通過激活細胞增殖和凋亡的生存信號，并能損傷脫氧核糖核酸（堿基損傷、單鏈和雙鏈斷裂、脫氧核糖核酸和蛋白質交聯、脫氧核糖核酸和染色體畸變）、膜脂、蛋白質、膠原結構和線粒體功能，從而導致機體抗氧化防御系統失衡，這種失衡常常伴隨各種疾病的發生和發展，包括加速衰老、癌癥、冠心病等[82-83]。因此，活性氧自由基失衡可能是衰老發生的主要原因之一，清除機體內多余的自由基能有效維持機體內環境穩態，避免機體產生氧化應激，使細胞凋亡，組織器官發生病變，從而有效緩解衰老的發生。徐曉珍[84]研究了海帶多糖對自然皮膚衰老的延緩機制，發現海帶多糖能顯著增加衰老皮膚抗氧化酶SOD、CAT、GSH-Px的活性，提高抗氧化能力，減少皮膚中的氧自由基，從而延緩皮膚的衰老。海洋生物多糖大多具有很強的抗氧化活性，能有效清除機體內多余的自由基，提高機體內抗氧化酶活性，維持機體內環境穩態，延緩機體的衰老。

3.5 恢復腸道穩態調控衰老相關代謝紊亂

腸道菌群是人體胃腸道內環境的組成部分，對維持機體穩態有著重要意義。腸道菌群可分為有益菌群和有害菌群，有益菌群能使腸道充分吸收和利用營養組分，有助于生物活性物質的合成，使機體排出有害物質，同時還能與有害菌形成競爭關系，避免病原菌的侵害；而有害菌群會產生有害代謝物質，阻礙腸道對營養物質的吸收，破壞機體的健康狀態[85-86]。正常情況下，腸道菌群與機體之間處于動態平衡，但隨著機體自身的衰老以及生活、飲食方式的改變，會使有害菌的比例增加，導致衰老相關的一系列疾病的發生，同時機體的衰老還會改變腸道菌群的組成，從而改變腸道菌群的代謝能力。因此，維持機體腸道菌群的平衡對調節機體健康有著極其重要的意義。

研究表明，炎癥的發生是導致帕金森氏癥和阿爾茨海默癥等神經退行性疾病的原因之一，腸道功能紊亂會引起機體炎癥，這表明胃腸道系統和認知功能障礙之間存在聯系，而通常衰老也會伴隨認知功能障礙[87]。基于這一觀點，衰老的機制研究可以腸道微生物為靶點，通過觀察腸道菌群產物、炎癥介質和免疫系統之間的相互影響，干預和調節生理性和非病理性的衰老過程。胡晨熙[88]研究了羊棲菜多糖（SFPS）對衰老小鼠腸道菌群的調控作用，通過16S rDNA高通量測序，結果發現，SFPS能改善小鼠腸道菌群的多樣性和分布均勻度，使厚壁菌門（Firmicutes）和擬桿菌門（Bacteroidetes）的比值降低，促進有益菌的生長，還發現衰老的發生與Nrf2/ARE信號通路有關，且隨著小鼠年齡的增加，NCAT、SOD-2、NQO1和HO-1基因的表達量降低，SFPS的干預能夠顯著上調抗衰老相關基因，起到抗衰老的作用。因此，通過研究海洋生物活性成分對腸道菌群的干預作用，并結合腸道菌群所調節的衰老相關生理生化指標，將成為抗衰老研究的新思路。

4 總結與展望

衰老是一個受多因素影響的復雜生理過程，其形成機制還有待進一步研究。目前衰老的機制假說主要包括自由基衰老學說、端粒DNA縮短學說、細胞凋亡學說、衰老基因學說、DNA損傷學說等，現有研究也開始綜合多角度向生物活性分子、抗氧化酶活性，抗衰老基因的表達等方面開展，此外，腸道菌群與衰老之間的聯系也已得到科學研究的證實。海洋生物活性物質與化學合成的一些抗衰老成分相比，不僅具有特殊的生物活性，還具有高度的吸收率和生物利用度等優勢，可通過提高抗氧化酶活性、清除自由基、調控衰老相關基因和調節腸道菌群等途徑達到抗衰老的目的，能夠為抗衰老功能性食品的開發提供新視角和新方向。綜合目前的科學研究來看，海洋生物活性物質抗衰老的研究需要進一步深入：a. 海洋生物資源豐富，目前用于抗衰老研究的成分大多比較常見，還有很多未知的高效活性組分有待被開發和利用；b. 衰老的機制研究很多，但大多停留在自由基、抗氧化酶和脂質過氧化等生化指標的水平，其深層的作用機制仍然不明確，且現有研究大多基于動物和細胞模型，今后的研究可將活性物質分離純化至單一組分，結合現代組學技術，從基因組學、轉錄組學、蛋白組學、代謝組學等層面解釋其作用機制，致力于找到衰老的生物標志物及信號通路，為指導臨床應用提供明確的理論依據；c. 海洋生物活性物質可通過調控腸道菌群延緩衰老，從而改善相關代謝疾病，以腸道菌群為靶點將成為未來衰老機制研究的新方向。綜上所述，海洋生物活性物質是非常寶貴的資源，探明其延緩衰老的深層機制能夠為功能性食品和生物醫藥的開發提供新視角和新方向。