衰老机制及其干预研究进展

周佳雯综述，靳建亮审校

0 引 言

衰老是指生物体的生理器官随着年龄的增长发生不可避免的功能性下降、内环境稳定能力与应对应激能力下降，结构、组分逐步退化，趋向死亡且不可逆转的一种现象。截至2019年，中国65岁及以上人口占比达12.6%，总人口突破14亿，人口老龄化日益加重。机体衰老引起的老年人常见慢性疾病大大降低了老年人口的健康水平，加大了家庭和社会的经济负担。本文就近年来对于衰老机制的研究以及相应防治手段展开综述。

1 衰老机制的研究进展

1.1细胞衰老细胞衰老是一种由应激性刺激和某些生理过程触发的细胞状态，其特征是具有分泌特性、大分子损伤、代谢改变的细胞周期延长和一般不可逆转的细胞周期阻滞[1-2]。主要由端粒缩短、DNA损伤、氧化应激以及细胞周期阻滞等因素引起。

1.1.1端粒缩短端粒位于真核细胞染色体末端，由于“末端复制”问题，端粒不能被DNA聚合酶完全复制。人体细胞每分裂1次，端粒缩短50～100 bp，当端粒长度缩短到伤害DNA的临界值而细胞又无法代偿此长度缩短时，染色体稳定性变差，最终导致细胞死亡、机体衰老[3-4]。

1.1.2氧化应激细胞在生物氧化代谢过程中会产生活性氧簇(reactive oxygen species, ROS)，并可被体内的抗氧化剂清除，因此活性氧一般在体内保持一种动态平衡。衰老过程中，线粒体呼吸链作为ATP产生和ROS清除的亚细胞器，产生超氧阴离子，使得氧化应激增加，ROS产生增多。如果氧化应激持续存在，将最终导致细胞衰老，这也是衰老的重要标志[5]。

1.1.3DNA损伤研究表明，DNA损伤是癌症和衰老发生的共同基础，DNA损伤如果没有得到正确修复，其不断积累直接涉及癌症和其他衰老相关的疾病，如神经退行性疾病和诱导促炎因子的分泌等[6]。同时，细胞中存在一种进化保守途径——DNA损伤反应(DNA-damage response, DDR)。当DDR发生时，DNA损伤感应因子ATM、ATR及其下游因子Chk1、Chk2被激活。Chk1激活p53导致细胞周期阻滞；DNA双链断裂发生时，ATM也可通过ATR影响Chk1的活性[7]。如果DNA损伤严重或未修复，则DDR会导致永久性细胞周期阻滞或死亡。而Bmi-1可以通过阻止Chk2的激活减少DNA损伤反应防止细胞衰老[8]。另外，新近确认的衰老标志分子GATA4，主要由ATM/ATR介导的DNA损伤信号稳定表达，通过p62介导的选择性自噬进行降解，可以激活SASP，加快衰老进程[9]。

1.1.4细胞周期阻滞细胞周期参与调控细胞增殖、分化、衰老和凋亡。细胞周期受多方面因素的调控，当产生永久性的细胞周期阻滞时，就会发生细胞衰老[10]。

细胞周期蛋白激酶抑制子(cyclin dependent kinase inhibitor, CDKI)通过调控细胞周期影响衰老速度，分为Ink4和KIP家族。研究发现，衰老的细胞中Rb蛋白表现为低磷酸化，使衰老细胞停滞在G1期[11]。多梳基因(polycomb, PcG)家族对于Ink4a/Arf基因座的表观调控具有重要作用。其中Bmi-1作为PcG抑制复合体1 (polycomb-repressive complex 1, PRC1)中的重要一员，通过抑制细胞周期蛋白激酶抑制子p16和p19的表达来维持细胞的自我更新和细胞周期进程[12]。Bmi-1对于Ink4a/Arf基因座的抑制作用依赖于与PRC2中组蛋白甲基转移酶EZH2复合物的持续性结合。在衰老细胞中，EZH2水平下降导致甲基化组蛋白H3K27me3缺失，使Bmi-1移位，上调p16和p19转录，导致细胞周期阻滞和细胞衰老[13]。

1.2炎性衰老炎性衰老指机体在自然衰老过程中出现的低级、慢性系统性的促炎反应状态进行性增高的现象[14]。炎性衰老由循环中明显增加的炎性细胞因子介导，主要包括IL-1β、IL-6和TNF-α等，是由促炎和抗炎抵消失衡所致。其中，IL-1β、IL-6、TNF-α及IL-6介导肝产生的C反应蛋白随年龄增高而增加，已成为心血管风险因子[15]。目前，炎性衰老的机制主要有细胞因子论、DNA损伤论、应激论、自噬论和线粒体论。

1.2.1细胞因子论机体在衰老过程中出现的慢性炎症的主要原因是衰老机体促炎因子与抑炎因子失衡，循环中促炎因子水平升高，使老年人的组织器官持续的存在炎性环境中，进而诱导组织器官的衰老[16]。TNF-α、IFN-β、IFN-γ等促炎细胞因子通过产生ROS和激活ATM/P53/P21通路诱导上皮细胞衰老[17]；趋化因子受体CXCR2通过P53通路诱导成纤维细胞衰老；NF-κB等信号通路产生促炎细胞因子IL-6、IL-8等阻滞细胞周期，促进细胞衰老[18]。

1.2.2DNA损伤论研究表明，干细胞以及基质成纤维细胞会因为DNA损伤(端粒缩短、双链解螺旋等)累积分化为促炎因子过表达细胞，引起炎性衰老[19]。体内和体外实验表明，促炎因子和某些应激源可通过介导相关信号转导途径，激活NF-κB，使细胞分泌大量促炎因子，如：IL-1β、TNF-α等，诱发炎症和氧化应激反应[20]，导致机体产生大量的自由基和ROS，与DNA、蛋白质发生氧化反应，引起上皮细胞DNA过氧化导致自由基连锁反应，加速炎性衰老进程[21]。

1.2.3应激论应激论认为，自然衰老进程中机体长期处于应激原微环境中，导致并维持机体的慢性炎性状态，最终导致炎性衰老[2,22]。

1.2.4自噬论自噬是细胞新陈代谢的方式之一，细胞通过自噬活动维持胞内微环境的稳定。机体衰老往往伴随着内环境稳态的失衡，细胞的自噬清除能力降低，导致蛋白质和线粒体功能失调，进而诱发炎性肠病、慢性肺病和自身免疫疾病等慢性炎症，最终使炎性衰老进一步加重[23-24]。

1.2.5线粒体论线粒体是衰老表型潜在的驱动器，衰老过程中，线粒体功能障碍增加，自噬清除力下降，引起线粒体ROS升高和线粒体来源的危险信号相关分子模式增加。并通过与模式识別受体蛋白NLRP3结合，诱导炎症小体的组装与激活，导致模式识别受体蛋白NLRP3主要通过其PYD结构域招募下游凋亡相关斑点样蛋白，进而形成复合体，活化Caspase-1蛋白，诱发炎症反应；或通过AMPK介导的p53活化诱导SASP，被称为线粒体功能障碍相关衰老的分泌表型，也可引起炎性衰老[25]。

1.3代谢性衰老机体衰老的常见表现为代谢改变。下丘脑-垂体单位作为身体功能的中央调节器，介导衰老进程的潜在的细胞机制包括营养感知失调、蛋白内稳态丧失和表观遗传改变[26]。此外，哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)、NF-κB、下丘脑干细胞、自噬和SIRT1的作用靶点已被认为是介导这一机制的关键因素或途径。

1.3.1AMPK通路单磷酸腺苷活化蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase, AMPK)是一种高度保守的细胞能量代谢调控器，随着生物体的衰老活性逐步下调。AMPK通过多个途径来维持机体代谢平衡：①AMPK/AAK-2通过磷酸化CRTC-1位点阻止其核移位，进而抑制CREB转录调节因子CRH-1的反式激活，延长寿命[27]；② AMPK通过激活SIRT1，激活下游PGC-1、FoxO1和FoxO3，干预衰老进程[28]；③ AMPK能促进胞内p53活性升高进而调节细胞衰老进程[29]。④SIRT2通过促进AMPK磷酸化，调节自噬和氧化应激水平延缓衰老[30]。除此之外，AMPK对于衰老相关的信号通路，如：NF-κB、mTOR和胰岛素通路等也存在间接调控的关系。

1.3.2mTOR通路mTOR通路是细胞代谢的一个关键组成部分，它将营养传感与促进细胞生长和增殖的细胞过程结合起来。mTOR属于磷脂酰肌醇-3激酶(phosphatidylinositol 3-kinase, PI3K)相关激酶家族，mTORC1对过多的细胞外刺激和细胞内环境改变做出应答，同时抑制自噬，最终刺激细胞生长和增殖；与之相反，mTORC2调控细胞骨架组织和AGC激酶家族如AKT和SGK1的活动，且与新合成的多肽降解有关[31]，它通过AKT依赖和独立的机制参与葡萄糖和脂质代谢。先前通过哺乳动物衰老和热量限制相关的多组织单细胞测序结果显示，利用热量限制手段干预后，mTOR通路相关基因在衰老哺乳动物的肾和白色脂肪组织中被下调[32]。

1.3.3表观遗传修饰衰老是环境因素决定的多因素过程，表观遗传学的作用方式主要有：DNA 甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA调控等。DNA甲基化是指 DNA甲基转移酶的作用下，将甲基转移至CpG 岛二核苷酸序列区域。人类干细胞的DNMT基因在细胞衰老调控中起重要作用。随着年龄的增长 DNA 甲基化逐渐下降，同时破坏细胞的基因表达引起生理功能衰退。衰老过程中基因CpG位点发生不同程度的甲基化改变[33]，因此可以说DNA特异位点的甲基化水平是能反映衰老的生物学标记。研究表明组蛋白甲基化和乙酰化修饰的总体水平在衰老过程中发生变化，且具有物种特异性和细胞特异性。组蛋白甲基化根据结合位点的不同对基因的表达会产生不同的影响，在H3K4发生的甲基化是调节衰老相关蛋白变化的关键基因[34]。环磷腺苷效应元件结合蛋白(CREB-binding protein, CBP)和p300是最主要的组蛋白乙酰转移酶[35]，主要作用于H3K18、H3K27的乙酰化。衰老的哺乳动物组织的CBP和p300水平下降，增加p300活性能延缓衰老，反之阻滞细胞周期进程、诱导细胞衰老[36]。

1.4肠道微生物影响衰老及其相关疾病诺贝尔医学奖得主梅契尼科夫提出，衰老与肠道菌群有关[37]。研究发现，随着机体衰老，肠道中革兰阴性菌数目增多，产生脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)增加，透过肠道进入全身循环，进而激活慢性炎症因子[38]。另外，研究表明，肠道中双歧杆菌细菌数目与促炎因子(如TNF-α、IL-6等)水平呈负相关[39]。老年人肠道菌群稳态改变，积累的LPS会导致巨噬细胞功能改变，进而加剧炎症进程。因此，肠道的健康和稳态对于机体免疫功能和寿命至关重要。

2 防治衰老及其相关疾病的研究进展

针对以上总结的衰老的相关因素，可以通过衰老细胞清除、减少应激反应、抗氧化、抗炎和肠道菌群移植等药物或非药物干预达到抗衰老以及防治相关疾病的目标。

2.1衰老细胞的清除研究表明，抑制衰老细胞表达SASP相关成分的药物可以改善衰老表型。常见的药物有雷帕霉素、二甲基双胍、鲁索利替尼和p38MAPK抑制剂。同时，抗凋亡蛋白BCL-2和BCL-xL的特异性抑制剂也常用作衰老细胞清除剂，如：口服ABT263可以选择性的清除衰老小鼠体内衰老的造血干细胞和肌肉干细胞，使衰老的干细胞再生，缓解造血系统衰老[40]。然而，ABT263存在一些毒性副作用，其在延缓衰老以及衰老相关疾病的应用还有待进一步研究。另外，ABT-737作为早期的navitoclax类似物，能够在体内驱动辐射诱导的肺上皮SNCs和p19诱导的真皮细胞凋亡，但其相关临床试验有待进一步开展[41]。

2.2抗氧化应激治疗抗氧化剂可分为外源性抗氧化剂和内源性抗氧化剂。外源性抗氧化剂包括姜黄素、白藜芦醇、槲皮素和活性维生素D等天然植物活性化合物[42]。活性维生素D作为外源性抗氧化剂，通过上调Nrf2，降低氧化应激水平，从而减少体内DNA损伤，下调p16/Rb和p21/p53通路，延缓细胞衰老[43-44]。内源性抗氧化剂主要指谷胱甘肽，分为氧化型谷胱甘肽和还原型谷胱甘肽(Glutathione, GSH)，在人体内起作用的主要是GSH[45]。N-乙酰半胱氨酸(N-acetylcysteine, NAC)是内源性抗氧化剂合成的必要前体，通过补充胞内谷胱甘肽来抑制氧化应激。由于饮食摄取的左旋半胱氨酸转变为谷胱甘肽被限制，口服NAC治疗可以作为抗氧化剂治疗的有效途径[46]。我们先前研究发现，在应激诱导的成熟前衰老小鼠模型中，利用饮水补充NAC可以通过维持氧化还原平衡、保护线粒体结构功能，改善小鼠的肾小管间质性损伤和衰老相关的肺纤维化[47-48]。抗氧化剂通过调节氧化应激引起的异常细胞信号，进而抑制氧化应激表型，延缓衰老进程[49]。

2.3抗炎治疗近年来研究均将衰老、促炎细胞因子网络作为衰老过程中的现象之一[50]。在健康衰老过程中，NLRP3的表达减少。同样，正常老年小鼠的巨噬细胞产生的IL-1β也较少[51]，因此NLRP3抑制剂和IL-1β受体拮抗剂可以作为改善衰老相关慢性炎症的治疗手段。

常见的NLRP3-炎症小体抑制剂包括CY-09、MCC950、豆蔻明(Cardamonin)和阿那白滞素(Anakinra)等。CY-09与NLRP3的NACHT结构域的ATP结构基序结合，抑制NLRP3 ATP酶活性，从而抑制NLRP3炎症小体的活化，可以改善急性肾损伤小鼠肾功能不全、炎症反应加剧表型[17]。MCC950是一种选择性的NLRP3抑制剂，其通过抑制NLRP3/NF-κB通路活性减少脂质累积，可有效改善小鼠非酒精性脂肪肝。Anakinra作为IL-1β受体拮抗剂，能阻断IL-1α和IL-1β的作用，目前已在类风湿性关节炎和蛋白相关的周期性综合征中得到了应用[52]。

2.4移植肠道菌群治疗粪菌移植 (fecal microbiota transplantation, FMT)指将健康人粪便中的功能菌群，移植到患者胃肠道内，重建新的肠道菌群，实现肠道及肠道外疾病的治疗。FMT是一种高效安全的抗衰老方法，已被证实可治疗艰难梭菌感染、应激性肠病和肝性脑病等[53]。其在防治衰老相关的疾病上的应用也逐渐被发现，例如动脉硬化、II型糖尿病、帕金森病等[54]。但是，目前FMT还有着一系列的临床应用和伦理问题需要我们进一步解决。

2.5调节代谢治疗研究发现，能量限制是延缓寿命的有力措施，可引起胰岛素、血糖和生长激素水平下降，进而激活下游通路。近年来研究表明：除间歇性节食控制能量摄入外[32]，使用一些代谢调节药物也可以调节代谢通路进而延长寿命，如：雷帕霉素抑制mTOR信号通路，白藜芦醇激活SIRT1活性，二甲基双胍活化AMPK[55]。然而这些药物的临床应用因某些副作用受到限制，使用方式、剂量等需要进一步探讨分析。

3 结语与展望

人均寿命的延长正在使我国人口的年龄分布峰从青年移向老年，预计到2050年，我国将进入重度老年化社会。老年人口的增加，不仅会引发越来越多的衰老相关疾病，降低老年人的生活质量，还会带来严重的经济、健康、医疗等社会问题。随着现代医学的发展，各种衰老学说的研究在逐步深化，但许多机制尚不完全清楚，还需要进一步的研究。目前，虽然雷帕霉素、二甲基双胍、抗氧化剂、活性维生素D等药物已经在临床用于防治衰老及其相关疾病，且免疫细胞自体移植、粪菌移植等新型干预手段已通过临床试验，但是许多药物和非药物干预手段仍有许多临床应用问题亟待解决。总之，抗衰老研究目的应为防治衰老相关疾病，延长人口的平均寿命，助推健康衰老和健康中国战略而服务。