黎健

北京醫(yī)院 國家老年醫(yī)學(xué)中心 國家衛(wèi)生健康委員會北京老年醫(yī)學(xué)研究所,北京100730

人的認知能力包括執(zhí)行能力、工作記憶和情景記憶,其會隨著年齡的增長有所下降。因為隨著年齡的增長,腦器官逐漸發(fā)生衰老,導(dǎo)致腦功能的下降,表現(xiàn)為學(xué)習(xí)能力、記憶能力、注意力、決策速度、感官知覺(視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺)以及運動協(xié)調(diào)性的衰退。腦衰老可提高神經(jīng)退行性疾病發(fā)生的易感性,與年齡相關(guān)的腦功能下降在50歲之后顯著加快,當(dāng)步入60、70和80歲后,患神經(jīng)退行性疾病的風(fēng)險會越來越高,其中阿爾茨海默病(AD)和帕金森病(PD)最為常見。深入了解和探究腦衰老與神經(jīng)退行性疾病的奧秘如腦衰老有何特征?衰老如何誘發(fā)神經(jīng)退行性疾病?腦衰老能否延緩?將對AD和PD等神經(jīng)退行性疾病的預(yù)防、早期診斷和治療具有重要意義。

1 腦衰老的特征

在正常衰老過程中,腦會逐漸萎縮,灰質(zhì)和白質(zhì)減少,腦室增大。磁共振成像顯示,與增齡相關(guān)的灰質(zhì)減少在顳葉和額葉最為顯著。衰老過程中腦萎縮的比率可以預(yù)測是否會發(fā)展成認知障礙和癡呆。在細胞和分子水平上腦衰老具有10個特征[1]。

1.1 線粒體功能障礙 線粒體分布在神經(jīng)元的樹突和軸突,在神經(jīng)細胞能量代謝和鈣穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。腦衰老過程中線粒體增大或破裂,線粒體DNA氧化損傷增加,電子傳遞鏈(ETC)功能受損,膜去極化線粒體數(shù)量增加,Ca2+處理能力受損,以及觸發(fā)線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mPTP)形成的閾值降低。線粒體功能的下降涉及氧化型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)水平和NAD/還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)比率的下降。在衰老過程中腦中的大多數(shù)細胞類型可能都會發(fā)生功能障礙的線粒體積累。

1.2 氧化損傷的蛋白質(zhì)和脂質(zhì)在細胞內(nèi)積累 在衰老過程中,由于氧化失衡——活性氧(ROS)產(chǎn)生增加和/或抗氧化防御能力降低,神經(jīng)元往往會積累功能障礙的聚集性蛋白質(zhì)和脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物。神經(jīng)元產(chǎn)生的活性氧主要來源于線粒體呼吸和各種氧化酶產(chǎn)生的超氧陰離子自由基、過氧化氫與Fe2+或Cu+反應(yīng)產(chǎn)生的羥基自由基,以及由于相應(yīng)細胞內(nèi)Ca2+水平升高而產(chǎn)生一氧化氮(NO)?？寡趸烙芰p弱和移除氧化損傷分子的能力受損將加速衰老。

1.3 能量代謝失調(diào) 隨著衰老,腦組織細胞中的葡萄糖代謝發(fā)生紊亂。由于衰老細胞響應(yīng)胰島素信號、轉(zhuǎn)運葡萄糖的能力受損,血液循環(huán)中葡萄糖濃度會增加。神經(jīng)元在衰老過程中也會發(fā)生胰島素抵抗和葡萄糖轉(zhuǎn)運障礙,表現(xiàn)為放射性標記的葡萄糖攝取正電子發(fā)射型計算機斷層顯像(PET)成像顯示葡萄糖利用率逐漸降低,并且這種葡萄糖代謝異常在顳葉、頂葉、額葉以及運動皮層區(qū)域尤為突出。在腦衰老過程中,多種脂質(zhì)代謝發(fā)生改變,表現(xiàn)為長鏈神經(jīng)酰胺和富含脂質(zhì)的細胞積累,以及腦組織中omega-3脂肪酸水平下降。

1.4 細胞“廢物處理”機制受損(溶酶體和蛋白酶體功能障礙) 清除受損和功能障礙的分子和細胞器對神經(jīng)元十分重要。受損的細胞成分被分子受體識別,并將它們轉(zhuǎn)移到溶酶體或蛋白酶體,從而被降解。在自噬過程中,受損成分被包裹在膜狀吞噬泡中,吞噬泡隨后與溶酶體融合,并將內(nèi)容物釋放到酸性溶酶體腔中,在水解酶作用下被降解。如果細胞中包含的未降解物、功能失調(diào)的線粒體和多泛素化蛋白的自噬小泡呈增齡性累積,表明神經(jīng)元衰老過程中發(fā)生蛋白酶體降解和自噬功能受損。

1.5 適應(yīng)性應(yīng)激反應(yīng)信號通路受損 神經(jīng)元不斷受到代謝、離子和氧化應(yīng)激的影響,這些應(yīng)激來自神經(jīng)元內(nèi)部正常的電化學(xué)活動,以及外部的系統(tǒng)性生物能量挑戰(zhàn)和生理、心理應(yīng)激。三磷酸腺苷消耗、Ca2+和ROS是細胞做出適應(yīng)性應(yīng)激反應(yīng)的3個主要啟動因子。適應(yīng)性應(yīng)激反應(yīng)信號通路可能在衰老過程中受損,從而使神經(jīng)元易受損傷。例如,胰島素樣生長因子1(IGF-1)、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)、神經(jīng)生長因子(NGF)信號在腦衰老過程中由于神經(jīng)營養(yǎng)因子表達減少和受體表達或下游信號的改變而受損。神經(jīng)營養(yǎng)因子缺陷可能導(dǎo)致衰老過程中神經(jīng)元線粒體功能、Ca2+處理和抗氧化防御功能受損。

1.6 DNA修復(fù)功能受損 在衰老過程中,線粒體和細胞核中的DNA經(jīng)常受到ROS的破壞,而細胞對這些損傷DNA的修復(fù)功能受損,如一些DNA修復(fù)蛋白的表達和(或)酶活性降低,就會導(dǎo)致受損的核DNA和線粒體DNA數(shù)量增加,尤其在核DNA的某些區(qū)域特別是涉及突觸可塑性和線粒體功能的基因啟動子區(qū)域容易發(fā)生氧化損傷的累積,從而加速神經(jīng)元衰老。

1.7 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活動異常 整個腦神經(jīng)回路以興奮性谷氨酸能神經(jīng)元為基礎(chǔ),它們具有復(fù)雜的樹突,并通過長軸突與其他谷氨酸能神經(jīng)元和抑制性γ-氨基丁酸能中間神經(jīng)元形成突觸。不同神經(jīng)遞質(zhì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整性和突觸活動的適當(dāng)整合是正常腦功能所必需的。在腦衰老過程中,腦區(qū)域內(nèi)和腦區(qū)域之間的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)活動發(fā)生異常,使神經(jīng)回路容易受到過度興奮性和興奮毒性損傷。例如,膽堿能神經(jīng)元的神經(jīng)遞質(zhì)系統(tǒng)在學(xué)習(xí)和記憶、決策和情緒調(diào)節(jié)中起關(guān)鍵作用,他們的失調(diào)會導(dǎo)致老年人的認知障礙和抑郁。

1.8 神經(jīng)元鈣離子(Ca2+)調(diào)節(jié)能力失調(diào) Ca2+可以調(diào)節(jié)神經(jīng)元功能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性,涉及記憶的形成和維持。在正常生理情況下,神經(jīng)元能將Ca2+動態(tài)控制在生理范圍內(nèi),而在衰老過程中,神經(jīng)元Ca2+調(diào)節(jié)能力失調(diào),衰老損傷了Ca2+誘導(dǎo)的后超極化,從而增加了Ca2+內(nèi)流和從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放的Ca2+,引起胞質(zhì)Ca2+水平異常升高,從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)磷酸化、細胞骨架動力學(xué)和基因表達的失調(diào)。恢復(fù)神經(jīng)元Ca2+穩(wěn)態(tài)可改善衰老引起的認知障礙。

1.9 干細胞耗竭[2]成年哺乳動物的大腦含有2 個神經(jīng)干細胞(NSC)儲存庫:側(cè)腦室下區(qū)(SVZ)和海馬齒狀回(DG)。這些神經(jīng)微環(huán)境含有可以被激活以產(chǎn)生活躍增殖神經(jīng)干細胞(aNSCs)的靜息態(tài)神經(jīng)干細胞(qNSCs)。aNSCs具有分化為神經(jīng)元、少突膠質(zhì)細胞或星形膠質(zhì)細胞的潛能。NSC增殖和產(chǎn)生新神經(jīng)元的能力在發(fā)育后急劇降低,并在衰老過程中持續(xù)下降,這與年齡有關(guān)的神經(jīng)退行性疾病發(fā)生率增加相關(guān)。在衰老過程中,NSC微環(huán)境中炎癥細胞因子增加,小膠質(zhì)細胞活化和T細胞浸潤,導(dǎo)致NSC的數(shù)量和功能下降。

1.10 炎癥反應(yīng)增加 局部炎癥是腦衰老的一個常見特征。膠質(zhì)細胞,特別是小膠質(zhì)細胞,通常在衰老的腦中表現(xiàn)出一種激活狀態(tài),產(chǎn)生促炎癥細胞因子,包括白細胞介素(IL)-1β、IL-6和腫瘤壞死因子α (TNF-α)。補體級聯(lián)是一種“攻擊”和破壞細胞膜的蛋白-蛋白相互作用的連續(xù)反應(yīng),它也可能在衰老的腦中被激活,并與AD的發(fā)病機制有關(guān)。補體級聯(lián)的遺傳或藥理學(xué)抑制作用可改善正常衰老期間以及AD發(fā)生過程的突觸丟失和神經(jīng)元死亡。另外,活化的小膠質(zhì)細胞表達一種誘導(dǎo)型NO合酶,并產(chǎn)生大量NO,可引起神經(jīng)元氧化損傷。

2 衰老如何誘發(fā)神經(jīng)退行性疾病

PET研究發(fā)現(xiàn),腦的葡萄糖代謝能力受損發(fā)生在AD發(fā)病的極早期,甚至在明顯的臨床癥狀出現(xiàn)之前。尸檢表明,AD患者的易受損腦區(qū)內(nèi)葡萄糖轉(zhuǎn)運體水平、ETC復(fù)合物活性以及糖酵解通量發(fā)生降低。PD患者的控制運動腦區(qū)內(nèi)葡萄糖利用率降低,受PD影響的神經(jīng)元表現(xiàn)出線粒體呼吸鏈功能減退。

大量證據(jù)表明,腦衰老標志作用于Aβ斑塊和pTau神經(jīng)纖維纏結(jié)的上游。腦衰老產(chǎn)生線粒體功能障礙、氧化損傷的蛋白質(zhì)積累、鈣離子調(diào)節(jié)能力失調(diào)和溶酶體功能受損,促進Aβ清除下降和前體APP裂解增強,導(dǎo)致Aβ斑塊聚積和pTau神經(jīng)纖維纏結(jié)的形成。而Aβ與pTau的沉積加劇氧化損傷的蛋白質(zhì)積累、鈣穩(wěn)態(tài)失調(diào)和線粒體功能障礙,引起突觸衰退,導(dǎo)致神經(jīng)元死亡,神經(jīng)元大量喪失[1]。

在PD發(fā)生過程中,腦衰老產(chǎn)生線粒體功能障礙、氧化損傷的蛋白質(zhì)積累、鈣離子調(diào)節(jié)能力失調(diào)和溶酶體和蛋白酶體功能受損,促進神經(jīng)毒性形式的α-突觸核蛋白在細胞質(zhì)中累積,類似于AD患者神經(jīng)元中異常的pTau神經(jīng)纖維纏結(jié)。反過來,α-突觸核蛋白的累積與線粒體功能障礙都會加劇氧化應(yīng)激與DNA損傷,破壞神經(jīng)元Ca2+穩(wěn)態(tài),促進神經(jīng)炎癥的發(fā)生,導(dǎo)致突觸衰退和神經(jīng)元死亡[1]。

分析腦衰老向神經(jīng)退變和AD演變的過程發(fā)現(xiàn),腦衰老時有Aβ表達增高,但無老年斑沉積;發(fā)展到神經(jīng)退變時有老年斑形成,但無代表病理性損傷的神經(jīng)纖維纏結(jié)存在;演變到AD時除大量老年斑出現(xiàn)外,還有神經(jīng)纖維纏結(jié)形成。研究表明,從腦組織出現(xiàn)老年斑到臨床AD發(fā)病間隔約15年。因此,延緩腦衰老是防治神經(jīng)退行性疾病的關(guān)鍵。

3 延緩腦衰老的新策略

3.1 改善生活方式

3.1.1 間歇性能量限制 從進化的角度來看,在食物匱乏的時候,成功爭奪有限的食物來源使得腦和身體功能良好的個體得以被自然選擇保留下來。而在現(xiàn)代社會中,人們普遍的飲食模式是每日進食三餐加零食。為了延緩腦衰老,人們試驗了許多飲食干預(yù)措施,其中最受歡迎的當(dāng)屬間歇性禁食。所謂間歇性禁食,即交替進行禁食和攝食,通常分為3種形式:一種是隔日禁食:以2 d為1個周期,36 h 無卡路里攝入,隨后的12 h隨意飲食。就是每2天的周期里,只有半天可以隨意吃,其余時間只喝水。另一種是5∶2飲食:隔日禁食的改良版本,以1周7 d為1個周期,每周7 d中有2 d限制只吃1頓中等份量的食物。再有一種就是限時進食:以1 d為1個周期,每天在特定的時間段內(nèi)進食,通常為4～10 h,以8 h最為常用。進食期間沒有卡路里限制,其余時間不進食[3]。間歇性能量限制能改善認知和運動能力,并保護神經(jīng)元免受癲癇、腦卒中、PD和AD導(dǎo)致的功能障礙和退化。其機制可能涉及這種禁食與進食之間的交替觸發(fā)了一種代謝轉(zhuǎn)換,即一種本能的應(yīng)對食物短缺的適應(yīng)模式。一旦細胞能量耗盡,即快速獲取基于糖的儲備能量,并開始以較慢的代謝模式將脂肪轉(zhuǎn)化為能量時,就會啟動這種轉(zhuǎn)換。肝臟將脂肪酸轉(zhuǎn)化為酮體用于供能,血液中酮體水平就會提升,而酮體能夠調(diào)節(jié)機體健康和衰老的多種蛋白和分子的活性及表達[4]。實際上,間歇性禁食并沒有對新陳代謝產(chǎn)生負面影響,也不會導(dǎo)致飲食紊亂。一些人擔(dān)心禁食會導(dǎo)致昏昏欲睡、無法集中精神,但很多人在禁食日感覺仍然精力充沛,不但不會感覺糟糕,甚至感覺更好。目前,間歇性禁食已納入一些醫(yī)院的醫(yī)療實踐中,對想要嘗試間歇性禁食的人給出了建議:(1)調(diào)整期:剛開始禁食的人可能會出現(xiàn)頭痛、頭暈和便秘等不良作用,這在禁食1～2周后會消退。可以通過增加飲水量來緩解這段時間因脫水引起的不良作用。(2)運動:可以在禁食期間進行中等強度的耐力或阻力訓(xùn)練,但在運動后要吃禁食日餐。(3)禁食期間的飲食:間歇性禁食期間吃水果、蔬菜和全谷物有助于增加纖維攝入量,并有助于緩解禁食時伴隨的便秘。(4)酒精和咖啡因:對于那些隔日禁食或5∶2飲食的人,不建議在禁食日飲酒和咖啡,因為有限的卡路里攝入量應(yīng)該留給提供營養(yǎng)的健康食品[4]。

3.1.2 適度運動 美國的研究人員對4 840名40歲以上的成年人進行了長達10年的追蹤。研究結(jié)果表明,有氧運動可減緩大腦萎縮,降低患AD的風(fēng)險。40歲后,每天堅持健走30～45 min,每周步行距離不低于10 km,將有助于預(yù)防大腦萎縮,使大腦保持年輕狀態(tài),預(yù)防AD的早期發(fā)作[5]。

Villeda團隊在《科學(xué)》上報告,運動的老鼠在海馬體中生長了大約2倍數(shù)量的新神經(jīng)元,海馬體是大腦中負責(zé)學(xué)習(xí)和記憶的區(qū)域。然后,他們在小鼠血液中尋找含量上升的發(fā)揮作用的蛋白質(zhì),發(fā)現(xiàn)這些在小鼠的肝臟中產(chǎn)生的一種叫作糖基化磷脂酰肌醇特異性磷脂酶D1(Gpld1)的蛋白質(zhì)。Villeda團隊還發(fā)現(xiàn),有規(guī)律鍛煉的老年人血液中的Gpld1水平明顯高于那些沒有鍛煉的老年人,表明老鼠的實驗結(jié)果可能也適用于人類[6]。

Chekroud團隊用100多萬美國人的大數(shù)據(jù)分析了不同種類運動和全因病死率的關(guān)系,結(jié)果表明,揮拍運動、有氧運動可分別降低全因病死率47%、27%。常用的有氧運動方式有行走、慢跑、騎自行車、游泳、健身操等。進一步的分析顯示,每次鍛煉的最佳時長應(yīng)該在45～60 min之間,而從頻次來說,1周3～5 d,每天1次獲益最高[7]。

適度運動導(dǎo)致肝糖原儲存的間歇性消耗和脂肪酸生酮的動員,并增加腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活動。在腦細胞中一些信號通路被激活,包括營養(yǎng)因子表達上調(diào),轉(zhuǎn)錄因子激活,編碼蛋白質(zhì)的基因表達增加,神經(jīng)可塑性和彈性增強。這些調(diào)節(jié)間歇性代謝挑戰(zhàn)的生物學(xué)過程包括線粒體生物發(fā)生和抗應(yīng)激、神經(jīng)遞質(zhì)信號通路的適應(yīng)性修飾、自噬增強、抗氧化防御和DNA修復(fù)、刺激神經(jīng)發(fā)生并抑制炎癥。間歇性代謝挑戰(zhàn)減緩了與年齡相關(guān)的神經(jīng)功能衰退,降低患AD和PD的風(fēng)險[1]。

3.2 老藥新用和潛在藥物

3.2.1 雷帕霉素 雷帕霉素是一種大環(huán)內(nèi)酯類化合物,首次發(fā)現(xiàn)于1960年,并作為抗真菌藥物從一種生存在拉帕努伊島上的細菌中分離出來。隨后,人們用雷帕霉素處理哺乳動物細胞后發(fā)現(xiàn),其具有免疫抑制與抗細胞增殖的作用,因此常用作免疫調(diào)節(jié)劑來預(yù)防器官移植排斥反應(yīng)與心臟手術(shù)后再狹窄,并輔助癌癥化療。近年來,雷帕霉素在幾乎所有的動物模型中都展現(xiàn)出延緩衰老,延長壽命的功效。雷帕霉素是通過抑制mTOR通路而延緩腦衰老,延長壽命。mTOR是調(diào)節(jié)細胞和生物生理學(xué)的中心調(diào)節(jié)因子,可整合生長因子、營養(yǎng)和其他因素,對多種靶點進行磷酸化,并調(diào)整細胞生長、自噬作用、蛋白合成和降解等生理過程。研究表明,雷帕霉素能夠改善衰老相關(guān)的學(xué)習(xí)、記憶能力和探索能力的衰退。研究結(jié)果顯示,雷帕霉素可促進PD小鼠模型神經(jīng)元的再生,改善PD的發(fā)展。然而,雷帕霉素的臨床應(yīng)用卻受到其不良反應(yīng)的限制,包括可能導(dǎo)致高血糖、高血脂、腎臟毒性和免疫抑制等。未來,需要改進目前雷帕霉素的給藥方案,如降低雷帕霉素的用藥劑量,可能在減少不良反應(yīng)的同時,維持一定的抗衰老作用,另外還需進行更多人體試驗,獲得更多的臨床前和臨床證據(jù),證明其在延緩衰老方面的作用[8]。

3.2.2 二甲雙胍 二甲雙胍是一種廣泛用于治療2型糖尿病的雙胍類藥物，是2型糖尿病防治指南中推薦的一線用藥。流行病學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn),服用二甲雙胍可以降低心血管疾病發(fā)生率、病死率、患癌率、總體病死率、抑郁癥和衰弱相關(guān)疾病的發(fā)病率。系列研究均表明二甲雙胍可以預(yù)防癌癥、心血管疾病、慢性腎臟、肝臟疾病和神經(jīng)退行性疾病。臨床前研究表明二甲雙胍具有延緩衰老的作用,二甲雙胍可以將秀麗隱桿線蟲壽命增加36%,這一作用可歸因于AMPK活化、適應(yīng)性應(yīng)答反應(yīng)、溶酶體途徑和微生物組的代謝變化。此外,研究人員還對健康受試者進行了一項小規(guī)模的短期干預(yù),發(fā)現(xiàn)二甲雙胍可以觸發(fā)非糖尿病受試者(平均年齡為70歲) 衰老相關(guān)代謝與非代謝途徑。2015年,經(jīng)美國FDA 批準的一項名為“使用二甲雙胍靶向衰老”(TAME) 的研究計劃旨在探究二甲雙胍對美國多個區(qū)域的3 000名65～79歲非糖尿病患者的影響。在藥物延長健康壽命并預(yù)防多種衰老相關(guān)疾病的前提下,可以通過檢測衰老相關(guān)的多種指標,包括心血管疾病、癌癥、癡呆和病死率來評估二甲雙胍的影響。二甲雙胍具有良好的安全性,于是TAME計劃可以作為二甲雙胍(以及其他可能的延緩衰老藥物)臨床干預(yù)衰老的基準[8]。這一研究將為二甲雙胍在抗衰老方面的開發(fā)提供寶貴的信息。遺憾的是,由于新型冠狀病毒肺炎疫情在美國的大爆發(fā),影響了該計劃的順利開展,看來短時間內(nèi)難以得出研究結(jié)論。

3.2.3 NAD+補充劑 NAD+是一種催化細胞代謝功能的輔酶,是能量代謝的中心分子,參與氧化還原反應(yīng)并轉(zhuǎn)化為NADH。涉及NAD+氧化還原反應(yīng)的細胞代謝過程包括糖酵解、三羧酸循環(huán)以及β-脂肪酸氧化等。NAD+可以直接或間接影響許多關(guān)鍵的細胞功能,包括代謝途徑、DNA修復(fù)、染色質(zhì)重塑、細胞衰老和免疫細胞功能。這些細胞過程及其發(fā)揮的功能對于維持組織和代謝穩(wěn)態(tài)以及健康衰老至關(guān)重要。在哺乳動物中,體內(nèi)NAD+的水平隨著年齡的增長而降低,NAD+水平的下降與許多衰老相關(guān)疾病存在因果關(guān)系。衰老與大多數(shù)神經(jīng)退行性疾病密切相關(guān),并伴隨著哺乳動物大腦中細胞NAD+水平的降低。在加速衰老的幾種模型中都報告了NAD+消耗的現(xiàn)象,這些模型表現(xiàn)出神經(jīng)退行性變以及神經(jīng)退行性疾病,包括AD和PD。在與年齡有關(guān)的神經(jīng)退行性疾病期間,大腦中NAD+損失的根本原因和機制仍然未知。但是,有許多證據(jù)支持NAD+具有神經(jīng)保護作用,許多與衰老相關(guān)的疾病可通過恢復(fù)NAD+水平來減緩甚至逆轉(zhuǎn)。NAD+不會被細胞吸收,因此無法直接補充。利用NAD+的合成通路,可以通過補充NAD+的前體來提高它的水平。最常用的兩種前體為煙酰胺核糖(NR)和煙酰胺單核苷酸(NMN)。研究表明,NAD+前體NR和NMN改善了AD大鼠和小鼠模型中的神經(jīng)元細胞記憶和認知功能,并在PD的模型顯示出神經(jīng)保護特性。重要的是,目前幾項使用NAD+前體(尤其是NR)的臨床試驗正在進行中,以期用于治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病和延緩衰老,這些試驗拓展了人們對人類神經(jīng)退行性過程中NAD+代謝的了解。目前的臨床結(jié)果顯示NR能夠被身體吸收,可提高NAD+水平,也具有良好的安全性。但是它們在動物模型中提供的益處能否在人體中重復(fù)仍然需要進一步確認。NAD+如何影響人類健康和衰老尚需更多研究,包括更加深入地探究調(diào)節(jié)NAD+水平的分子機制,探究在衰老過程中有效恢復(fù)NAD+水平的方法及安全性,補充NAD+前體對衰老人群的有益影響等[9]。

3.3 高新技術(shù)的應(yīng)用

3.3.1 交換年輕血液 2014年,Wyss-Coray團隊采用一種叫作“異種共生”的實驗方法,通過外科手術(shù),把不同年齡的小鼠縫合在一起,共享血液和血液流經(jīng)的器官,然后觀察對衰老的影響。將年輕小鼠的血漿輸給老年小鼠后,老年小鼠的大腦變年輕了,海馬成熟神經(jīng)元的樹突棘密度增加,突觸可塑性提高。與年齡相關(guān)的認知障礙,包括情境恐懼條件反射和空間學(xué)習(xí)和記憶得到改善。表明老年小鼠在生命后期接觸年輕血液能夠恢復(fù)突觸可塑性并改善認知功能[10]。此后,他們發(fā)現(xiàn)人臍帶血漿治療可改善老年小鼠的認知功能,并找到了與大腦衰老密切相關(guān)的血漿蛋白:金屬蛋白酶組織抑制劑2(TIMP2)。TIMP2是一種富含于人臍帶血漿、幼鼠血漿和幼鼠海馬的血源性因子,在全身給藥后出現(xiàn)在大腦中,并增加老年小鼠的突觸可塑性和海馬依賴性認知。研究結(jié)果表明,人臍帶血漿含有可塑性增強蛋白,具有高轉(zhuǎn)化價值,可用于靶向延緩衰老或改善疾病相關(guān)的海馬功能障礙[11]。

用從年輕小鼠身上獲得的蛋白質(zhì)來治療老年小鼠,似乎可以減緩健康狀況的下降,并延長老年小鼠的壽命。美國Imai團隊研究發(fā)現(xiàn),年輕小鼠血液中的細胞外煙酰胺磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶(eNAMPT)含量高,而老年小鼠血液中的eNAMPT含量低。血液中的eNAMPT含量與小鼠的壽命高度相關(guān),eNAMPT 越多,壽命越長,eNAMPT越少,壽命越短。eNAMPT 在NAD+代謝中起關(guān)鍵調(diào)控作用,下丘腦利用eNAMPT可產(chǎn)生NAD+。NAD+會隨著年齡的增長而不可避免地下降,隨著血液中eNAMPT水平的下降,下丘腦失去了正常運作的能力,壽命縮短。給老年小鼠補充eNAMPT,似乎是提高NAD+燃料產(chǎn)量、防止衰老的一種途徑。從年輕小鼠血液中提取eNAMPT,并把它輸給老年小鼠,發(fā)現(xiàn)老年小鼠在健康方面有顯著的改善,對記憶和認知功能性能測試表現(xiàn)更好,運動更活躍。當(dāng)接受eNAMPT治療時,老年小鼠的跑輪行為、睡眠模式與年輕小鼠相似。還發(fā)現(xiàn),eNAMPT也存在于人類細胞外囊泡中。因此,未來應(yīng)該研究eNAMPT水平低是否與老年人的疾病有關(guān),以及在細胞外囊泡中補充eNAMPT是否可以作為老年人的抗衰老干預(yù)措施[12]。

一項隨機臨床試驗探討用年輕人血漿治療AD的安全性、耐受性和可行性，結(jié)果表明,年輕人新鮮冷凍血漿輸注治療是安全的、耐受性良好且可行的。該研究的局限性在于樣本量小、持續(xù)時間短和研究設(shè)計的變化。這些結(jié)果值得在更大的雙盲安慰劑對照臨床試驗中進一步探索[13]。

3.3.2 注入年輕腦脊液 腦脊液是一種存在于大腦與脊髓中的液體,可以說是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的“血漿”,對正常的大腦發(fā)育至關(guān)重要,但隨著年齡增長,腦脊液的功能也在衰退。美國Wyss-Coray團隊從年輕小鼠的腦室中提取液體,研究能否通過腦脊液的輸注恢復(fù)老年大腦的活力；結(jié)果表明,年輕小鼠的腦脊液提升了老年小鼠的記憶力,并促進了少突膠質(zhì)前體細胞的增殖與分化。進一步借助單細胞RNA測序技術(shù),揭示了記憶中心海馬體中的變化。少突膠質(zhì)細胞在神經(jīng)元末端生產(chǎn)一種名為髓磷脂的神經(jīng)元外側(cè)脂質(zhì)。如果將神經(jīng)元連接看作電線,那么覆蓋在神經(jīng)元周圍的髓磷脂就相當(dāng)于電線的絕緣層,它們保護神經(jīng)元,并且促進神經(jīng)元的高效交流。但隨著年齡增長,新生的少突膠質(zhì)細胞減少,髓磷脂產(chǎn)量也相應(yīng)地下降,失去絕緣層保護的神經(jīng)元的交流也受到阻礙。而在植入年輕腦脊液之后,這個過程得到了加強。那么,年輕腦脊液究竟是通過哪些信號分子提升了老年小鼠的記憶力?他們發(fā)現(xiàn),一種成纖維細胞生長因子Fgf17可能是其中的關(guān)鍵。當(dāng)他們將這種蛋白注入老年小鼠的腦脊液中,即使沒有年輕的腦脊液,這些小鼠的記憶力也得到了改善。相反,給年輕小鼠注射Fgf17抗體后,這些年輕小鼠的記憶力也下降[14]。

當(dāng)然,要想利用這項研究的發(fā)現(xiàn)開發(fā)出真正有效的療法,還有很長的路要走。畢竟,在人體中提取、植入腦脊液,無論是技術(shù)還是倫理上,都面臨著巨大挑戰(zhàn)。相比之下,更可能實現(xiàn)的轉(zhuǎn)化方式是利用小分子藥物來模擬Fgf17蛋白的作用,這也需要大量的后續(xù)研究。此外,除Fgf17外,是否還有其他蛋白質(zhì)會影響記憶,也需要更多研究來確認。期待這項研究將成為一個起點,為基于這類蛋白質(zhì)的潛在療法打開全新的大門。從血液到腦脊液,這些不斷涌現(xiàn)的新發(fā)現(xiàn)或許最終能逆轉(zhuǎn)大腦衰老。

3.3.3 腸道菌群移植 人體內(nèi)和體表生活的微生物對健康產(chǎn)生影響并隨年齡變化。那些導(dǎo)致慢性炎癥、代謝功能紊亂和衰老相關(guān)疾病的微生物,可能會逐漸取代“友好”微生物——對新陳代謝和免疫系統(tǒng)產(chǎn)生有益影響的那些微生物。腸道微生物塑造局部免疫,也可能影響大腦的衰老,增加神經(jīng)退行性疾病風(fēng)險。愛爾蘭Cork大學(xué)的研究團隊發(fā)現(xiàn),移植年輕小鼠的腸道菌群給老年小鼠,能抵消小鼠大腦中與衰老相關(guān)的特定改變。研究人員將年輕小鼠(3～4月齡)或老年小鼠(19～20月齡)的糞菌移植給老年小鼠(19～20月齡),觀察腸道菌群的變化對免疫及腦功能的影響。有研究報道腸道菌群是宿主免疫的重要一環(huán),而免疫系統(tǒng)對與海馬體相關(guān)的認知行為有著重要影響,因此免疫系統(tǒng)很可能是衰老進程中腸道菌群與大腦功能改變的關(guān)鍵交叉點。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn),老年小鼠身上與衰老相關(guān)的免疫系統(tǒng)改變,在移植年輕小鼠菌群之后發(fā)生了逆轉(zhuǎn),獲得年輕小鼠糞菌移植的老年小鼠大腦也恢復(fù)了活力,并含有與年輕小鼠大腦相似的代謝物和基因調(diào)控模式。此外,在一些關(guān)于學(xué)習(xí)、記憶和焦慮的認知測試中,年輕小鼠的糞菌移植也改善了老年小鼠的行為[15]。西班牙奧維耶多大學(xué)CarlosLópez-Otín團隊研究發(fā)現(xiàn),兩種不同的早衰小鼠模型都有腸道生態(tài)失調(diào)的特征,它們腸道菌群中的Proteobacteria菌和Cyanobacteria菌增多,而Verrucomicrobia菌減少。這一結(jié)果與人類早衰癥患者腸道菌群生態(tài)失調(diào)結(jié)果類似,此外,他們還研究了百歲老人的腸道菌群,發(fā)現(xiàn)Proteobacteria菌減少和Verrucomicrobia菌增多。研究人員移植了健康小鼠的腸道菌群給早衰癥小鼠,改善了早衰癥小鼠的健康狀況和壽命,并且單獨移植Verrucomicrobia菌也可以延長早衰癥小鼠壽命。表明衰老與腸道微生物群之間存在聯(lián)系,糾正與老化相關(guān)腸道菌群生態(tài)失調(diào)是有益的,這為基于腸道菌群干預(yù)與衰老相關(guān)疾病提供了理論基礎(chǔ)[16]。這表明,為促進健康老齡化,腸道菌群有作為治療靶標的潛力。

3.3.4 清除衰老細胞 細胞衰老代表了一種細胞命運,其表現(xiàn)為穩(wěn)定的增殖阻滯,并常伴隨產(chǎn)生一種被稱為“衰老相關(guān)分泌表型”(SASP)的分泌。細胞衰老是器官乃至個體衰老的驅(qū)動力,衰老細胞通過其分泌物包括細胞因子、趨化因子、生長因子、蛋白酶和細胞外囊泡等可誘導(dǎo)鄰近細胞衰老,引起衰老細胞在器官組織累積,導(dǎo)致器官發(fā)生衰老,生理功能下降。衰老細胞在組織器官累積會導(dǎo)致衰老相關(guān)功能退化和疾病。因此,近年發(fā)展起來的特異清除衰老細胞有可能成為一種同時實現(xiàn)改善健康壽命和減少多種與年齡相關(guān)的功能障礙的延緩衰老新策略。

嵌合抗原受體T細胞(CAR-T)治療已經(jīng)在某些血液腫瘤取得了成功,這些經(jīng)過基因工程改造的T細胞可準確地裂解靶細胞。清除積累的衰老細胞已成為CAR-T細胞治療研究中的一個新領(lǐng)域。美國Scott W.Lowe和Michel Sadelain研究團隊在小鼠模型中使用嵌合抗原受體CAR-T細胞靶向抑制衰老細胞的候選靶標——尿激酶型纖溶酶原激活劑受體(uPAR)。uPAR與細胞外基質(zhì)重塑相關(guān),在復(fù)制、致癌基因誘導(dǎo)和毒性誘導(dǎo)的衰老細胞表面上調(diào)。細胞毒性CAR-T細胞能夠在體外和體內(nèi)選擇性地清除表達uPAR的衰老細胞。小鼠模型中,CAR-T細胞介導(dǎo)的衰老細胞清除改善了存活率和組織病理學(xué)特征,表明這種衰老細胞清除療法的可行性和潛力[17]。然而,uPAR-CAR-T細胞雖然在清除衰老細胞、改善衰老表型上看到了作用,但稍過量的CAR-T會導(dǎo)致促炎細胞因子表達、體重減輕和體溫過低等不良反應(yīng)。另外,衰老細胞清除療法的CAR-T細胞可能具有自我限制的特性,它們的擴張和消退會在幾天內(nèi)發(fā)生,在急性到亞急性不良反應(yīng)的情況下是有風(fēng)險的,因此在臨床給藥前還需進一步優(yōu)化和測試[18]。

北京大學(xué)的鄧宏魁團隊創(chuàng)新性地發(fā)展了一種新型的前體藥物開發(fā)策略,即基于溶酶體β-半乳糖苷酶(β-gal)的活性增加(衰老細胞的主要特征)來設(shè)計新化合物——前體藥物SSK1。SSK1進入衰老細胞,可被衰老細胞中β-gal酶代謝激活發(fā)揮作用,靶向清除衰老細胞而不影響非衰老細胞活性。體外研究發(fā)現(xiàn),SSK1可以選擇性殺死不同種屬、不同細胞類型以及不用刺激因子誘導(dǎo)的衰老細胞。體內(nèi)研究表明,SSK1處理后,老年小鼠多個組織β-gal陽性的衰老細胞數(shù)量減少,同時衰老相關(guān)基因如p16和p21的表達也被下調(diào),說明SSK1可以有效清除老年小鼠中多個組織的衰老細胞,緩解年齡相關(guān)的機體功能衰退。另外,一系列實驗證明了該藥物的安全性。這項研究表明,溶酶體β-gal可作為一個選擇性清除衰老細胞的有效靶點,從而為開發(fā)延緩衰老藥物提供了新的策略[19]。然而,這種療法可能會在具有高SA-β-gal活性的非衰老細胞中(如活化的巨噬細胞)受到脫靶效應(yīng)的影響。

此外,清除p16陽性的星膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞,可以抑制神經(jīng)膠質(zhì)的累積,減少大腦皮質(zhì)和海馬區(qū)神經(jīng)元的退化,從而保持小鼠的認知功能[20]。這些研究揭示了靶向清除衰老細胞有望改善衰老導(dǎo)致的慢性疾病包括神經(jīng)退行性疾病。