肠道菌群——调控骨骼肌衰老新靶点

马 壮 李雯婷 毛登辉 何恩鹏

2019年国家统计局发布新中国成立70周年经济社会发展成就系列报告显示，人口老龄化的加速是进入新时代人口发展面临的重要风险和挑战[1]，老龄化已成为影响发达国家以及发展中国家社会发展的沉重负担。事实上，在自然界中包括人类在内的所有物种都会受到衰老的影响，但不同物种的衰老过程又有很大不同[2]，人类的衰老常伴随着老年人常见疾病(包括高血压、糖尿病、恶性肿瘤、心脑血管疾病等)的发生，其后果是造成了巨大的社会经济负担。

近年来关于衰老的研究越来越多，其中骨骼肌衰老是一项重要议题。Aversa[3]等认为骨骼肌衰老会造成力量下降、跌倒风险升高、住院率增加甚至死亡风险升高，同时代谢稳态被打破，机体复原能力降低。Solovyeva[4]等同样认为骨骼肌衰老可能导致与跌倒有关的伤害、残疾、独立性丧失以及老年人死亡率的显著增加。Ubaida-Mohien[5]等人研究发现老年人肌肉的特征是能量代谢紊乱、促炎环境和蛋白质水解增加。

近期有研究发现肠道菌群与骨骼肌之间存在较大关联[6]。Nay[7]等人的研究表明肠道菌群对葡萄糖稳态的调节对肌肉发挥最佳功能起着至关重要的作用；Lahiri[8]等人的研究发现肠道菌群可能会影响小鼠骨骼肌萎缩的通路以及相关基因的表达，从而影响骨骼肌的功能和质量；吴愁飞[9]及其团队通过将不同品种的肥猪与瘦猪的肠道菌群移植到无菌小鼠体内，发现受体小鼠表现出与供体猪相同的骨骼肌脂质代谢特征。据此，肠道菌群与骨骼肌一定存在某种联系，但其机制尚不明朗。因此本文从肠道菌群影响骨骼肌衰老的作用机理进行探讨，以期为预防老龄化带来的骨骼肌衰老问题提供理论参考。

1.骨骼肌衰老相关表象及其机制

1.1 骨骼肌衰老相关表象 骨骼肌的衰老伴随着肌肉质量和功能的丧失是一种称为肌肉减少症的现象，身体研究表明，肌肉的总横截面积随着年龄的增长而下降。早有研究表明肌肉面积和纤维数量在生命的第4个十年便开始减少[10,11]。最早的关于衰老和肌纤维组成的研究表明，Ⅰ型纤维百分比随着年龄的增长而增加[12]。但是，随着研究的不断深入，研究人员提出了另一种猜想，Ⅰ型纤维没有受到老化的影响，只是Ⅱ型纤维随着年龄变化横截面积在不断减少，导致Ⅰ型肌纤维相对整体骨骼肌的比例增加。除了肌肉纤维大小随年龄增长而减少之外，同样有研究报告了肌肉纤维总数随年龄增长而减少。Lexell[13]等人发现平均年龄为72岁的老年人比平均年龄为30岁的青年人股外侧肌的大小减少了18%，肌肉纤维的总数减少了25%，这表明随着年龄的增长，肌肉萎缩可能在很大程度上是由于肌肉纤维的损失导致。

1.2 骨骼肌衰老的可能机制

1.2.1 蛋白质稳态：在生理条件下，蛋白质降解和合成之间的动态相互作用确保了骨骼肌内蛋白质稳态的维持，并允许充分适应身体活动、营养输入和代谢需求的变化[14]。研究表明，蛋白质体内平衡的进行性丧失是导致衰老过程中肌肉丧失和功能障碍的主要发病机理之一。在蛋白水解系统中，泛素-蛋白酶体系统和自噬-溶酶体途径在骨骼肌蛋白降解中起着重要作用[15]。在泛素-蛋白酶体系统中，要降解的蛋白质首先通过酶的级联反应(包括E1泛素激活酶、E2泛素结合酶和E3泛素连接酶)共价连接到泛素分子链上，然后被26S蛋白酶体处理[16]，通过对衰老骨骼肌的研究发现蛋白酶体的活性增强[17]。Avergin-1/MAFbx和MuRF1是两种重要的肌肉特异性E3泛素连接酶，在许多与肌肉萎缩相关的条件下转录上调[15]。

自噬是一种进化保守的稳态机制，细胞成分在自噬小体的双层膜小泡中与溶酶体融合，对其内容物进行降解，实现细胞本身的代谢需要和某些细胞器的更新[18]。自噬在维持骨骼肌质量中同样起着至关重要的作用，在不同的病理条件下自噬的改变与肌肉萎缩的发病机制有关[19]。

1.2.2 干细胞衰竭：卫星细胞是必需的骨骼肌干细胞。这些细胞与成熟肌纤维并列存在，位于其质膜之外，但被周围的基底层所包围[20]。卫星细胞对于骨骼肌损伤后的再生是绝对必要的，在缺乏卫星细胞的情况下，骨骼肌萎缩、纤维丢失、纤维化、脂肪积聚、免疫细胞浸润和炎症在损伤后会变得明显。缺乏卫星细胞的小鼠确实表现出纤维化的显著增加，这是一种老化肌肉的表型[21]。

肌肉再生能力因衰老而明显受损，在小鼠[22]和人类[23]中，肌肉干细胞的数量及其自我更新的能力都随着年龄的增长而下降，特别是在IIb型肌纤维中。除了数量之外，卫星细胞的分子表型也表现出与年龄相关的变化[24]。在老化的肌肉干细胞中，p38α/β应激信号的激活增加，衰老相关的细胞周期蛋白依赖激酶抑制剂p16Ink4a和p21Cip1的表达增加，这与它们的增殖潜力降低一致[24]。药物抑制p38α/β在体外恢复了衰老肌肉干细胞的增殖能力，并显著改善了体内植入。对老年小鼠的卫星细胞的分析也揭示了p16Ink4a的表达升高，p16Ink4a是一种参与细胞衰老的细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂[25]。在年轻小鼠的肌肉受到心脏毒素损伤后，来自老年小鼠的移植卫星细胞不能激活和扩增。总的来说，卫星细胞的内在变化是衰老的结果，同时会严重损害骨骼肌的再生能力。

1.2.3 细胞衰老：衰老细胞及衰老相关的分泌表型(SASP)是衰老和衰老相关疾病的驱动因素[26,27]。衰老，一种稳定生长停滞的状态，是增殖细胞的最终命运。为了应对基因组、蛋白质组、代谢或复制应激，衰老程序由细胞周期抑制蛋白启动，包括p16Ink4a和p21Cip1，它们拮抗细胞周期蛋白依赖激酶的作用，最终停止细胞增殖[28]，因此衰老是一种内在的保护性肿瘤抑制程序[29]。然而，随着年龄的增长，由于对凋亡的抵抗和免疫系统的低效清除衰老细胞开始积累[30]。通过耗尽有丝分裂活性祖细胞库并大量分泌细胞因子、趋化因子、基质重塑蛋白和生长因子的混合物，衰老细胞损害再生并介导衰老生物组织中的炎症、恶化和纤维化[31]。推测衰老细胞和SASP可能是骨骼肌老化和肌减少症的基础。

1.2.4 线粒体功能：线粒体在骨骼肌功能中起着举足轻重的作用，通过产生ATP满足肌肉纤维内的代谢需求，包括收缩功能、维持膜电位、钙处理以及整体细胞维持和动态平衡。除了作为能量源泉的作用外，线粒体也是活性氧(ROS)的主要来源，ROS作为重要的信号分子发挥作用，但同时也可以通过破坏细胞成分如DNA、蛋白质和脂质来启动细胞死亡[32]。鉴于线粒体在细胞内稳态中的关键作用，线粒体已被认为与肌减少症和多种年龄相关疾病的病因有关，并被视为治疗靶点[33]。

2.肠道菌群调控骨骼肌衰老的机制

2.1 肠道菌群影响炎症反应及肌蛋白稳态 肌减少症在与年龄相关的炎症中起重要作用[34]，同时，肥胖会加重炎症负担，从而加剧肌减少症的发生[35]，导致肌肉减少型肥胖，表现为肌肉质量/身体总质量比值减小[36]。导致这种与年龄相关的炎症状态升高的原因是多方面的，包括氧化还原应激[37]、免疫衰老[38,39]、内分泌功能下降、DNA损伤[40]、表观遗传修饰[41]以及内毒素-革兰氏阴性细菌的增多[42]。

内毒素-革兰氏阴性细菌是通过脂多糖(LPS)引起系统性炎症的。脂多糖诱导炎症的一个极端模型是败血症，这是一种威胁生命的疾病，特征是由于蛋白水解、降解增加和蛋白质合成减少而导致的严重肌肉萎缩[43]。在骨骼肌炎症的背景下，关于TNF-a和IL-6的研究最广泛，它们可以被循环LPS诱导[44]并在老年人中升高[45]。TNF-a的巨噬细胞产生显示出在应激反应的早期发生，并且已经证明刺激培养细胞中的蛋白质降解和凋亡[46]。同时，在动物和人类中的研究表明由巨噬细胞和T细胞分泌的IL-6参与蛋白质合成的抑制[47]。这些发现综合说明了肠道菌群在影响蛋白质平衡(即合成和分解)的方面起着决定性作用，并表明随着年龄增长内毒素水平升高可能导致肌肉质量减少。

2.2 肠道菌群影响骨骼肌代谢 肠道菌群可能通过多种途径影响人类骨骼肌的代谢，老年人的肌减少和全身虚弱与肠道生态失调有关，导致肠道屏障通透性增加、血液LPS水平升高、免疫系统激活和胰岛素敏感性降低[48]。另外，动物研究明确强调了补充乳杆菌菌株的小鼠中肌肉萎缩标记物(Atrogin-1、MuRF1)的表达下降[49]，以及补充植物乳杆菌的小鼠中肌肉质量和力量增加[50]。另外，肥胖者和非肥胖者的肠道菌群组成存在差异[51]，与非肥胖小鼠的肠道微生物群相比，肥胖小鼠的肠道微生物群富含编码碳水化合物代谢酶的基因，并具有更强的从饮食中提取能量和产生短链脂肪酸的能力[52]。此外，肥胖者体内的微生物区系发生了变化，多样性减少[53]，但这种多样性减少对肥胖症发展的功能影响尚不清楚。报告显示，中国2型糖尿病患者的肠道微生物群发生了变化[54]，更重要的是肠道微生物区系的组成能够预测2型糖尿病。

3.前景与展望

2008年，美国国立卫生研究院启动了人类微生物组项目，中国作为此项计划的参与者一直积极推动初期研究工作，作为一项公共卫生倡议，该项目一直以确定对人类健康有贡献的微生物的特征为目标。在短短十几年的时间里，高通量16s rRNA基因测序技术已经确定了肠道微生物生态与世界范围内许多主要死亡原因(如癌症[55]、糖尿病[56])之间的密切联系。尽管这一领域仍处于起步阶段，但大量研究数据已经为肠道微生物群和骨骼肌之间的双向交流网络提供了证据。随着年龄的增长，肠道健康和骨骼肌也会发生相应的变化，这就是这种关系的例证。在老鼠模型中的研究已经开始识别可能具有骨骼肌分支的微生物靶标。这些发现为战略性人类干预奠定了框架，旨在将操纵微生物生态作为一种有益于骨骼肌健康和延长快速扩张的老龄化人口健康寿命的手段。