海洋生物活性物质抗衰老作用研究进展

王 力，肖嵋方，刘 斌，陈福泉，倪 辉，曾 峰,

（1.闽台特色海洋食品加工及营养健康教育部工程研究中心，福建福州 350002；2.福建农林大学食品科学学院，福建福州 350002；3.福建省食品微生物与酶工程重点实验室，福建厦门 361021）

自20世纪以来，人类的预期寿命有了极大的提高，但是衰老仍然成为人们面临的主要问题之一，衰老除了直接造成易跌倒、行动不便、虚弱和失禁等症状，还会诱发代谢类相关疾病包括糖尿病、心血管疾病、癌症等老年综合征，造成生活质量下降甚至死亡[1-2]。人口老龄化在包括中国、日本、德国在内的许多国家中已日渐成为一个较为重大的社会问题，引起了国际多领域的关注。据统计，2019年，全球65岁及以上的人口数为7.03亿，其人口所占比例从1990年的6%增加到9%，预计到2050年，老年人的数量将翻一番，达到15亿，老年人口所占比例将进一步上升到16%[3]。

衰老是一个无法逆转的过程，但具有可塑性，现有科学手段可以调节衰老的速度，达到预防和延缓衰老的目的，以提高生命质量和效率[4-5]。有关衰老的机制有多种理论，但大多数仍然不明确，现有研究将衰老转向了一个更广泛的概念，即在衰老过程中许多形式的损伤都可能导致衰老，其中活性氧（reactive oxygen species, ROS）的堆积是主要的原因之一，因此，诸多具有抗氧化功效的生物活性物质成为抗衰老研究的关键[6-7]。目前，抗衰老药物在开发上越发困难，抗衰老药物虽然种类繁多，但是大多数对人体有不良反应，因此，高效且毒副作用小的天然活性物质的开发将成为抗衰老食品研究的趋势[8]。近年来，丰富的海洋生物资源受到广泛关注，绝大部分海洋生物活性物质具有很强的抗氧化活性，如扇贝多肽、虾青素、海藻β-胡萝卜素等，对于延缓衰老有一定的帮助[9]。因此，海洋生物活性物质用于抗衰老具有一定的优势，探寻抗衰老的海洋天然活性物质将成为现代食品研究领域中的重要课题。

1 衰老发生的机制

衰老是一个非常复杂的过程，会影响机体系统的大部分功能，其作用机理仍然很难解释，但是科学研究从不同生物模式的分析出发，对长寿和短寿物种的基因组、转录组、蛋白质组和代谢组学进行分析比较，逐渐形成了一部分被认可的理论[10-14]。衰老的过程主要分为两类，其一是生理性衰老，也就是指随着机体年龄的增长，各个组织和器官功能发生相应的衰退，导致机体负担加重，影响机体的正常生活；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、心血管疾病和癌症等；这两类衰老模式相互联系，共同影响衰老的过程[15-16]。此外，影响衰老的因素还有很多，如吸烟、喝酒、辐射及不健康的生活方式，有研究表明心理压力也是影响衰老的主要因素之一[17]。目前，越来越多的研究证明衰老是一个可调控的过程，衰老作用机理的相关学说包括自由基衰老学说、端粒DNA缩短学说、细胞凋亡学说、衰老基因学说、DNA损伤学说等。

1.1 自由基衰老学说

1954年，衰老自由基理论首次提出了衰老的基本化学过程：通常在生物体中产生的活性氧自由基与细胞之间的反应引发了与衰老相关的变化[18]。自由基是机体在生理活动中产生的，活性氧参与机体内代谢和免疫等过程，但是过多的自由基在代谢过程中通过许多相互关联的反应，会导致机体DNA、蛋白质和脂质损伤，并攻击机体组织、器官和细胞，使机体走向衰老甚至死亡[19]。目前认为，机体内各种与抗氧化和抗衰老相关的酶能清除机体内多余的自由基，形成天然的防御系统，如超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）、过氧化氢酶（catalase , CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase, GSH-Px）等[20]。随着衰老的发生与发展，机体的抗氧化酶活性减弱、合成速度减慢，使机体内自由基生成和清除的平衡被打破，造成机体中各种有害物质的逐步积累，并随着时间的推移加速衰老的过程。自由基学说是目前最为流行的一个观点，被众多研究者们所接受。

1.2 端粒DNA缩短学说

1985年，Blackburn在研究酵母端粒时，发现了“端粒酶”[21]。端粒是由真核细胞染色体末端的TTAGGG重复序列的蛋白质和核苷酸组成的复合物，能够在细胞分裂时保护DNA。端粒主要有两个功能：保护染色体和防止染色体臂末端附近基因的降解。在细胞复制过程中，端粒会丢失一些遗传物质，长度也会随着细胞的每次分裂而缩短，而在正常生理状况下，核糖核蛋白端粒酶能够修复受损端粒，且端粒酶活性与端粒长度正相关，较高的酶活性使染色体的完整性和稳定性增强，但随着年龄的增长，端粒逐步变短，老年人的端粒长度明显短于青年人[22-24]。端粒缩短被认为是细胞衰老的关键因素，随着细胞分裂周期的增加，端粒长度一旦达到临界值，就会引发增殖阻滞从而导致细胞凋亡和机体生理功能衰退[25-26]。然而不同物种的初端粒长度，甚至是个体间的初端粒长度，都可能有很大的差异，且变化不受年龄的影响，通常与寿命的相关性较弱[27-28]，因此，绝对端粒长度在机体衰老中的指导作用仍存在争议。

1.3 细胞凋亡学说

细胞凋亡也叫细胞的衰老死亡，是机体为了维持自身内环境稳态以及细胞分裂和死亡之间的平衡，而在机体进行各项生命活动中清除受损细胞的正常生理过程，也是机体的一种自保措施。细胞凋亡主要通过清除受损的细胞和不能再生的细胞，调节机体内环境的平衡，延缓机体的病理变化，与衰老密切相关[29-30]。

1.4 衰老基因学说

根据不同生物的寿命以及衰老速度的差异，研究者们猜测DNA上存在与衰老有关的“衰老基因”和“抗衰老基因”，各种生物的寿命可能与各自的遗传基因有关，且衰老主要与衰老基因有关，抗衰老基因作为辅助起到一定的作用[31-32]。衰老基因对DNA和蛋白质的合成有着重要影响，抗衰老基因可能与阻碍衰老基因的表达有关，随着机体能量的不断消耗，细胞分裂增殖的次数越来越多，其代谢能力逐渐下降，抗衰老基因的表达能力也随之下降[33]。目前，已经发现很多与衰老有关的基因，有学者为此建立了衰老相关基因的数据库，进一步稳固了衰老基因学说的可信性[34]。

1.5 DNA损伤学说

衰老的DNA损伤理论认为，与衰老相关的功能性衰退的主要原因是DNA突变和损伤的积累。DNA突变是指核苷酸序列的改变，包括碱基对的缺失、插入、替换或重排，并可能导致蛋白质功能障碍。DNA损伤是双螺旋结构发生物理或化学改变，可引起细胞和组织内环境稳态的破坏[35]。这些突变和损伤可能导致非整倍体、基因扩增和杂合性丧失，最终导致基因的部分或全部功能丧失、基因表达的改变和基因组的不稳定性[36]。细胞本身具有一个强大的修复系统来抵消DNA损伤，当修复机制不足以应对一定水平的损伤时，细胞可能会有表型变化的异常，从细胞周期停滞、凋亡或细胞衰老向恶性转化[37]。因此，DNA损伤对衰老有很大的影响，是加速衰老的关键原因之一。

1.6 其他学说

除了以上五种学说，还有很多种学说如神经递质学说、免疫功能退化学说、核糖体学说、遗传程序学说等，每一种学说都有其依据，都有学者进行深入研究[38]。研究还表明，衰老与肠道菌群有关，肠道菌群能够分泌肠道黏液保护肠黏膜屏障，肠道菌群的主要产物短链脂肪酸能调节基因的表达、细胞的增殖、分化和凋亡，一旦肠道功能发生紊乱就会使短链脂肪酸水平下降，影响肠道黏膜完整性，从而加速细胞的凋亡及肌肉蛋白的分解代谢，引发炎症、帕金森病、糖尿病等疾病[39-40]。

目前的研究大多只是围绕某一种机制学说展开，研究结果有不少局限性。衰老是由多因素引起的一个复杂的生理过程，存在着各种机制相互作用、相互制约，还受到环境和心理因素等影响。人们普遍认为氧化应激是衰老过程中的关键因素，活性氧和活性氮是在机体中发挥重要作用的自由基，能够参与细胞内信号转导和防御病原体入侵机体，自由基的产生和内源性抗氧化防御的失衡可能导致细胞氧化应激，从而对组成细胞的各种成分如DNA、蛋白质以及膜脂成分造成氧化损伤，导致各种病理反应如心脏病、中风、动脉硬化、糖尿病和癌症等，此外，氧化蛋白的积累也是一些与年龄相关的疾病发展的基础，与衰老有一定关联性。综上所述，目前衰老仍是科学研究的一大难题，其相关机制有待进一步研究和确定。

2 抗衰老的海洋生物活性物质

海洋生物资源一直是国内外研究的热点，我国海岸线有1.8万千米，海洋生物资源丰富，使得海洋成为开发天然活性食品资源的新领域[41-42]。海洋生物活性物质主要有多肽、多糖、不饱和脂肪酸等成分，研究证明，这些活性成分具有抗衰老、抗疲劳、降血糖、降血脂、抗癌等多种功能特性[43]。海洋生物活性肽是对生物有机体有特殊生理功能的多肽，其功能取决于氨基酸序列和组成，相较于蛋白质，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，且具有很强的抗氧化活性，能清除体内多余的自由基，是目前作为机体抗衰老的最佳选择之一[44]。多糖是生命物质基础的重要组成部分，海洋生物来源的多糖因其潜在的营养价值和功能特性引起了人们的关注，多糖的生物活性与它的化学性质密切相关，分子量大小、分子类型和单糖组成比例，以及糖苷键等特征都会影响多糖的生物活性，此外，多糖能为机体供能，具有调控免疫细胞间的信息传递、维持细胞生长和正常的生理代谢等多种功能[45-47]。不饱和脂肪酸是机体不可缺少的、构成脂肪的一种脂肪酸，根据双键个数的不同，分为单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸两种，根据双键的位置及功能又将多不饱和脂肪酸分为n-6系列和n-3系列，n-3多不饱和脂肪酸在海洋鱼类中含量较为丰富（主要是鱼油），主要包括有α-亚麻酸（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，不饱和脂肪酸具有很强的抗氧化活性，对延缓衰老、促进婴儿智力发育和改善老年人退行性疾病等具有重要意义[48-49]。除了海洋生物活性多肽、多糖和不饱和脂肪酸，海洋生物中含有的牛磺酸、磷脂和虾青素等活性物质也具有抗衰老的功效，其作用机制大多与抗氧化、氧化应激、糖脂代谢和衰老基因的调控等方面有关[50-51]。表1列出了近年来海洋生物活性物质的种类、来源、剂量、实验模型及抗衰老的作用机制。海洋生物抗衰老活性物质主要有多肽、多糖、磷脂、鱼油和虾青素等，目前大多采用线虫、小鼠、果蝇等生物模型进行抗衰老作用研究，其作用机制主要是通过清除自由基、提高抗氧化酶活性、抑制脂质过氧化以及调控衰老相关基因的表达等途径延缓衰老。

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

3 海洋生物活性物质对衰老的干预机制

3.1 调控AMPK-mTOR-ULK1信号通路干预衰老

细胞动态平衡需要合成和分解代谢途径的结合，协同调节蛋白质的合成、运输和分泌。自噬是一种保守的分解代谢途径，它将被自噬小体隔离的胞内底物运送到溶酶体进行降解，降解的底物被回收用于蛋白质的合成和新陈代谢，自噬体还能隔离受损的细胞器、错误折叠的蛋白质和病原体，以维持细胞健康状态和防止病原体感染。真核细胞可以通过自噬降解细胞内成分来补充营养，从而提高它们在饥饿条件下的生存能力，在动物发育过程中，自噬能选择性地清除受损的大分子、细胞器和入侵的微生物[66-67]。人体的衰老实际上是细胞的衰老，随着人体新陈代谢，组织器官不断地老化，细胞清除机体代谢废物的能力也随之下降，导致分解和利用受损蛋白质和细胞器的功能下降，细胞的生存能力下降，造成衰老，因此，细胞自噬是影响衰老的主要原因之一。

AMP激活酶（AMPK）是一种高度保守的感受器，在机体细胞以及所有组织器官水平上都是新陈代谢的重要调节因子，ULK1是一种苏氨酸激酶，需要AMPK介导的磷酸化来完全激活，它们共同在诱导细胞自噬过程中起到关键作用[68]。AMPK可以通过两种不同的机制抑制mTOR复合物（MTORC1）的活性，一种是直接磷酸化mTORC1的调控成分Raptor，另一种是通过磷酸化结节性硬化蛋白2（TSC2）来抑制mTORC1的活性，进而抑制mTOR的活性[69-70]。有研究表明，ULK1由mTOR和AMPK调控，它们分别抑制和激活ULK1的活性。mTOR是众所周知的自噬负调控因子，mTOR通过与ULK1/ATG13/FIP200复合物结合，直接磷酸化ULK1，从而抑制其蛋白激酶活性；而AMPK通过Raptor组分的磷酸化将ULK1从mTORC1中解离出来，是自噬的正调控因子[71]。因此，AMPK信号的缺失可能会影响ULK1解离mTORC1的途径，从而调控细胞的自噬清除。房其军等[72]用人近端肾小管上皮细胞（HK-2）进体外细胞实验，研究褐藻多糖硫酸酯（FPS）的抗衰老功效，结果发现，FPS能有效改善D-半乳糖诱导的细胞衰老，并能调控D-半乳糖诱导的细胞LC3II、p-AMPK以及p-ULK1蛋白表达水平的变化，也就是抑制自噬相关AMPK-ULK1信号通路活性，其研究表明衰老的分子机制可能与抑制自噬相关AMPK-ULK1信号通路活性有关。因此，AMPK-mTOR-ULK1作为衰老过程中必不可少的调节器，海洋褐藻多糖硫酸酯能有效调控该信号通路，延缓机体衰老。

3.2 增加端粒酶活性延缓衰老

端粒是位于每条染色体两端的特殊DNA-蛋白质结构，保护基因组免受核溶解、不必要的重组、修复和染色体间融合的影响，端粒DNA的合成和维持除了需要DNA聚合酶外，还需要一种被称为端粒酶的特殊逆转录酶[73]。端粒酶是一种负责染色体DNA端粒区域复制的酶，当端粒酶被抑制时，细胞分裂过程中的DNA合成会导致端粒DNA的合成逐渐受损[74]。因此，端粒在保护基因组中的信息方面起着至关重要的作用。在一个正常的细胞过程中，每次细胞分裂都会丢失小部分端粒DNA，当端粒长度达到临界极限时，细胞将经历衰老和凋亡，因此，端粒长度可以作为生物钟来决定细胞和机体的寿命。

有研究表明，端粒长度随着年龄的增长而缩短，而端粒的进行性缩短会导致体细胞的衰老、凋亡或致癌转化，影响个体的健康和寿命，端粒越短，疾病的发病率越高，存活率越低。机体每次DNA复制时都会发生端粒缩短，如果持续下去会导致染色体退化和细胞死亡，端粒缩短的速率受特定的生活方式等因素调控，调节日常饮食、活动以及摄入对机体有益的活性物质对于降低端粒缩短率、防止端粒过度磨损、延迟年龄相关疾病发病时间和延长寿命具有重要意义[75-76]。Ramin等[77]探讨了海洋ω-3脂肪酸与端粒老化的关系，发现ω-3脂肪酸的摄入量与端粒缩短速率之间存在负相关关系，提高ω-3脂肪酸的摄入量可能保护冠心病患者抵抗细胞衰老。

3.3 调节抗氧化酶活性减轻氧化损伤

正常情况下，机体内部代谢整体处于动态平衡，以此保证了机体的健康状态，但是在机体自身或外界因素干扰下，机体细胞产生过多的活性氧会导致机体内环境紊乱，引发机体产生氧化应激反应。氧化应激是由于活性氧的产生和细胞通过抗氧化途径修复或消除受损分子来减轻活性氧损伤的能力之间的不平衡所引起，氧化应激会造成细胞老化损伤、组织器官功能减退或病变，从而引发机体衰老[78]。

机体主要参与抗氧化的酶有SOD、CAT、GSHPx等，通过调节抗氧化酶的活性，能有效清除过氧化氢和脂质过氧化物，保护机体免受氧化应激的损害[79]。抗氧化活性成分可以提高机体内抗氧化酶活性，并能调节抗氧化相关基因的表达，提高机体抗氧化水平，减少氧化应激对机体的损害，从而延缓衰老的发生。张亚[80]研究羊栖菜多糖对黑腹果蝇的抗衰老作用，结果发现，机体SOD、CAT、GSH等抗氧化酶的活性均显著提高，MDA含量下降，果蝇的生存率提高，并发现在0.167%的浓度下，羊栖菜多糖能明显激活mRNA水平的Nrf2/ARE信号通路，提高Nrf2基因的表达量，激活下游抗氧化基因HO-1、NADPH、GCLC等的表达，并加速了甘油三酯的分解代谢，延长了果蝇的寿命。Li等[81]通过构建D-半乳糖导致的衰老小鼠肝肾损伤动物模型，研究罗非鱼胶原蛋白多肽（TSCP，分子量小于3 kDa）对机体的修复和保护作用，结果表明，TSCP能提高衰老损伤小鼠的肝、肾SOD、CAT、GSH-Px的活性，并抑制丙二醛和诱导型一氧化氮合酶的表达，改善D-半乳糖所致的肝、肾损伤。综上可知，衰老的机制可能与抗氧化指标联系，调节机体内抗氧化酶的活性能增强机体抗氧化能力，有效缓解氧化应激带来的损伤，维持细胞、组织和器官的正常代谢，从而延缓衰老。

3.4 清除自由基减缓细胞凋亡

自由基也称游离基，含有未配对的电子，因此性质极不稳定，过多的自由基会使机体内抗氧化稳态失衡，造成细胞结构破坏、细胞程序性死亡、功能丧失、基因突变以及活性氧水平的升高和细胞组成成分的氧化损伤，活性氧包括超氧阴离子（O2·-）、过氧化物、羟自由基（·OH）和单线态氧（1O2），这些分子通过激活细胞增殖和凋亡的生存信号，并能损伤脱氧核糖核酸（碱基损伤、单链和双链断裂、脱氧核糖核酸和蛋白质交联、脱氧核糖核酸和染色体畸变）、膜脂、蛋白质、胶原结构和线粒体功能，从而导致机体抗氧化防御系统失衡，这种失衡常常伴随各种疾病的发生和发展，包括加速衰老、癌症、冠心病等[82-83]。因此，活性氧自由基失衡可能是衰老发生的主要原因之一，清除机体内多余的自由基能有效维持机体内环境稳态，避免机体产生氧化应激，使细胞凋亡，组织器官发生病变，从而有效缓解衰老的发生。徐晓珍[84]研究了海带多糖对自然皮肤衰老的延缓机制，发现海带多糖能显著增加衰老皮肤抗氧化酶SOD、CAT、GSH-Px的活性，提高抗氧化能力，减少皮肤中的氧自由基，从而延缓皮肤的衰老。海洋生物多糖大多具有很强的抗氧化活性，能有效清除机体内多余的自由基，提高机体内抗氧化酶活性，维持机体内环境稳态，延缓机体的衰老。

3.5 恢复肠道稳态调控衰老相关代谢紊乱

肠道菌群是人体胃肠道内环境的组成部分，对维持机体稳态有着重要意义。肠道菌群可分为有益菌群和有害菌群，有益菌群能使肠道充分吸收和利用营养组分，有助于生物活性物质的合成，使机体排出有害物质，同时还能与有害菌形成竞争关系，避免病原菌的侵害；而有害菌群会产生有害代谢物质，阻碍肠道对营养物质的吸收，破坏机体的健康状态[85-86]。正常情况下，肠道菌群与机体之间处于动态平衡，但随着机体自身的衰老以及生活、饮食方式的改变，会使有害菌的比例增加，导致衰老相关的一系列疾病的发生，同时机体的衰老还会改变肠道菌群的组成，从而改变肠道菌群的代谢能力。因此，维持机体肠道菌群的平衡对调节机体健康有着极其重要的意义。

研究表明，炎症的发生是导致帕金森氏症和阿尔茨海默症等神经退行性疾病的原因之一，肠道功能紊乱会引起机体炎症，这表明胃肠道系统和认知功能障碍之间存在联系，而通常衰老也会伴随认知功能障碍[87]。基于这一观点，衰老的机制研究可以肠道微生物为靶点，通过观察肠道菌群产物、炎症介质和免疫系统之间的相互影响，干预和调节生理性和非病理性的衰老过程。胡晨熙[88]研究了羊栖菜多糖（SFPS）对衰老小鼠肠道菌群的调控作用，通过16S rDNA高通量测序，结果发现，SFPS能改善小鼠肠道菌群的多样性和分布均匀度，使厚壁菌门（Firmicutes）和拟杆菌门（Bacteroidetes）的比值降低，促进有益菌的生长，还发现衰老的发生与Nrf2/ARE信号通路有关，且随着小鼠年龄的增加，NCAT、SOD-2、NQO1和HO-1基因的表达量降低，SFPS的干预能够显著上调抗衰老相关基因，起到抗衰老的作用。因此，通过研究海洋生物活性成分对肠道菌群的干预作用，并结合肠道菌群所调节的衰老相关生理生化指标，将成为抗衰老研究的新思路。

4 总结与展望

衰老是一个受多因素影响的复杂生理过程，其形成机制还有待进一步研究。目前衰老的机制假说主要包括自由基衰老学说、端粒DNA缩短学说、细胞凋亡学说、衰老基因学说、DNA损伤学说等，现有研究也开始综合多角度向生物活性分子、抗氧化酶活性，抗衰老基因的表达等方面开展，此外，肠道菌群与衰老之间的联系也已得到科学研究的证实。海洋生物活性物质与化学合成的一些抗衰老成分相比，不仅具有特殊的生物活性，还具有高度的吸收率和生物利用度等优势，可通过提高抗氧化酶活性、清除自由基、调控衰老相关基因和调节肠道菌群等途径达到抗衰老的目的，能够为抗衰老功能性食品的开发提供新视角和新方向。综合目前的科学研究来看，海洋生物活性物质抗衰老的研究需要进一步深入：a. 海洋生物资源丰富，目前用于抗衰老研究的成分大多比较常见，还有很多未知的高效活性组分有待被开发和利用；b. 衰老的机制研究很多，但大多停留在自由基、抗氧化酶和脂质过氧化等生化指标的水平，其深层的作用机制仍然不明确，且现有研究大多基于动物和细胞模型，今后的研究可将活性物质分离纯化至单一组分，结合现代组学技术，从基因组学、转录组学、蛋白组学、代谢组学等层面解释其作用机制，致力于找到衰老的生物标志物及信号通路，为指导临床应用提供明确的理论依据；c. 海洋生物活性物质可通过调控肠道菌群延缓衰老，从而改善相关代谢疾病，以肠道菌群为靶点将成为未来衰老机制研究的新方向。综上所述，海洋生物活性物质是非常宝贵的资源，探明其延缓衰老的深层机制能够为功能性食品和生物医药的开发提供新视角和新方向。