劉俊樂(lè)，張良成

(福建醫(yī)科大學(xué)附屬協(xié)和醫(yī)院麻醉科，福州 350001)

衰老是一個(gè)復(fù)雜的多因素過(guò)程，對(duì)其詳細(xì)機(jī)制的研究有助于延緩衰老。新近研究發(fā)現(xiàn)，啟動(dòng)和調(diào)節(jié)代謝的細(xì)胞器——線(xiàn)粒體在衰老中起著關(guān)鍵作用[1]，而線(xiàn)粒體功能障礙可能是引發(fā)衰老的始動(dòng)因素。另外，慢性炎癥是衰老的另一個(gè)標(biāo)志[2]。線(xiàn)粒體DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)作為細(xì)胞損傷相關(guān)分子模式(damage-associated molecular patterns,DAMPs)之一，已被認(rèn)為是線(xiàn)粒體損傷與全身炎癥之間功能性聯(lián)系的標(biāo)志物[3]，其通過(guò)結(jié)合并激活相應(yīng)受體，如Toll樣受體蛋白(Toll-like receptor,TLR)、核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白(nucleotide-binding oligomerization domain receptor protein,NLRP)和細(xì)胞質(zhì)循環(huán)GMP-AMP合成酶-干擾素基因刺激因子DNA(cyclic GMP-AMP synthase-stimulator of interferon genes DNA,cGAS-STING DNA)傳感系統(tǒng)介導(dǎo)的途徑等參與炎癥反應(yīng)[4]。但關(guān)于線(xiàn)粒體功能障礙、炎癥與衰老的相互作用機(jī)制至今尚未明了。本文根據(jù)近年來(lái)在此領(lǐng)域已發(fā)表的研究報(bào)道作一綜述，以期為延緩衰老提供理論依據(jù)。

1 線(xiàn)粒體功能

1.1 線(xiàn)粒體的生理病理

線(xiàn)粒體在細(xì)胞代謝過(guò)程中發(fā)揮重要作用，包括能量產(chǎn)生、自由基生成、細(xì)胞凋亡、信號(hào)傳導(dǎo)等。同時(shí)線(xiàn)粒體也是生長(zhǎng)發(fā)育、衰老甚至細(xì)胞死亡過(guò)程中的關(guān)鍵成分[5]。然而， 線(xiàn)粒體功能是一把雙刃劍，線(xiàn)粒體內(nèi)膜復(fù)合體Ⅳ在電子傳遞過(guò)程中，大量O2被還原為水，而僅有1%～2%的O2被還原為超氧陰離子，后者若生成過(guò)量則造成細(xì)胞損傷、凋亡或死亡。活性氧(reactive oxygen species,ROS)和活性氮(reactive nitrogen species,RNS)水平升高也可導(dǎo)致DNA的氧化損傷、脂質(zhì)過(guò)氧化以及線(xiàn)粒體功能障礙等。但線(xiàn)粒體可通過(guò)融合和裂變來(lái)調(diào)節(jié)自身的形態(tài)和功能。融合允許線(xiàn)粒體相互聯(lián)系，有利于mtDNA信號(hào)傳遞和交換；裂變則確保子細(xì)胞器間分離，及時(shí)清除功能缺陷的細(xì)胞器[6]。

1.2 線(xiàn)粒體自噬

自噬是一種細(xì)胞自我修復(fù)過(guò)程，作為適應(yīng)和生存的嘗試。線(xiàn)粒體自噬則是通過(guò)清除功能失調(diào)的細(xì)胞器來(lái)保持細(xì)胞活性，旨在限制ROS的產(chǎn)生。同時(shí)，線(xiàn)粒體自噬也是細(xì)胞維持體內(nèi)平衡的極端嘗試。在整體細(xì)胞器退化損傷之前，線(xiàn)粒體可以采取替代途徑來(lái)處置受損細(xì)胞器，即囊泡內(nèi)消除[7]；若線(xiàn)粒體受損嚴(yán)重則被裂變，并通過(guò)涉及線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)機(jī)制的獨(dú)特途徑觸發(fā)其斷裂和降解，最終被消除[8]。研究表明，暴露于亞細(xì)胞毒性劑量H2O2的離體培養(yǎng)細(xì)胞會(huì)抑制裂殖蛋白1(fission protein 1,Fis1)的表達(dá)，增加氧化劑的排放，從而促進(jìn)細(xì)長(zhǎng)線(xiàn)粒體的形成；另一方面，線(xiàn)粒體融合因子可致視神經(jīng)萎縮蛋白的消耗增加，促發(fā)線(xiàn)粒體功能障礙，導(dǎo)致神經(jīng)元對(duì)凋亡的敏感性增加[3]。因此阻斷Fis1或線(xiàn)粒體動(dòng)力相關(guān)蛋白1(dynamin-related protein 1,Drp1)可抑制線(xiàn)粒體片段化，減少細(xì)胞凋亡。Sebastián等[9]研究發(fā)現(xiàn)，線(xiàn)粒體融合和裂變異?？赡芤l(fā)異常線(xiàn)粒體聚集，導(dǎo)致線(xiàn)粒體自噬受損。而自噬受損或缺陷與許多疾病有關(guān)，包括代謝性疾病和神經(jīng)退行性疾病等。目前融合-裂變紊亂已被認(rèn)為是在應(yīng)激或衰老過(guò)程中線(xiàn)粒體結(jié)構(gòu)異常和功能失調(diào)的機(jī)制之一。

1.3 線(xiàn)粒體氧化應(yīng)激反應(yīng)

電子的損失被稱(chēng)為氧化，氧化的產(chǎn)物是自由基，后者將電子傳遞給其他分子，引起氧化損傷。氧化應(yīng)激的介質(zhì)是O2-，其通過(guò)電子傳遞轉(zhuǎn)化為H2O2，是氧化應(yīng)激的主要參與者。另外，O2-的衍生物羥基自由基也極易造成DNA的氧化損傷，導(dǎo)致鏈斷裂、無(wú)堿基位點(diǎn)和DNA氧化。一般認(rèn)為，mtDNA更易受到氧化應(yīng)激損傷，因其ROS作用位點(diǎn)能破壞線(xiàn)粒體的修復(fù)系統(tǒng)及mtDNA復(fù)制期間聚合酶γ(polymerase gamma,PolG)的校對(duì)能力。成年神經(jīng)元因幾乎不能自我復(fù)制，且數(shù)量在整個(gè)生命周期中會(huì)不斷減少，與其他細(xì)胞相比，神經(jīng)元對(duì)氧化損傷更為敏感，更易造成線(xiàn)粒體功能缺陷[10]。總之，氧化應(yīng)激可通過(guò)生物能量衰竭、抗氧化能力喪失、炎癥、線(xiàn)粒體自噬和細(xì)胞凋亡、死亡等途徑起作用，且在衰老和神經(jīng)退行性疾病均可觀察到這些變化。但不可否認(rèn)，氧化應(yīng)激也具有重要的生理功能，如調(diào)節(jié)體內(nèi)的氧供需平衡、突觸可塑性、抗菌防御反應(yīng)、炎癥、學(xué)習(xí)和記憶等。

2 衰老的生理病理

衰老是細(xì)胞和組織的生理功能和完整性的逐漸退化，可導(dǎo)致某些疾病如惡性腫瘤、糖尿病、心血管疾病、神經(jīng)變性疾病等的易感性增加[11]。細(xì)胞核DNA的突變、自噬障礙及氧化損傷均可促發(fā)衰老。由于能量產(chǎn)生與線(xiàn)粒體密切相關(guān)，線(xiàn)粒體功能紊亂可能是神經(jīng)元退行性病變等多種疾病的始發(fā)環(huán)節(jié)。DeBalsi等[12]研究認(rèn)為，老化的特點(diǎn)是氧化應(yīng)激增加、ROS產(chǎn)生增加、抗氧化能力下降、蛋白質(zhì)和DNA氧化、脂質(zhì)過(guò)氧化以及氧化磷酸化發(fā)生障礙，若整個(gè)過(guò)程處于平衡狀態(tài)，則發(fā)生正常老化，但ROS增加超過(guò)一定閾值則導(dǎo)致線(xiàn)粒體功能?chē)?yán)重障礙、細(xì)胞凋亡及死亡。另外，基因組不穩(wěn)定性和DNA突變的增加也是加速衰老的兩個(gè)重要因素，因mtDNA復(fù)制缺陷及修復(fù)失敗可能導(dǎo)致突變?cè)黾?，線(xiàn)粒體功能發(fā)生障礙，表現(xiàn)為酶活性降低和細(xì)胞呼吸受損。其次，蛋白質(zhì)發(fā)生錯(cuò)誤折疊也會(huì)參與衰老，如阿爾茨海默病中的淀粉樣蛋白、帕金森病中的α-突觸核蛋白及肌萎縮側(cè)索硬化中的突變體超氧化物歧化酶1，這些蛋白均可通過(guò)抑制蛋白酶體系統(tǒng)導(dǎo)致并促進(jìn)衰老。

3 線(xiàn)粒體功能障礙與衰老

線(xiàn)粒體的形態(tài)和功能通過(guò)連續(xù)融合和裂變的調(diào)節(jié)來(lái)維持其生理功能和細(xì)胞穩(wěn)態(tài)[8]，其中線(xiàn)粒體裂變可去除部分功能受損的線(xiàn)粒體，減少ROS的過(guò)量產(chǎn)生和氧化損傷。但線(xiàn)粒體損傷、細(xì)胞分裂、細(xì)胞能量減少、交感神經(jīng)刺激、運(yùn)動(dòng)、冷應(yīng)激和某些激素等均可影響細(xì)胞核和線(xiàn)粒體編碼基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯[13]。在衰老機(jī)體中，線(xiàn)粒體動(dòng)力學(xué)的改變對(duì)細(xì)胞死亡可發(fā)揮重要作用。據(jù)報(bào)道，在一些心血管和代謝疾病、神經(jīng)精神系統(tǒng)疾病等中均發(fā)現(xiàn)了線(xiàn)粒體動(dòng)態(tài)性裂變的失衡[9]；相反，老齡大鼠線(xiàn)粒體融合的增加維持了mtDNA含量并對(duì)延長(zhǎng)壽命有所幫助[14]。另外，研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞外囊泡可作為胞外信號(hào)傳遞載體并發(fā)揮作用，其相關(guān)的分泌表型也已被確認(rèn)，但衰老期間會(huì)出現(xiàn)不同程度的囊泡運(yùn)輸和趨化功能紊亂[3]，因此認(rèn)為線(xiàn)粒體功能障礙可加速衰老發(fā)展。

4 炎癥

4.1 無(wú)菌性炎癥

傳統(tǒng)研究認(rèn)為，炎癥是機(jī)體對(duì)微生物感染的防御反應(yīng)。但最近研究認(rèn)為機(jī)體在沒(méi)有感染的情況下也可能發(fā)生炎癥反應(yīng)，即“無(wú)菌性炎癥”[15]。而機(jī)體可通過(guò)以下方式趨化免疫細(xì)胞抗無(wú)菌炎癥反應(yīng)。(1)組織駐留的巨噬細(xì)胞維護(hù)組織穩(wěn)態(tài)并減輕或消除局部炎癥；(2)循環(huán)中的單核細(xì)胞具有抑炎作用并限制感染的擴(kuò)散。Matzinger[16]的炎癥“危險(xiǎn)理論”認(rèn)為，DAMPs可以結(jié)合并激活細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)的模式識(shí)別受體，當(dāng)細(xì)胞受損時(shí)可通過(guò)釋放過(guò)多的DAMPs誘導(dǎo)半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶1(cysteinyl aspartate specific proteinase 1, caspase-1)活化和促炎細(xì)胞因子的釋放。這可能是DAMPs作為觸發(fā)神經(jīng)退行性炎性病變的證據(jù)之一[17]。

4.2 mtDNA炎癥通路

mtDNA可通過(guò)與TLR、NLRP等感受器的結(jié)合參與炎癥反應(yīng)。TLR途徑由DAMPs與中性粒細(xì)胞的結(jié)合觸發(fā)，通過(guò)核因子-κB(nuclear factor-κB,NF-κB)信號(hào)傳導(dǎo)并激活后續(xù)的炎癥反應(yīng)。NLRP途徑是通過(guò)NLRP3炎性小體起作用[15]，NLRP3活化導(dǎo)致caspase-1表達(dá)增加，從而分裂并激活白細(xì)胞介素-1β和白細(xì)胞介素-18。除此之外，氧化還原敏感的炎癥和炎性體介導(dǎo)的途徑也可以相互協(xié)同來(lái)加重炎癥反應(yīng)：cGAS-STING DNA途徑是先天免疫系統(tǒng)的組成部分[16]，在與mtDNA結(jié)合后，cGAS途徑通過(guò)趨化STING蛋白觸發(fā)干擾素調(diào)節(jié)因子 (interferon regulatory factor 3,IRF-3)的磷酸化，并通過(guò)TANK結(jié)合酶(TANK-binding kinase,TBK)發(fā)揮作用，同時(shí)IRF-3的磷酸化可誘導(dǎo)產(chǎn)生Ⅰ型、Ⅲ型干擾素(β和λ1)。持續(xù)性的炎癥刺激可激活循環(huán)免疫細(xì)胞，這反過(guò)來(lái)可能通過(guò)激活mtDNA誘導(dǎo)炎癥途徑，從而產(chǎn)生全身反應(yīng)。炎癥細(xì)胞在循環(huán)中釋放的細(xì)胞因子、趨化因子、一氧化氮和ROS可以進(jìn)一步誘導(dǎo)線(xiàn)粒體損傷，從而形成惡性循環(huán)，加強(qiáng)整個(gè)過(guò)程。

4.3 炎癥與衰老的相互作用

炎癥反應(yīng)對(duì)細(xì)胞損傷的結(jié)果不盡一致：輕中度炎癥反應(yīng)會(huì)啟動(dòng)細(xì)胞修復(fù)系統(tǒng)，若自噬功能受限，可能觸發(fā)內(nèi)在的凋亡級(jí)聯(lián)反應(yīng)；中重度炎癥反應(yīng)發(fā)生的線(xiàn)粒體功能障礙和ROS誘導(dǎo)的損傷可能驅(qū)動(dòng)部分甚至整個(gè)細(xì)胞的線(xiàn)粒體壞死和內(nèi)容物的釋放，最終導(dǎo)致細(xì)胞衰老或死亡?！八ダ闲匝装Y”這個(gè)術(shù)語(yǔ)是用來(lái)表示機(jī)體老化過(guò)程中出現(xiàn)的慢性全身炎癥狀態(tài)。雖然衰老性炎癥反應(yīng)與患者死亡率增加有關(guān)，但百歲老年人中高水平的促炎標(biāo)志物是否可作為死亡率增加的危險(xiǎn)因素尚不清楚。除了廣泛的促氧化環(huán)境外，衰老的特征還表現(xiàn)為免疫細(xì)胞功能下降，即免疫衰老[18]。老年機(jī)體的免疫細(xì)胞是ROS的另一個(gè)相關(guān)來(lái)源，它通過(guò)氧化爆發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)其免疫防御功能，而氧化爆發(fā)是老年機(jī)體防御功能不全的反應(yīng)，過(guò)度的氧化應(yīng)激對(duì)老年機(jī)體的免疫細(xì)胞的損傷較大，最終導(dǎo)致炎癥反應(yīng)加重[19]。

5 小結(jié)

人口老齡化引發(fā)了研究人員對(duì)衰老過(guò)程以及真正引發(fā)衰老機(jī)制的“原始動(dòng)向”的探索。機(jī)體衰老過(guò)程中出現(xiàn)的慢性全身炎癥狀態(tài)即“衰老性炎癥”，可持續(xù)損害線(xiàn)粒體功能，造成氧化損傷，加速衰老。因此，“氧化-炎癥-衰老”可能是線(xiàn)粒體功能障礙、炎癥與衰老的中心作用環(huán)節(jié)，保護(hù)線(xiàn)粒體功能可明顯減輕炎癥反應(yīng)，而這可能為延緩衰老提供新思路。