陳映泉 鐘勇

衰老常伴隨著生理功能的進(jìn)行性減退,是包括心血管疾病(cardiovascular diseases,CVDs)在內(nèi)的慢性病的主要危險(xiǎn)因素,嚴(yán)重影響人們的生活質(zhì)量。人們?cè)谝簧锌偸请y以避免地反復(fù)暴露于各種潛在有害刺激,這可能導(dǎo)致器官組織功能、結(jié)構(gòu)乃至整體健康的差異,使生物學(xué)年齡和時(shí)序年齡分離[1]。目前,我國CVDs的患病率處于持續(xù)上升階段,且在城鄉(xiāng)居民疾病死亡構(gòu)成比中占首位,本文旨在綜述心血管老化的發(fā)生機(jī)制、生物標(biāo)志物及可能的治療方法,以期為CVDs提供更多的治療靶點(diǎn)。

1 心血管老化的特點(diǎn)

隨著年齡的增長,血管形態(tài)上呈現(xiàn)出管腔擴(kuò)大、管壁增厚及僵硬度增加的特點(diǎn);功能上表現(xiàn)為對(duì)收縮性因子更敏感而對(duì)舒張性因子反應(yīng)降低,且血管新生能力減退[2]。細(xì)胞衰老是血管老化的直接原因,血管內(nèi)皮細(xì)胞及血管平滑肌細(xì)胞(vascular smooth muscle cells,VSMCs)的衰老通過各種機(jī)制影響血管的結(jié)構(gòu)和功能,增加CVDs的易感性。

心臟由多種類型的細(xì)胞組成,包括心肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞等[3]。衰老過程中心肌細(xì)胞數(shù)量減少、體積增大,其收縮功能受損、起搏頻率增加,并能分泌衰老相關(guān)分泌表型(senescence-associated secretory phenotype,SASP)因子,通過旁分泌途徑誘導(dǎo)鄰近細(xì)胞衰老。心臟老化常伴隨著左心室肥厚、左心室收縮功能減退,最終導(dǎo)致泵血儲(chǔ)備、心率儲(chǔ)備的減少[1]。

2 心血管老化的相關(guān)機(jī)制

2.1 細(xì)胞衰老與SASP 細(xì)胞衰老是一種與細(xì)胞類型和環(huán)境相關(guān)的異質(zhì)性表型,特征是不可逆轉(zhuǎn)的細(xì)胞周期停滯于G1/S或G2期,從而失去增殖潛能。衰老又可以分為復(fù)制性衰老和應(yīng)激誘導(dǎo)的過早衰老等亞型。心血管老化以細(xì)胞的衰老為基礎(chǔ),其參與了心臟纖維化、動(dòng)脈粥樣硬化、心肌梗死等CVDs的發(fā)生發(fā)展。衰老的細(xì)胞具有復(fù)雜的SASP,可分泌各種細(xì)胞因子、趨化因子、生長因子、生物活性脂類等,參與介導(dǎo)慢性炎癥、誘導(dǎo)心臟成纖維細(xì)胞的激活等[4-5]。例如,免疫細(xì)胞的衰老可導(dǎo)致SASP釋放積累和持續(xù),加劇動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的形成。研究顯示,動(dòng)脈粥樣硬化斑塊部位的衰老M1巨噬細(xì)胞釋放SASPs,可增強(qiáng)斑塊的氧化應(yīng)激,導(dǎo)致斑塊不穩(wěn)定和破裂;在頸動(dòng)脈粥樣硬化斑塊部位發(fā)現(xiàn)衰老的Th1和Th17 CD4+輔助性T淋巴細(xì)胞數(shù)量增加,可分泌大量的IL-17、IL-21、IL-23,加速斑塊進(jìn)展[6]。

2.2 端粒磨損 端粒是染色體末端的串聯(lián)重復(fù)序列,隨著每一輪體細(xì)胞復(fù)制逐漸變短。然而,有絲分裂后心肌細(xì)胞處于低增殖狀態(tài),免受復(fù)制應(yīng)激的影響,其衰老表型可能由包括氧化應(yīng)激的DNA 損傷劑誘導(dǎo),氧化應(yīng)激會(huì)優(yōu)先導(dǎo)致位于端粒內(nèi)的 DNA 損傷,稱為端粒相關(guān)灶(telomere-associated foci,TAF)。在生理衰老過程中,人類和小鼠的心肌細(xì)胞會(huì)積累TAF,通過激活p16和p21途徑誘導(dǎo)衰老,并且獨(dú)立于端?？s短而發(fā)生[7]。此外,有研究證明,白細(xì)胞端粒長度(leucocyte telomere length,LTL)與梗阻性及非梗阻性肥厚型心肌病呈負(fù)相關(guān),并與梗阻型心肌病的嚴(yán)重程度相關(guān);動(dòng)脈粥樣硬化病人的LTL也比同齡健康人短[8]。

端粒逆轉(zhuǎn)錄酶(telomerase reverse transcriptase,TERT)除了可以通過維持端粒抗衰老外,還具有獨(dú)立于端粒保存的活性。特別是,線粒體定位的TERT表達(dá)可改善線粒體功能,減少線粒體活性氧的產(chǎn)生。由于心肌細(xì)胞的有絲分裂后性質(zhì),TERT不太可能在廣泛增殖過程中上調(diào)以維持端粒;相反,TERT上調(diào)可以通過防止線粒體功能障礙和氧化應(yīng)激,從而防止DNA損傷和細(xì)胞衰老[9]。

2.3 表觀遺傳改變 DNA甲基化是最常見的DNA修飾,可作為生物年齡的標(biāo)志物評(píng)估衰老程度。“表觀遺傳學(xué)時(shí)鐘”可基于CpG位點(diǎn)的甲基化水平,量化表觀遺傳漂移對(duì)細(xì)胞、組織衰老的影響[10]。

衰老細(xì)胞中也常觀察到組蛋白甲基化和乙酰化。在成年心肌細(xì)胞中,組蛋白賴氨酸去甲基化酶 4D(lysine demethylase 4D,KDM4D)表達(dá)增加,可使啟動(dòng)子處H3組蛋白第9個(gè)賴氨酸三基甲基化(lysine 9 of histone H3,H3K9me3)水平下降,導(dǎo)致細(xì)胞增殖和細(xì)胞周期基因表達(dá)增加,從而逆轉(zhuǎn)細(xì)胞周期退出[11]。Sirtuins(SIRT)則是一類依賴于NAD+的組蛋白脫乙酰酶家族,SIRT1可使組蛋白去乙酰化,從而在心肌細(xì)胞中抑制SASP的轉(zhuǎn)錄,在內(nèi)皮細(xì)胞中通過調(diào)節(jié)內(nèi)皮型一氧化氮合酶減少氧化損傷,適度過表達(dá)SIRT1可延緩心肌細(xì)胞衰老[12]。

非編碼RNA中的microRNAs(miRs)和lncRNA已被證實(shí)可以調(diào)節(jié)心血管的衰老及CVDs的進(jìn)展。有研究表明,心臟中miRs簇(包括miR-17、miR-18a、miR-19a、miR-20a、miR-19b和miR-92a)與年齡相關(guān)性的減少,可促進(jìn)心臟纖維化和硬化;此外,miR-22在老化的心臟中上調(diào)時(shí),也會(huì)誘導(dǎo)心臟成纖維細(xì)胞加速衰老[3,13]。lncRNAs則主要通過與核糖核蛋白、miR結(jié)合,及與DNA片段結(jié)合3種機(jī)制在心臟再生和發(fā)育中起作用。例如,過表達(dá)lncRNA H19可通過抑制miR-19a刺激p53/p21信號(hào)通路來促進(jìn)心肌細(xì)胞衰老; IncRNA SNHG12可與DNA依賴性蛋白激酶結(jié)合,其敲除可導(dǎo)致DNA損傷修復(fù)受損,從而加速血管老化及動(dòng)脈粥樣硬化的形成[3,14]。

2.4 線粒體功能障礙和氧化應(yīng)激 線粒體功能障礙、活性氧自由基(reactive oxygen species,ROS)產(chǎn)生增加以及相關(guān)的氧化應(yīng)激會(huì)激活DNA 損傷反應(yīng)并導(dǎo)致衰老。老年小鼠的心肌細(xì)胞表現(xiàn)為大多數(shù)線粒體基因的表達(dá)下降,包括那些涉及電子傳遞鏈的基因。在衰老過程中,線粒體形態(tài)經(jīng)歷了融合和分裂的動(dòng)態(tài)變化,其中Mfn1/Mfn2介導(dǎo)融合,Drp1介導(dǎo)分裂。一項(xiàng)研究表明,與單獨(dú)敲除心肌細(xì)胞Drp1或單獨(dú)敲除Mfn1/Mfn2的小鼠相比,同時(shí)敲除Mfn1/Mfn2/Drp1的小鼠存活時(shí)間更長,并且表現(xiàn)為一種獨(dú)特的心臟肥厚病理形式,說明線粒體分裂和融合過程的失衡比其動(dòng)力學(xué)的整體中斷更有害[15]。此外,線粒體自噬是線粒體質(zhì)量的控制途徑。有研究證明,在心臟中,必要的自噬基因Atg9的表達(dá)隨著小鼠年齡的增長而下降[16]。自噬調(diào)節(jié)因子Parkin的過表達(dá)則可恢復(fù)線粒體自噬,有效延緩心臟衰老[17]。

2.5 其他心血管老化的可能機(jī)制 衰老誘導(dǎo)是公認(rèn)的化療反應(yīng),癌癥幸存者總體上表現(xiàn)出加速的衰老表型,通常表現(xiàn)為包括心臟事件在內(nèi)的與衰老相關(guān)的合并癥增加。蒽環(huán)類藥物是研究最深入的引起心臟毒性的化療藥物之一,常用藥物阿霉素以DNA損傷為主要治療機(jī)制,可在體外誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞和心肌細(xì)胞衰老。研究表明,心肌細(xì)胞特異性過度表達(dá) TERT可以通過防止線粒體功能障礙和ROS生成,從而避免阿霉素誘導(dǎo)的心臟功能障礙。由此可見,明顯的DNA損傷特性加上線粒體功能障礙和(或)ROS是心肌細(xì)胞衰老的驅(qū)動(dòng)因素[9,18-19]。

此外,病毒感染可能與心血管老化相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn),急性心血管并發(fā)癥與嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒 2(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2,SARS-CoV-2) 感染有關(guān),且年齡是感染后死亡和發(fā)病的最大風(fēng)險(xiǎn)。雖然SARS-CoV-2與衰老之間的相互作用尚未完全了解,但有研究表明,消除衰老細(xì)胞可提高老年冠狀病毒感染小鼠的存活率,由此可見,病毒感染可能通過誘導(dǎo)心血管老化導(dǎo)致心血管事件的發(fā)生[20]。

3 心血管老化的標(biāo)志物

衰老細(xì)胞具有高度的表型異質(zhì)性,完全特異性的生物標(biāo)志物很難被發(fā)現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn),β-半乳糖苷酶(SAβ-galactosidase,SA-βgal)、p16在人動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的內(nèi)皮細(xì)胞和VSMCs中均有高表達(dá)。目前,鑒定心血管老化最常用的組合是測(cè)量pH 6.0時(shí)SA-βgal和p16INKA的表達(dá)。

心血管系統(tǒng)細(xì)胞的SASP以抗增殖蛋白、炎性細(xì)胞因子、基質(zhì)金屬蛋白酶、黏附分子和SIRT的合成變化為特征。其中,炎性細(xì)胞因子中的IL-6和IL-8廣泛存在于各種衰老細(xì)胞類型中,被認(rèn)為是普遍存在的衰老標(biāo)志物;但I(xiàn)L-6和IL-8也參與各種炎癥和免疫反應(yīng),并不是衰老細(xì)胞特有的。趨化因子配體1(melanoma growth-stimulatory activity,CXCLI)、粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子(granulocyte-macrophage colony-stimulating factor,GM-CSF)、金屬蛋白酶等SASP因子特異性也不強(qiáng)。因此SASP因子不適合單獨(dú)作為心血管系統(tǒng)細(xì)胞衰老的生物標(biāo)志物,但有時(shí)候也可以被用作一種差異性衰老細(xì)胞的生物標(biāo)志物[21]。

此外,LTL與肥胖、血脂、血壓和炎癥生物標(biāo)志物等多種CVDs危險(xiǎn)因素密切相關(guān),LTL縮短與血管細(xì)胞衰老、主動(dòng)脈瓣狹窄和動(dòng)脈粥樣硬化血栓形成風(fēng)險(xiǎn)增加相關(guān),可作為心血管老化的生物標(biāo)志物[22]。

抑癌基因p53/p21、增殖標(biāo)記蛋白Ki-67、載脂蛋白J、衰老相關(guān)異染色質(zhì)聚集、層粘連蛋白B1和層粘連蛋白B受體等特異性較低的細(xì)胞衰老生物標(biāo)志物可以被用作補(bǔ)充[6,23]。

4 抗心血管老化的治療方法

4.1 衰老細(xì)胞清除劑 很多動(dòng)物研究已經(jīng)證明,消除體內(nèi)積累的衰老細(xì)胞可以延長健康壽命。酪氨酸激酶抑制劑達(dá)沙替尼和類黃酮槲皮素是首批測(cè)試用于治療CVDs的藥物。這些藥物均可以通過激活A(yù)MPK、sirtuin1-PINK1介導(dǎo)的線粒體自噬和NRF-NF-κB信號(hào)通路誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡,從而消除衰老的內(nèi)皮細(xì)胞和VSMCs[4]。研究證明,槲皮素和達(dá)沙替尼聯(lián)合給藥可改善老年小鼠左心室收縮功能,同時(shí)可以改善血管舒縮功能并減輕主動(dòng)脈鈣化[3]。此外,槲皮素和達(dá)沙替尼聯(lián)合給藥后觀察到血管內(nèi)皮功能和血管平滑肌對(duì)硝普鈉的敏感性顯著改善,但對(duì)平滑肌收縮功能沒有任何影響[24]。

BCL-2家族蛋白抑制劑(BH3類似物)可選擇性清除衰老細(xì)胞,使衰老的組織干細(xì)胞恢復(fù)活力。研究證明,ABT263可消除老年小鼠衰老的心肌細(xì)胞,并減少纖維化和心肌細(xì)胞肥大;改善心力衰竭小鼠左心室收縮功能;也可促進(jìn)心肌梗死后小鼠衰老心肌細(xì)胞的清除,改善心臟舒張功能,提高小鼠存活率;并能顯著預(yù)防接受高脂肪飲食的 Ldlr-/-小鼠主動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生[24-25]。

強(qiáng)心苷(cardiac glycosides,CGs)對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化具有潛在的抗衰老作用,其作為 Na+-K+-ATP 酶的抑制劑,可促進(jìn)細(xì)胞膜去極化和細(xì)胞質(zhì)酸化。衰老細(xì)胞對(duì)CGs誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡敏感,因?yàn)樗鼈儽憩F(xiàn)出去極化的質(zhì)膜和比非衰老細(xì)胞更低的pH值。也有研究發(fā)現(xiàn),洋地黃毒苷具有抗衰老特性,其用藥劑量與治療心力衰竭和心房顫動(dòng)的劑量相似[26]。

此外,阿螺旋霉素作為HSP90抑制劑已被證明可降低p16INKA表達(dá),延長早衰小鼠的壽命并改善小鼠的動(dòng)脈粥樣硬化[24,27]。β-羥基丁酸通過與異構(gòu)核糖核蛋白A1(heterogeneous nuclear ribonucleoprotein particle A1,HNRPA1)相互作用上調(diào)Oct4的表達(dá),誘導(dǎo)細(xì)胞靜止來防止血管細(xì)胞衰老,減輕小鼠主動(dòng)脈老化[28]。溶酶體SA-βgal前藥SSK1可被SA-βgal特異性激活,獨(dú)立于衰老誘導(dǎo)物和細(xì)胞類型選擇性地消除衰老細(xì)胞[29]。

其他正在研究的非常規(guī)治療方法包括各種抗炎和免疫調(diào)節(jié)方法(免疫療法、抗體和疫苗),這些方法可以抑制 CVDs 相關(guān)的炎癥途徑,目前主要集中于動(dòng)脈粥樣硬化性心血管疾病。例如,尿激酶型纖溶酶原激活物受體是一種在衰老過程中被廣泛誘導(dǎo)的細(xì)胞表面蛋白,其特異性CAR-T細(xì)胞可有效地消融衰老細(xì)胞[30]。一種主要靶向表達(dá)高水平GPNMB的內(nèi)皮細(xì)胞的抗衰老疫苗,也被證實(shí)可減少肥胖和動(dòng)脈粥樣硬化小鼠模型的動(dòng)脈粥樣硬化斑塊負(fù)擔(dān)和代謝功能障礙[31]。

4.2 SASP抑制劑 SASP抑制劑可以通過抑制NF-κB信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、JAK-STAT信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶mTOR、線粒體復(fù)合體1/線粒體復(fù)合體4相關(guān)的靶標(biāo)或參與SASP誘導(dǎo)和維持的其他通路,直接或間接減少衰老細(xì)胞的SASP[32]。例如,二甲雙胍不僅可以增強(qiáng)自噬,而且可以減少SASP,從而改善衰老VSMC的增殖和遷移,減少動(dòng)脈斑塊的形成[33]。雷帕霉素及其類似物可通過誘導(dǎo)自噬抑制衰老,抑制內(nèi)皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞中的SASP。此外,他汀類藥物、利伐沙班、一些草藥提取物(如白藜蘆醇)、小分子物質(zhì)(如ML324)、激素(如褪黑素、雄激素、雌激素、雌二醇和糖皮質(zhì)激素等)也顯示出抗SASP的活性[4,24]。

4.3 外源性細(xì)胞為基礎(chǔ)的產(chǎn)品 衰老過程伴隨著干細(xì)胞數(shù)量和功能的下降,外源性干細(xì)胞及其細(xì)胞外囊泡可以清除衰老細(xì)胞的活性并在心臟保護(hù)中發(fā)揮重要作用。骨髓源性間充質(zhì)干細(xì)胞可清除衰老細(xì)胞并改善衰老小鼠的心功能,多能干細(xì)胞可防止心肌細(xì)胞源性細(xì)胞應(yīng)激誘導(dǎo)的衰老。而干細(xì)胞細(xì)胞外囊泡不僅具有強(qiáng)大的抗衰老活性,也更不容易發(fā)生排斥或?qū)е履[瘤形成[4]。研究證明,鈉-葡萄糖共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白抑制劑恩格列凈預(yù)處理的間充質(zhì)干細(xì)胞外囊泡可通過抑制心肌凋亡顯著改善心肌梗死后的心臟修復(fù),miR-214-3p通過AKT信號(hào)通路部分介導(dǎo)了其心肌保護(hù)作用[34]。

4.4 基因治療 端?？s短是細(xì)胞衰老的重要機(jī)制,編碼端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶的Tert基因可能成為干預(yù)衰老的一個(gè)靶點(diǎn)。此外,NF-κB是炎癥的中樞介質(zhì),被認(rèn)為是SASP的主要調(diào)節(jié)因子,其抑制基因IκBα已被確定為潛在的治療靶點(diǎn)。編碼血管內(nèi)皮生長因子的VEGF基因是干預(yù)衰老的另一個(gè)靶基因,可通過再生或修復(fù)血管延緩血管老化。

衰老是一個(gè)整體性過程,組合基因療法可能產(chǎn)生更大的保護(hù)價(jià)值。利用腺相關(guān)病毒載體介導(dǎo)FGF21、TGFβR2、αKlotho的共表達(dá)可以減輕包括心臟在內(nèi)的多個(gè)與衰老相關(guān)的器官缺陷。

4.5 生活方式的干預(yù) 不良的生活方式,如熬夜、過多熱量攝入可以加速衰老,而適量運(yùn)動(dòng)、健康飲食則可以延緩衰老的進(jìn)程。適度運(yùn)動(dòng)可能通過調(diào)節(jié)線粒體功能、炎癥、SASP和調(diào)脂作用對(duì)免疫衰老和與年齡相關(guān)的疾病產(chǎn)生有益影響。飲食干預(yù)還可以通過表觀遺傳改變和修改腸道微生物種群來影響與年齡相關(guān)的健康[4]。

5 結(jié)論和展望

年齡是CVDs的獨(dú)立危險(xiǎn)因素,而處于相同年齡的不同個(gè)體心血管生物年齡也可能有較大的差別,這說明衰老可導(dǎo)致正常組織功能的喪失進(jìn)而導(dǎo)致疾病的發(fā)生發(fā)展,而疾病也可能反過來加速生物體衰老的速度。我們對(duì)心血管老化研究的最終目的就是找到合適的干預(yù)手段影響其進(jìn)程,以期延緩CVDs的進(jìn)展,然而很多問題亟待解決。首先,衰老是一個(gè)整體的、復(fù)雜的生物學(xué)過程,其發(fā)生機(jī)制間具有強(qiáng)相關(guān)性,如何采取干預(yù)措施延緩衰老進(jìn)程的同時(shí)又不妨礙正常的組織功能需要進(jìn)行綜合考慮。此外,細(xì)胞衰老具有高度表型異質(zhì)性,目前尚未發(fā)現(xiàn)完全特異性的標(biāo)志物鑒定不同衰老細(xì)胞的存在及器官老化的程度,這也為心血管老化的靶向治療帶來了難度。目前很多針對(duì)心血管老化的藥物治療、細(xì)胞替代治療、基因治療尚處于臨床試驗(yàn)甚至是實(shí)驗(yàn)室階段,安全性、有效性還有待評(píng)估。