身体活动干预血管内皮衰老的生物学机制研究进展

戎晶晶甄志平唐晓义王沥

1杭州师范大学医学院衰老研究所（浙江省杭州市311121）

2北京师范大学体育与运动学院3中国科学院大学人文学院体育教研室

身体活动干预血管内皮衰老的生物学机制研究进展

戎晶晶1甄志平2唐晓义3王沥1

1杭州师范大学医学院衰老研究所（浙江省杭州市311121）

2北京师范大学体育与运动学院3中国科学院大学人文学院体育教研室

血管内皮衰老是动脉粥样硬化及相关心血管疾病发生的重要病理基础。近年来，常规的身体活动已被众多研究证明可以改善中老年人群的内皮功能衰退。身体活动主要通过平衡血管内的氧化应激水平以及调节炎症环境，促进内皮一氧化氮合酶活性，提高一氧化氮的生物利用度，维持血管内稳态。一定强度的常规运动还可以提高循环血液中内皮祖细胞的数目，增强内皮修复和血管再生能力。除此之外，身体活动对脂代谢、糖代谢、激素水平等的系统性调节，以及对高血压、血脂紊乱、肥胖等风险因素的控制也是抵抗内皮衰老的生物学途径。随着老龄化社会进程的加剧，今后需要从分子、细胞等水平详细了解身体活动对血管功能的影响，并相应地制定个性化的运动处方。

身体活动；衰老；内皮功能紊乱；心血管疾病

血管内皮位于血液与血管壁组织的交界面，由单层间充质细胞组成，是人体循环系统的重要屏障，参与机体众多复杂功能的调节过程。在正常状态下，血管内皮主要依靠血管舒张因子一氧化氮（NO）来维持血管舒缩的内稳态；而在衰老状态下，血管内皮遭受血流动力学压力改变以及氧化脂、自由基等内外因素的刺激，内皮细胞集中产生促血管收缩、促凝集和促炎因子，造成NO生物利用度下降，进而引起血管内膜渗透性发生改变、内皮细胞迁移、血管平滑肌增殖等一系列促使动脉粥样硬化产生的生理变化，并有可能进一步发展成心血管疾病［1，2］。由此可见，血管内皮的衰老直接关系到各种心血管疾病发生的阈值、严重程度和预后，且使机体和靶器官更易遭受高血压、血脂紊乱、糖尿病、肥胖、吸烟等其它致病风险因素的侵害［3］。

身体活动可以时心血管疾病的发病率或死亡率降低20%～35%，甚至达50%［4］。相应的，少动或久坐的生活方式与心血管疾病引起的死亡率直接相关，并已成为冠心病发生的独立风险因素［5］。流行病学研究发现，在中老年人群中，每周运动量与心血管疾病死亡率、全因死亡率存在明确的反向剂量效应［6］。对于具有心血管疾病风险或已经患有心血管疾病的老年人群，中等强度的常规身体活动可以有效提高NO的生物利用度，改善内皮依赖的血管舒张［7］。除临床研究，大量的实验室数据也证明，身体活动、尤其是有氧运动可以干预衰老引起的血管内皮功能紊乱。本文综合近年来的主流文献，对身体活动干预内皮衰老的生物学途径及可能的分子机制进行阐述。

1　身体活动通过调节体内的过氧化状态干预内皮衰老

氧化应激是体内氧化水平与抗氧化水平失衡的一种生理状态，其程度随着增龄而逐渐加强。在线粒体环加氧酶（cyclooxygenase，COX）和还原型辅酶Ⅱ（triphosphopyridine nucleotide，NADPH）氧化酶的催化作用下，衰老的内皮细胞代谢产生过多的活性氧（reactiveoxygenspecies，ROS）、活性氮（reactive nitrogen species，RNS），这些氧自由基可以迅速氧化NO，产生细胞毒性的过氧亚硝基（ONOO-）。ONOO-可以通过脂肪过氧化改变钾通道等生物膜的结构和通透性，造成血管细胞的超极化；还可以氧化内皮一氧化氮合酶（eNOS）的重要辅酶BH4，使eNOS与辅酶解偶联，减少血管舒张因子NO的合成，最终造成内皮依赖性血管舒张功能的退化。另一方面，与过氧化水平增加相对应的是衰老内皮细胞中抗氧化能力的减弱，如谷胱甘肽还原酶、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、硫氧还原蛋白活性的降低［8，9］。中老年人群中，常规的有氧运动可通过减缓体内的氧化应激维持辅酶BH4的活性，提高内皮NO的生物利用度以及内皮依赖性血管舒张（endothelium-deppendent dilatation，EDD）的功能［10］。身体活动还可以通过降低NADPH氧化酶活性、提高SOD的活性来促进eNOS的表达［11］。

在运动过程中，体内ROS水平上升。一般认为身体活动诱导的ROS启动了内皮组织对氧化应激的应答保护以及氧化损伤后的修复，这种适应能力很可能是由于血流剪应力的改变［12］。血流剪应力是血液流动时产生的与管腔平行的摩擦力，主要分为动脉主干直部的层流剪应力和弯曲分叉处的紊流剪应力。血管剪应力对内皮细胞的功能和特性、内皮稳态中生物信号的传导都至关重要［13］。研究证实，中等强度以上的身体活动可以促进层流剪应力的增强，尽管内皮中ROS的水平上升，但层流剪应力的增强诱导细胞外SOD及eNOS的表达，进而抑制了ROS对NO的降解作用［14］。此外，层流剪应力增强可以激活细胞表面的K+和Ca2+离子通道，提高细胞内Ca2+离子浓度，从而使内皮中eNOS的活性释放，促进内皮NO的合成。与层流剪应力相反，紊流剪应力可以提高NADPH氧化酶的活性，增加内皮的氧化应激［15］。尽管有氧运动已被证明可以改善老年人群中心动脉的顺应性，即增加层流剪应力、提高内皮对氧化应激的应答，但血管剪应力如何调控EDD及动脉粥样硬化产生相关基因的表达，机制仍待进一步阐明。

2　身体活动通过调节炎症反应干预内皮衰老

炎症在心血管疾病的病理发展过程中担当着重要的角色，尤其是炎症因子C-反应蛋白（C-reactive protein，CRP）已成为判断急性冠状动脉综合征及其它心血管疾病的独立预测指标［16］。研究发现，在老年人群的肱动脉和肘前静脉中获得的内皮细胞中，促炎因子核因子κB（nuclear factor kappa B，NF-κB）、白介素6（interleukin-6，IL-6）、肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor，TNF-α）以及单核细胞趋化蛋白1（monocyte chemotactic protein-1，MCP-1）的表达量明显提高［17，18］。在大样本的Framingham心脏研究项目中，中老年人群的肱动脉血管扩张值（flow mediated dilation，FMD）与血浆中CRP、IL-6以及细胞粘附因子1（intercellular adhesion molecule-1，ICAM-1）等炎症因子的浓度成反比，说明CRP和其它炎症因子直接参与了衰老引发的血管内皮功能紊乱［19］。在炎症因子的表达调控中，NF-κB被认为是关键的转录调控因子。一般情况下，NF-κB的活化短暂且有限，而在衰老状态下，NF-κB转录激活的TNF-α、IL-6、COX-2等促炎因子可正反馈提高NF-κB的活性，使炎症持续发展并引发动脉粥样硬化等炎症性疾病［20］。

常规的身体活动可以降低血浆中CRP、IL-6、TNF-α等促炎因子的水平，同时提高IL-4、IL-10等抗炎因子的表达水平［11，21，22］。IL-6被认为是运动过程中第一个被释放到循环系统中的因子，其浓度呈指数级增加。由T淋巴细胞和巨噬细胞分泌的IL-6可激活体内的免疫反应，促进炎症的发展；而由肌组织产生的IL-6则可以抑制促炎因子TNF-α和IL-1α，并激活抗炎因子IL-10，从而发挥重要的抗炎作用［23］。身体脂肪含量与系统性炎症具有一定的关联性，其中，脏器脂肪可以诱导产生低级别的炎症反应，进而产生胰岛素耐受、II型糖尿病以及动脉粥样硬化等。临床研究发现，肌肉释放的IL-6可以激活机体的脂肪代谢，促进脂肪组织的分解和转化，通过减少脂肪含量抑制炎症的发展［24］。对于老年人群，身体活动诱导的IL-6水平与肌肉质量、活动的方式、时间以及强度等因素密切相关［25］。研究者发现IL-6基因敲除小鼠的运动也可以不依赖IL-6而抑制TNF-α的产生［26］。体活动还可以促进肌肉因子IL-15的表达，IL-15被证明可以抑制TNF-α诱导的细胞凋亡［27］。由此可知，常规的身体活动可以调节IL-6、TNF-α等促炎因子的表达水平，使身体产生长期对抗炎症的适应性保护，从而削弱炎症环境对内皮细胞功能的负面影响。

3　身体活动通过调节内皮祖细胞活性干预内皮衰老

内皮祖细胞（endothelial progenitor cells，EPCs）是血管内皮细胞的前体细胞，在生理或病理因素的刺激下，可从骨髓动员到外周血，进一步增殖分化为内皮细胞，主要参与缺血组织的血管发生和血管损伤后的修复［28］。EPCs修复和维持内皮细胞层的机制，目前尚不清楚。有研究认为，血液循环中的EPCs可以识别内皮损伤后的表面受体，释放生长因子促进成熟内皮细胞增殖，使内皮功能得以恢复［29］。随着干细胞研究的兴起，EPCs有可能成为未来治疗心血管疾病的一种潜在手段。在衰老过程中，内皮细胞凋亡的程度不断加重，因而维持血液中较高水平的EPCs对于内皮功能的维持十分重要。身体活动可以显著提高健康人群或者疾病人群血管EPCs的水平。在一项对60岁以上心血管疾病人群的研究中发现，与少动或不动的患者相比，身体活动水平最高的患者EPCs水平可高出44%［30］。在另一项横断面研究中，经过耐力锻炼后的人群，随着年龄的增长，EPCs数量下降的水平不到30%；而缺乏锻炼的人群，EPCs数量下降率高达50%［31］。此外，长期的有氧运动不但可以提高EPCs的水平，还可以提高EPCs的迁移能力和内皮修复能力，具体表现在NO生物利用度的提高和EDD功能的改善［32］。

身体活动通过何种生物途径提高EPCs的数量和活性，尚缺乏明确的机制研究。一般认为，血管剪应力的改变以及eNOS的激活，可能是身体活动促进EPCs动员的因素之一。在eNOS基因敲除的小鼠中，活动量的增加并未提高EPCs的水平，说明eNOS对于运动促进EPCs的动员可能是不可或缺的［33］。另一个刺激EPCs动员的重要因子是血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）。有氧运动造成细胞内缺氧的环境，继而诱导低氧诱导因子（hypoxia inducible factor-1，HIF-1）的激活，上调VEGF的表达水平，促进EPCs的动员［34］。如前所述，身体活动可以调节内皮环境中的氧化应激，ROS被抑制后可以促进血管的修复功能，因而也可以调动EPCs的迁移［35］。心血管疾病患者EPCs数量的下降跟炎症因子TNF-α的作用密切相关，身体活动对TNF-α等促炎因子的抑制作用，也可间接解释身体活动对EPCs的调节作用［36］。在今后的研究中，具体检测不同活动阶段血液中EPCs的动力学特征，或许能够更加清楚地说明身体活动调节EPCs的分子机制。

4　身体活动通过代谢、能量限制干预内皮衰老

有关能量限制与寿命以及各种疾病关系的研究，近年来成为衰老领域的研究热点。流行病学研究发现，能量限制可以改善各年龄阶段人群NO介导的血管舒张功能，这与能量限制致身体脂肪含量减少有关［37］。在动物实验中也发现，对老龄小鼠实施短期的能量限制后，eNOS的表达得到提高，氧化应激水平下降，长寿蛋白Sirtuin-1的表达恢复［38］。在细胞水平，能量限制主要通过调节胰岛素代谢等相关通路（如IGF1/PI3K/AKT/ FOXO3A通路）影响寿命的长短和内皮功能［39］。身体活动除了通过限制能量摄入之外，还可以通过动员糖原代谢、脂代谢调节血液中代谢产物的成分和比例，诱导内皮坏境中某些激酶（如AMPK、NUR77等）的活性，进而提高eNOS的表达［40］。身体活动对脂肪代谢的调节，尤其对脂肪含量和分布的控制，对改善EDD功能衰退以及降低脑血管疾病的发病风险都有重要的干预作用。

5　身体活动对其它风险因素的控制

一些脑血管疾病的常规风险因素，如高血压、血脂异常、胰岛素耐受、葡萄糖耐受等与增龄导致的血管内皮功能紊乱也具有独立相关性。例如，与血压正常人群相比，患有高血压的中老年人群EDD检测值更低。超过40项随机临床试验证明，一定强度的身体活动（如一周3～5次，每次30～60分钟的活动）可以有效降低血压值［41］。高胆固醇与EDD功能的下降也有关系，身体活动与血循环高密度脂蛋白胆固醇的水平呈正相关量效关系［42］。此外，身体活动对中老年人群血管功能的改善，女性被试者显现出更明显的效果，这可能与身体活动调节绝经期女性的雌激素水平有关［6］。女性围绝经期血管功能退化，习惯性的耐力锻炼可以恢复绝经期雌激素的水平，减少因激素水平下降而出现大动脉硬化的情况［43］。

6　小结

综上所述，身体活动对改善增龄引起的血管功能紊乱具有诸多方面的益处，其中，尤以抗氧化和抗炎作用为主要的生物学途径。尽管身体活动对血管功能的重要性已经被广泛认同，但应针对不同个体的年龄、健康状态，设计适宜强度、时间以及内容的活动方案，并在活动期间监测身体状况［44］。对于患有心血管疾病的老年个体，如何更科学地制定运动处方，需要相关临床研究的进一步积累。值得一提的是，人体血管的衰老发生在青少年阶段，衰老相关的病生理机制需要从生命的整体过程来考虑，所以“终生体育”的理念，对增强个体体质、预防动脉粥样硬化等疾病是非常必要的。

［1］BrandesRP，FlemingI，BusseR.Endothelialaging. Cardiovasc Res，2005，66（2）：286-94.

［2］Favero G，Paganelli C，Buffoli B，et al.Endothelium and its alterations in cardiovascular diseases：life style intervention. Biomed Res Int，2014，2014（1）：801896.

［3］Seals DR，Jablonski KL，Donato AJ.Aging and vascular endothelial function in humans.Clin Sci（Lond），2011，120（9）：357-375.

［4］Ekblom-Bak E，Ekblom B，Vikstrom M，et al.The importance of non-exercise physical activity for cardiovascular health and longevity.Br J Sports Med，2014，48（3）：233-238.

［5］Booth FW，Roberts CK，Laye MJ.Lack of exercise is a major cause of chronic diseases.Compr Physiol，2012，2（2）：1143-1211.

［6］Booth FW，Roberts CK，Laye MJ，et al.Physical activity and all-cause mortality in older women and men.Br J Sports Med，2012，46（9）：664-668.

［7］Siasos G，Chrysohoou C，Tousoulis D，et al.The impact of physical activity on endothelial function in middle-aged and elderly subjects：the Ikaria study.Hellenic J Cardiol，2013，54（2）：94-101.

［8］Cai H，Harrison DG.Endothelial dysfunction in cardiovascular diseases：the role of oxidant stress.Circ Res，2000，87（10）：840-844.

［9］Siti HN，Kamisah Y，Kamsiah J.The role of oxidative stress，antioxidants and vascular inflammation in cardiovascular disease（a review）.Vascul Pharmacol，2015，71（8）：40-56.

［10］Karolkiewicz J，Szczesniak L，Deskur-Smielecka E，et al. Oxidative stress and antioxidant defense system in healthy，elderly men：relationship to physical activity.Aging Male，2003，6（2）：100-105.

［11］Golbidi S，Laher I.Exercise and the aging endothelium.J Diabetes Res，2013，2013：789607.

［12］RodriguezI，GonzalezM.Physiologicalmechanismsof vascular response induced by shear stress and effect of exerciseinsystemicandplacentalcirculation.Front Pharmacol，2014，16（5）：209.

［13］ThosarSS，JohnsonBD，JohnstonJD，etal.Sittingand endothelial dysfunction：the role of shear stress.Med Sci Monit，2012，18（12）：RA173-180.

［14］Gielen S，Schuler G，Adams V.Cardiovascular effects of exercise training：molecular mechanisms.Circulation，2010，122（12）：1221-1238.

［15］Johnson BD，Mather KJ，Wallace JP.Mechanotransduction of shearintheendothelium：basicstudiesandclinical implications.Vasc Med，2011，16（5）：365-377.

［16］Balducci S，Zanuso S，Nicolucci A，et al.Anti-inflammatory effect of exercise training in subjects with type 2 diabetes and the metabolic syndrome is dependent on exercise modalities and independent of weight loss.Nutrition，Metabolism and Cardiovascular Diseases，2010，20（8）：608-617.

［17］Donato AJ，Eskurza I，Silver AE，et al.Direct evidence of endothelial oxidative stress with aging in humans：relation to impaired endothelium-dependent dilation and upregulation of nuclear factor-kappaB.Circ Res，2007，100（11）：1659-1666.

［18］Donato AJ，Black AD，Jablonski KL，et al.Aging is associated with greater nuclear NF kappa B，reduced I kappa B alpha，and increased expression of proinflammatory cytokines in vascular endothelial cells of healthy humans.Aging Cell，2008，7（6）：805-812.

［19］Benjamin EJ，Larson MG，Keyes MJ，et al.Clinical correlates and heritability of flow-mediated dilation in the community：the Framingham Heart Study.Circulation，2004，109（5）：613-619.

［20］Singh T，Newman AB.Inflammatory markers in population studies of aging.Ageing Res Rev，2011，10（3）：319-329.

［21］Santos-Parker JR，LaRocca TJ，Seals DR.Aerobic exercise and other healthy lifestyle factors that influence vascular aging.Adv Physiol Educ，2014，38（4）：296-307.

［22］LesniewskiLA，DurrantJR，ConnellML，etal.Aerobic exercise reverses arterial inflammation with aging in mice. Am J Physiol Heart Circ Physiol，2011，301（3）：H1025-1032.

［23］Pedersen BK.Muscular interleukin-6 and its role as an energy sensor.Med Sci Sports Exerc，2012，44（3）：392-396.

［24］Wolsk E，Mygind H，Grondahl TS，et al.IL-6 selectively stimulates fat metabolism in human skeletal muscle.Am J Physiol Endocrinol Metab，2010，299（5）：E832-840.

［25］Hamer M，Sabia S，Batty GD，et al.Physical activity and inflammatory markers over 10 years：follow-up in men and women from the Whitehall II cohort study.Circulation，2012，126（8）：928-933.

［26］KellerC，KellerP，GiraltM，etal.Exercisenormalises overexpression of TNF-alpha in knockout mice.Biochem Biophys Res Commun，2004，321（1）：179-182.

［27］Neefkes-Zonneveld CR，Bakkum AJ，Bishop NC，et al.Effect of long-term physical activity and acute exercise on markers of systemic inflammation in persons with chronic spinal cord injury：a systematic review.Arch Phys Med Rehabil，2015，96（1）：30-42.

［28］Asahara T，Murohara T，Sullivan A，et al.Isolation of putative progenitor endothelial cells for angiogenesis.Science，1997，275（5302）：964-967.

［29］Lenk K，Uhlemann M，Schuler G，et al.Role of endothelial progenitor cells in the beneficial effects of physical exercise on atherosclerosis and coronary artery disease.J Appl Physiol（1985），2011，111（1）：321-328.

［30］Luk TH，Dai YL，Siu CW，et al.Habitual physical activity is associatedwithendothelialfunctionandendothelial progenitorcellsinpatientswithstablecoronaryartery disease.Eur J Cardiovasc Prev Rehabil，2009，16（4）：464-471.

［31］Yang Z，Xia WH，Su C，et al.Regular exercise-induced increased number and activity of circulating endothelial progenitor cells attenuates age-related decline in arterial elasticity in healthy men.Int J Cardiol，2013，165（2）：247-254.

［32］Xia WH，Li J，Su C，et al.Physical exercise attenuates ageassociated reduction in endothelium-reparative capacity of endothelial progenitor cells by increasing CXCR4/JAK-2 signaling in healthy men.Aging Cell，2012，11（1）：111-119.

［33］Laufs U，Werner N，Link A，et al.Physical training increases endothelial progenitor cells，inhibits neointima formation，and enhances angiogenesis.Circulation，2004，109（2）：220-226.

［34］Chang E，Paterno J，Duscher D，et al.Exercise induces stromal cell-derived factor-1alpha-mediated release of endothelial progenitor cells with increased vasculogenic function. Plast Reconstr Surg，2015，135（2）：340e-350e.

［35］De Biase C，De Rosa R，Luciano R，et al.Effects of physical activity on endothelial progenitor cells（EPCs）.Front Physiol，2013，3（4）：414.

［36］CesariF，SofiF，GoriAM，etal.Physicalactivityand circulating endothelial progenitor cells：an intervention study. Eur J Clin Invest，2012，42（9）：927-932.

［37］CampiaU，TesauroM，CardilloC.Humanobesityand endothelium-dependent responsiveness.Br J Pharmacol，2012，165（3）：561-573.

［38］Rippe C，Lesniewski L，Connell M，et al.Short-term calorie restriction reverses vascular endothelial dysfunction in old mice by increasing nitric oxide and reducing oxidative stress.Aging Cell，2010，9（3）：304-312.

［39］Weiss EP，Fontana L.Caloric restriction：powerful protection for the aging heart and vasculature.Am J Physiol Heart Circ Physiol，2011，301（4）：H1205-1219.

［40］Cau SB，Carneiro FS，Tostes RC.Differential modulation of nitric oxide synthases in aging：therapeutic opportunities. Front Physiol，2012，25（3）：218.

［41］Fagard RH.Exercise characteristics and the blood pressure response to dynamic physical training.Med Sci Sports Exerc，2001，33（6 Suppl）：S484-492.

［42］ThompsonPD，BuchnerD，PinaIL，etal.Exerciseand physicalactivityinthepreventionandtreatmentof atherosclerotic cardiovascular disease：a statement from the Council on Clinical Cardiology（Subcommittee on Exercise，Rehabilitation，and Prevention）and the Council on Nutrition，Physical Activity，and Metabolism（Subcommittee on Physical Activity）.Circulation，2003，107（24）：3109-3116.

［43］Jaspers L，Daan NM，van Dijk GM，et al.Health in middleaged and elderly women：A conceptual framework for healthy menopause.Maturitas，2015，81（1）：93-98.

［44］SchiattarellaGG，PerrinoC，MagliuloF，etal.Physical activity in the prevention of peripheral artery disease in the elderly.Front Physiol，2014，3（5）：12.

2015.01.16

国家自然科学基金面上项目（81472659）；国家自然科学基金青年项目（81101560）

戎晶晶，Email：rong_jingjing@126.com