衰老的意义、特征及相关生物标记与评估模式

许志刚，刘晓蕾，董碧蓉

国家老年疾病临床医学研究中心(四川大学华西医院)，成都 610041

古人曾说“寒暑迭变，不觉渐成衰老。”衰老是每个人生命里程中无法回避的自然现象。衰老几乎是生物有机体的普遍特征，从医学的角度出发，并没有把衰老一词看作或者定义为一种疾病，但衰老被证实是与多种疾病相关，是很多疾病的高危因素，例如：肌少症、癌症、心脑血管疾病、骨关节炎、阿尔茨海默病、神经退行性病变等多种病。本文就衰老意义、特征及生物标记与评估模式展开以下论述。

1 衰老的概念

目前关于衰老普遍接受的基本概念是：机体对环境的适应能力进行性降低、逐渐趋向死亡的一种过程。衰老包含一种有机现象，包括随着时间的推移死亡机会增加和(或)功能下降[1]。

细胞衰老是机体衰老的公认标志，衰老组织中衰老细胞的积累被认为是机体衰老过程的驱动因素。对于衰老的基本定义适用于器官和组织水平，但细胞衰老主要针对于体外生长的二倍体可复制细胞建立定义的，而哺乳动物中的多数细胞是非增殖的，细胞增殖衰老对机体衰老的因果影响仍然存在不同观点，所以在细胞和分子水平上定义衰老还是有一定的争论[2]。

2 衰老的部分意义

在物种水平上，衰老可能是一种防止特定环境过度拥挤和“为群体利益节约资源”的手段，或者通过加速世代更替来促进进化[3]。经典的衰老进化理论提出，随着年龄的增长，生殖后存活率增加，青少年死亡率下降，这可以用代际转移效应来解释阐述[4]。

有研究表明衰老细胞能够逃脱免疫清除，通过人类白细胞抗原(HLA)-E介导的自然杀伤细胞(NK)和CD8+细胞抑制促炎细胞因子的旁分泌[5]。衰老细胞的积累曾被认为引发衰老，但这也可能意味着衰老细胞是机体衰老过程的结果[6]。

衰老细胞在组织和器官中的长期过度和异常积累会影响再生能力，并产生促炎环境，从而影响衰老相关疾病的发作和进展[7]。然而细胞衰老的急性诱导可以抑制肿瘤发生，程序性衰老伴随着衰老细胞的清除和组织重塑，对机体发挥有益的作用[8]。

代谢衰老的过程中，p16Ink4a可诱导的胰腺β细胞衰老，但它同时刺激了胰岛素分泌和线粒体活性，从而改善了葡萄糖体内平衡，这表明衰老和胰岛素、胰岛素样生长因子之间存在双向正相关[9]。

细胞衰老也参与组织修复。针对肝损伤，活化的鼠肝星状细胞群增殖，从而刺激细胞外基质降解酶代表的衰老相关分泌表型(SASP)成分，招募免疫细胞，并限制纤维化进程[10]。小鼠中衰老的成纤维细胞和内皮细胞被发现促进皮肤损伤的愈合[11]，而衰老细胞的去除损害了小鼠的皮肤修复。

3 衰老的特征

既往经典的衰老特征包括:基因组不稳定性、端粒损耗、细胞衰老、蛋白质稳态丧失、营养感应失调、线粒体功能障碍、干细胞耗竭、细胞间通讯受损、表观遗传改变[12]。以上标志基本满足：(1)正常机体衰老过程中显现；(2)其实验中增强恶化加重会加速衰老；(3)其标志在实验中通过改善可延缓正常的衰老过程。

3.1 DNA损伤导致基因组不稳定性 衰老细胞在单细胞水平上常具有大量异常的DNA损伤，如果该损伤得不到及时正确的修复，就会造成异常DNA不断积累直接造成基因组的不稳定性，进而涉及导致衰老相关的疾病的发生，如神经退行性疾病和诱导促炎因子的分泌等[13]。一些涉及DNA修复缺陷的遗传综合征，如缺硫性毛发营养不良病等与早衰有关[14]。其机制是DNA损伤严重或未修复，则会发生DNA损伤反应(DDR)，DNA损伤感应因子ATM、ATR及其下游因子Chk1、Chk2被激活，通过P53通路等导致细胞周期阻滞或死亡。常见DNA损伤包括：基因突变或删除、染色体异倍性和拷贝数变异、克隆镶嵌等。DNA损伤过度或DNA修复不足使得机体衰老过程加快，不论细胞核DNA和线粒体DNA都会出现增龄性基因组改变。尽管生物体中的每个细胞都存在DNA改变，但只有有限的一部分会表现出衰老，因此细胞衰老对机体衰老过程的相对作用大小仍待研究[15-17]。

3.2 端粒损耗 人体细胞中端粒位于染色体末端，由于末端复制机制的影响，端粒随着细胞分裂周期不断缩短损耗，当到达一定临界程度时被认为是细胞衰老的关键驱动因素。端粒能限制DNA修复，一旦端粒发生DNA损伤，则会持续而高效地诱导细胞衰老和(或)凋亡，最终导致增殖停滞的DNA损伤反应[18]。有研究比较，在不同物种甚至个体间的幼稚端粒长度可以独立于年龄并可以存在很大差异，并且通常与它们的寿命相关性成弱相关[19-20]。有证据表明端粒缩短率而不是绝对端粒长度可能是将端粒与衰老过程联系起来的更好预测指标[21]。

3.3 细胞衰老 细胞衰老最初是针对可复制细胞进行描述的，主要与具有复制能力的机体细胞有关。细胞衰老初定义为：细胞周期的稳定性中止，目前研究表明机体衰老过程与不同组织和器官中细胞的更新率之间没有明确的关联[22-23]，但衰老组织中，衰老细胞的积累仍是机体衰老的驱动因素。

衰老细胞可产生分泌蛋白质组的显著改变，其分泌蛋白质组中包含大量促炎症细胞因子和基质金属蛋白酶，称之为细胞衰老相关分泌表型，而这种促炎性分泌蛋白质组可促进衰老发展[24]。p16INK4a/Rb和(或)p53/p21Cip1通路可诱导细胞衰老，其中p16INK4a被认为是最好的衰老标志物之一，因为它在早期胚胎发育中受到抑制，并在衰老过程中逐渐诱导[25]，进一步为细胞衰老和机体衰老之间可能的功能相互依赖提供了联系。在衰老的背景下，p16INK4a的表达减少与年龄相关的功能衰退的逆转有关。

3.4 蛋白质稳态丧失 衰老过程中伴随着蛋白质稳态的改变。稳态丧失出现未折叠蛋白、错误折叠蛋白或蛋白聚合体的慢性表达，会促进某些衰老相关性疾病发生，例如：阿尔茨海默病、帕金森病、白内障等[26]。蛋白质稳态需要正确折叠蛋白质[主要的是热激蛋白(HSP)家族]的稳定，和蛋白酶体或溶酶体实现的蛋白质降解。当他们功能完好并相互协调，能够实现错误折叠蛋白的结构复原，或被完全清除和降解，从而阻止损伤成分的聚集，并确保胞内蛋白的持续更新。若未折叠蛋白重新折叠或降解失败，则会导致这些蛋白聚集和聚合，进而引发蛋白毒性效应。机体细胞蛋白质组的稳定和功能将发生异常改变。

3.5 营养感应失调和线粒体功能障碍 在机体中发现，生长激素(GH)、胰岛素样生长因子(IGF-1)受体、胰岛素受体及其下游胞内效应因子(如AKT、mTOR、FOXO)的基因多态性或突变，均与长寿有关，营养和能量通路对寿命有重要影响。

胞内IGF-1信号通路与胰岛素诱发的反应类似，均可使细胞感应到葡萄糖水平。此外还有几种相互关联的营养素感应系统成为研究热点。单磷酸腺苷活化蛋白激酶(AMPK)响应细胞内腺嘌呤核苷酸水平的变化，通过相对于ATP的AMP/ADP的增加被激活。AMPK的激活会增加分解代谢途径的速率，并降低合成代谢途径的速率，其随着生物体的衰老其活性逐步下调[27]。

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸是一种氧化还原反应的辅酶，是能量代谢的中心，可直接或间接地影响许多关键的细胞功能，包括代谢途径、DNA修复、染色质重塑、细胞衰老和免疫细胞功能[28]。mTOR信号通路通过调节包括蛋白质合成和自噬在内的关键细胞过程，通过该过程mTOR调节控制生物量的积累和代谢与衰老密切相关[29]。

线粒体功能障碍存在多种原因包括：mtDNA突变、生成减少、电子传递链复合物异常、线粒体动力学改变等。线粒体功能障碍会导致活性氧ROS代谢异常，若ROS低于特定阈值，则会诱发生存信号以恢复细胞稳态；若ROS高于特定阈值或持续存在，则会促进衰老[30]。

3.6 干细胞耗竭和细胞间通讯受损 干细胞耗竭是多种衰老相关损害相互整合的结果，可能是组织和机体衰老的终极元凶。有研究提示，干细胞恢复年轻态可逆转机体水平的衰老表型[31]。衰老过程中造血干细胞减少，导致贫血和骨髓异常增生的发病率增加，同样也会使得适应性免疫细胞的生成减少[32]，出现比较低级化、慢性、系统性的炎症反应状态，产生免疫衰老[33]。

衰老还涉及到胞间通讯水平的改变，主要是内分泌、神经内分泌的改变。易出现神经内分泌信号通路异常，例如胰岛素-IGF-1信号通路的失调。胞间通讯水平的改变主要体现为炎症反应增强、对抗病原体和癌前细胞的免疫监视功能降低，以及细胞外环境组分的改变[34]。在衰老过程中炎症老化和机体免疫衰老之间存在错综复杂的相互关系，这2种免疫过程相互影响[35]。

3.7 表观遗传改变 表观遗传是指可以在不改变DNA序列的情况下影响基因表达，而不是通过染色质修饰。表观遗传学的作用方式主要有：DNA甲基化、组蛋白乙酰化、甲基化、磷酸化和泛素化、非编码RNA调控等[36]。神经退行性疾病与衰老过程密切相关,双胞胎研究表明，表观遗传通过较高的甲基化水平，影响了神经退行性疾病的发展和进展[37]。阿尔茨海默病(AD)和帕金森病(PD)描述了2种不同形式的神经退行性疾病，它们被发现与表观遗传修饰有关[38]。已有研究表明，不同的表观遗传机制在衰老生物中富集，包括组蛋白变体的积累以及组蛋白和异染色质的丢失[39]。

4 衰老的相关标记与评估

根据上述衰老的特征，如果建立特定的衰老生物标志物体系那么就可以更有利于衰老的跟踪识别和跟进评估。几种形态和分子标准以及评估模式已被用于识别增殖阻滞的衰老细胞和评估机体衰老。衰老的一些形态学、分子标准和评估方法：(1)细胞形态的改变，衰老细胞通常是变大，扁平，多空泡和多核的细胞形态；(2)Cdk(周期蛋白依赖性激酶)抑制剂的变化，p16INK4a/Rb和(或)p53/p21Cip1。(3)衰老相关β-半乳糖苷酶(SA-β-Gal)的活性增加。神经元细胞原代培养中SA-β-Gal的表达增加伴随着DNA损伤的频率的增加和修复能力的受损[40]。尤其是在神经元结构中，使用SA-β-Gal作为细胞衰老的指标可能是非常重要的[41]。(4)DNA的损伤累积。(5)衰老相关异染色质病灶(SAHF)的累积。(6)早幼粒细胞白血病蛋白(PML)核小体和“增强衰老的DNA片段”(DNA-scar)的积累。(7)基质辅助激光解吸/电离成像质谱法,该方法曾用于研究老化和骨关节炎马软骨切片中不同成分的空间分布[42]，为研究软骨中的特定肽和区分衰老与年龄相关疾病提供了新方式。(8)生物标志物的特定参考区间。老年人的实验室结果与年轻人的正常参考区间应是有所区别的。有必要更好地调整制定生物标志物参考区间，以适应特定人群，特别是老年人。(9)剪接因子。人类的剪接随年龄而变化，特别是剪接因子(SF)表达的年龄相关变化。衰老原代细胞和血液中剪接因子随年龄存在差异表达[43]。(10)运动活动模式评估。有一项横断面研究来分析年龄对步态特征的影响，老年人较低的平衡能力在衰老的早期就可以检测到[44]。运动轨迹的统计描述，并将时间序列转化为代表每个参与者生理状态的向量，沿着老化轨迹行进的距离描述为生物年龄的自然测量，可能证明个人剩余寿命和健康寿命的关联[45]。(11)动态有机体状态指标 (DOSI)。DOSI通过单一变量来描述机体状态，其是以对数形式转换的全因死亡率预测模型。在生命后期，DOSI沿着个体老化轨迹捕获的有机体状态的动力学与缓慢老化的随机过程的动力学是一致的，DOSI变异性的增加与年龄呈近似线性关系，这可以用机体状态恢复时间的增加来解释，而机体状态恢复时间是老化的独立生物标记和生物弹性的特征[46]。

5 关于衰老研究的展望

机体衰老导致罹患多种慢性疾病及死亡的风险增加，这些风险在生命的最后四分之一呈指数增长[47]。我们必须对人体衰老的驱动因素有更深入的了解，以提高进一步研究衰老背后机制的水平。

机体的衰老机制十分复杂，既有内因遗传因素也存在外在环境因素影响。随着单细胞测序、高通量的组学分析技术、组学技术等新兴技术的发展，还伴随衰老组织特异性生物标志物的研究、归因分析研究等等，将对基因表达背后调控机制有所突破。衰老机制的研究将为发现药物靶标、转化研究成果进而开发有效的治疗机体衰老的相关药物提供坚实的理论基础，以达到延缓、预防或减轻多种与衰老相关的疾病的目的，最终预防衰老、延缓衰老，甚至逆转机体衰老。