衰老生物标志物的研究进展

衰老是随着时间的推移，机体的组织、器官发生退行性变化的过程[1],是机体发生生理生化和氧化应激的综合体现。尽管衰老不是疾病,但是可以增加衰老相关疾病的风险,包括癌症、糖尿病、心血管疾病和神经退行性疾病。目前关于衰老已提出了许多学说,但是没有一种学说可以完整地解释衰老的发生机制[2]。

1 体能和人体测量

1.1 步行速度、椅子站立测试、站姿平衡和握力 体能的测量是当前和未来健康状况的重要标志,在人群研究中已经形成了客观标准的体能测试方法。握力、30 s椅子站立测试、步行速度等体能测试是功能测定的客观指标,可以在任何的健康个体中完成。握力降低和行走速度减缓与死亡率具有显著的相关性。对后续发生的伤残危险性(通过评估日常生活活动)进行评估发现:在体能测试方面表现比较差的老年个体更容易发生功能性残疾[3]。许多证据表明,在握力、步行速度、下肢力量和站立平衡方面表现较差的个体更容易患心血管疾病和痴呆。英国纽斯卡尔市对85岁以上个体研究显示,较低的握力与多疾病发病率、认知损伤、残疾具有显著相关性[4]。Leong等[5]就握力和死亡率的关系对139 691例年龄在35～70岁的个体进行了为期4年的跟踪研究,研究发现握力不仅能预测全因死亡率,而且也能预测非心血管疾病的死亡率和心血管疾病的发生率以及卒中。不仅如此,他们还发现骨骼肌的功能也与健康、疾病和衰老相关,肌肉力量较弱的个体会通过增加伤残率直接影响死亡率。最新研究显示,除了握力和步行速度,在中年人中站姿平衡和椅子站立测试能够很好地预测未来13年的死亡率[6]。

1.2 腰围和体质量指数(BMI) 衰老也和身体成分的改变有关,包括体脂增加、肌肉重量减少、器官(不包括心脏)体积减小。腹部过多的脂肪堆积是发生衰老的一个危险因素。美国高加索地区腰围低于94 cm的男性和腰围低于77 cm的女性患衰老相关疾病的风险性会更低, 如果男性的腰围大于132 cm、女性大于116 cm，其死亡率将翻倍[7]。BMI是预测总体肥胖率的一种实用手段,BMI每增加5将增加30%总体死亡率,血管疾病的死亡率增加40%,糖尿病、肾脏和肝脏疾病的死亡率将增加60%～120%[8]。此外,在排除性别和其他混杂因素的影响下,高BMI是认知下降的一个重要的危险因素[9]。

1.3 肌肉质量 排除肌少症,年龄相关的骨骼肌质量损失和肌肉功能强度低下是衰老过程中导致残疾和死亡的重要危险因素[10]。对局部肌肉质量和健康状况的关系进行横断面和前瞻性研究发现,低骨骼肌指数会增加个体患功能性损伤和残疾的风险[11]。

2 基于血液的可能生物标志物

在血液样本中测量的大多数衰老生物标志物都与心血管功能、葡萄糖代谢、炎症、营养状况、内分泌学和简单的血液学有关。与年龄相关的炎性肽生物标志物和C-反应蛋白(CRP)在免疫衰老方面研究的最好,它们统称为“炎性衰老”[12]。

2.1 白介素-6(IL-6)和CRP 老年个体血浆中IL-6>1.80 pg/ml和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)>3.20 pg/ml[13]时，肌肉质量和握力都会明显降低，说明免疫和功能状态之间有交互作用。CRP是一种急性期蛋白，已证明是人类冠状动脉疾病的标志物，因为衰老是一个与炎症反应相关的过程，CRP是心肌发病的预测因子，因此该蛋白被认为是老年病理损伤的生物标志物[14]。CRP水平的升高是衰老相关肌肉退行性变的独立危险因素[15]。而且研究还发现，CRP几乎和所有原因引起的死亡相关，在一份前瞻性队列研究中发现，升高的CRP水平作为独立的危险因素可以使死亡的危险性翻倍(包括心血管和非心血管疾病引起的死亡)[16]。

2.2 葡萄糖代谢 代谢和激素功能的很多方面都与衰老有关,包括组织细胞中胰岛素受体和葡萄糖转运体的异常表达。在这些组织中碳水化合物的代谢也会发生相对的改变,包括细胞葡萄糖氧化的降低。这些改变也直接导致了葡萄糖耐受的降低。临床上较常用禁食或者餐后血糖浓度来诊断糖尿病[17]。糖化血红蛋白不需要观察禁食或者餐后血糖浓度的改变,被认为是监测糖代谢的一种可行指标[18]。

2.3 脂肪因子、维生素D和B型氨基端利钠肽原(NT-proBNP) 最新研究发现,像脂联素、生长素释放肽、瘦素和内脂素之类的脂肪因子是炎症和中枢功能的主要调节器。血清脂肪因子的改变能增加患肥胖和代谢综合征的风险[19]。目前,对维生素D、B12、B6和叶酸等小微量元素集团进行了很多研究,发现只有缺乏维生素D才能增加功能损伤的发病率和风险[20]。在心脏衰竭的情况下研究显示,NT-proBNP与多疾病发病率、认知损伤和死亡率相关[21]。这也使NT-proBNP成为与年龄相关心力衰竭功能紊乱的一般标志。心肌肌钙蛋白与心肌的生理更新或重塑有关,和NT-proBNP具有显著相关性[22]。这两种物质可以作为心肌损伤和心血管疾病有效的预测因素,在男性和女性个体中它们都可以随着年龄而增加,可以成功地将它们定义为衰老生物标志物。

3 基于分子/DNA的生物标志物

3.1 DNA的损伤和DNA的修复 目前关于衰老已提出了众多学说,主要有活性氧(ROS)的堆积、DNA损伤、线粒体功能紊乱、抗氧化防御系统损伤、端粒缩短学说等。基于衰老的自由基理论认为,在生命周期中，线粒体产生ROS的堆积会导致老年个体发生慢性氧化应激损伤。在老年个体中由于抗氧化防御机制和DNA修复能力的减弱,DNA损伤被认为是衰老的一种结果[23]。DNA稳定性的降低增加了细胞发生畸变的频率,反过来细胞畸变又导致一些衰老相关疾病的发生,比如癌症、糖尿病、心血管疾病和智力减退[24]。然而,这种线性增加会持续到60～70岁,85岁以后线粒体损伤的速度将会随着年龄的增加而降低[25]。

3.2 端粒长度 端粒是位于真核生物染色体末端的核蛋白结构。端粒的长度一直被认为是潜在的衰老生物标志物[26]。较长的端粒和较高的端粒酶活性能促进基因组的稳定性和DNA的完整性,和衰老的过程呈正相关[27]。在一份由143位年龄在60周岁以上的个体组成的样本中,相对于时序年龄，有较短端粒长度的群体有更高的死亡率。Bakays等[28]对瑞典的双胞胎(平均年龄79岁)进行前瞻性研究发现:具有较短端粒的个体在未来七年内的死亡率是其孪生兄弟的3倍。一般来讲,男性端粒缩短的速率快于女性,这也可以作为评价女性寿命比男性长的参考因素。许多研究表明,端粒缩短速度增快会增加个体患衰老相关疾病的风险,比如动脉粥样硬化、早发性心肌梗死、糖尿病、高血压、阿尔茨海默病和癌症[29]。然而,到目前为止还不清楚端粒的长度是否能测量正常的衰老过程。

正常的衰老过程和慢性疾病的发生都会伴随DNA损伤、线粒体破坏、端粒缩短现象的发生[30]。此外,越来越多的数据表明，在正常衰老个体中染色体稳定性、DNA修复活性、抗氧化防御能力和年轻人几乎相当。因此,基于目前的理论,DNA完整性、基因组稳定性、抗氧化防御能力和端粒的长度并不能满足当前有效衰老生物标志物的标准。

4 新型和未确定的生物标志物

4.1 胆红素 胆红素是监测抗慢性非传染性疾病的新兴生物标志物。据报道,轻度升高的血清胆红素水平能够降低心血管疾病(CVD)相关的死亡率,最新数据也将胆红素和死亡率及其他慢性疾病联系起来,包括癌症和2型糖尿病。因此,胆红素是慢性疾病流行率降低和预测全因死亡率的生物标志物,也是成功老化的新型生物标志物[31]。

4.2 高级糖基化终末产物(AGEs) 研究表明,AGEs能明显加速衰老的过程[32], AGEs的堆积将会对组织造成不可逆的损伤,而且AGEs还会激活巨噬细胞和单核细胞的活性,最终导致Ros的产生。在小鼠模型试验中,AGEs水平的升高会引起早衰症状的出现,也会导致出现活动能力下降、记忆延迟、免疫反应消失等总体功能减退的现象[33]。在人群中,AGEs的堆积能够加速衰老相关疾病的发生,比如白内障、肾脏疾病、视网膜病变和心血管疾病[34]。在阿尔茨海默症病人中也发现AGEs超出正常水平[35]。到目前为止共发现了20种AGEs,将AGEs作为潜在衰老生物标志物似乎合理,因为其在血液或者尿液中检测比较容易。

4.3 金属硫蛋白(MTs) MTs是富含半胱氨酸、锌结合蛋白的低分子量蛋白质,其水平在老年个体中会出现下调的趋势。MTs在锌介导的转录调控中发挥重要作用,涉及生长、增殖、分化、发育和神经功能等多种途径。有实验证据表明，MTs在老化大脑中被诱导,作为减轻氧化和应激的防御机制。MTs也可以作为自由基清除剂,以神经保护机制的形式保护衰老大脑中线粒体功能[36]。

4.4 miRNA miRNA是由21～23个核酸组成的单链非编码RNA分子,能够调节一系列生物活动,被认为是衰老的标志。miRNA是细胞衰老的重要调节器。大多数miRNA在血清或者血浆中都会以稳定状态存在。因此在临床上被认为是最有希望的生物标志物。Cui等[37]对唾液外来体中miRNAs研究发现,miR-24-3p被认为是新的衰老生物标志物,通过miR-24-3p的表达情况可以正确的区分老年组和年轻组。一份临床研究表明,miR-151a-3p、 miR-181a-5p和miR-1248的血清表达水平在老年个体中会明显降低[38]。对血清样本进行PCR研究发现,miR-29b、miR-106b、miR-130b、miR-142-5p和miR-340这5种miRNAs的表达水平随着年龄增加而降低,miR-92a、miR-222和miR-375这3种会随着年龄增加而增加。

5 展望

由于在衰老过程中许多生物和分子机制的复杂性,没有任何一种生物标志物可以对正常的衰老过程进行准确的测量。基于现有的理论,还没出现任何一种鉴定分子功能的手段可以胜过现有的血液中脂质、肽类和激素类生物标志物的常规分析。我们常常忽视将这些手段和已经确立的集体和功能标志物结合起来。

目前通过新的分析技术许多新的标志物正在被评估,潜在生物标志物的数量有可能迅速增加。“omics”技术的产生,比如代谢组学、基因组学、蛋白质组学将会为新衰老生物标志物提供更多被发现的机会[39]。然而,对健康测量的验证将需要一些时间。哪些标志物可以更好的预测生物性衰老并且提供连续最佳的健康测量措施需要我们进一步研究。

虽然对衰老的生物标志物还需要进一步研究,但是我们可以采取一些措施来延缓衰老[40]。例如坚持进行一些有氧运动,可以保持线粒体的活性,对预防老年人肌肉萎缩和神经退行性病变具有积极的作用。在进入老年期之后，由于机体代谢率的下降,在保证蛋白质、维生素和微量元素的情况下,减少热量的摄入可以促进细胞的自我修复,延缓衰老相关的器官功能失调的症状,如肿瘤、肥胖和神经退行性疾病等。老年个体的健康化对减缓人口老龄化所带来的社会压力具有积极的促进作用。

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