2022细胞衰老与慢性阻塞性肺疾病相关性研究进展(全文)

1、2022 细胞衰老与慢性阻塞性肺疾病相关性研究进展（全文）摘要慢性阻塞性肺疾病（简称慢阻肺）是一种严重危害人类健康的常见病、多 发病。有观点认为慢阻肺患者存在过早的生物学衰老现象。细胞衰老是指 细胞发生不可逆的永久性细胞周期停滞的状态 , 是机体衰老的细胞学基础。细胞衰老与慢阻肺关系密切且复杂。烟草烟雾作为慢阻肺最主要的危险因 素，所致的氧化应激与衰老的多种机制密切相关，导致细胞衰老以及衰老 相关分泌表型（ senescence-associated secretory phenotype, SASP）。细胞衰老参与慢性气道炎症和肺气肿的发生发展，并与慢阻肺合并症有关。 慢阻肺的缺氧、 炎症微

2、环境、 反复感染等能够促使细胞衰老并进一步累积， 细胞衰老可能既是慢阻肺发生的原因，又是其发展的结果，靶向细胞衰老 的疗法可能为慢阻肺提供新的治疗策略，现就细胞衰老在慢阻肺发生发展 中的作用研究进展做一简要综述。慢性阻塞性肺疾病（简称慢阻肺）是呼吸系统的常见病、多发病，以持续 气流受限为特征并呈进行性发展，严重危害人类呼吸健康。流行病学调查 显示我国 40 岁以上成年人患病率约为 13.6% 1。慢阻肺的患病率随着 年龄的增长而增加，文献报道慢阻肺患者的衰老特征生物学标志物脱氢表 雄酮（dehydroepiandrosterone , DHEA ）和生长激素 （growth hormoneGH

3、 ）存在变异，慢阻肺患者的生物年龄实际上可能比非慢阻肺对照组大1323 岁，提示慢阻肺患者存在过早的细胞生物学衰老 2 。研究细胞衰 老( cellular senescence )在慢阻肺中的致病机理及其相关性有助于为制 定预防和治疗慢阻肺提供新的策略。现就细胞衰老与慢阻肺的相关性综述 如下。一、细胞衰老的定义 细胞衰老是一种不可逆的细胞周期停滞状态，是衰老疾病加速的特征。细 胞衰老可发生在重复的复制后，由端粒逐渐磨损以及 DNA 损伤反应活化 导致肿瘤抑制因子 p53 激活产生复制性衰老； 或者可由于氧化应激、 电离 辐射或细胞毒性疗法等引起细胞应激，激活细胞周期蛋白依赖性激酶抑制 剂 p

4、16INK4 产生应激相关的衰老。这些途径相互作用并且同时激活细胞 周期蛋白依赖性激酶抑制剂 p21CIP1 ，从而通过抑制细胞周期蛋白依赖性 激酶 -2/4 导致细胞周期停滞 3。与凋亡细胞相反， 衰老细胞具有代谢活 性，并可能通过多种炎症蛋白的分泌影响其他细胞，称为衰老相关分泌物表型(se nesce need-related secretory phe no type, SASP),这些 SASP介质可通过自分泌及旁分泌方式诱导该细胞本身和周围细胞进一步衰老， 从而放大和扩散细胞衰老 4 。随着年龄的增长,衰老细胞的积累导致 SASP 诱导的促炎症状态在各种年龄相关的疾病中起着中心作用。

5、二、慢阻肺的细胞衰老表现及机制 吸烟是慢阻肺最重要的危险因素,老鼠暴露于烟草烟雾中会增加肺中p16表达细胞的数量,表明吸烟可能通过加速肺衰老导致慢阻肺的发生。在慢4, 5 。阻肺患者的肺中也发现了肺泡上皮和内皮细胞等衰老细胞的积聚 细胞衰老参与慢阻肺的机制主要有以下几个方面。1. 氧化应激：氧化应激是加速衰老的关键驱动力，烟草烟雾中含有大量的 有毒化学物质，包括氧源性代谢物或活性氧( reactive oxygen species ， ROS)， ROS 的过度积累会损害蛋白质、脂质和DNA 的正常结构 6，进而引起细胞衰老。研究发现，慢阻肺患者的呼吸道、肺部和血液中氧化 应激标志物增加， 如

6、过氧化氢、 一氧化氮、 8- 异前列腺素等脂质过氧化物， 以及硝基酪氨酸和氮氧化物 6，暴露于烟草烟雾会增加鼠肺中p16 表达细胞的数量 7，提示接触烟草烟雾而产生的氧化应激很可能是慢阻肺细 胞衰老的重要诱因。氧化应激的增加可由烟草烟雾中的大量氧化剂引起， 也与中性粒细胞和巨噬细胞等多种炎性细胞持续活化有关，戒烟后由于活 化炎性细胞的持续存在可导致氧化应激状态持续存在80 ROS通过激活核因子 E2-相关因子 2 (nuclear factor E2-related factor 2， Nrf2 )促进抗氧化基因的表达，从而产生生物防御作用，而慢阻肺中应对氧化应激 和烟草烟雾抗氧化反应的不足，

7、可能是由于 Nrf2 的水平降低或激活缺陷 所致9。上述结果提示氧化剂及抗氧化失衡在细胞衰老中发挥重要作用。2. 端粒缩短： 端粒是位于染色体末端的重复核苷酸序列( TTAGGG )，是防止细胞分裂过程中关键 DNA 丢失和染色体融合的保护帽。随着细胞不断 分裂，端粒逐渐缩短，导致细胞衰老或者细胞凋亡，但端粒缩短可以被端 粒酶部分抵消，以维持细胞有限次数的分裂。与有正常肺功能的吸烟者相 比，慢阻肺患者的循环白细胞中发现端粒缩短的程度更大，在肺气肿患者 的肺泡上皮和内皮细胞中也发现端粒较短 10 。小鼠端粒酶逆转录酶 ( telomerase reverse transcriptase ， TE

8、RT ) 和端 粒酶 RNA 成 分(telomerase RNA component, TERC)的敲除导致肺泡细胞复制性衰老和低度肺部炎症，伴有 IL-1 、IL-6 、鼠类 C-X-C 模块趋化因子配体 8(C-X-C motif chemokine ligand 8, CXCL8，也称为 IL-8 )和 C-C 模块趋化因子配体 2 ( C-C motif chemokine ligand 2，CCL2 )的升高，表明端粒缩短是如何导致类似慢阻肺的肺部疾病11 , TERC基因敲除小鼠接触烟草烟雾后， 肺气肿表现增加。 氧化应激反应可以损害端粒酶活性， 从而可能直接导致端粒缩短。 端粒

9、缩短反过来引起 p21 激活， 导致细胞衰 老并释放 IL-6 和 CXCL8 等促炎性介质。与年龄相匹配的非吸烟对照者相 比，体外培养慢阻肺患者肺内皮细胞端粒酶活性减少，与端粒较短有关， 进而增加细胞衰老和 SASP 反应 4。3. 线粒体功能障碍：慢阻肺与线粒体活性氧产生增加、细胞内抗氧化剂减 少和线粒体数量减少有关。长期吸烟会引起线粒体破碎，导致气道上皮细 胞中特定线粒体裂变/融合标记物、复合物U、川和V等氧化磷酸化蛋白和 氧化应激表达增加，在慢阻肺患者的上皮细胞中发现了类似的变化，但程 度相对正常吸烟者更甚。抑制素( prohibitins )位于线粒体内膜，在其生 长发育过程及维持正

10、常功能中发挥作用，吸烟者的上皮细胞上，抑制素1表达减少，慢阻肺患者更甚，提示慢阻肺患者线粒体功能障碍。在伴有肌ROS肉乏力的慢阻肺患者的骨骼肌中也发现了线粒体功能障碍，线粒体产生增加和数量减少 4 。衰老过程中端粒缩短与线粒体功能障碍是相互 影响和促进的 12 4. 激 活 mTOR 信 号传导：磷酸肌醇 -3- 激 酶 ( phosphatidylinositol 3-kinase ，PI3K )-丝氨酸-苏氨酸激酶( serine-threonine kinase ，AKT) - 哺乳动物雷帕霉素靶标( mammalian target of rapamycin， mTOR )途径的信号通

11、路对于细胞衰老和衰老至关重要，动物实验证实雷帕霉素对 该途径的抑制可以延长许多物种的寿命。 通过下游激酶 AKT 的磷酸化测量， 慢阻肺患者的肺、上皮细胞和外周血单核细胞中， PI3K 激活增加 5。 mTOR ( mammalian target of rapamycin complex，mTORC )有两个复合体，即 mTORC1 和 mTORC2 ，其中前者在生长中发挥最重要的作用， mTORC1 复合体在慢阻肺中是被激活的， 磷酸化的 S6 激酶增加可作为证 明， 并且 被雷 帕霉 素非 常有 效地抑 制 13 。由 ROS 驱动 的 PI3K-AKT-mTOR 途径激活具有多种下游效

12、应，包括抑制与寿命有关的 FOXO 转录因子，失活并降低 sirtuin-1 活性，进而加速衰老进程 14 。5. 抗衰老分子减少：抗衰老分子沉默调节蛋白(sirtuins )是高度保守的NAD+ 依赖性酶，在抵抗应激、基因组稳定性和能量代谢中起一定作用。 目前哺乳动物中已发现的 7 个沉默调节蛋白， 多集中在沉默交配型信息调 控 2 同源物 1 (silent mating type information regulation 2 homolog 1，SIRT1 )和 SIRT6 上，均与延长哺乳动物寿命有关。 SIRT1 可使相关转 录因子和调节蛋白脱乙酰化，与炎症、抗氧化剂表达、 DN

13、A 修复、线粒 体功能、蛋白稳态及自噬有关 5。文献报道吸烟者和慢阻肺患者的巨噬细胞和肺中的 SIRT1 水平降低，并且 SIRT1 在调节吸烟者和慢阻肺患者 肺部核因子 -kappa B 依赖的促炎介质中起关键作用。烟草烟雾暴露的慢 阻肺患者气道上皮细胞中也发现 SIRT6 降低，进而导致细胞衰老和自噬受 损。其他抗衰老分子， 如 Klotho 和衰老标记蛋白 30( senescence marker protein 30 ， SMP30 )，也在慢阻肺细胞衰老上有一定的意义 4。6. 干细胞衰竭：干细胞衰竭是衰老的特征，是肺气肿和肺损伤修复障碍的 机制。U型肺泡细胞是I型肺泡细胞的祖细胞

14、，慢阻肺患者中也发现了其 衰老的证据 4。通过研究 40 例肺癌患者的肿瘤和正常肺组织中分离出 的成纤维细胞的增殖能力，发现合并有慢阻肺的患者的成纤维细胞增殖能 力显著降低 15。这些都提示慢阻肺患者干细胞的衰竭以及组织再生能 力的丧失。慢阻肺中干细胞的耗竭，可能是因为持续的氧化应激通过激活 PI3K/AKT 信号通路，并进一步促进 ROS 的产生，从而抑制 FOXO ( forkhead transcription factor)介导的应激反应和自噬，迫使细胞脱离静止并进入更增殖的状态 4。7. DNA 损伤修复缺陷： 在慢阻肺患者的肺部有氧化应激增加的记录， 吸烟 诱导的氧化应激不仅影响肺

15、损伤的起始过程，还会诱导上皮细胞和干细胞 的细胞衰老 16。连接氧化应激和细胞衰老的重要机制是 DNA 的氧化 损伤。与不吸烟者相比，吸烟者和慢阻肺患者的肺外周和 2 型肺泡细胞中 的 8-OH-2dG (8-hydroxy-2 '-deoxyguanosine )有所增加，表明了 DNA的氧化损伤 4。在正常吸烟者中 ，表示碱基切 除和修复位点的 apurinic/apyrimidinic ( AP )位点增加提示 DNA 链断裂损伤得到有效修 复。但 AP 在慢阻肺的组织中没有增加表明双链 DNA 断裂修复失败，其 机制与 DNA 修复蛋白 Ku86 的缺乏有关 4 。慢阻肺患者

16、DNA 修复机 制的缺陷可能导致基因组不稳定和细胞衰老。8. 表观遗传变化：最近针对慢阻肺细胞衰老的研究主要聚焦在表观遗传改变方面，它不涉及 DNA 结构的改变， 但会导致基因表达的长期变化。 DNA甲基化在衰老表观遗传改变中扮演着重要的角色17，针对慢阻肺患者肺组织全基因组 DNA 甲基化的分析，提示 DNA甲基化可能与个体对慢阻肺的易感性有关 18 ，而吸烟可以导致 DNA甲基化，这与遗传变异所影响的位点不同，而且在戒烟后可能不会消失19。研究发现年龄对肺组织的基因表达有很大的影响， 其中 3 509 个基因在老化的肺组织中有 差异表达，对慢阻肺患者和非慢阻肺对照组的最终分析显示，参与细胞

17、外 基质、 mTOR 信号、内含子和外显子剪接以及核糖体复合物的基因在慢阻 肺异常肺老化中可能发挥作用20 。Lamin是一种中间纤维蛋白网络的核膜，其功能包括控制细胞核结构、染色质组织、基因定位、 DNA 复制 和修复、细胞周期进程、应激反应、增殖和分化。 lamin 的变化与衰老有 很 强 的 联 系 ， 例 如 ： lamin 的 突 变 导 致 了 过 早 衰 老 疾 病 (Hutchinson-Gilfordprogeria )综合征和非典型 Werner 综合征。暴露于烟草烟雾的小鼠肺和慢阻肺患者肺组织的 lamin B1 水平减少，并通 过异常的 mTOR 信号通路参与了慢阻肺发

18、病过程中细胞衰老的进程 219. 免疫衰老：呼吸道感染是慢阻肺发病和加剧的另一重要因素，黏膜纤毛清除受损以及衰老相关的先天和适应性免疫力降低，包括肺泡巨噬细胞、 树突状细胞和中性粒细胞的功能降低，可能导致肺部感染的易感性增加 22。同时在慢阻肺中，免疫力降低也可导致低水平的慢性炎症反应， 来自慢阻肺患者的 CD8+CD28null 细胞的核酶组蛋白脱乙酰基酶 2 ( nuclear enzyme histone deacetylase-2，HDAC2 )表达降低，并且是皮质类固醇抵抗的。自身免疫是免疫衰老的另一种表现，自身抗体的产 生增加可能导致进一步的组织损伤。在慢阻肺中，直接针对内皮细胞和

19、暴 露于氧化应激而形成的羰基化蛋白质的自身抗体数量增加。自身免疫的增 加与Th17与调节性T细胞(regulatory T cell , Treg )之间的失衡有关， 慢阻肺患者的痰中 Th17 细胞与 Treg 细胞的比率是升高的。 在疾病条件下， 失去关键的 Treg 转录因子 Foxp3 ， Treg 细胞甚至可以转化为 Th17 细胞 4。三、慢阻肺细胞衰老的干预措施l.mTOR 通路调节剂：5-腺苷-磷酸激活激酶(adenosine5 '-monophosphate-activated protein kinase， AMPK )在细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。二甲双胍可通过激活 AMPK 从而抑制 mTOR 信号传导，可减轻小 鼠弹性蛋白酶诱导的肺气肿 23 。来自台湾的一项大型回顾性研究发现， 使用二甲双胍的 2 型糖尿病患者相比未使用患者，慢阻肺患病风险降低24。这提示作为糖尿病治疗药物的二甲双胍，有可能用于慢阻肺的治疗。雷帕霉素通过对 mTOR 通路的抑制诱导自噬，增加 sirtuin-1 表达， 延长了小鼠的寿命 5，已在慢阻肺患者外周血单个核细胞中发现了 mTOR 激活，雷帕霉素治疗恢复了皮质类固醇的敏感性 25 。但是雷帕 霉素具有多种不良反应，包括贫血，肺炎，以及伤口愈

21、合延迟，使其不适 合长期使用。因此将来需要筛选出有效且毒副作用小的雷帕霉素类似物。2.Senolytic 药物： Senolytic 药物是选择性诱导衰老细胞凋亡的药物。随 着年龄的增长，衰老细胞在许多组织中积累，并出现在多种慢性疾病的病 理部位，衰老细胞不仅不能自我修复，而且可以分泌生长因子、细胞因子 和蛋白酶，从而驱动衰老相关的发病机制，寻找并破坏或沉默衰老细胞可 以作为预防和治疗衰老相关疾病的策略。在动物研究中，使用基因或药理 方法靶向衰老细胞可延迟、 预防或缓解多种与年龄相关的表型、 慢性疾病、 老年综合征和生理弹性丧失 26 。例如：使用半胱天冬酶激活系统，去 除表达 p16INK4

22、a 的衰老细胞， 通过延缓器官衰竭和癌症的发展来延长小 鼠的寿命 27 ，然而在慢阻肺小鼠模型中， p16INK4a 基因敲除的小鼠 在暴露于慢性烟草烟雾后，并没有表现出肺部炎症的减弱以及肺功能的改 变，这与 p16 可能不是导致慢阻肺疾病进展的唯一关键因素有关 28 。 已经有几种 Senolytic 药物通过筛选，包括天然存在的多酚槲皮素和细胞 毒素剂 navitoclax ( ABT263 )。达沙替尼和槲皮素的混合物可以选择性杀 伤衰老细胞， 与对照组相比， 间歇疗法可将老年小鼠的寿命延长 36% ，并 将死亡风险降低至 65% 29 。间歇服用抗衰老制剂是有效的，例如，达 沙替尼和槲

23、皮素的半衰期只有几个小时，但单一短疗程可减少腿部辐射的影响至少 7 个月 26 。间歇给药不仅可以减少副作用发生，也提示在慢 阻肺稳定期给予 Senolytic 药物的可行性。但是，最近针对 4 种潜在的 Senolytic 药物: ABT-263 、槲皮素、烟酰胺核苷和达那唑，在人间充质基 质细胞( mesenchymal stromal cells ， MSCs )复制衰老过程中的作用 分析显示，只有 ABT-263 对人间充质干细胞显示出抗衰老作用，同时， 这种化合物的治疗也不能使间充质干细胞在端粒长度或表观遗传衰老特 征方面恢复活力 30 ，因此仍需寻找更有效的 Senolytic 药物。3.其他制剂：更加有效且毒副作用可控的抗衰老分子修复或激活剂、抗氧 化剂也有望在将来应用到临床上。白藜芦醇通过 sirtuin-1 的激活，可延 长多种物种的寿命，包括小鼠。但是，白藜芦醇和相关的饮