线粒体检测技术在衰老及衰老相关疾病中的应用前景

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人体衰老生物标志物检测与衰老机制研究

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蔡剑平医学博士,国家老年医学中心/北京医院研究员,国家卫健委北京老年医学研究所所长,中国医学科学院老年医学研究院副院长,国家卫健委老年医学重点实验室主任,北京协和医学院博士研究生导师,北京大学医学部博士研究生导师。
人口老龄化是21世纪我国社会经济发展中的重大国情。截至2019年底,我国60岁以上老龄人口已达到2.54亿,占总人口的18.1%。我国人均预期寿命已达77.0岁,但人均健康预期寿命仅为68.7岁,平均有8年多时间处于带病生存状态。
健康老龄化是应对人口老龄化的国际共识。我们面临的老龄对健康影响的诸多问题正是老年人健康水平提升的空间所在。系统全面地从衰老机制研究入手,解决好健康老龄化与衰老和老年疾病防治研究的问题,将是从“以疾病治疗为中心”向“以健康促进为中心”转变的重要途径。
衰老是绝大部分生物机体从生殖成熟后开始加速的、具有普遍性、渐进性、累积性、内生性和危害性的生命过程。在此过程中机体功能逐渐减弱、患病机率增加,最终死亡。但是对同一年龄的老年人来说,个体的生理功能和心理功能的差异是很大的,有些人疾病缠身,而有些人则依然身强体壮、精力充沛。进入老年期后每个人健康状态表现出极大差异的现象,表明每个人的衰老过程是有着程度与速度的不同的。
衰老是相对于年龄而言的。我们将出生后按日历计算的年龄称为年代(时间)年龄,而将根据衰老程度来计算的年龄称为生理年龄。人体是以不同的速度衰老的,通常认为年代(时间)年龄只是一个固定的数字,为了准确的衡量衰老过程,我们需要区分年代(时间)年龄和生理年龄。与年代(时间)年龄相比,生理年龄的个体差异不仅很大,而且更能代表真实的衰老程度,是有效量化个体衰老程度的标准,也就是说能够确定一个人的生理年龄就能确定一个人的衰老程度,从另一个方面表示个体的健康程度。如何确定每个人的生理年龄呢?衰老的生物学标志是判断和区别年代(时间)年龄与生理年龄的标志之一。理想的衰老生物学标志物的产生有赖于全面的衰老机制研究。



衰老机制研究与衰老特征
本期我们介绍了西班牙国家癌症研究中心等欧洲科学家发表在国际顶级科学刊物Cell(2013 June 6;153(6):1194-1217)上关于衰老特征的综述,系统的介绍了用各种模式生物到人的衰老机制的研究成果,并将哺乳动物的衰老归结为九项共性特征。这些特征包括:基因组不稳定性(genomic instability),端粒缩短(telomere attrition),表观遗传学改变(epigenetic alterations),蛋白内稳态丧失(loss of proteostasis),营养物感应失调(deregulated nutrient sensing),线粒体功能异常(mitochondrial dysfunction),细胞衰老(cellular senescence),干细胞耗竭(stem cell exhaustion)和细胞间信息通讯改变(altered intercellular communication)。
以上哺乳动物衰老的九项特征是具有一定程度层次相互关联。在增龄和衰老过程中DNA损伤累积所致的基因组不稳定性、线粒体DNA突变以及端粒缩短、表观遗传学改变和蛋白质稳态丧失是机体内外环境对细胞持续性损伤的结果、这些损伤对细胞是负性的,也是衰老的原发性特征。随着年龄的推移,原发性损伤所代表的损伤效应会进行性累积,细胞衰老、线粒体功能障碍和营养物感应失调是针对这些损伤的应答反应,也是衰老的拮抗性特征。根据其强度不同衰老的拮抗性特征具有两面性,在较低水平可介导良性效应,而在较高水平则产生恶性效应,如细胞衰老可防御机体癌变,但一旦反应过度,则会促进衰老;同理,活性氧可介导细胞信号转导与存活,但在慢性高水平的活性氧状态下则会导至细胞损伤;同样适当的营养物感应和合成代谢显然对细胞存活相当重要,但若过度则亦可导至疾病的发生。当衰老的原发性特征和拮抗性特征无法通过组织稳态机制实现代偿时,则会出现衰老的整合性特征,即干细胞耗竭和细胞间信息交换改变,直接影响机体的稳态和功能。



衰老特征的检测技术
无数科学家在进行衰老机制研究的同时研发了大量衰老特征的检测体系,发现了大量衰老的生物学标志。并且在跨越模式生物到人的反复验证和评价中诞生了可用于人体衰老评估的生物学标志物和检测技术,开始从生物学和基础医学实验室走向临床检测实践。
本期我们邀请了十多位奋斗在衰老标志物检测体系研发和临床应用一线的优秀的中青年科学家,介绍了随着多组学技术的进步对各种衰老标志物检测,特别是这些衰老标志物在衰老及相关疾病诊断中的进展。
1、基因组衰老标志物
衰老的一个共同的特点是基因损伤的累积。这种基因损伤的类型有多种形式,包括细胞核DNA损伤的累积,如DNA的突变、染色体的易位或缺失、染色体非整倍体和拷贝数变异;线粒体DNA损伤的累积,如线粒体DNA的突变和缺失;染色体端粒区发生的增龄性DNA损伤累积造成的端粒缩短;以及在表观遗传学中DNA的甲基化修饰。
本期介绍了端粒检测技术在衰老及衰老相关疾病中的应用,端粒的结构与功能,端粒与衰老发生的机制,端粒损耗与动脉粥样硬化、阿尔兹海默病、骨髓衰竭症、癌症等衰老相关疾病发病的相关性。介绍了端粒长度和端粒酶活性的检测技术。
本期介绍了线粒体检测技术在衰老及衰老相关疾病中的应用,线粒体在衰老机制中的作用,线粒体在阿尔茨海默症、帕金森氏病、肌萎缩测索硬化症等衰老相关疾病发病中的作用。介绍了线粒体基因组检测技术,线粒体氧化呼吸链检测技术、线粒体基因组衰老的检测技术、线粒体健康指数的评估等检测技术。
本期介绍了免疫组库检测技术在衰老评估中的应用。T细胞受体(TCR)和B细胞受体(BCR)在淋巴细胞成熟过程中发生基因重排,产生了很大的多样性。随着高通量测序技术的普及,使捕获和检测数目巨大的TCR和BCR基因重排成为可能。本期介绍了免疫组库重排原理、免疫组库的检测技术和免疫组库的信息分析技术,免疫组库多样性与衰老的相关性,以及免疫组库在衰老疾病中的应用。
在表观遗传改变领域,本期选择了应用较为广泛的DNA甲基化、用于衰老评估和疾病诊断的介绍。并介绍了外周血样本中游离DNA(cell free DNA, cfDNA) 的甲基化可用于癌症的检测以及癌症治疗效果评估的新进展。
2、代谢组衰老标志物
代谢组学作为一种高通量的组学技术,可以对生物样本中的代谢物谱进行全面表征分析,能够提供不同于基因组学和蛋白质组学的新视角。
代谢组学通过检测细胞、组织或生物体对外界刺激或扰动后代谢产物图谱的动态变化,研究生物体系整体代谢变化情况及其应答变化规律的一种技术。代谢组学可以对分子量在1000Da以下的小分子化合物进行定性定量检测。
目前对代谢物进行定性定量的检测技术主要有两种,一种是液质联用技术(LC-MS/MS),另一种是核磁共振技术(NMR)。NMR技术虽然定量重现性较好,但是灵敏度低,通常只能检测丰度比较高的代谢物,而质谱技术兼备色谱的高分离度、高通量及质谱的普适性、高灵敏度和特异性。
大量研究表明,代谢过程产生的分子层面的损伤累积是衰老发生的驱动因素,与衰老相关疾病的发病有密切联系。这些损伤不仅局限于氧化损伤,还影响到包括体内酶催化反应产物的变化、基因表达的异常、转录和翻译的错误以及DNA突变等。这些分子层面的损伤形式多样、随着年龄的增长而增加。
本期介绍了代谢组学技术在衰老和衰老相关疾病研究中的应用。详细地介绍了代谢组学技术在衰老机制研究中的应用和代谢组衰老标志物的发现。代谢组学检测技术在神经系统退行性疾病、脑卒中、心衰等衰老相关疾病中的应用。
本期编译了两篇新近刊出的尿液中的8-oxoGsn对衰弱患者的研究报告。尿液中的8-oxoGsn是我们研究团队应用液质联用(LC-MS/MS)技术首先发现的新的衰老标志物,是基因组不稳定性研究和核酸氧化代谢组学基础研究的原创性研究成果。近十年来这个衰老标志物在疾病的发生机制、临床疾病的转归、以及健康的评估方面做了大量的探索,逐渐的从基础研究开始向临床转化。研究表明尿液中的8-oxoGsn具有对生理年龄和衰老程度量化评价的潜力。
3、蛋白组衰老标志物
蛋白质是一类复杂的生物分子,具有多种结构和功能。如何以高通量的方式对其进行研究一直是一个巨大的挑战。近年来的研究表明,免疫应答、信号通路中的关键因子、衰老过程中自身抗体(Autoantibody)等蛋白质水平的变化可能与细胞衰老、免疫系统改变、神经退行性疾病的发生等密切相关。
本期介绍了蛋白质芯片技术在衰老及衰老相关疾病研究中的应用,蛋白质芯片技术所发现的衰老时自身抗体的变化、蛋白质芯片在长寿人群的研究、以及在神经退行性疾病中应用的最新进展。
抗体芯片技术对细胞、组织、体液等各种类型临床样本中的蛋白质组可进行定性和定量分析,具有通量高、灵敏度好、实验过程简单等技术优势。本期介绍了抗体芯片技术及其在衰老和衰老相关疾病研究中的应用,抗体芯片技术在细胞老化机制研究中的应用,抗体芯片技术在衰老相关疾病阿尔兹海默病,心血管疾病,肿瘤研究中的应用。
本期请北京医院神经内科神经免疫实验室主任殷剑教授介绍了老年重症肌无力致病抗原和抗体临床意义的判断和检测方法。凝聚了北京医院神经免疫实验室几代专家依托神经免疫检测技术探索老年重症肌无力诊疗的宝贵经验。
本期还介绍了肠道菌群参与宿主衰老过程的作用,以及作为抗衰老干预目标对促进健康的效果。近年来肠道菌群对人类健康、衰老和长寿中的作用研究取得了很大进展,但这一新兴领域仍存在诸多局限性和挑战,仍需要进一步研究和完善。



衰老机制研究的目的是延长人类的健康寿命
衰老所带来的机能减退和患病率增加严重影响老年人生活质量,影响到健康长寿的人类愿望。在人类普遍长寿的今天,衰老机制研究的目的就是为了寻找干预的靶标以改善老年期的机体健康水平,为了延长人类的健康寿命。目前的研究提示了一些可能的靶基因和信号通路与机体寿命和健康状态密切相关。
胰岛素/IGF-1信号通路的研究结果提示,饮食限制可延长寿命或健康寿命。mTOR基因的研究提示,小鼠衰老过程中其下丘脑神经元的mTOR活性增加,从而导至增龄性肥胖;而通过下丘脑内直接注射雷帕霉素可逆转该现象。由胰岛素/IGF-1信号通路和mTORC1通路介导的营养和合成代谢的活性增强是衰老的主要促进因素,应用雷帕霉素亦可延长小鼠寿命。
另外,还存在两种营养物感应器,即AMPK和sirtuins。与胰岛素/IGF-1信号通路和mTOR的作用相反,针对营养匮乏和分解代谢产生效应,而非针对营养过盛和合成代谢。AMPK和sirtuins表达上调有益于健康老龄化。激活AMPK会对代谢产生多重效应,特别是关闭mTORC1。有证据显示,蠕虫和小鼠应用二甲双胍后可通过激活AMPK使其寿命延长。
哺乳动物有7种sirtuin同源基因,研究表明至少有三个成员SIRT1、SIRT3和SIRT6有利于健康老龄化。sirtuins通过发现高水平NAD+以感应低能量状态。NAD作为辅酶或者底物参与细胞内多种生物学反应,如能量代谢,DNA损伤修复,线粒体功能等。人体细胞内的NAD是随着年龄的增长而逐渐降低的,补充NAD前体NMN,被证明可以有效的升高小鼠体内的NAD的含量,激活NAD相关信号通路,延长小鼠寿命。近几年,抗衰老物质NMN引起了各界广泛关注与功效验证研究。
随着生物学技术的日新月异,延缓机体衰老已经从愿望变为可能。延长人类的健康寿命、提高老龄人群的生命质量、减少整个社会的医疗负担是老年医学工作者的使命。促进老龄健康,减少老年疾病是促进中国社会经济可持续发展的必然要求,也是国家富强和人民幸福的重要标志。为此,通过广大生物医学工作者的努力尽快将前沿的衰老机制研究成果转化为人民群众的福祉是值得期待和有望实现的事业了。

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