细胞衰老、端粒、线粒体在慢阻肺中的研究进展

邓瑞冰 钟晓芃 丁 钋

慢性阻塞性肺疾病目前是世界第四大死因[1]，预计2020年将成为第三大死因。2016年，世界卫生组织估计，慢性阻塞性肺疾病影响了全球2.51亿人，其发病率随着人口老龄化而继续上升。在可预见的未来，慢性阻塞性肺疾病可能会对中国的医疗体系构成巨大挑战[2]。老年人口正在迅速增长，预计增长将达到历史上前所未有的水平。根据世界卫生组织的数据，从2015年到2050年，60岁以上的世界人口比例预计将翻一番(从12%增加到22%)，60岁以上的人口预计将从6.05亿增加到20亿。慢性阻塞性肺疾病的流行是年龄依赖性的，表明慢性阻塞性肺疾病的发病机理与衰老之间存在密切的关系[3]。

衰老的主要特征是生理完整性逐渐丧失，导致功能受损和死亡易感性增加[4]。肺老化与弹性丧失、肺功能下降(下降速度随着年龄的增长而加快[5])、结构完整性丧失和炎症增加有关，这些都是慢性阻塞性肺疾病的主要特征。衰老还伴随着肺内促炎介质的增加以及对抗原反应性的降低，这称为“炎性衰老”[6]。细胞衰老，即体细胞复制能力不可逆性丧失，在年龄相关的慢性炎症性疾病的发生中起着一定作用。慢性阻塞性肺疾病患者肺中衰老细胞随年龄增长而增多，并表达强力促炎症的衰老相关分泌表型(SASP)。端粒功能障碍和线粒体稳态的改变经常发生在细胞衰老过程中，并且对衰老相关分泌表型的形成具有重要意义。该文对细胞衰老、端粒、线粒体在慢性阻塞性肺疾病中研究进展做一综述。

1.细胞衰老

Hayflick等在1965年发现[7]，人原代成纤维细胞在体外培养经历了有限次数的传代后，这些细胞进入了一个永久性的细胞周期停滞状态，随后称之为细胞衰老。随着年龄的增长，衰老细胞会积累，证据表明长期保留的衰老细胞是与年龄有关的组织退化和与年龄相关的慢性疾病的主要驱动力[8,9]。肺尤其受老化过程的影响，肺老化的特点是衰老细胞数量不断增加[10]。越来越多的证据表明，细胞衰老是慢性阻塞性肺疾病发病机理中的关键组成部分[11]。目前已经使用多种技术来识别衰老细胞[12]。考虑到衰老细胞的异质性和标记物的缺乏特异性，经常使用各种不同技术的组合用于衰老细胞的检测，包括：①DNA损伤反应(DNA damage response，DDR)：γ-H2AX焦点，磷酸化p53用来反应DNA损伤；②细胞周期停滞：通常使用DNA合成率、周期素依赖性蛋白激酶抑制因子p16、p21(Cyclin-dependent kinase inhibitors，CDKi)，来显示细胞已经退出细胞周期；③凋亡抵抗：Bcl蛋白Bcl-2、Bcl-w或Bcl-xl的上调已被用作衰老的标志[13,14]；④溶酶体含量增加：衰老相关的β-半乳糖苷酶(Senescence-associated-βgalactosidase，SA-βgal)是溶酶体活性最常见的标志物，也是最早用于评估衰老的试验之一；⑤细胞核改变：衰老相关异色病灶(Senescence-associated heterochromatic foci，SAHFs)富含异染色质的标记物，例如H3K9me3和HP1γ；⑥细胞大小：细胞胞体增大和形状不规则等。

2.端粒

端粒(Telomere)是真核细胞线性染色体末端的一小段DNA与蛋白质的复合体，可充当保护帽并防止细胞分裂过程中关键DNA的丢失和染色体融合。端粒缩短发生在每个细胞分裂处，但被端粒酶抵消，端粒酶是一种维持端粒长度的酶复合物，由端粒酶逆转录酶(Telomerase reverse transcriptase，TERT)和端粒酶RNA组分(Telomerase RNA component，TERC)以及Dyskerin组成。在大多数细胞中，端粒酶活性不足以维持染色体长度，因此端粒的逐渐缩短导致数量有限的细胞分裂。端粒缩短的临界程度会导致细胞衰老(复制衰老)和细胞凋亡[19]。

端粒长度是衰老的重要生物标志之一，并且与COPD进展密切相关[20]。Alder等人[21]发现端粒功能障碍导致肺泡干细胞衰竭。循环白细胞[22]、肺血管内皮细胞[23]、支气管上皮细胞[15]、循环淋巴细胞[24]端粒缩短与COPD相关。拥有不同长度端粒DNA的人可能会引起对COPD的不同易感性[25]。对COPD患者支气管上皮细胞的研究表明上皮细胞的加速衰老可能在某种程度上以端粒依赖性机制进行[15]。Rashid等[20]研究发现与年轻组小鼠相比，老年组小鼠SERPINE1和Tert的表达显著上调。Córdoba-Lanús等研究发现COPD患者的端粒长度明显短于非COPD吸烟者，且端粒长度与临床和肺功能参数无相关性。这与Savale等人的结果一致[22]。但Rutten等人[26]研究了COPD患者衰老标记物，发现端粒长度是唯一与肺功能相关的指标。在一项针对46396名丹麦人的研究中[27]发现端粒长度随着年龄的增长而显著减少，端粒长度与FEV1表达的肺功能之间存在适度的相关性，并与COPD风险增加相关，但这些关联在年龄和多变量调整后显著减弱。

3. SASP

与凋亡细胞不同，衰老细胞保持新陈代谢活跃，因此可能会影响其他细胞，并表现出所谓的衰老相关分泌表型。SASP由Coppe等于2008年首次提出，是衰老细胞分泌的细胞因子的总称，可诱导细胞本身(自分泌)和周围细胞(旁分泌)进一步衰老，从而扩大和传播细胞衰老。随着年龄增长，衰老细胞在组织中积累，SASP引发“炎性衰老”被认为对年龄相关的疾病如COPD有复杂的影响。SASP成分包括许多促炎细胞因子(如IL-6和IL-8)、趋化因子(如CXCL1、CXCL8、CCL2)、生长因子(如TGF-β，IGFBP、VEGF)和蛋白酶(如MMP-1、-2、-3)[11,28]。纤溶酶原激活物抑制物-1(Plasminogen activator inhibitor-1，PAI-1)是另一种特征性的SASP蛋白[28]。由衰老细胞分泌的细胞外小泡(Extracellular vesicles，EVS)似乎是一种新的SASP因子[29]。SASP因子在不同细胞类型和不同衰老诱导刺激下有所不同[8]，从而导致其他不同后果，包括肿瘤形成[15]。

大量研究表明，肺内衰老细胞通过释放SASP因子与增龄性肺部疾病的发病机制有关[29]。与SASP相关的几个因素，特别是TGF-β和IL-6在小鼠肺中随增龄而增加[30]。在COPD中，SASP成分包括IL-1、IL-6、CXCL8、CCL2和MMP9的表达增加[31]。多种SASP成分(包括IL-6、IL-8和MMP)通过NF-κB的激活而被上调，并且与COPD的发病机理密切相关[32]。研究发现COPD患者支气管上皮细胞过早衰老且VEGF、CXCL8/IL-8和CXCL5分泌上调[15]。到目前为止获得的结果表明，SASP的炎症臂可能至少需要三条分子途径：DDR途径[12]、p38MAPK/NF-kB途径[33]和mTOR途径[34]。起源于肺的SASP还可能延伸到肺外环境，导致全身并发症和共病，其中有许多与COPD相关，包括肌少症、胰岛素抵抗和肾功能不全[35]。因此目前认为COPD的肺细胞衰老不仅是COPD进展的主要推进器，而且也促使肺外全身并发症和过早衰老的发展[36]。

4.线粒体

线粒体功能的改变与调节模式生物的寿命有关[37]。线粒体功能障碍是衰老的一个重要特征，一些与衰老相关的线粒体变化发生在年龄相关的肺部疾病中，包括COPD。了解线粒体功能障碍背后的机制可以为治疗COPD提供潜在的治疗途径。

线粒体形态的改变已经在老化的肺和与年龄相关的肺部疾病中被描述过。线粒体是活性氧(Reactive oxygen species，ROS)的重要细胞内来源。COPD患者的气道平滑肌细胞在基础状态和炎症应激后，与对照组相比产生更多的线粒体来源的ROS[38]。COPD与线粒体ROS产生增加，细胞内抗氧化剂减少和线粒体数量减少有关[39，40]。过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子-1α(Peroxisome proliferator-activated receptor-gamma coactivator,PGC)是线粒体生物发生和线粒体ROS生成的关键调节剂，在轻度COPD患者的上皮细胞中表达增加，但随着COPD严重程度的增加而逐渐降低[41]。抗增殖蛋白(Prohibitins，PHBs)定位于线粒体内膜，在其生物发生和维持正常功能中发挥作用，并与衰老和线粒体自噬相关[42]。在吸烟者的上皮细胞中，PHB1的表达降低，而在COPD患者中，PHB1的表达更低，这提示了COPD患者线粒体功能障碍的机制[43]。PHB1降低会损害线粒体自噬功能，从而增加细胞内线粒体损伤和细胞死亡的风险。线粒体自噬在消除去极化的线粒体中起关键作用，并受PINK1(PTEN-induced putative kinase 1，PINK1)和PRKN(Parkin RBR E3 ubiquitin protein ligase，PRKN)的翻译后修饰调控[44]。COPD患者线粒体应激标志物Parkin和PINK1增加。Araya等[45]证明了PRKN在调节线粒体以及线粒体完整性和细胞衰老中起着关键作用。在COPD发病机制中，PRKN蛋白水平降低可能通过多种机制调节线粒体功能和细胞衰老，包括线粒体吞噬功能不足、线粒体完整性受损和MTOR异常激活。线粒体代谢的复杂变化，如糖酵解或TCA循环活性的变化，在衰老的肺和与年龄相关的呼吸系统疾病中研究相对较少[10]。

5.总结

了解细胞衰老与慢性阻塞性肺疾病间关系，以开发更有效的预防策略和提供最佳的治疗方案是至关重要的。抗衰老疗法也可能阻止慢性阻塞性肺疾病的发展。尽管使用senolytics来治疗与年龄有关的疾病是一个有吸引力的概念，事实上很难区分衰老细胞在自然衰老相关肺部改变和衰老相关肺部疾病发病机制中的作用程度。重要的是要研究细胞衰老在慢性阻塞性肺疾病中的确切机制和作用。