第二节　衰老的机制与抗衰老研究

一、衰老的机制

衰老的机制至今尚处于讨论阶段，根据现有资料分为整体水平、细胞水平及分子水平三方面。

（一）整体水平的理论

1.自由基学说

1956年，英国科学家Harman在研究衰老机制时提出了自由基学说。生物体内主要的自由基是氧自由基，占人体内自由基总量的95%以上。与氧自由基有关的一个概念是活性氧，指含有氧且具有较高氧反应性的化合物，包括超氧自由基、过氧化氢、单线态氧与脂质过氧化物。在上述活性氧中，氧原子上含有不成对电子的自由基称为活性氧自由基（ROS）。此外，尚有活性氮自由基，如一氧化氮（NO）和过氧亚硝基阴离子。

人体内自由基的产生主要有两个来源：内源性自由基和外源性自由基。前者主要由体内酶反应和非酶反应产生。线粒体是细胞的“能量工厂”，同时也是ROS产生的最主要场所，机体95%的ROS都来自线粒体的呼吸链。此外，血红蛋白、肌红蛋白可通过非酶促反应产生自由基；体内氧分子与多种不饱和脂类（如膜磷脂中的不饱和脂肪酸）直接作用后也可生成自由基。另外，外来致病微生物侵入人体时，机体产生炎性反应，白细胞中也会出现大量自由基。外源性自由基由体外理化因素影响而产生，如吸烟、电磁波辐射、环境污染以及化学物质损害（药物、食品添加剂、残留农药、乙醇等）。

一定水平的自由基对人体是有利的。在体内吞噬细胞的杀菌机制中，最主要的一个就是通过超氧阴离子转变为H2O2这一过程实现的，在此过程中，氧自由基起着不可替代的作用。NO作为一种氮自由基，也是生物体内重要的信使分子和效应分子，参与体内的许多生理过程。但是，过多的自由基则会产生伤害。自由基的致衰老理论其主要根据在于自由基能损伤生物大分子如质膜、蛋白质和DNA进而引起细胞结构和功能损害，最终导致生物体的衰老。

自由基对人体有多种危害，但在正常情况下，人体中存在两类自由基清除系统：抗氧化酶（超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶）和抗氧化剂（如谷胱甘肽和维生素C等），可以维持自由基代谢平衡，使人体处于健康状态。但抗氧化系统的功能往往随增龄而下降，从而引起氧化应激水平增加，加速衰老。

虽然自由基学说可以解释衰老过程的一些现象，也得到了众多的实验证据的支持，但就抗氧化药物推迟人体衰老仍缺乏有力的证据，而且自由基学说不能圆满解释转化细胞为何可以长生不老等问题。

2.免疫学说

衰老的免疫学说包括两个部分：一是免疫功能退化学说，认为机体免疫功能减退是衰老的重要原因；二是自身免疫学说，认为与自身抗体有关的自身免疫在衰老过程中起着决定性作用。免疫系统随着年龄的增长，首先是免疫器官胸腺发生明显的退化和萎缩，胸腺依赖性的免疫功能下降，其细胞免疫、体液免疫功能逐步下降，特异性免疫能力降低，最终导致免疫衰老。此外，免疫系统随增龄出现自身免疫功能加强，由于体内发生了轻度的组织不相容性反应，即自身免疫系统与自身组织成分发生免疫反应，此可见于病毒感染、药物、电离辐射等因素作用于机体后，免疫系统将自身某些组织做为抗原发生自身免疫反应。有报道称老年人各种特异性抗体较年轻人低，而异型球蛋白如M蛋白增多，可使老年人发生免疫增殖性疾病。免疫学说认为免疫功能降低或增强是衰老的根本原因，但是至今尚不清楚免疫系统随年龄增长而异常改变的原因，免疫系统的增龄改变可能不是衰老的始动原因，而是衰老导致的多种效应表现之一。

3.神经内分泌学说

该学说认为衰老与神经系统有着密切的关系，尤其是神经与内分泌系统的综合作用。随着年龄的增长，下丘脑-脑垂体-甲状腺轴有衰老性改变。神经系统的老化会引起多方面的衰老表现，包括大脑神经细胞数量减少，神经细胞轴突分支减少、萎缩，导致大脑的各种思维能力下降，所以，老年人常常表现出反应迟钝、听力下降、步态不稳、多梦多疑、忧郁孤独和视物不清等，这些都表明老年人的中枢神经系统在衰退。

另外，内分泌系统通过激素调节生长发育与衰老过程。随着年龄增加，人体内分泌系统合成、分泌、调节功能逐渐降低，使整个内分泌系统功能紊乱，加速机体衰老。

4.炎症衰老学说

炎症衰老（inflamm-aging）是指在自然衰老进程中机体内出现促炎性反应状态升高的现象，是衰老研究领域的新成员和新课题。炎性衰老被视为机体衰老进程速率和寿命的一个决定因素，与阿尔茨海默病、帕金森病、动脉粥样硬化和心脏病等老年病密切相关。目前炎症衰老的机制主要有应激论和细胞因子论。应激论认为自然衰老进程中机体长期处在应激原微环境中，应激原是导致和维持慢性促炎症反应状态的原因。过度持续的应激反应引起的高促炎性反应状态能导致炎症衰老。细胞因子论认为促炎细胞因子在炎症衰老发生发展中起着核心作用。老年人血清中CRP、IL-6和TNF-α水平的升高与疾病、残疾和死亡率有关。因此提出血清IL-6水平可作为炎症衰老的预测指标。循环中存在着高水平的促炎细胞因子，使得老年人的组织器官持续地处于这种炎性环境之中。作用相互拮抗的细胞因子的强弱对比的最终结果在炎症衰老发展中可能起着决定性的作用。但是，细胞因子与长寿的关系存在人种特异性。

（二）细胞水平的理论

1.体细胞突变学说

认为突变引起的细胞形态变化及功能失调或丧失是人体衰老的重要原因。二倍体细胞中两条染色体上等位基因都被某些突变因素击中时，子代细胞会很快发生形成、功能的改变，甚至死亡。由此可见，二倍体细胞的衰老性改变取决于这种等位基因被击中的比率以及所造成缺陷的水平。

但是，有些学者以纯种系和非纯系品种果蝇所做的诱发突变对比研究以及以哺乳动物进行的染色体研究却在许多情况下不一定出现衰老性结果。所以，体细胞突变与衰老的确切关系尚有待进一步研究。

2.细胞凋亡学说

细胞凋亡是机体为更好地适应环境而主动死亡。细胞凋亡参与多种与衰老相关的病理过程，如骨质疏松症、阿尔茨海默病等。细胞凋亡以两种形式对衰老起作用：一是清除已经受损的和功能障碍的细胞（如肝细胞、成纤维细胞），继续保持内环境稳定；一是清除不能再生的细胞（如心肌细胞）。通过以上机制，细胞凋亡的结果使体细胞特别是具有重要功能的细胞数量减少，造成其所组成的重要器官功能障碍。

3.干细胞与衰老

干细胞是一类保持未分化状态、具有自我更新和多向分化潜能的细胞，在人体发育和发育成熟后组织器官的维护中起重要作用。根据所处的发育阶段的不同，干细胞可以分为胚胎干细胞、胎体干细胞、围产期干细胞和成体干细胞。大量研究表明干细胞的功能和数量随增龄下降，可能是引起机体衰老的机制之一。

（三）分子生物学理论

1.交联学说

该学说认为衰老可能起因于生命所必需的主要成分（核酸和蛋白质）步步发生的化学交联反应的结果。交联反应是在多种因子（又称交联剂）作用下引起的，常用的交联剂有醛类、射线、自由基、二碱基酸、有机酸、某些氨基酸、金属和醌类。生物体内交联反应主要有三类：

（1）研究表明某些化学物质可以使DNA双链的两股发生交联，并使动物寿命缩短。DNA双链的交联可在DNA解链时形成“Y”形结构，使转录不能顺利进行。

（2）胶原纤维间的交联可使纤维结缔组织在正常交联的基础上过度交联，从而使对小分子物质的通透性降低，可能与结缔组织变性有关，从而影响了结缔组织的张力及韧性。

（3）蛋白质分子的交联对机体有更为严重的损伤，这是因为机体交联形成的复合物多半是蛋白质，这种致密的聚集物在细胞内外聚集，各种酶无法将其分解，妨碍了机体正常功能。

故这种交联可能引起各种不良后果而导致衰老，其与衰老的确切关系尚待进一步证实。

2.程序衰老学说

该学说认为衰老与生长、发育及成熟类似，都是由遗传决定，按时空顺序表现出来的生命现象。衰老是生命周期中已经安排好的程序，遗传信息按时激活退变过程，退变过程逐渐展开，最终导致衰老和死亡。

3.端粒学说

衰老的分子水平研究还表明，端粒与衰老密切相关。人类体细胞端粒最初长度约为17 000bp，细胞每分裂一次，端粒缩短50～200bp，当端粒缩短到2000～4000bp时，体细胞失去分裂能力，开始衰老和死亡。但是许多问题用端粒学说还不能解释，如小鼠的端粒并不随增龄而缩短，但仍旧出现衰老。

4.错误成灾学说

该学说认为，基因在复制和表达中会出现错误，错误的积累和重复使错误不断扩大，使细胞乃至个体衰老。如DNA转录mRNA的过程发生微小的差异，带有该微小差异的mRNA会翻译出进一步偏离的蛋白质，该蛋白质如果属于DNA聚合酶会合成差异程度更大的DNA，这样的差错经过每一次信息传递都扩大一些，形成恶性循环，使细胞内积累许多差错分子造成灾难，细胞正常功能不能发挥，致使细胞衰老死亡。此学说提出后，很多学者对此进行了实验，但得出的结果很不一致，所以目前还难以肯定该学说是否是细胞衰老的基本机制。

5.线粒体DNA损伤学说

研究发现线粒体DNA（mtDNA）损伤可能是细胞衰老与死亡的分子基础。线粒体是细胞的能量工厂，线粒体功能异常将影响整个细胞的代谢而导致病变。mtDNA裸露而无组蛋白保护，复制转录速率高，其DNA聚合酶校读作用微弱，因此易受损伤且不易修复。mtDNA的氧化损伤也随年龄增加，氧化损伤使mtDNA发生突变。已发现人心肌、骨骼肌和脑线粒体随龄增加的DNA片段丢失。mtDNA突变有三种，即：

（1）缺失突变：

主要发生在D环区，往往造成线粒体功能下降。

（2）点突变：

主要发生在编码蛋白质和tRNA区。

（3）串联重复：

是指碱基序列的重复。

mtDNA的三种突变都可引起衰老，其中mtDNA点突变和缺失突变发生频率最高，研究也最多。研究者发现许多与衰老相关的退行性疾病的主要原因是mtDNA的变异。与此相关的老年病包括阿尔茨海默症、帕金森综合征等。但是，mtDNA突变与衰老的关系没有完全确定，一方面线粒体DNA突变随年龄增长而积累，导致渐进性生物能量缺乏、细胞损伤、老化并最终死亡；另一方面，可能是mtDNA突变和衰老之间仅仅存在着相关性，仅仅是衰老的伴随现象。

6.非酶糖基化致衰老学说

晚期糖基化终末产物（advanced glycosylation end-products，AGE）是人体内的还原糖与蛋白质或脂质发生不可逆反应所形成的，是非酶糖基化（nonenzymatic glycosylation，NEG）反应的最终产物。近年来的研究表明，AGE的存在不仅与糖尿病关系密切，还与衰老有着紧密的联系。AGE在人类和动物的多种组织中随着年龄的增长不断的积聚，可作为研究衰老的一项重要指标。

二、抗衰老的研究

（一）衰老的评价指标

动物与细胞的生物学年龄或衰老程度如何测定？衰老生物学标志的确立对衰老研究标准化十分重要。使用衰老生物学标志进行分组，可避免因同龄实验动物老化程度不同造成的误差，解决按日历年龄无法解决的“未老先衰”和“老而不衰”问题。不仅可由此计算衰老速度，且可研究各种因素（如药物、限食、锻炼、心理等）对衰老进程的影响。在临床方面，延缓衰老药物的选择，疗效的评价亦可因其获得科学依据。

有学者提出检测衰老程度的指标应满足如下主要标准：

（1）该标志与年龄有定量关系，相关性愈密切，灵敏度愈高。

（2）该标志不因疾病而改变。

（3）该标志不因代谢或营养状况的改变而改变。

（4）能影响衰老进程的因素亦能影响该标志。

（5）永生化的细胞不存在该标志的变化。

目前，用于评价人体老化度的相关临床指标已经有所报道，但并没有系统地在临床开展相关的检测。在实验室指标上，尽管尚不能满足上述所有判断标准，但有不少评价老化度的生物学指标也得到了认可，主要包括：衰老相关β-半乳糖苷酶（SA-β-Gal）活性、衰老相关异染色质聚集（SAHF）、成纤维细胞的体外增殖能力和传代次数、端粒的长度、DNA损伤修复能力、线粒体DNA（mtDNA）片段缺失、晚期糖基化终产物水平等。此外，尚有生存试验，主要观察各种干预措施对模式生物如果蝇的平均寿命和最高寿命的影响。近年来，干细胞与衰老的关系也逐渐受到了重视，但干细胞作为评价衰老程度的指标尚无定论。

（二）抗衰老的整体研究

尽管细胞是衰老研究的有用工具，可作为机体衰老的微观模型，但难以体现并反映体内神经、内分泌、免疫系统的相互作用，也难以体现器官、组织中各种细胞间的相互作用，因此用于衰老的整体研究尚存不足。生命周期较短的模式生物如线虫（秀丽隐杆线虫）、果蝇、小鼠及近年来发展起来的斑马鱼适用于整体研究，但模式生物毕竟与人类遗传背景不是完全相同，难以全部、准确地体现并反映人体的衰老。而对人类整体的衰老进行实验性研究，具有周期长、成本高和取材难等特点，因此可行性不强。

在延缓生物整体衰老的研究中，热量限制（calorie restriction，CR）是被证明除遗传操作以外最强有力的延缓衰老方法，在从酵母到灵长类动物的研究中均发现了相似的结果。典型的CR饮食特征：摄入量是随意饮食的60%～70%，提供充足的维生素和矿物质等必需营养素，但总热量在实际需要量之下。在生理水平上，CR动物在经历了开始的急性强制期和随后几个星期的适应期之后，其生理变化形成了一个稳定的状态，并具有更强的应激耐受能力。

美国的国家衰老研究所（NIA）、威斯康星大学和马里兰大学采用灵长类动物——恒河猴分别开展了3项长期的CR研究。研究从20世纪80年代末期开始，迄今还在进行当中，以随意饮食组的热量摄入为100%，CR组采用65%～75%的热量摄入，研究结果显示CR具有良好的延缓衰老的作用，包括改善氧化应激状态、上调糖代谢能力、增加胰岛素敏感性以及延缓老年性疾病如糖尿病、骨质疏松和心血管疾病等的发生发展，并首次发现CR能延长灵长类动物的平均寿命。相关的机制研究表明有四条信号通路可能参与CR的调节作用：胰岛素/胰岛素样生长因子-1（Insulin/IGF-1）、SIRT1-PGC-1α、氧化还原以及TOR（西罗莫司靶标）信号通路。

（毛根祥　冷晓）

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