衰老的意義、特征及相關生物標記與評估模式

許志剛，劉曉蕾，董碧蓉

國家老年疾病臨床醫學研究中心(四川大學華西醫院)，成都 610041

古人曾說“寒暑迭變，不覺漸成衰老。”衰老是每個人生命里程中無法回避的自然現象。衰老幾乎是生物有機體的普遍特征，從醫學的角度出發，并沒有把衰老一詞看作或者定義為一種疾病，但衰老被證實是與多種疾病相關，是很多疾病的高危因素，例如：肌少癥、癌癥、心腦血管疾病、骨關節炎、阿爾茨海默病、神經退行性病變等多種病。本文就衰老意義、特征及生物標記與評估模式展開以下論述。

1 衰老的概念

目前關于衰老普遍接受的基本概念是：機體對環境的適應能力進行性降低、逐漸趨向死亡的一種過程。衰老包含一種有機現象，包括隨著時間的推移死亡機會增加和(或)功能下降[1]。

細胞衰老是機體衰老的公認標志，衰老組織中衰老細胞的積累被認為是機體衰老過程的驅動因素。對于衰老的基本定義適用于器官和組織水平，但細胞衰老主要針對于體外生長的二倍體可復制細胞建立定義的，而哺乳動物中的多數細胞是非增殖的，細胞增殖衰老對機體衰老的因果影響仍然存在不同觀點，所以在細胞和分子水平上定義衰老還是有一定的爭論[2]。

2 衰老的部分意義

在物種水平上，衰老可能是一種防止特定環境過度擁擠和“為群體利益節約資源”的手段，或者通過加速世代更替來促進進化[3]。經典的衰老進化理論提出，隨著年齡的增長，生殖后存活率增加，青少年死亡率下降，這可以用代際轉移效應來解釋闡述[4]。

有研究表明衰老細胞能夠逃脫免疫清除，通過人類白細胞抗原(HLA)-E介導的自然殺傷細胞(NK)和CD8+細胞抑制促炎細胞因子的旁分泌[5]。衰老細胞的積累曾被認為引發衰老，但這也可能意味著衰老細胞是機體衰老過程的結果[6]。

衰老細胞在組織和器官中的長期過度和異常積累會影響再生能力，并產生促炎環境，從而影響衰老相關疾病的發作和進展[7]。然而細胞衰老的急性誘導可以抑制腫瘤發生，程序性衰老伴隨著衰老細胞的清除和組織重塑，對機體發揮有益的作用[8]。

代謝衰老的過程中，p16Ink4a可誘導的胰腺β細胞衰老，但它同時刺激了胰島素分泌和線粒體活性，從而改善了葡萄糖體內平衡，這表明衰老和胰島素、胰島素樣生長因子之間存在雙向正相關[9]。

細胞衰老也參與組織修復。針對肝損傷，活化的鼠肝星狀細胞群增殖，從而刺激細胞外基質降解酶代表的衰老相關分泌表型(SASP)成分，招募免疫細胞，并限制纖維化進程[10]。小鼠中衰老的成纖維細胞和內皮細胞被發現促進皮膚損傷的愈合[11]，而衰老細胞的去除損害了小鼠的皮膚修復。

3 衰老的特征

既往經典的衰老特征包括:基因組不穩定性、端粒損耗、細胞衰老、蛋白質穩態喪失、營養感應失調、線粒體功能障礙、干細胞耗竭、細胞間通訊受損、表觀遺傳改變[12]。以上標志基本滿足：(1)正常機體衰老過程中顯現；(2)其實驗中增強惡化加重會加速衰老；(3)其標志在實驗中通過改善可延緩正常的衰老過程。

3.1 DNA損傷導致基因組不穩定性 衰老細胞在單細胞水平上常具有大量異常的DNA損傷，如果該損傷得不到及時正確的修復，就會造成異常DNA不斷積累直接造成基因組的不穩定性，進而涉及導致衰老相關的疾病的發生，如神經退行性疾病和誘導促炎因子的分泌等[13]。一些涉及DNA修復缺陷的遺傳綜合征，如缺硫性毛發營養不良病等與早衰有關[14]。其機制是DNA損傷嚴重或未修復，則會發生DNA損傷反應(DDR)，DNA損傷感應因子ATM、ATR及其下游因子Chk1、Chk2被激活，通過P53通路等導致細胞周期阻滯或死亡。常見DNA損傷包括：基因突變或刪除、染色體異倍性和拷貝數變異、克隆鑲嵌等。DNA損傷過度或DNA修復不足使得機體衰老過程加快，不論細胞核DNA和線粒體DNA都會出現增齡性基因組改變。盡管生物體中的每個細胞都存在DNA改變，但只有有限的一部分會表現出衰老，因此細胞衰老對機體衰老過程的相對作用大小仍待研究[15-17]。

3.2 端粒損耗 人體細胞中端粒位于染色體末端，由于末端復制機制的影響，端粒隨著細胞分裂周期不斷縮短損耗，當到達一定臨界程度時被認為是細胞衰老的關鍵驅動因素。端粒能限制DNA修復，一旦端粒發生DNA損傷，則會持續而高效地誘導細胞衰老和(或)凋亡，最終導致增殖停滯的DNA損傷反應[18]。有研究比較，在不同物種甚至個體間的幼稚端粒長度可以獨立于年齡并可以存在很大差異，并且通常與它們的壽命相關性成弱相關[19-20]。有證據表明端粒縮短率而不是絕對端粒長度可能是將端粒與衰老過程聯系起來的更好預測指標[21]。

3.3 細胞衰老 細胞衰老最初是針對可復制細胞進行描述的，主要與具有復制能力的機體細胞有關。細胞衰老初定義為：細胞周期的穩定性中止，目前研究表明機體衰老過程與不同組織和器官中細胞的更新率之間沒有明確的關聯[22-23]，但衰老組織中，衰老細胞的積累仍是機體衰老的驅動因素。

衰老細胞可產生分泌蛋白質組的顯著改變，其分泌蛋白質組中包含大量促炎癥細胞因子和基質金屬蛋白酶，稱之為細胞衰老相關分泌表型，而這種促炎性分泌蛋白質組可促進衰老發展[24]。p16INK4a/Rb和(或)p53/p21Cip1通路可誘導細胞衰老，其中p16INK4a被認為是最好的衰老標志物之一，因為它在早期胚胎發育中受到抑制，并在衰老過程中逐漸誘導[25]，進一步為細胞衰老和機體衰老之間可能的功能相互依賴提供了聯系。在衰老的背景下，p16INK4a的表達減少與年齡相關的功能衰退的逆轉有關。

3.4 蛋白質穩態喪失 衰老過程中伴隨著蛋白質穩態的改變。穩態喪失出現未折疊蛋白、錯誤折疊蛋白或蛋白聚合體的慢性表達，會促進某些衰老相關性疾病發生，例如：阿爾茨海默病、帕金森病、白內障等[26]。蛋白質穩態需要正確折疊蛋白質[主要的是熱激蛋白(HSP)家族]的穩定，和蛋白酶體或溶酶體實現的蛋白質降解。當他們功能完好并相互協調，能夠實現錯誤折疊蛋白的結構復原，或被完全清除和降解，從而阻止損傷成分的聚集，并確保胞內蛋白的持續更新。若未折疊蛋白重新折疊或降解失敗，則會導致這些蛋白聚集和聚合，進而引發蛋白毒性效應。機體細胞蛋白質組的穩定和功能將發生異常改變。

3.5 營養感應失調和線粒體功能障礙 在機體中發現，生長激素(GH)、胰島素樣生長因子(IGF-1)受體、胰島素受體及其下游胞內效應因子(如AKT、mTOR、FOXO)的基因多態性或突變，均與長壽有關，營養和能量通路對壽命有重要影響。

胞內IGF-1信號通路與胰島素誘發的反應類似，均可使細胞感應到葡萄糖水平。此外還有幾種相互關聯的營養素感應系統成為研究熱點。單磷酸腺苷活化蛋白激酶(AMPK)響應細胞內腺嘌呤核苷酸水平的變化，通過相對于ATP的AMP/ADP的增加被激活。AMPK的激活會增加分解代謝途徑的速率，并降低合成代謝途徑的速率，其隨著生物體的衰老其活性逐步下調[27]。

煙酰胺腺嘌呤二核苷酸是一種氧化還原反應的輔酶，是能量代謝的中心，可直接或間接地影響許多關鍵的細胞功能，包括代謝途徑、DNA修復、染色質重塑、細胞衰老和免疫細胞功能[28]。mTOR信號通路通過調節包括蛋白質合成和自噬在內的關鍵細胞過程，通過該過程mTOR調節控制生物量的積累和代謝與衰老密切相關[29]。

線粒體功能障礙存在多種原因包括：mtDNA突變、生成減少、電子傳遞鏈復合物異常、線粒體動力學改變等。線粒體功能障礙會導致活性氧ROS代謝異常，若ROS低于特定閾值，則會誘發生存信號以恢復細胞穩態；若ROS高于特定閾值或持續存在，則會促進衰老[30]。

3.6 干細胞耗竭和細胞間通訊受損 干細胞耗竭是多種衰老相關損害相互整合的結果，可能是組織和機體衰老的終極元兇。有研究提示，干細胞恢復年輕態可逆轉機體水平的衰老表型[31]。衰老過程中造血干細胞減少，導致貧血和骨髓異常增生的發病率增加，同樣也會使得適應性免疫細胞的生成減少[32]，出現比較低級化、慢性、系統性的炎癥反應狀態，產生免疫衰老[33]。

衰老還涉及到胞間通訊水平的改變，主要是內分泌、神經內分泌的改變。易出現神經內分泌信號通路異常，例如胰島素-IGF-1信號通路的失調。胞間通訊水平的改變主要體現為炎癥反應增強、對抗病原體和癌前細胞的免疫監視功能降低，以及細胞外環境組分的改變[34]。在衰老過程中炎癥老化和機體免疫衰老之間存在錯綜復雜的相互關系，這2種免疫過程相互影響[35]。

3.7 表觀遺傳改變 表觀遺傳是指可以在不改變DNA序列的情況下影響基因表達，而不是通過染色質修飾。表觀遺傳學的作用方式主要有：DNA甲基化、組蛋白乙酰化、甲基化、磷酸化和泛素化、非編碼RNA調控等[36]。神經退行性疾病與衰老過程密切相關,雙胞胎研究表明，表觀遺傳通過較高的甲基化水平，影響了神經退行性疾病的發展和進展[37]。阿爾茨海默病(AD)和帕金森病(PD)描述了2種不同形式的神經退行性疾病，它們被發現與表觀遺傳修飾有關[38]。已有研究表明，不同的表觀遺傳機制在衰老生物中富集，包括組蛋白變體的積累以及組蛋白和異染色質的丟失[39]。

4 衰老的相關標記與評估

根據上述衰老的特征，如果建立特定的衰老生物標志物體系那么就可以更有利于衰老的跟蹤識別和跟進評估。幾種形態和分子標準以及評估模式已被用于識別增殖阻滯的衰老細胞和評估機體衰老。衰老的一些形態學、分子標準和評估方法：(1)細胞形態的改變，衰老細胞通常是變大，扁平，多空泡和多核的細胞形態；(2)Cdk(周期蛋白依賴性激酶)抑制劑的變化，p16INK4a/Rb和(或)p53/p21Cip1。(3)衰老相關β-半乳糖苷酶(SA-β-Gal)的活性增加。神經元細胞原代培養中SA-β-Gal的表達增加伴隨著DNA損傷的頻率的增加和修復能力的受損[40]。尤其是在神經元結構中，使用SA-β-Gal作為細胞衰老的指標可能是非常重要的[41]。(4)DNA的損傷累積。(5)衰老相關異染色質病灶(SAHF)的累積。(6)早幼粒細胞白血病蛋白(PML)核小體和“增強衰老的DNA片段”(DNA-scar)的積累。(7)基質輔助激光解吸/電離成像質譜法,該方法曾用于研究老化和骨關節炎馬軟骨切片中不同成分的空間分布[42]，為研究軟骨中的特定肽和區分衰老與年齡相關疾病提供了新方式。(8)生物標志物的特定參考區間。老年人的實驗室結果與年輕人的正常參考區間應是有所區別的。有必要更好地調整制定生物標志物參考區間，以適應特定人群，特別是老年人。(9)剪接因子。人類的剪接隨年齡而變化，特別是剪接因子(SF)表達的年齡相關變化。衰老原代細胞和血液中剪接因子隨年齡存在差異表達[43]。(10)運動活動模式評估。有一項橫斷面研究來分析年齡對步態特征的影響，老年人較低的平衡能力在衰老的早期就可以檢測到[44]。運動軌跡的統計描述，并將時間序列轉化為代表每個參與者生理狀態的向量，沿著老化軌跡行進的距離描述為生物年齡的自然測量，可能證明個人剩余壽命和健康壽命的關聯[45]。(11)動態有機體狀態指標 (DOSI)。DOSI通過單一變量來描述機體狀態，其是以對數形式轉換的全因死亡率預測模型。在生命后期，DOSI沿著個體老化軌跡捕獲的有機體狀態的動力學與緩慢老化的隨機過程的動力學是一致的，DOSI變異性的增加與年齡呈近似線性關系，這可以用機體狀態恢復時間的增加來解釋，而機體狀態恢復時間是老化的獨立生物標記和生物彈性的特征[46]。

5 關于衰老研究的展望

機體衰老導致罹患多種慢性疾病及死亡的風險增加，這些風險在生命的最后四分之一呈指數增長[47]。我們必須對人體衰老的驅動因素有更深入的了解，以提高進一步研究衰老背后機制的水平。

機體的衰老機制十分復雜，既有內因遺傳因素也存在外在環境因素影響。隨著單細胞測序、高通量的組學分析技術、組學技術等新興技術的發展，還伴隨衰老組織特異性生物標志物的研究、歸因分析研究等等，將對基因表達背后調控機制有所突破。衰老機制的研究將為發現藥物靶標、轉化研究成果進而開發有效的治療機體衰老的相關藥物提供堅實的理論基礎，以達到延緩、預防或減輕多種與衰老相關的疾病的目的，最終預防衰老、延緩衰老，甚至逆轉機體衰老。