馬 壯 李雯婷 毛登輝 何恩鵬

2019年國家統(tǒng)計局發(fā)布新中國成立70周年經濟社會發(fā)展成就系列報告顯示，人口老齡化的加速是進入新時代人口發(fā)展面臨的重要風險和挑戰(zhàn)[1]，老齡化已成為影響發(fā)達國家以及發(fā)展中國家社會發(fā)展的沉重負擔。事實上，在自然界中包括人類在內的所有物種都會受到衰老的影響，但不同物種的衰老過程又有很大不同[2]，人類的衰老常伴隨著老年人常見疾病(包括高血壓、糖尿病、惡性腫瘤、心腦血管疾病等)的發(fā)生，其后果是造成了巨大的社會經濟負擔。

近年來關于衰老的研究越來越多，其中骨骼肌衰老是一項重要議題。Aversa[3]等認為骨骼肌衰老會造成力量下降、跌倒風險升高、住院率增加甚至死亡風險升高，同時代謝穩(wěn)態(tài)被打破，機體復原能力降低。Solovyeva[4]等同樣認為骨骼肌衰老可能導致與跌倒有關的傷害、殘疾、獨立性喪失以及老年人死亡率的顯著增加。Ubaida-Mohien[5]等人研究發(fā)現老年人肌肉的特征是能量代謝紊亂、促炎環(huán)境和蛋白質水解增加。

近期有研究發(fā)現腸道菌群與骨骼肌之間存在較大關聯[6]。Nay[7]等人的研究表明腸道菌群對葡萄糖穩(wěn)態(tài)的調節(jié)對肌肉發(fā)揮最佳功能起著至關重要的作用；Lahiri[8]等人的研究發(fā)現腸道菌群可能會影響小鼠骨骼肌萎縮的通路以及相關基因的表達，從而影響骨骼肌的功能和質量；吳愁飛[9]及其團隊通過將不同品種的肥豬與瘦豬的腸道菌群移植到無菌小鼠體內，發(fā)現受體小鼠表現出與供體豬相同的骨骼肌脂質代謝特征。據此，腸道菌群與骨骼肌一定存在某種聯系，但其機制尚不明朗。因此本文從腸道菌群影響骨骼肌衰老的作用機理進行探討，以期為預防老齡化帶來的骨骼肌衰老問題提供理論參考。

1.骨骼肌衰老相關表象及其機制

1.1 骨骼肌衰老相關表象 骨骼肌的衰老伴隨著肌肉質量和功能的喪失是一種稱為肌肉減少癥的現象，身體研究表明，肌肉的總橫截面積隨著年齡的增長而下降。早有研究表明肌肉面積和纖維數量在生命的第4個十年便開始減少[10,11]。最早的關于衰老和肌纖維組成的研究表明，Ⅰ型纖維百分比隨著年齡的增長而增加[12]。但是，隨著研究的不斷深入，研究人員提出了另一種猜想，Ⅰ型纖維沒有受到老化的影響，只是Ⅱ型纖維隨著年齡變化橫截面積在不斷減少，導致Ⅰ型肌纖維相對整體骨骼肌的比例增加。除了肌肉纖維大小隨年齡增長而減少之外，同樣有研究報告了肌肉纖維總數隨年齡增長而減少。Lexell[13]等人發(fā)現平均年齡為72歲的老年人比平均年齡為30歲的青年人股外側肌的大小減少了18%，肌肉纖維的總數減少了25%，這表明隨著年齡的增長，肌肉萎縮可能在很大程度上是由于肌肉纖維的損失導致。

1.2 骨骼肌衰老的可能機制

1.2.1 蛋白質穩(wěn)態(tài)：在生理條件下，蛋白質降解和合成之間的動態(tài)相互作用確保了骨骼肌內蛋白質穩(wěn)態(tài)的維持，并允許充分適應身體活動、營養(yǎng)輸入和代謝需求的變化[14]。研究表明，蛋白質體內平衡的進行性喪失是導致衰老過程中肌肉喪失和功能障礙的主要發(fā)病機理之一。在蛋白水解系統(tǒng)中，泛素-蛋白酶體系統(tǒng)和自噬-溶酶體途徑在骨骼肌蛋白降解中起著重要作用[15]。在泛素-蛋白酶體系統(tǒng)中，要降解的蛋白質首先通過酶的級聯反應(包括E1泛素激活酶、E2泛素結合酶和E3泛素連接酶)共價連接到泛素分子鏈上，然后被26S蛋白酶體處理[16]，通過對衰老骨骼肌的研究發(fā)現蛋白酶體的活性增強[17]。Avergin-1/MAFbx和MuRF1是兩種重要的肌肉特異性E3泛素連接酶，在許多與肌肉萎縮相關的條件下轉錄上調[15]。

自噬是一種進化保守的穩(wěn)態(tài)機制，細胞成分在自噬小體的雙層膜小泡中與溶酶體融合，對其內容物進行降解，實現細胞本身的代謝需要和某些細胞器的更新[18]。自噬在維持骨骼肌質量中同樣起著至關重要的作用，在不同的病理條件下自噬的改變與肌肉萎縮的發(fā)病機制有關[19]。

1.2.2 干細胞衰竭：衛(wèi)星細胞是必需的骨骼肌干細胞。這些細胞與成熟肌纖維并列存在，位于其質膜之外，但被周圍的基底層所包圍[20]。衛(wèi)星細胞對于骨骼肌損傷后的再生是絕對必要的，在缺乏衛(wèi)星細胞的情況下，骨骼肌萎縮、纖維丟失、纖維化、脂肪積聚、免疫細胞浸潤和炎癥在損傷后會變得明顯。缺乏衛(wèi)星細胞的小鼠確實表現出纖維化的顯著增加，這是一種老化肌肉的表型[21]。

肌肉再生能力因衰老而明顯受損，在小鼠[22]和人類[23]中，肌肉干細胞的數量及其自我更新的能力都隨著年齡的增長而下降，特別是在IIb型肌纖維中。除了數量之外，衛(wèi)星細胞的分子表型也表現出與年齡相關的變化[24]。在老化的肌肉干細胞中，p38α/β應激信號的激活增加，衰老相關的細胞周期蛋白依賴激酶抑制劑p16Ink4a和p21Cip1的表達增加，這與它們的增殖潛力降低一致[24]。藥物抑制p38α/β在體外恢復了衰老肌肉干細胞的增殖能力，并顯著改善了體內植入。對老年小鼠的衛(wèi)星細胞的分析也揭示了p16Ink4a的表達升高，p16Ink4a是一種參與細胞衰老的細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑[25]。在年輕小鼠的肌肉受到心臟毒素損傷后，來自老年小鼠的移植衛(wèi)星細胞不能激活和擴增?？偟膩碚f，衛(wèi)星細胞的內在變化是衰老的結果，同時會嚴重損害骨骼肌的再生能力。

1.2.3 細胞衰老：衰老細胞及衰老相關的分泌表型(SASP)是衰老和衰老相關疾病的驅動因素[26,27]。衰老，一種穩(wěn)定生長停滯的狀態(tài)，是增殖細胞的最終命運。為了應對基因組、蛋白質組、代謝或復制應激，衰老程序由細胞周期抑制蛋白啟動，包括p16Ink4a和p21Cip1，它們拮抗細胞周期蛋白依賴激酶的作用，最終停止細胞增殖[28]，因此衰老是一種內在的保護性腫瘤抑制程序[29]。然而，隨著年齡的增長，由于對凋亡的抵抗和免疫系統(tǒng)的低效清除衰老細胞開始積累[30]。通過耗盡有絲分裂活性祖細胞庫并大量分泌細胞因子、趨化因子、基質重塑蛋白和生長因子的混合物，衰老細胞損害再生并介導衰老生物組織中的炎癥、惡化和纖維化[31]。推測衰老細胞和SASP可能是骨骼肌老化和肌減少癥的基礎。

1.2.4 線粒體功能：線粒體在骨骼肌功能中起著舉足輕重的作用，通過產生ATP滿足肌肉纖維內的代謝需求，包括收縮功能、維持膜電位、鈣處理以及整體細胞維持和動態(tài)平衡。除了作為能量源泉的作用外，線粒體也是活性氧(ROS)的主要來源，ROS作為重要的信號分子發(fā)揮作用，但同時也可以通過破壞細胞成分如DNA、蛋白質和脂質來啟動細胞死亡[32]。鑒于線粒體在細胞內穩(wěn)態(tài)中的關鍵作用，線粒體已被認為與肌減少癥和多種年齡相關疾病的病因有關，并被視為治療靶點[33]。

2.腸道菌群調控骨骼肌衰老的機制

2.1 腸道菌群影響炎癥反應及肌蛋白穩(wěn)態(tài) 肌減少癥在與年齡相關的炎癥中起重要作用[34]，同時，肥胖會加重炎癥負擔，從而加劇肌減少癥的發(fā)生[35]，導致肌肉減少型肥胖，表現為肌肉質量/身體總質量比值減小[36]。導致這種與年齡相關的炎癥狀態(tài)升高的原因是多方面的，包括氧化還原應激[37]、免疫衰老[38,39]、內分泌功能下降、DNA損傷[40]、表觀遺傳修飾[41]以及內毒素-革蘭氏陰性細菌的增多[42]。

內毒素-革蘭氏陰性細菌是通過脂多糖(LPS)引起系統(tǒng)性炎癥的。脂多糖誘導炎癥的一個極端模型是敗血癥，這是一種威脅生命的疾病，特征是由于蛋白水解、降解增加和蛋白質合成減少而導致的嚴重肌肉萎縮[43]。在骨骼肌炎癥的背景下，關于TNF-a和IL-6的研究最廣泛，它們可以被循環(huán)LPS誘導[44]并在老年人中升高[45]。TNF-a的巨噬細胞產生顯示出在應激反應的早期發(fā)生，并且已經證明刺激培養(yǎng)細胞中的蛋白質降解和凋亡[46]。同時，在動物和人類中的研究表明由巨噬細胞和T細胞分泌的IL-6參與蛋白質合成的抑制[47]。這些發(fā)現綜合說明了腸道菌群在影響蛋白質平衡(即合成和分解)的方面起著決定性作用，并表明隨著年齡增長內毒素水平升高可能導致肌肉質量減少。

2.2 腸道菌群影響骨骼肌代謝 腸道菌群可能通過多種途徑影響人類骨骼肌的代謝，老年人的肌減少和全身虛弱與腸道生態(tài)失調有關，導致腸道屏障通透性增加、血液LPS水平升高、免疫系統(tǒng)激活和胰島素敏感性降低[48]。另外，動物研究明確強調了補充乳桿菌菌株的小鼠中肌肉萎縮標記物(Atrogin-1、MuRF1)的表達下降[49]，以及補充植物乳桿菌的小鼠中肌肉質量和力量增加[50]。另外，肥胖者和非肥胖者的腸道菌群組成存在差異[51]，與非肥胖小鼠的腸道微生物群相比，肥胖小鼠的腸道微生物群富含編碼碳水化合物代謝酶的基因，并具有更強的從飲食中提取能量和產生短鏈脂肪酸的能力[52]。此外，肥胖者體內的微生物區(qū)系發(fā)生了變化，多樣性減少[53]，但這種多樣性減少對肥胖癥發(fā)展的功能影響尚不清楚。報告顯示，中國2型糖尿病患者的腸道微生物群發(fā)生了變化[54]，更重要的是腸道微生物區(qū)系的組成能夠預測2型糖尿病。

3.前景與展望

2008年，美國國立衛(wèi)生研究院啟動了人類微生物組項目，中國作為此項計劃的參與者一直積極推動初期研究工作，作為一項公共衛(wèi)生倡議，該項目一直以確定對人類健康有貢獻的微生物的特征為目標。在短短十幾年的時間里，高通量16s rRNA基因測序技術已經確定了腸道微生物生態(tài)與世界范圍內許多主要死亡原因(如癌癥[55]、糖尿病[56])之間的密切聯系。盡管這一領域仍處于起步階段，但大量研究數據已經為腸道微生物群和骨骼肌之間的雙向交流網絡提供了證據。隨著年齡的增長，腸道健康和骨骼肌也會發(fā)生相應的變化，這就是這種關系的例證。在老鼠模型中的研究已經開始識別可能具有骨骼肌分支的微生物靶標。這些發(fā)現為戰(zhàn)略性人類干預奠定了框架，旨在將操縱微生物生態(tài)作為一種有益于骨骼肌健康和延長快速擴張的老齡化人口健康壽命的手段。