衰老对骨骼肌卫星细胞增殖分化影响的研究进展

李江，包海姣，谢平波，周红庆

(昆明医科大学附属曲靖医院，云南曲靖655000)

衰老及慢性老年性肌病对骨骼肌有较大影响，在老化过程中，肌肉质量和强度逐渐下降[1]。当肌肉损伤或负荷增加时，可通过骨骼肌卫星细胞的增殖、分化来实现肌纤维的再生修复。肌卫星细胞是指成年个体肌肉组织内存留的肌前体细胞，在受到刺激后，活化的肌卫星细胞迁移至损伤部位并终末分化、融合形成肌纤维，完成损伤后修复。老化及慢性肌病导致肌卫星细胞再生潜能降低。相比年轻人，老年人由于肌肉的修复及重塑能力缺陷，更容易遭受肌肉损伤。对老化导致的肌再生障碍研究，并干预这个病理过程，可能有助于改善甚至逆转衰老导致的肌肉损伤及修复能力缺陷。本文将从血液灌注、生长因子水平、激素水平、信号传导通路、蛋白合成、细胞外环境、炎症反应、细胞凋亡和自噬等方面阐述衰老对骨骼肌卫星细胞增殖分化的影响。

1 衰老后骨骼肌的变化

衰老常伴随着骨骼肌质量和功能的下降、活动障碍、代谢异常，导致老年人生活质量下降，这种情况被称为肌肉减少症。研究表明，在50岁以后骨骼肌质量每年以1%～2%的速度丢失；而在70岁之后肌肉丢失速度为10%～15%。临床上常以生物电阻抗法进行全身骨骼肌量的测定；以握力、步速测试、起立-行走测试、5次起坐测试以及平衡试验评估身体功能[2]。脆弱性代表肌肉功能的改变，脆弱表型及脆弱指数是常用的指标[3]。肌肉减少症主要是由于随着年龄的增长，肌肉蛋白质合成和降解之间的不平衡导致的。衰老的一大特点是微血管网密度减少和血管生成障碍，骨骼肌微血管灌注减少可能导致蛋白合成减少[4]。线粒体的稳态失调是骨骼肌衰老的一个“扳机点”，线粒体代谢紊乱、动力学及钙摄取障碍可能参与了肌肉减少症的发病过程[5]。同时，老化的肌肉损伤后其适应及修复能力下降。内分泌的变化、神经退行性疾病、炎症、废用、营养不足、胰岛素抵抗、氧化分解和特定年龄因素等可加剧衰老症状。

2 衰老后肌卫星细胞的变化

骨骼肌的修复与再生是由位于肌纤维基底层之下的卫星细胞增殖分化来实现的。受到刺激后，卫星细胞从静止状态进入活化状态，迁移至损伤部位，并终末分化、融合形成肌纤维。老年骨骼肌再生功能的下降与卫星细胞功能的改变密切相关。从数量上看，老年大鼠骨骼肌中卫星细胞池数量下降明显，而功能性的卫星细胞数量仅相当于年轻大鼠的65%。从功能上看，来源于老年供体的肌卫星细胞增殖、分化形成成熟肌纤维的能力存在显著缺陷。与年轻小鼠相比，老年鼠卫星细胞会延迟进入活化期，且活化标记物表达减少。老化过程中，肌卫星细胞的异质性增加。此外，肌卫星细胞的分化能力随着年龄的增长而下降，相应的，调控分化程序的肌源性调节因子(MRF)，如Myf-5、MyoD和MRF4的表达减少。同时，老年人的肌卫星细胞融合指数下降，限制了肌管融合形成肌纤维的过程。即使将老年人的肌卫星细胞转移至一个年轻的环境中，细胞仍有一个持续受损的“记忆”，其分裂产生的子代细胞也遗传了这种再生受损的变化[6]。

3 衰老相关因素对骨骼肌卫星细胞增殖分化的影响

3.1 组织灌注量下降 肌毛细血管作为递送氧、能量、细胞因子和生长因子的媒介，对卫星细胞起调节作用，邻近微血管的细胞更加容易被激活。衰老后的微循环改变影响着卫星细胞的增殖分化。相比年轻人，老年人Ⅱ型肌纤维中卫星细胞距离毛细血管的距离更远，因此细胞不易激活[7]。阻力训练可增加肌肉毛细血管化，该项训练具有卫星细胞池的扩增效应，年轻组的细胞数量扩张幅度高于老年组。Nederveen等[8]发现，老年骨骼肌的毛细血管灌注量下降导致了这种差异，并认为改善组织灌注或者缩短细胞与灌注血管的距离可逆转细胞池衰减，进而修复再生功能。

3.2 生长因子表达水平降低 肌卫星细胞活化、增殖、分化的过程受多种生长因子的调控，如胰岛素样生长因子-1(IGF-1)、肌生长抑制素、肝细胞生长因子(HGF)、成纤维生长因子(FGF)。越来越多的证据表明，在老化的肌纤维中保持着较低的生长因子水平。

HGF是激活卫星细胞增殖的初始因素。衰老细胞增殖延迟与HGF的表达下降有关，体外培养的细胞加入HGF和FGF2后可促进细胞增殖。肌生长抑制素的功能是保持卫星细胞静止状态，敲除该基因后细胞更易活化，导致肌纤维肥大，其表达水平可以随着年龄的增长而增加，这抑制了细胞增殖，最终导致了肌肉减少。卫星细胞表达FGF1、FGF2、FGF4和FGF6四种FGF及其受体，对细胞的增殖、活化、分化和肌纤维肥大起着基础性作用。FGF1和FGF4在发育肌肉中表达，FGF2和FGF6则在肌损伤后起到刺激细胞扩增的作用。老年人(70岁)血浆内IGF-1浓度相较于青年人(20岁)在蛋白水平及mRNA水平分别下降33%、45%，这种下降与肌肉质量下降呈正相关。异位激活FGF1可以挽救衰老卫星细胞的增殖能力，从而再次进入细胞周期。伴随着衰老，卫星细胞内FGF2表达减少，但肌纤维分泌FGF2增加，从而维持了细胞外环境中的FGF2浓度。FGF2通过诱导细胞外调节蛋白激酶(ERK)磷酸化、抑制p38α/β丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路等促进细胞增殖，而在年轻细胞，这条通路并不起作用[9]。衰老小鼠卫星细胞中，整合素β1的错误定位降低了FGF2的敏感性，抑制了老化细胞的自我更新[10]。

3.3 性激素水平降低 正常肌肉质量和强度有赖于性激素维持。老年人肌卫星细胞增殖、肌管融合障碍与睾酮浓度下降有关。补充外源性激素可以增加老化肌纤维内卫星细胞数量[11]，但同时却导致了细胞分化能力受损。切除卵巢的动物模型或绝经妇女补充雌激素可激活磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B通路，促进卫星细胞的激活和增殖，从而增加细胞总量[12]。催产素对于骨骼肌组织再生和稳态维护是必需的，催产素抑制剂可以导致年轻小鼠肌肉老化。血浆催产素水平和卫星细胞的催产素受体水平随着年龄的增长而急剧下降，这抑制了细胞的增殖。短期使用催产素可以通过激活MAPK/ERK信号通路，恢复老化卫星细胞的再生潜能，促进肌肉再生[13]。

3.4 信号转导通路异常 老年人细胞内在功能障碍包括多种信号转导通路的改变，并富集于细胞周期激酶和成肌分化因子。这些变化包括p38 MAPK信号通路、FGFR信号轴的生长因子、Janus酪氨酸蛋白激酶2/信号转导子与转录激活子蛋白3(JAK2-STAT3)信号轴和细胞周期抑制剂的改变。p38 MAPK和JAK2-STAT3信号轴负向调控抑制肌细胞周期进程，抑制细胞增殖，其通过调节卫星细胞活化标记-MyoD，促进细胞活化、分化，破坏卫星细胞的不对称分裂，耗尽细胞池[14]。衰老可以抑制细胞周期抑制剂p16INK4a基因，导致小鼠卫星细胞过早出现衰老表型。老年动物来源的卫星细胞表达靶向CDK4和CDK6的细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂(P16UK4a)，阻止细胞由G0期进入细胞周期，导致了再生能力缺陷。衰老细胞的一个特点是Rb/E2F靶基因受到抑制，由此产生的p16INK4a和p21cip1的表达增加，阻滞了细胞周期[15]。总之，这些衰老细胞的信号传导通路改变抑制了卫星细胞的自我更新和肌纤维再生。

Notch信号通路是卫星细胞增殖和自我更新的主要调节通路，其活性的下降是老年骨骼肌卫星细胞功能障碍的原因之一。研究表明，老年骨骼肌中Notch信号活性下降，可能是因为其δ配体随年龄增长而表达水平下降。若将老年骨骼肌中的Notch信号通路强制激活，可恢复其再生能力[16]。调节卫星细胞分化的另一个重要信号通路是Wnt信号通路，特别是经典的Wnt/β-catenin信号通路。在老年骨骼肌中，IGF与Wnt信号通路表达水平显著升高，从而激活其下游基因Axin2和6-catenin，诱导肌细胞向纤维化谱系转变[17]。年轻小鼠的损伤后骨骼肌注射wnt3A蛋白，可促进成肌细胞向纤维化转化。而向衰老小鼠损伤的骨骼肌中注射Wnt拮抗剂，发现再生骨骼肌的纤维化程度显著降低，且骨骼肌再生修复能力增强。转化生长因子β与Wnt信号通路相似，也可促进衰老骨骼肌的纤维化。这些信号通路的改变可能是卫星细胞机能衰退的原因。磷脂酰肌醇3激酶、MtRC1和转录因子c-Jun信号通路能激活损伤后成年小鼠肌卫星细胞，但敲除磷脂酰肌醇3激酶会导致更严重的增殖分化受损[18]。

3.5 蛋白合成减少 食物摄取及蛋白合成直接影响生长因子及激素的水平。衰老后肌肉泛素连接酶、蛋白水解酶、组织蛋白酶等蛋白质合成减少和蛋白质降解导致了老化肌肉功能受损[19]。补充肠内营养制剂有利于维持社区老年人的肌肉质量[20]。热量限制(即保证必需氨基酸、维生素等营养成分前提下限制每日摄取的总热量)已证实可以有效延长寿命。热量限制对卫星细胞池数量、完整性和功能的维持起着重要作用，同时可以增加老化细胞的线粒体含量，促进糖酵解的氧化磷酸化，使细胞数量增多，改善肌再生能力[21]。相应的，高脂肪饮食则引起相反的效果。老年肌组织内常出现脂肪堆积，外环境的改变损害了卫星细胞分化和肌肉再生功能。肥胖导致的瘦素升高同样降低了细胞的增殖分化能力。在阻抗运动后1 h补充必需氨基酸，年轻组中与卫星细胞功能相关的蛋白表达增加，而老年组却观察不到这种变化。衰老后肌肉中的合成代谢基因对阻抗运动后补充氨基酸的敏感性下降。随着年龄的增长，餐后肢体血流量和骨骼肌微血管灌注减少，这也可能导致了蛋白合成的减少。

饮食调节，如补充白藜芦醇、聚胺、牛磺酸等，被认为是一种可能的干预衰老的策略。牛磺酸衰竭会使小鼠寿命缩短并加速骨骼肌结构和功能性缺陷，包括肌管的中央核增加，线粒体复合物1活性降低，老化的生物标志物,如P16UK4a、分化因子15表达增加，同时影响卫星细胞的蛋白折叠及其增殖分化。

3.6 细胞外环境改变 肌卫星细胞外环境包括肌纤维外多种类型的细胞和细胞外基质(ECM)，通过分泌营养因子、细胞因子、细胞间相互作用影响肌肉再生。细胞外环境对衰老肌卫星细胞增殖分化的影响最直接的证据来源于异体共生实验，将衰老的细胞移植至年轻的环境后可以恢复细胞的增殖能力。在衰老过程中细胞外环境改变可影响卫星细胞的功能。

静止期卫星细胞通过不对称的有丝分裂产生子代细胞，其中一个自我复制继续保持静止，另一个则活化进入细胞周期。在老化环境的影响下，卫星细胞保持着较高的有丝分裂，但以活化细胞为主。与造血干细胞相似，老化的环境将使卫星细胞退出静止状态并使细胞池枯竭。同时，细胞自我复制能力的减弱也将导致细胞异质性增加。

纤维化是老年肌肉的一个特征，肌纤维周围包含大量的非肌源性的干细胞，衰老后产生更多的纤维、脂肪细胞。卫星细胞则受到抑制，同时可转化为非肌源性细胞系。邻近细胞通过旁分泌释放信号会导致老年肌肉内卫星细胞退出静止状态。在衰老过程中，旁分泌信号Sprouty1表达急剧下降，导致静止细胞减少，反之活化细胞增加[22]。老年肌纤维本身FGF2的分泌增加，进一步加剧这种效应[9]。富含半胱氨酸的酸性分泌蛋白(SPARC)分泌到细胞外环境中，抑制脂肪生成，促进肌肉发育。随着年龄的增长，SPARC的分泌减少，导致卫星细胞增殖减弱，并可导致肌纤维内脂肪含量增多[23]。

卫星细胞位于肌纤维质膜和基底层之间，通过ECM与外界产生联系。ECM中的蛋白成分伴随着衰老而发生变化。层粘连蛋白-α1和层粘连蛋白-α5的沉积、层粘连蛋白111/整合素α6β1信号通路的改变均可影响卫星细胞的再生[24]。钙黏附素介导的细胞黏附是卫星细胞保持静态所必需的，特异性降低钙粘连蛋白、环形蛋白、整合素的表达使卫星细胞退出静止状态。老年骨骼肌中β1整联蛋白的活性降低，若人为激活老年鼠骨骼肌中的β1整联蛋白，可使肌肉的再生功能恢复到年轻水平。老化细胞中整合素β1的错误定位损害细胞增殖能力，而增强整合素β1信号可逆转这种老化现象[10]。与年轻骨骼肌相比，老年骨骼肌中纤连蛋白的表达水平较低，敲除年轻骨骼肌中的纤连蛋白基因会使骨骼肌表现出老化状态，而将纤连蛋白注射到老年骨骼肌中，可使其再生功能恢复至年轻状态。提示纤连蛋白的表达水平与骨骼肌老化密切相关。

ECM产生的机械力影响细胞的形状、结构和信号传导。基质金属蛋白酶和金属蛋白酶组织抑制剂的动态平衡影响肌肉的发育和再生。在衰老过程中，这种平衡被持续的炎症反应破坏，导致肌肉组织ECM成分改变、组织刚性增加、纤维化。

3.7 炎症 炎症反应对肌肉再生是至关重要的，成年肌肉损伤后炎症反应急促而短暂，相比之下，老年肌肉损伤后则常引起慢性炎症。持续性的炎症反应是慢性肌肉疾病的特征，阻碍了骨骼肌再生。在受伤后老年小鼠(24～28个月)，IL-6信号升高，这导致了肌肉干细胞衰竭及随之而来的肌肉萎缩。老化后，卫星细胞对细胞因子，如单核细胞趋化因子-1的敏感性增加，这可能会改变骨骼肌的再生能力，进而导致受损的细胞成分积累。在老年人中，磷酸化的核因子κB和JNK信号通路表达增加。在衰老过程中，肿瘤坏死因子-α和IL-1βα介导下游p38 MAPK信号通路，影响肌卫星细胞增殖分化[25]。

3.8 细胞凋亡与自噬功能衰退 衰老被认为是细胞自噬与凋亡的一个诱因。García-Prat等[26]研究发现，在衰老过程中，小鼠卫星细胞自噬功能衰退，导致细胞毒性废物堆积，细胞“干”性下降。而通过改善自噬，卫星细胞从不可逆的G0期进入可逆的G0期，从而逆转衰老状态，重新恢复细胞自噬调控及增殖能力。衰老的大鼠肌肉细胞凋亡水平升高[21]，核红细胞-2-p45相关因子-2可下调p53的表达，导致细胞凋亡及肌纤维再生受损。同时，细胞凋亡还与核酸内切酶G有关，它从线粒体迁移到细胞核中，破坏细胞核DNA。老年骨骼肌Endot信号通路更容易被激活。对衰老的骨骼肌细胞研究发现，线粒体介导的活性氧量虽没有增加，但是二磷酸腺苷的敏感性下降，限制了线粒体有氧氧化，这也导致细胞凋亡增加。

总之，衰老期肌卫星细胞的增殖分化受到多种因素调控，对这些调控机制的进一步认识，将有利于加深对骨骼肌衰老的认识，并进一步研究老年人肌卫星细胞增殖分化的影响因素。同时为临床运用提供理论基础，为老年或老年病造成的肌萎缩、发育不良等疾病提供新的治疗思路。