2022細胞衰老與慢性阻塞性肺疾病相關(guān)性研究進展(全文)

1、2022 細胞衰老與慢性阻塞性肺疾病相關(guān)性研究進展（全文）摘要慢性阻塞性肺疾病（簡稱慢阻肺）是一種嚴重危害人類健康的常見病、多 發(fā)病。有觀點認為慢阻肺患者存在過早的生物學(xué)衰老現(xiàn)象。細胞衰老是指 細胞發(fā)生不可逆的永久性細胞周期停滯的狀態(tài) , 是機體衰老的細胞學(xué)基礎(chǔ)。細胞衰老與慢阻肺關(guān)系密切且復(fù)雜。煙草煙霧作為慢阻肺最主要的危險因 素，所致的氧化應(yīng)激與衰老的多種機制密切相關(guān)，導(dǎo)致細胞衰老以及衰老 相關(guān)分泌表型（ senescence-associated secretory phenotype, SASP）。細胞衰老參與慢性氣道炎癥和肺氣腫的發(fā)生發(fā)展，并與慢阻肺合并癥有關(guān)。 慢阻肺的缺氧、 炎癥微

2、環(huán)境、 反復(fù)感染等能夠促使細胞衰老并進一步累積， 細胞衰老可能既是慢阻肺發(fā)生的原因，又是其發(fā)展的結(jié)果，靶向細胞衰老 的療法可能為慢阻肺提供新的治療策略，現(xiàn)就細胞衰老在慢阻肺發(fā)生發(fā)展 中的作用研究進展做一簡要綜述。慢性阻塞性肺疾?。ê喎Q慢阻肺）是呼吸系統(tǒng)的常見病、多發(fā)病，以持續(xù) 氣流受限為特征并呈進行性發(fā)展，嚴重危害人類呼吸健康。流行病學(xué)調(diào)查 顯示我國 40 歲以上成年人患病率約為 13.6% 1。慢阻肺的患病率隨著 年齡的增長而增加，文獻報道慢阻肺患者的衰老特征生物學(xué)標(biāo)志物脫氫表 雄酮（dehydroepiandrosterone , DHEA ）和生長激素 （growth hormoneGH

3、 ）存在變異，慢阻肺患者的生物年齡實際上可能比非慢阻肺對照組大1323 歲，提示慢阻肺患者存在過早的細胞生物學(xué)衰老 2 。研究細胞衰 老( cellular senescence )在慢阻肺中的致病機理及其相關(guān)性有助于為制 定預(yù)防和治療慢阻肺提供新的策略。現(xiàn)就細胞衰老與慢阻肺的相關(guān)性綜述 如下。一、細胞衰老的定義 細胞衰老是一種不可逆的細胞周期停滯狀態(tài)，是衰老疾病加速的特征。細 胞衰老可發(fā)生在重復(fù)的復(fù)制后，由端粒逐漸磨損以及 DNA 損傷反應(yīng)活化 導(dǎo)致腫瘤抑制因子 p53 激活產(chǎn)生復(fù)制性衰老； 或者可由于氧化應(yīng)激、 電離 輻射或細胞毒性療法等引起細胞應(yīng)激，激活細胞周期蛋白依賴性激酶抑制 劑 p

4、16INK4 產(chǎn)生應(yīng)激相關(guān)的衰老。這些途徑相互作用并且同時激活細胞 周期蛋白依賴性激酶抑制劑 p21CIP1 ，從而通過抑制細胞周期蛋白依賴性 激酶 -2/4 導(dǎo)致細胞周期停滯 3。與凋亡細胞相反， 衰老細胞具有代謝活 性，并可能通過多種炎癥蛋白的分泌影響其他細胞，稱為衰老相關(guān)分泌物表型(se nesce need-related secretory phe no type, SASP),這些 SASP介質(zhì)可通過自分泌及旁分泌方式誘導(dǎo)該細胞本身和周圍細胞進一步衰老， 從而放大和擴散細胞衰老 4 。隨著年齡的增長,衰老細胞的積累導(dǎo)致 SASP 誘導(dǎo)的促炎癥狀態(tài)在各種年齡相關(guān)的疾病中起著中心作用。

5、二、慢阻肺的細胞衰老表現(xiàn)及機制 吸煙是慢阻肺最重要的危險因素,老鼠暴露于煙草煙霧中會增加肺中p16表達細胞的數(shù)量,表明吸煙可能通過加速肺衰老導(dǎo)致慢阻肺的發(fā)生。在慢4, 5 。阻肺患者的肺中也發(fā)現(xiàn)了肺泡上皮和內(nèi)皮細胞等衰老細胞的積聚 細胞衰老參與慢阻肺的機制主要有以下幾個方面。1. 氧化應(yīng)激：氧化應(yīng)激是加速衰老的關(guān)鍵驅(qū)動力，煙草煙霧中含有大量的 有毒化學(xué)物質(zhì)，包括氧源性代謝物或活性氧( reactive oxygen species ， ROS)， ROS 的過度積累會損害蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和DNA 的正常結(jié)構(gòu) 6，進而引起細胞衰老。研究發(fā)現(xiàn)，慢阻肺患者的呼吸道、肺部和血液中氧化 應(yīng)激標(biāo)志物增加， 如

6、過氧化氫、 一氧化氮、 8- 異前列腺素等脂質(zhì)過氧化物， 以及硝基酪氨酸和氮氧化物 6，暴露于煙草煙霧會增加鼠肺中p16 表達細胞的數(shù)量 7，提示接觸煙草煙霧而產(chǎn)生的氧化應(yīng)激很可能是慢阻肺細 胞衰老的重要誘因。氧化應(yīng)激的增加可由煙草煙霧中的大量氧化劑引起， 也與中性粒細胞和巨噬細胞等多種炎性細胞持續(xù)活化有關(guān)，戒煙后由于活 化炎性細胞的持續(xù)存在可導(dǎo)致氧化應(yīng)激狀態(tài)持續(xù)存在80 ROS通過激活核因子 E2-相關(guān)因子 2 (nuclear factor E2-related factor 2， Nrf2 )促進抗氧化基因的表達，從而產(chǎn)生生物防御作用，而慢阻肺中應(yīng)對氧化應(yīng)激 和煙草煙霧抗氧化反應(yīng)的不足，

7、可能是由于 Nrf2 的水平降低或激活缺陷 所致9。上述結(jié)果提示氧化劑及抗氧化失衡在細胞衰老中發(fā)揮重要作用。2. 端?？s短： 端粒是位于染色體末端的重復(fù)核苷酸序列( TTAGGG )，是防止細胞分裂過程中關(guān)鍵 DNA 丟失和染色體融合的保護帽。隨著細胞不斷 分裂，端粒逐漸縮短，導(dǎo)致細胞衰老或者細胞凋亡，但端粒縮短可以被端 粒酶部分抵消，以維持細胞有限次數(shù)的分裂。與有正常肺功能的吸煙者相 比，慢阻肺患者的循環(huán)白細胞中發(fā)現(xiàn)端?？s短的程度更大，在肺氣腫患者 的肺泡上皮和內(nèi)皮細胞中也發(fā)現(xiàn)端粒較短 10 。小鼠端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶 ( telomerase reverse transcriptase ， TE

8、RT ) 和端 粒酶 RNA 成 分(telomerase RNA component, TERC)的敲除導(dǎo)致肺泡細胞復(fù)制性衰老和低度肺部炎癥，伴有 IL-1 、IL-6 、鼠類 C-X-C 模塊趨化因子配體 8(C-X-C motif chemokine ligand 8, CXCL8，也稱為 IL-8 )和 C-C 模塊趨化因子配體 2 ( C-C motif chemokine ligand 2，CCL2 )的升高，表明端?？s短是如何導(dǎo)致類似慢阻肺的肺部疾病11 , TERC基因敲除小鼠接觸煙草煙霧后， 肺氣腫表現(xiàn)增加。 氧化應(yīng)激反應(yīng)可以損害端粒酶活性， 從而可能直接導(dǎo)致端?？s短。 端粒

9、縮短反過來引起 p21 激活， 導(dǎo)致細胞衰 老并釋放 IL-6 和 CXCL8 等促炎性介質(zhì)。與年齡相匹配的非吸煙對照者相 比，體外培養(yǎng)慢阻肺患者肺內(nèi)皮細胞端粒酶活性減少，與端粒較短有關(guān)， 進而增加細胞衰老和 SASP 反應(yīng) 4。3. 線粒體功能障礙：慢阻肺與線粒體活性氧產(chǎn)生增加、細胞內(nèi)抗氧化劑減 少和線粒體數(shù)量減少有關(guān)。長期吸煙會引起線粒體破碎，導(dǎo)致氣道上皮細 胞中特定線粒體裂變/融合標(biāo)記物、復(fù)合物U、川和V等氧化磷酸化蛋白和 氧化應(yīng)激表達增加，在慢阻肺患者的上皮細胞中發(fā)現(xiàn)了類似的變化，但程 度相對正常吸煙者更甚。抑制素( prohibitins )位于線粒體內(nèi)膜，在其生 長發(fā)育過程及維持正

10、常功能中發(fā)揮作用，吸煙者的上皮細胞上，抑制素1表達減少，慢阻肺患者更甚，提示慢阻肺患者線粒體功能障礙。在伴有肌ROS肉乏力的慢阻肺患者的骨骼肌中也發(fā)現(xiàn)了線粒體功能障礙，線粒體產(chǎn)生增加和數(shù)量減少 4 。衰老過程中端?？s短與線粒體功能障礙是相互 影響和促進的 12 4. 激 活 mTOR 信 號傳導(dǎo)：磷酸肌醇 -3- 激 酶 ( phosphatidylinositol 3-kinase ，PI3K )-絲氨酸-蘇氨酸激酶( serine-threonine kinase ，AKT) - 哺乳動物雷帕霉素靶標(biāo)( mammalian target of rapamycin， mTOR )途徑的信號通

11、路對于細胞衰老和衰老至關(guān)重要，動物實驗證實雷帕霉素對 該途徑的抑制可以延長許多物種的壽命。 通過下游激酶 AKT 的磷酸化測量， 慢阻肺患者的肺、上皮細胞和外周血單核細胞中， PI3K 激活增加 5。 mTOR ( mammalian target of rapamycin complex，mTORC )有兩個復(fù)合體，即 mTORC1 和 mTORC2 ，其中前者在生長中發(fā)揮最重要的作用， mTORC1 復(fù)合體在慢阻肺中是被激活的， 磷酸化的 S6 激酶增加可作為證 明， 并且 被雷 帕霉 素非 常有 效地抑 制 13 。由 ROS 驅(qū)動 的 PI3K-AKT-mTOR 途徑激活具有多種下游效

12、應(yīng)，包括抑制與壽命有關(guān)的 FOXO 轉(zhuǎn)錄因子，失活并降低 sirtuin-1 活性，進而加速衰老進程 14 。5. 抗衰老分子減少：抗衰老分子沉默調(diào)節(jié)蛋白(sirtuins )是高度保守的NAD+ 依賴性酶，在抵抗應(yīng)激、基因組穩(wěn)定性和能量代謝中起一定作用。 目前哺乳動物中已發(fā)現(xiàn)的 7 個沉默調(diào)節(jié)蛋白， 多集中在沉默交配型信息調(diào) 控 2 同源物 1 (silent mating type information regulation 2 homolog 1，SIRT1 )和 SIRT6 上，均與延長哺乳動物壽命有關(guān)。 SIRT1 可使相關(guān)轉(zhuǎn) 錄因子和調(diào)節(jié)蛋白脫乙酰化，與炎癥、抗氧化劑表達、 DN

13、A 修復(fù)、線粒 體功能、蛋白穩(wěn)態(tài)及自噬有關(guān) 5。文獻報道吸煙者和慢阻肺患者的巨噬細胞和肺中的 SIRT1 水平降低，并且 SIRT1 在調(diào)節(jié)吸煙者和慢阻肺患者 肺部核因子 -kappa B 依賴的促炎介質(zhì)中起關(guān)鍵作用。煙草煙霧暴露的慢 阻肺患者氣道上皮細胞中也發(fā)現(xiàn) SIRT6 降低，進而導(dǎo)致細胞衰老和自噬受 損。其他抗衰老分子， 如 Klotho 和衰老標(biāo)記蛋白 30( senescence marker protein 30 ， SMP30 )，也在慢阻肺細胞衰老上有一定的意義 4。6. 干細胞衰竭：干細胞衰竭是衰老的特征，是肺氣腫和肺損傷修復(fù)障礙的 機制。U型肺泡細胞是I型肺泡細胞的祖細胞

14、，慢阻肺患者中也發(fā)現(xiàn)了其 衰老的證據(jù) 4。通過研究 40 例肺癌患者的腫瘤和正常肺組織中分離出 的成纖維細胞的增殖能力，發(fā)現(xiàn)合并有慢阻肺的患者的成纖維細胞增殖能 力顯著降低 15。這些都提示慢阻肺患者干細胞的衰竭以及組織再生能 力的喪失。慢阻肺中干細胞的耗竭，可能是因為持續(xù)的氧化應(yīng)激通過激活 PI3K/AKT 信號通路，并進一步促進 ROS 的產(chǎn)生，從而抑制 FOXO ( forkhead transcription factor)介導(dǎo)的應(yīng)激反應(yīng)和自噬，迫使細胞脫離靜止并進入更增殖的狀態(tài) 4。7. DNA 損傷修復(fù)缺陷： 在慢阻肺患者的肺部有氧化應(yīng)激增加的記錄， 吸煙 誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激不僅影響肺

15、損傷的起始過程，還會誘導(dǎo)上皮細胞和干細胞 的細胞衰老 16。連接氧化應(yīng)激和細胞衰老的重要機制是 DNA 的氧化 損傷。與不吸煙者相比，吸煙者和慢阻肺患者的肺外周和 2 型肺泡細胞中 的 8-OH-2dG (8-hydroxy-2 '-deoxyguanosine )有所增加，表明了 DNA的氧化損傷 4。在正常吸煙者中 ，表示堿基切 除和修復(fù)位點的 apurinic/apyrimidinic ( AP )位點增加提示 DNA 鏈斷裂損傷得到有效修 復(fù)。但 AP 在慢阻肺的組織中沒有增加表明雙鏈 DNA 斷裂修復(fù)失敗，其 機制與 DNA 修復(fù)蛋白 Ku86 的缺乏有關(guān) 4 。慢阻肺患者

16、DNA 修復(fù)機 制的缺陷可能導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定和細胞衰老。8. 表觀遺傳變化：最近針對慢阻肺細胞衰老的研究主要聚焦在表觀遺傳改變方面，它不涉及 DNA 結(jié)構(gòu)的改變， 但會導(dǎo)致基因表達的長期變化。 DNA甲基化在衰老表觀遺傳改變中扮演著重要的角色17，針對慢阻肺患者肺組織全基因組 DNA 甲基化的分析，提示 DNA甲基化可能與個體對慢阻肺的易感性有關(guān) 18 ，而吸煙可以導(dǎo)致 DNA甲基化，這與遺傳變異所影響的位點不同，而且在戒煙后可能不會消失19。研究發(fā)現(xiàn)年齡對肺組織的基因表達有很大的影響， 其中 3 509 個基因在老化的肺組織中有 差異表達，對慢阻肺患者和非慢阻肺對照組的最終分析顯示，參與細胞

17、外 基質(zhì)、 mTOR 信號、內(nèi)含子和外顯子剪接以及核糖體復(fù)合物的基因在慢阻 肺異常肺老化中可能發(fā)揮作用20 。Lamin是一種中間纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)的核膜，其功能包括控制細胞核結(jié)構(gòu)、染色質(zhì)組織、基因定位、 DNA 復(fù)制 和修復(fù)、細胞周期進程、應(yīng)激反應(yīng)、增殖和分化。 lamin 的變化與衰老有 很 強 的 聯(lián) 系 ， 例 如 ： lamin 的 突 變 導(dǎo) 致 了 過 早 衰 老 疾 病 (Hutchinson-Gilfordprogeria )綜合征和非典型 Werner 綜合征。暴露于煙草煙霧的小鼠肺和慢阻肺患者肺組織的 lamin B1 水平減少，并通 過異常的 mTOR 信號通路參與了慢阻肺發(fā)

18、病過程中細胞衰老的進程 219. 免疫衰老：呼吸道感染是慢阻肺發(fā)病和加劇的另一重要因素，黏膜纖毛清除受損以及衰老相關(guān)的先天和適應(yīng)性免疫力降低，包括肺泡巨噬細胞、 樹突狀細胞和中性粒細胞的功能降低，可能導(dǎo)致肺部感染的易感性增加 22。同時在慢阻肺中，免疫力降低也可導(dǎo)致低水平的慢性炎癥反應(yīng)， 來自慢阻肺患者的 CD8+CD28null 細胞的核酶組蛋白脫乙酰基酶 2 ( nuclear enzyme histone deacetylase-2，HDAC2 )表達降低，并且是皮質(zhì)類固醇抵抗的。自身免疫是免疫衰老的另一種表現(xiàn)，自身抗體的產(chǎn) 生增加可能導(dǎo)致進一步的組織損傷。在慢阻肺中，直接針對內(nèi)皮細胞和

19、暴 露于氧化應(yīng)激而形成的羰基化蛋白質(zhì)的自身抗體數(shù)量增加。自身免疫的增 加與Th17與調(diào)節(jié)性T細胞(regulatory T cell , Treg )之間的失衡有關(guān)， 慢阻肺患者的痰中 Th17 細胞與 Treg 細胞的比率是升高的。 在疾病條件下， 失去關(guān)鍵的 Treg 轉(zhuǎn)錄因子 Foxp3 ， Treg 細胞甚至可以轉(zhuǎn)化為 Th17 細胞 4。三、慢阻肺細胞衰老的干預(yù)措施l.mTOR 通路調(diào)節(jié)劑：5-腺苷-磷酸激活激酶(adenosine5 '-monophosphate-activated protein kinase， AMPK )在細胞中被低水平的三磷酸腺苷(adenosin

20、e triphosphate，ATP)激活，并抑制 mTOR激活。二甲雙胍可通過激活 AMPK 從而抑制 mTOR 信號傳導(dǎo)，可減輕小 鼠彈性蛋白酶誘導(dǎo)的肺氣腫 23 。來自臺灣的一項大型回顧性研究發(fā)現(xiàn)， 使用二甲雙胍的 2 型糖尿病患者相比未使用患者，慢阻肺患病風(fēng)險降低24。這提示作為糖尿病治療藥物的二甲雙胍，有可能用于慢阻肺的治療。雷帕霉素通過對 mTOR 通路的抑制誘導(dǎo)自噬，增加 sirtuin-1 表達， 延長了小鼠的壽命 5，已在慢阻肺患者外周血單個核細胞中發(fā)現(xiàn)了 mTOR 激活，雷帕霉素治療恢復(fù)了皮質(zhì)類固醇的敏感性 25 。但是雷帕 霉素具有多種不良反應(yīng)，包括貧血，肺炎，以及傷口愈

21、合延遲，使其不適 合長期使用。因此將來需要篩選出有效且毒副作用小的雷帕霉素類似物。2.Senolytic 藥物： Senolytic 藥物是選擇性誘導(dǎo)衰老細胞凋亡的藥物。隨 著年齡的增長，衰老細胞在許多組織中積累，并出現(xiàn)在多種慢性疾病的病 理部位，衰老細胞不僅不能自我修復(fù)，而且可以分泌生長因子、細胞因子 和蛋白酶，從而驅(qū)動衰老相關(guān)的發(fā)病機制，尋找并破壞或沉默衰老細胞可 以作為預(yù)防和治療衰老相關(guān)疾病的策略。在動物研究中，使用基因或藥理 方法靶向衰老細胞可延遲、 預(yù)防或緩解多種與年齡相關(guān)的表型、 慢性疾病、 老年綜合征和生理彈性喪失 26 。例如：使用半胱天冬酶激活系統(tǒng)，去 除表達 p16INK4

22、a 的衰老細胞， 通過延緩器官衰竭和癌癥的發(fā)展來延長小 鼠的壽命 27 ，然而在慢阻肺小鼠模型中， p16INK4a 基因敲除的小鼠 在暴露于慢性煙草煙霧后，并沒有表現(xiàn)出肺部炎癥的減弱以及肺功能的改 變，這與 p16 可能不是導(dǎo)致慢阻肺疾病進展的唯一關(guān)鍵因素有關(guān) 28 。 已經(jīng)有幾種 Senolytic 藥物通過篩選，包括天然存在的多酚槲皮素和細胞 毒素劑 navitoclax ( ABT263 )。達沙替尼和槲皮素的混合物可以選擇性殺 傷衰老細胞， 與對照組相比， 間歇療法可將老年小鼠的壽命延長 36% ，并 將死亡風(fēng)險降低至 65% 29 。間歇服用抗衰老制劑是有效的，例如，達 沙替尼和槲

23、皮素的半衰期只有幾個小時，但單一短療程可減少腿部輻射的影響至少 7 個月 26 。間歇給藥不僅可以減少副作用發(fā)生，也提示在慢 阻肺穩(wěn)定期給予 Senolytic 藥物的可行性。但是，最近針對 4 種潛在的 Senolytic 藥物: ABT-263 、槲皮素、煙酰胺核苷和達那唑，在人間充質(zhì)基 質(zhì)細胞( mesenchymal stromal cells ， MSCs )復(fù)制衰老過程中的作用 分析顯示，只有 ABT-263 對人間充質(zhì)干細胞顯示出抗衰老作用，同時， 這種化合物的治療也不能使間充質(zhì)干細胞在端粒長度或表觀遺傳衰老特 征方面恢復(fù)活力 30 ，因此仍需尋找更有效的 Senolytic 藥物。3.其他制劑：更加有效且毒副作用可控的抗衰老分子修復(fù)或激活劑、抗氧 化劑也有望在將來應(yīng)用到臨床上。白藜蘆醇通過 sirtuin-1 的激活，可延 長多種物種的壽命，包括小鼠。但是，白藜蘆醇和相關(guān)的飲