细胞衰老机制及药物干预作用研究进展

金宙 姜凡 郑钰凡 张洁 韩昀希 梁超 康湘萍

(上海中医药大学 1曙光临床医学院，上海 201203；2龙华临床医学院；3基础医学院)

机体衰老与细胞衰老密切相关，机体的衰老是指与年龄相关的内在生理功能下降，细胞衰老则是与时间相关的细胞固有功能(如细胞内、细胞间通讯运输和细胞分裂复制等)丧失，以致衰老的细胞死亡或被其他细胞清除〔1〕。细胞衰老是生命在细胞水平所必经的一种渐进性过程，细胞的衰老在一定程度上反映了个体生命的衰老。因此，在完善各项社会保障制度的同时，人们希望通过细胞水平的研究，从干预细胞的衰老入手，延缓个体衰老。近年来，随着相关研究的深入，人们在细胞形态学和分子水平等领域对细胞衰老有了更进一步的认识，虽然细胞衰老的机制尚未完全明确，但目前较为经典的影响细胞衰老的机制是氧化应激、细胞自噬、细胞周期改变及脱氧核糖核酸(DNA)损伤这四大类。本文将以这四种机制为分类基础，综述近年来发现的药物对细胞衰老的影响，旨在为研究延缓细胞衰老提供临床支持与理论依据。

1 氧化应激

活性氧(ROS)泛指氧来源的自由基和非自由基，当它在体内大量聚积时，会激发氧化应激状态，使体内氧化与抗氧化系统稳态失衡，继而诱导细胞功能丧失、衰老及调亡。ROS的主要来源之一是线粒体内膜的呼吸链底物端，通过攻击DNA，导致DNA链断裂，这种氧化性DNA损伤会导致基因组异常〔2〕。通过阻滞氧化应激相关分子信号或通路，减少ROS的产生，从而降低氧化应激水平以达到延缓细胞衰老目的是目前研究最多的一类机制。

人参皂苷Rb1的抗衰老作用与其调节eNOS/NO系统密切相关，其通过降低eNOS乙酰化，促进NO的产生，降低细胞内氧化应激水平从而发挥抗衰老作用〔3〕。阿司匹林作为常用的非甾体类抗炎药，不仅可以抑制氧化剂产生，还能调节与eNOS活性密切相关的Caveolin-1蛋白的表达，上调细胞内NO的水平，进一步发挥抗氧化损伤、抗细胞衰老的作用〔4〕。此外，外源性硫化氢也被证实能够通过正向调节Sirt1 /eNOS /NO轴上调细胞内NO的水平从而抵抗高糖诱导的人脐静脉内皮细胞衰老〔5〕。

1.2Kelch 样ECH 关联蛋白(Keap)1-核因子E2相关因子(Nrf)2信号通路 Keap1-Nrf2信号通路是细胞内调控氧化应激反应的重要途径。Nrf2属于亮氨酸调节蛋白家族成员之一，是机体调节氧化应激反应的重要的转录因子，Keap1是Nrf2的特异性受体。在氧化应激状态下，Keap1与Nrf2解离被激活，启动抗氧化反应元件(ARE)，调控Ⅱ相解毒酶基因及抗氧化酶基因等的表达，增加细胞对于氧化应激与亲电性生物大分子等物质的抗性〔6〕。

许碧琪等〔7〕研究发现杜仲黄酮对糖尿病肾病小鼠具有降低空腹血糖和改善肾功能作用，作用机制可能与调节Nrf2/血红素加氧酶(HO)-1信号通路，进而改善肾脏组织氧化应激状态有关。郭长春〔8〕则发现经过蛹虫草蛋白干预后的小鼠脑组织中Nrf2的mRNA表达得到明显提升，提示蛹虫草蛋白可激活抗氧化相关信号通路Nrf2-ARE关键基因的表达来干预细胞衰老。Chen等〔9〕发现1，25-二羟维生素D3能够上调Nrf2转录，使p53、p16衰老信号失活从而发挥抗衰老作用。

1.3内源性抗氧化剂 内源性抗氧化剂是指人体自己可以产生的抗氧化剂，生理情况下，氧化应激产生的氧自由基(OFR)可通过体内抗氧化系统及时清除，超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)及谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)可清除OFR，SOD还可以直接清除超氧阴离子自由基，起到抗氧化作用〔10〕。内源性抗氧化剂与饮食中的外源性抗氧化剂协同作用，降低ROS水平以减轻氧化应激给细胞带来的损伤。研究发现，枸杞多糖抗衰老的重要途径之一是提高血液中SOD的含量以此实现延缓衰老的作用〔11〕。碧萝芷和石榴籽油也具有很强的抗氧化活性，不仅能清除自由基，还能增强内源性抗氧化系统功能，从而发挥抑制细胞衰老的作用〔12，13〕。由此看来保护内源性抗氧化剂免受氧化损伤也是药物抗氧化应激的有效途径。

综上，氧化应激在细胞衰老乃至机体衰老的过程中都扮演着很重要的角色，但氧化应激的过程复杂而多变，是由多个信号通路组成的网状交互过程，因此，阐明药物抗氧化应激的机制，对于低氧环境下延缓细胞衰老具有十分重要的意义。

2 细胞自噬

细胞自噬是细胞内受损物质的清除机制之一，参与衰老及与衰老相关的各种生理病理过程。众多研究表明，通过激活细胞自噬，减少病理蛋白的表达，可以有效抑制细胞凋亡，从而延缓衰老。

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Unc-51样激酶(ULK)1是启动自噬的关键蛋白，哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物(mTORC)1可通过磷酸化ULK1抑制其活化，从而抑制细胞自噬。因此mTORC1的活性对于自噬的发生与否有重要的调控作用。

2.1SIRT1通路 SIRT1通路是调节自噬的重要信号通路之一。SIRT1通路的激活能促进mTORC1 的两种主要调控蛋白形成复合物，使小分子鸟苷三磷酸酶Rheb由活化转变为非活化形式，失去与哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)的结合力，进而抑制mTORC1的活性，正向调节自噬的发生。

Wang等〔14〕发现，甲状旁腺激素可使地塞米松处理的髓核细胞自噬相关蛋白-微管相关蛋白1轻链(LC)3和BECLIN-1表达增加，抑制mTOR表达，诱导自噬以保护髓核细胞。除了甲状旁腺激素外，Shi等〔15〕研究发现，人参皂苷Rg1也可通过SIRT1/BECLIN-1/自噬轴发挥抗内皮细胞衰老的作用。另外，据Liu等〔16〕报道，槲皮素可通过SIRT1/PINK1/自噬轴延缓肾小管上皮细胞的衰老。

2.2AMP依赖的蛋白激酶(AMPK)通路 AMPK激活是细胞自噬的一个重要途径。近年来，AMPK被证实不仅可以通过抑制mTORC1通路激活自噬，还可以直接磷酸化多个自噬相关蛋白因子，包括ULK1、BECLIN-1等，以此来促进细胞自噬〔17〕。

胡艳红等〔18〕发现，人参-三七-川芎提取物可通过上调肝激酶(LK)B1和AMPK表达，降低mTOR表达，从而增强细胞自噬活性，以延缓细胞衰老。Liu等〔19〕的研究则表明虫草菌丝可通过调节LC3、AMPK、ULK1蛋白的表达水平，抑制AMPK/ULK1信号通路激活来干预衰老过程。另有研究发现二甲双胍也可通过影响AMPK/SIRT1-FoxO1途径增强自噬，缓解糖尿病大鼠糖脂代谢紊乱、肾功能损伤〔20〕。

2.3p53/p21信号通路 P53蛋白对细胞自噬有双重调节功能，细胞核中的p53可上调细胞自噬水平，而细胞质中的p53则会下调细胞自噬水平。p53主要通过激活mTOR上游调节因子从而上调细胞自噬水平，其上游调节因子主要包括损伤调节自噬调节因子、AMPK等〔21〕。P21蛋白则是通过上调LC3和ULK1促进细胞自噬。

周勇等〔22〕研究发现，淫羊藿苷可通过抑制衰老信号通路p53/p21激活自噬相关蛋白延缓脑衰老；而人参皂苷Rg1则通过下调p19/p53/p21信号通路来保护细胞〔23〕。据Sun等〔24〕报道，五味子木脂素可通过下调p19、p53和p21信号通路从而影响细胞自噬。Song等〔25〕则发现，17β-雌二醇能够通过激活p53及其下游效应子(p53上调的凋亡调节剂)从而诱导自噬。由此可见，上述药物可以通过影响SIRT1、AMPK及p53/p21等多种信号通路以最终调节mTOR1通路，诱导细胞自噬，延缓衰老。细胞自噬是细胞衰老过程中重要的一个环节，细胞通过自噬可以及时清除胞内废物，维护细胞功能，延长细胞寿命，因此通过干预细胞自噬来延缓衰老是药物干预细胞衰老的有效途径之一。

3 细胞周期改变

细胞周期是指细胞从一次分裂完成开始到下一次分裂结束所经历的全过程，分为间期与分裂期两个阶段。衰老的特征之一就是细胞周期的阻滞，短期的生长阻滞是机体限制损伤、修复损伤的一种保护机制，但如果损伤强度过大、持续时间过长，就会导致组织的再生和更新能力下降。因此，降低细胞内与生长阻滞相关的分子或抑制参与生长阻滞的相关通路是抗衰老的重要途径之一。

3.1p53/p21信号通路 p53/p21信号通路是目前研究最多的对细胞周期具有调控作用的经典信号通路之一，也是与细胞衰老相关的各调节途径潜在交互作用的重要节点，其本身受到Nrf2、Sirt1等多种信号分子的调控。p53在调节细胞生长、DNA修复和细胞凋亡中起重要作用，p21是p53的下游靶基因，为细胞周期抑制因子，p21的表达可以阻断多种细胞周期蛋白复合物的活性，导致细胞周期停滞在G1/S期，最终引发细胞衰老〔26〕。

郭长春〔8〕发现蛹虫草蛋白能够显著降低衰老的小鼠胚胎成纤维细胞中p53和p21的表达，缓解细胞周期停滞和细胞凋亡。Ma等〔27〕在研究中发现活性维生素D能够阻断p53/p21信号通路，抑制细胞衰老，从而调节非酒精性脂肪肝疾病的进程。雌激素可通过调节SIRT1/p53/p21通路实现抗血管平滑肌细胞衰老的作用，也可通过直接下调p53表达、上调细胞周期蛋白(cyclin)D1表达，调控表皮成纤维细胞的细胞周期，有效缓解细胞衰老〔28，29〕。

3.2p16Ink4a/Rb信号通路 p16Ink4a/Rb信号通路与p53/p21信号通路类似，是另一个调控细胞周期的经典通路。p16与p53同属于细胞周期蛋白依赖性激酶(CDK)抑制因子，为CDK抑制因子INK4家族成员之一，直接参与细胞周期的调控。P16蛋白可通过抑制CDK4/6与cyclinD结合构成的复合物对Rb蛋白的磷酸化，从而抑制转录因子E2Fs的活性，阻断DNA复制，致使细胞周期阻滞在G1期从而导致细胞衰老〔30〕。

Zainuddin等〔31〕研究发现，棕榈γ-生育三烯酚能够通过抑制p16 INK4a过表达、下调次磷酸化的pRb和cyclinD1的表达来调节细胞周期从而延迟人二倍体成纤维细胞的衰老。根据Shao等〔32〕的研究，PrxⅡ能够抑制软骨细胞的p16信号通路，降低软骨细胞的氧化应激水平，从而延缓软骨细胞衰老、抑制骨关节炎的发展。彭慧茹等〔33〕发现睾酮可能通过芳香化转化为雌二醇，作用于雌激素受体，通过减少细胞内去磷酸化Rb蛋白表达来干预细胞衰老。鄢梦竹等〔34〕则报道人参皂苷Rg3能抑制D-半乳糖诱导的血管平滑肌细胞衰老，其作用机制可能是通过抑制细胞生长周期p16INK4a/Rb、p53/p21Cipl/wafl信号通路来实现。刘敏等〔35〕研究发现，L-茶氨酸能通过抑制p53和p16表达并提高Rb的磷酸化水平来显著抑制衰老的人脐静脉内皮细胞和心肌细胞凋亡。

综上，相关药物主要通过调控细胞周期相关基因和蛋白的表达，干预p53/p21、p16Ink4a/Rb等信号通路，以此来逆转外源性或者内源性因素所导致的细胞生长周期阻滞，发挥抗衰老的作用。此外，人参皂苷Rg3、L-茶氨酸等部分药物甚至可同时作用于p53/p21通路和p16Ink4a/Rb通路，这再次提示了药物延缓细胞衰老的潜在途径是相互交错的。

4 DNA损伤反应

DNA在代谢过程中会自发产生或由环境因素引起脱氧核苷酸的错配及DNA碱基的相互转化或氧化损伤过程，该过程还可能导致DNA断裂，严重者可引起细胞凋亡〔36〕。DNA损伤反应(DDR)的本质是一种细胞应激反应，包括DNA损伤监控和DNA修复，可有效保障细胞在损伤反应中的生存。除了DDR机制，染色体末端的端粒保护机制也是维护DNA完整性从而延缓细胞衰老的重要细胞生物学机制，因其影响通路和DDR机制具有重合性，故笔者将其归纳于DDR机制中进行论述。

4.1ATM/ATR/DNA-PKc通路 哺乳动物DDR的激活蛋白是三种磷酸肌醇3激酶相关蛋白激酶-共济失调毛细血管扩张突变(ATM)、共济失调毛细血管扩张和Rad3相关(ATR)、DNA依赖性蛋白激酶催化亚基(DNA-PKcs)具有相似的结构，是DDR过程中的感受子。ATM和DNA-PKc主要被DNA 双链断裂激活，而ATR可被DNA 单链断裂激活，当检测到DNA损伤时，激活的ATM、ATR和DNA-PKc磷酸化并稳定肿瘤抑制因子p53以阻止细胞周期的进展和受损细胞的缓慢增殖，同时ATR和ATM也磷酸化细胞周期监控激酶Chk1和Chk2〔37〕；随后一系列涉及细胞周期、DNA修复和基因组转录活性调控的下游效应蛋白被激活，当DNA轻度损伤时，这一系列过程可以将基因毒性损伤降到最低以保护DNA完整性，在一定程度上延缓了细胞的衰老。

基于ATM/ATR/DNA-PKc通路延缓细胞衰老的单味药物或复方药剂有淫羊藿苷、黄精、香兰素衍生物、一贯煎等。淫羊藿苷可通过改变ATM/ATR活化相关蛋白γH2AX和53BP1的表达水平以保护D-半乳糖诱导的卵巢早衰细胞〔38〕。研究表明黄精也可通过影响ATM/ATR通路来调节内皮祖细胞(EPCs)的细胞周期，干预EPCs的老化进程〔39〕。香兰素衍生物VND3207则通过调节DNA-PKcs途径促进放射性损伤后肠道细胞的修复以防止其凋亡〔40〕。除了单味药物，复方药剂也是研究的方向之一，最新研究表明一贯煎可能通过抑制ATM/CHK2/Cdc25A/Cdc25C通路影响细胞周期进而修复L02细胞DNA氧化损伤〔41〕。

4.2端粒保护 在细胞分裂中，每一细胞周期后端粒长度均不同程度缩短，而端粒的缩短会影响染色体的稳定性，这是细胞衰老的重要原因。而端粒酶可使端粒延长，维持基因组稳定性。相关研究表明〔42〕，端粒DNA缩短或功能丧失可以激活ATM信号途径，说明在正常细胞中，由端粒DNA缩短引发的细胞复制性衰老实质上也是DDR机制应对DNA损伤的一种方式。

有学者通过实验发现芡实超微粉、Klotho蛋白等均可能通过对端粒酶的保护作用，降低细胞分裂时染色体的损伤，从而起到延长细胞寿命、延缓机体衰老的功效〔43，44〕。此外，Yu等〔45〕报道，由人参、何首乌、杏仁等中药组成的天升元口服液-1可以增强正常外周血单核细胞和CD34+造血干细胞端粒酶的活性，该过程与其拮抗细胞衰老作用密切相关。

4.3Wnt/β-catenin通路 Wnt/β-catenin信号通路是Wnt信号通路中的经典通路，参与细胞的增殖、凋亡等生命过程。由于Wnt/β-catenin信号途径是肿瘤抑制因子p53的一个主要靶点，因此该信号通路与DNA损伤反应存在联系。有研究表明〔46〕，激活Wnt/β-catenin信号通路可以促进DNA损伤，在一定程度上可调控细胞衰老。

人参具有大补元气、延年益寿的功效，在临床上有着广泛的应用。研究表明〔47〕，人参的有效成分——人参皂苷Rg1在体内外均可通过调控Wnt/β-catenin信号通路下调DNA损伤反应从而延缓不同来源的间充质干细胞衰老。

基因组的稳定性是细胞保持活力、发挥正常功能的基础，基于DDR机制延缓细胞衰老的药物可通过影响涉及细胞周期、DNA修复和基因组转录活性调控的效应蛋白而发挥着抗衰老作用，因此，保障DDR机制(包括端粒保护机制)的有效运行以维持DNA稳定是延缓细胞衰老的又一途径。

综上，随着老龄化社会的到来，人们对于自身健康及延缓个体衰老越来越关注，而细胞衰老的积累便是个体的衰老，因此与细胞衰老相关的研究逐渐成为国内外的研究热点。目前，人们已经在细胞衰老机制的研究和药物防治方面取得了一定的成果，也已证实细胞衰老是由氧化应激、细胞自噬、细胞周期改变、DNA损伤等多种机制和途径交错影响后累积的结果，但细胞衰老的过程复杂而多变，尚有其他影响细胞衰老的机制未被完全阐明，所以如何延缓细胞衰老需综合多方面影响来进行全面分析。

目前研究发现的或临床已经在应用的与细胞衰老相关的药物大多是以延缓细胞衰老为目的，本文列举的许多药物都是目前临床常用的抗衰老或防治衰老相关疾病的药物，这些药物通过不同的机制发挥着延缓细胞衰老的作用，这其中既有常用的西药成分如激素、肽类物质等，也有许多常用的中药单体或者复方，这说明中药对细胞衰老的影响效果不亚于西药成分，且中药大多为天然产物，资源较丰富，毒副作用较小，是较为安全合适的抗衰老药物，因此，在衰老相关疾病的临床治疗时可适当扩大中药的应用范围。

目前人们对延缓细胞衰老的药物研究不断成熟，但也存在一些问题尚未被解决：是否有药物通过未知的衰老相关分子机制影响细胞衰老？某些药物影响细胞衰老时涉及多种信号通路，各信号通路之间是如何相互作用的？能否从细胞学乃至分子学的角度发现统一各种衰老相关机制的理论？这是抗衰老研究领域亟待解决的问题，也是其今后的发展方向之一。相信随着细胞衰老药物研究的不断深入，这些问题会获得更加精确的回答。