自由基、炎症与衰老

夏世金 孙涛 吴俊珍

自由基（free radicals）是生命科学的研究热点，1956年美国的Harman［1］将辐射化学中的自由基概念引入生物领域，提出了著名的自由基学说（free radial theory）。活性 氧 （reactive oxygen species，ROS）是机体内最常见的自由基。人体的自由基以氧自由基为主。过量的自由基诱发机体氧化反应，可损害机体的组织和细胞，进而导致衰老，于是Harman提出了著名的自由基衰老学说（free radical theory of aging）［1－2］。氧化应激导致生物分子的氧化损伤，引起机体内源性损伤相关分子模式（damage－associated molecular patterns，DAMPs）产生和细胞因子释放［3］。细胞因子能激活模式识别受体（pattern recognition receptors，PRRs）下游的信号通路，如核因子κB （NF－κB）、JAK、STAT 和MAPK等，导致细胞因子和趋化因子释放增加，招募和激活更多的炎性细胞，引起机体系统性慢性炎症反应。基于氧化应激与炎症、衰老的密切关系，De la Fuente等［4］提出了氧化－炎症衰老学说（oxidation－inflammation theory of aging，oxi－inflamm－aging），并认为氧化应激导致炎性衰老。自由基、炎症和衰老三者关系密切且错综复杂，已受到学者的高度关注。

1 自由基与炎症

自由基是指单独存在的、具有配对价电子的离子、原子、分子基团，共同特征是最外层电子轨道上具有不配对电子，主要特点是性质活泼和反应性强。自由基是机体内的一种不可或缺的具有双刃剑性质的活性元素，对生物体既有益又有害。通常生物体内存在一套完整的抗氧化体系，抗氧化系统能够清除自由基，使自由基的生成与清除处于动态平衡状态，维持自由基的代谢平衡。正常情况下，自由基在抗菌、消炎和抑制肿瘤等方面具有重要意义。但是，当机体受到某些疾病或外源性物质攻击后，自由基代谢异常，从而诱发脂质过氧化反应，并可致组织细胞发生氧化应激性损伤［5］。

在正常代谢过程中细胞呼吸链产生高反应活性的自由基，尤其是ROS自由基。为应对氧化毒性，细胞通过多种抗氧化机制阻止ROS的形成或中和其代谢过程中所产生的ROS。当ROS的生成量超过细胞抗氧化清除的能力，细胞因ROS过量堆积而引起异常炎症反应［6］。

在免疫激活和效应阶段，消灭外来或改变的自身抗原的同时，机体出现炎症状态。氧化和炎症在维持机体稳态的免疫反应过程中密切相关。适度的ROS有利于免疫系统执行防御功能，ROS既可作为化学武器消灭恶性细胞和病原体，又能调节免疫反应过程中抗体、细胞因子等表达。免疫细胞的细胞膜具有脆弱的结构特征，因此比其他细胞更易遭受氧化应激的损伤［7］。氧自由基是炎症反应的效应器，氧自由基的过度产生能通过PRRs和非PRRs途径诱发炎症反应［8］。

自由基与慢性炎症反应有着密切的关系。慢性炎症反应过程可导致氧化应激的增强和胞内抗氧化能力的降低，过量生成的自由基可作用于细胞的膜脂，损害蛋白的结构和功能，导致DNA的突变。自由基所致的氧化应激可以通过不同的机制增加细胞因子的产生，含氧衍生物作为第二信使激活转录因子NF－κB和激活蛋白1（AP－1），细胞膜上的还原型辅酶H（NADPH）氧化酶复合物的氧化作用产生ROS放大氧化应激反应，从而进一步刺激炎症细胞的激活，因此氧化应激和炎症反应之间形成螺旋上升的恶性循环［9］。炎症状态与氧化应激状态密切相关，NF－κB是联系炎症和氧化应激的关键［9］。AP－1参与调控广泛的生理过程包括细胞的增殖、凋亡、存活和分化［10］。ROS和胞内氧化还原状态特别是巯基的平衡态可直接影响 AP－1的活性［11］。AP－1基因的表达同样可受到细胞因子的调控［12］。NF－κB 是一种非常特殊的转录因子，可以被多种病理因素激活，参与调控众多炎症因子基因表达，是多种促炎症基因转录的必需因子［13］。同时，NF－κB对参与炎性反应放大与持续（即级联瀑布样效应）的多种酶（如iNOS、COX－2等）基因的表达也具有重要的调控作用［14］。NF－κB 的适度活化对于机体抵御各种因素的危害具有重要意义，但同时由于NF－κB的过度活化活化又可诱导细胞因子如IL－1β、黏附分子、免疫受体、炎症相关酶类的表达，从而形成炎症反应的恶性循环［15］。氧自由基可加快巨噬细胞迁移，引起炎症和促纤维化细胞因子的释放，从而进一步刺激ROS 产生［16］。过多的 ROS可通过激活对氧化还原状态敏感的转录因子NF－κB和AP－1来促进促炎细胞因子的表达，从而进一步上调与炎症有关的基因产物如VCAM－1、ICAM－1及 MCP－1的表达，加剧炎症反应。因此，氧化应激诱导细胞因子的产生很可能会进一步提高氧化应激强度，从而形成恶性循环。

氧化应激与肿瘤坏死因子－α（TNF－α）的关系十分复杂，TNF－α可诱导氧自由基的产生，促进中性粒细胞“氧化爆发”，产生氧自由基等ROS介质并导致组织损伤，而ROS也可以增加TNF－α的水平。TNF－α可以激活 NF－κB通路介导的炎症介质的转录和表达，通过NF－κB通路诱导多种炎症介质在血管内皮细胞和系膜细胞中的表达，形成一个自分泌增强的回路，并借此加重炎症损伤程度，促进炎症的发生和发展［17］。

自由基所致的氧化应激与炎症通过调控转录水平进而相互影响，形成自由基－氧化应激－炎症－氧化应激－自由基的恶性循环。氧化应激是炎症过程中的伴随现象，通过氧化加重炎症反应，炎症通过炎症介质促进氧化。

2 自由基与衰老

在正常情况下，细胞内自由基的产生与清除处于动态平衡状态，随着年龄的增长，这种平衡渐渐遭到破坏，结果自由基的浓度超过了“阈值”，链式的自由基反应使得DNA、蛋白质，尤其是多不饱和脂肪酸等大分子物质发生变性和交联，损伤细胞器、细胞膜等结构，导致生物体的氧化应激伤害，最终出现衰 老 与 死 亡［18］。 因 此，Harman［1－2］提出自由基衰老学说，可以概括为线粒体产生的ROS过量／ROS的防御能力减弱之间矛盾的激化，最终导致衰老。1994年，Barja等［19］指出单位耗氧量产生的ROS越少，寿命越长。使用药物或营养素、限食（calorie restriction，CR）、运动是延缓衰老的有效措施［20］，都能增加抗氧化能力和降低ROS的产生，成为自由基衰老学说的有力支 撑［21－23］。自由基 衰 老 学说基本反映了生物衰老的普遍规律，但目前新的研究证据对该学说提出了严峻挑战。Harman认为细胞代谢率越低，产生的ROS越多，引起衰老，但 Ristow 等［24］在研究老化的模式生物线虫时发现，CR延缓衰老是通过诱导线粒体代谢率和增加ROS的产生来实现的。Sesso等［25］经过长达8年的随机调查得出这样的结论：抗氧化剂维生素C和维生素E不能有效地预防心血管疾病，维生素E甚至增加了缺血性中风的患病概率，自由基理论似乎被动摇了，然而2011年，权威杂志报道，低浓度ROS能诱导性启动许多保护机制，例如激活细胞氧化还原敏感元件以及相关信号通路，从而稳定地、全面地、长效地提高机体抗氧化能力，最终祛病延寿［26］。因此，一般而言，低浓度抗氧化剂起抗氧化作用，高浓度时则起促氧化作用。

3 炎症与衰老

随着年龄的增长，机体中出现一种促炎症反应状态进行性升高状态（a chronic progressive increase in pro－inflammatory status ），Franceschi等［27］首次将这个现象命名为炎性衰老。炎性衰老对应的英 文 名 词 最 先 是 inflamm－aging［27］，后 来 的 文 献 出 现 inflammaging［28］、inflamm－ageing［29］和inflammageing［30］等。夏世金等［31］首先将“inflamm－aging”翻译成中文名词“炎性衰老”，并率先在国内开展了一系列炎性衰老机制与干预的研究［32－36］。

炎性衰老与多种老年病密切相关［37］。老年人体内促炎因子与抗炎因子出现消长变化，最终表现为促炎反应的过度，炎症稳态失衡而致炎性衰老［38］。Salvioli等［39］研究表明：促炎症细胞因子在慢性炎症所致的机体的炎症衰老中发挥着重要的作用。老年人血清中白介素－6（IL－6）和 TNF－α水平的升高与疾病、残疾和死亡率有关。大量人群研究表明：血清IL－6水平可作为老年人功能残疾的可靠标志，也可作为老年人炎性衰老的预测指标。从健康老年人实验可知，衰老与高促炎症反应状态相关，高促炎症反应状态产生的原因是循环中促炎症介质，包括IL－1、IL－6、TNF－α和前列腺素 E2（PGE2）水平的升高［40］。衰老与炎症是紧密联系的事件，因此有学者建议把慢性炎症作为衰老的生物标志物［41］。最近研究发现，下丘脑是小鼠整体炎症的主要部位，IKK－β、NF－κB等炎症关键分子明显激活［42］。

促炎细胞因子能诱导细胞衰老。促炎细胞因子（如TNF－α、IFN－β、IFN－γ等）通过产生 ROS和激活ATM／p53／p21（WAF 1／Cip1）信号通路诱导上皮细胞衰老［43］。趋化因子受体CXCR2通过p53通路诱导成纤维细胞衰老，DNA损伤激活NF－κB等信号通路产生促炎细胞因子（IL－1、IL－6、IL－8等），从而阻滞细胞周期，诱导和维持细胞衰老表型［44］。分泌TNF和IFN－γ的CD4＋Th1细胞能抑制侵袭性β细胞瘤的生长，其机制是引起细胞衰老，上调衰老标志蛋白p16的表达［45］。

NF－κB是炎症信号通路的分子开关。研究发现：长寿基因SIRT1可以 与 NF－κB 的 Rel／p65 亚 基 结合，使K310去乙酰化而抑制NF－κB的转录活性，NF－κB能调控衰老［46］，SIRT1可通过调控NF－κB发挥干预衰老的作用［47］。去乙酰化酶SIRT6在调节TNF－α的分泌中起关键的作用，能明显增加雄性小鼠的寿命［48］。上述结果表明，干预炎症对延缓衰老具有重要的意义。

4 自由基、炎症、衰老三者之间的关系

总之，自由基可以导致炎症稳态失衡，后者又引起自由基过量产生；自由基稳态失衡可以导致衰老，而衰老又引起自由基代谢平衡破坏；衰老进程中出现炎症稳态失衡，而炎症又可导致衰老。自由基⇌炎症⇌衰老⇌自由基互为因果，关系错综复杂。

NF－κB、TOR、RIG－I、JNK、Notch、Sirtuins、TGF－β、Wnt、Ras、Insulin／IGF－1等信号通路可调控炎症和衰老。这些调控信号通路可能是自由基、炎症、衰老三者之间联系的枢纽，有待深入研究。

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