Summary of various factors that may contribute to aging

       本文接上文：長(cháng)壽之“道”——抗衰老藥物研發(fā)策略盤(pán)點(diǎn)(上)

       抗衰老藥物研究簡(jiǎn)介

       衰老是一個(gè)復雜和漸進(jìn)的生物學(xué)過(guò)程，涉及每一個(gè)器官和組織廣泛的慢性改變，并且和多種疾病相關(guān)聯(lián)，衰老學(xué)家雖然提出了許多學(xué)說(shuō)，但迄今還不能確定衰老的原因。科學(xué)研究表明，衰老是一個(gè)機體各項變化逐漸積累的過(guò)程，這其中伴隨著(zhù)生物功能的受損、細胞或機體對代謝等應激反應能力的降低等。在過(guò)去的幾十年里，通過(guò)治療干預措施，極大地提高了人類(lèi)的預期壽命。本文即對目前相對較為新穎，潛力較大的抗衰老藥物研究策略做一簡(jiǎn)要總結。

       質(zhì)膜氧化還原系統(PMRS)激活劑

       The plasma membrane redox system

       氧化應激(Oxidative Stress，OS)是指體內氧化與抗氧化作用失衡，傾向于氧化，導致中性粒細胞炎性浸潤，蛋白酶分泌增加，產(chǎn)生大量氧化中間產(chǎn)物。氧化應激是由自由基在體內產(chǎn)生的一種負面作用，并被認為是導致衰老和疾病的一個(gè)重要因素。機體氧化應激狀態(tài)的累積，會(huì )導致大分子結構和功能的改變，并最終產(chǎn)生年齡相關(guān)的生理功能異常。PMRS (plasma membrane redox system)是一種代償機制，可在線(xiàn)粒體功能障礙時(shí)起到保護性作用，幫助細胞對抗氧化應激。所有真核細胞的質(zhì)膜都包含成簇的由多種氧化還原酶組成的質(zhì)膜氧化還原系統。這種無(wú)處不在的系統將電子從細胞內的供體如NADH/抗壞血酸轉移到細胞外受體，從而通過(guò)糖酵解為ATP提供更多的NAD +。PMRS系統通過(guò)維持NAD(P)+ / NAD(P)H的比例而實(shí)現對細胞氧化還原平衡的調節。除了在細胞能量代謝中的作用外，PMRS還具有組織ROS的產(chǎn)生、α-生育酚的再循環(huán)、降低鐵離子的攝入、控制細胞的生長(cháng)和增殖、保持細胞膜的完整性及維持胞外抗壞血酸濃度的功能。如果PMRS活性維持在較高水平，可以延遲衰老的過(guò)程。有報道表明，PMRS介導了植物多酚類(lèi)化合物如白藜蘆醇、槲皮素、EGCG及兒茶酚等的抗氧化功效。據推測，長(cháng)壽的物種往往具有不同尋常的高PMRS活性以幫助他們應對衰老帶來(lái)的氧化應激反應。而褪黑激素的促長(cháng)壽功能也歸結于對PMRS系統的激活。因此，活化PMRS系統是抗衰老藥物開(kāi)發(fā)的一個(gè)很有前途的策略。

       特異性作用于衰老細胞的藥物

       細胞衰老是一種腫瘤抑制機制，常常發(fā)生在伴隨有細胞周期不可逆停滯、基因表達發(fā)生異常改變及對細胞凋亡具有一定抗性的受損細胞。有很多因素都可觸發(fā)細胞的衰老過(guò)程，如端粒的縮短、線(xiàn)粒體依賴(lài)性的促炎癥及促氧化途徑，DNA損傷及遺傳**應激壓力和促癌基因的表達等。研究表明，衰老會(huì )使細胞產(chǎn)生一些促炎癥反應，這些異常表達的物質(zhì)溶解性不定，通常包括白細胞介素、趨化因子、生長(cháng)因子、數種蛋白酶及分泌的不溶性蛋白/胞外基質(zhì)成分。這些因素通過(guò)激活與衰老相關(guān)的一些細胞表面受體及相應的信號轉導通路而改變組織的微環(huán)境。

       Senolytics，一種新型延緩人類(lèi)衰老的藥物，由美國的梅奧醫學(xué)中心(Mayo Clinic)與斯克里普斯研究所于2015年共同研制，其治療原理是通過(guò)消滅人類(lèi)體內的衰老細胞，來(lái)延緩衰老。2015年初，該研究小組確定了第一個(gè)senolytic，這是一種FDA批準的化療藥物，名為dasatinib；與槲皮素聯(lián)合使用，有效減緩了衰老相關(guān)小鼠模型的老化進(jìn)程。此發(fā)現10個(gè)月后，Arkansas大學(xué)的Daohong Zhou和同事發(fā)現了被稱(chēng)為navitoclax的一個(gè)senolytic組分，該化合物能夠抑制Bcl-2、Bcl-w及Bcl-xl活性，阻止細胞繼續存活。此后，有文獻記載的senolytic類(lèi)藥物已累計超過(guò)14種，包括小分子、抗體和多肽等類(lèi)別。值得關(guān)注的是，每種senolytic只對特定衰老細胞起效，針對不同老化疾病，可能需要多種類(lèi)型的senolytic。除此之外，senolytic藥物還有幾點(diǎn)比較吸引人的特質(zhì)，如衰老細胞只需定期清除一次，如一年為一個(gè)周期，可以避免不良副作用。與癌癥不同，衰老相關(guān)疾病治療沒(méi)必要殺死組織中的所有衰老細胞。小鼠研究表明，殺死大部分衰老細胞就足以產(chǎn)生差異。另外，senolytic只會(huì )影響已經(jīng)存在的衰老細胞，不會(huì )干涉這類(lèi)細胞的形成，這意味著(zhù)衰老細胞本身所具有的腫瘤抑制功能仍可保留。

       表觀(guān)遺傳學(xué)修飾藥物

       表觀(guān)遺傳學(xué)是指在不改變DNA序列的前提下通過(guò)調節轉錄后水平而引起表型或基因表達的改變，主要包括DNA甲基化、組蛋白修飾和microRNA表達的改變導致基因表達的改變。表觀(guān)遺傳失調是多種年齡相關(guān)疾病的根本原因，包括癌癥、動(dòng)脈粥樣硬化、2型糖尿病、神經(jīng)變性和**疾病以及免疫反應下降等。表觀(guān)遺傳學(xué)在衰老發(fā)生發(fā)展的演變過(guò)程中發(fā)揮著(zhù)重要的作用，也將成為未來(lái)延緩衰老、改善和預防老年性疾病的重要藥物靶點(diǎn)。

       HDAC抑制劑：

       The role of HDACs in cancer biology

       組蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase，HDAC)是一類(lèi)蛋白酶，對染色體的結構修飾和基因表達調控發(fā)揮著(zhù)重要的作用。一般情況下，組蛋白的乙酰化有利于DNA與組蛋白八聚體的解離，核小體結構松弛，從而使各種轉錄因子和協(xié)同轉錄因子能與DNA結合位點(diǎn)特異性結合，激活基因的轉錄。在細胞核內，組蛋白乙酰化與組蛋白去乙酰化過(guò)程處于動(dòng)態(tài)平衡，并由組蛋白乙酰化轉移酶(histone acetyltransferase，HAT)和組蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase，HDAC)共同調控。HAT將乙酰輔酶A的乙酰基轉移到組蛋白氨基末端特定的賴(lài)氨酸殘基上，HDAC使組蛋白去乙酰化，與帶負電荷的DNA緊密結合，染色質(zhì)致密卷曲，基因的轉錄受到抑制。

       組蛋白的乙酰化和去乙酰化是控制基因表達的主要的組蛋白修飾方式。在乙酰化的過(guò)程中，位于組蛋白N末端的賴(lài)氨酸殘基被HAT酶催化發(fā)生乙酰化，該過(guò)程與基因的活躍轉錄相關(guān)。另一方面，HDAC催化相反的過(guò)程以抑制基因的過(guò)度活躍，在此過(guò)程中乙酰基被從過(guò)度乙酰化的組蛋白上移除掉。有足夠的證據表明，組蛋白的乙酰化參與了多種生理過(guò)程，包括細胞的分化、凋亡、自噬、炎癥反應和代謝過(guò)程。伴隨著(zhù)生命個(gè)體年齡的增長(cháng)，HDAC活性會(huì )加強使得很多基因的轉錄活性降低；因而通過(guò)HDAC抑制劑類(lèi)藥物來(lái)恢復這些基因的轉錄活性是一個(gè)令人振奮的抗衰老策略。一系列HDAC抑制劑類(lèi)化合物已被發(fā)現可以減少和年齡有關(guān)的疾病的發(fā)生發(fā)展，包括4-苯丁酸、trichostatin A、丁酸鈉及辛二酰苯胺異羥肟酸等。組蛋白去乙酰化酶抑制劑類(lèi)化合物的抗衰老及延長(cháng)壽命作用已在果蠅中得到驗證，有望成為人類(lèi)對抗衰老相關(guān)性疾病，如炎癥、神經(jīng)退行性疾病、心血管疾病及癌癥的有力武器。

       Sirtuin激活劑：

       SIRT classification

       Sirtuin是生命體中廣泛存在的一類(lèi)依賴(lài)于NAD+的組蛋白去乙酰化酶，哺乳動(dòng)物的Sirtuin分為四類(lèi)：SIRT1-3屬于第一類(lèi)，SIRT4屬于第二類(lèi)，SIRT5屬于第三類(lèi)，而SIRT6/7屬于第四類(lèi)。這些蛋白分布在不同亞細胞層中，它們催化的底物和酶反應也各不相同。SIRT1是目前研究最為廣泛的sirtuin蛋白，也是近年來(lái)熱門(mén)的一個(gè)藥物設計靶標。SIRT1廣泛參與脂肪酸氧化、應激耐受、胰島素分泌和葡萄糖合成等生理活動(dòng)，這些生理活動(dòng)與二型糖尿病、心血管疾病、代謝綜合征、炎癥和衰老等密切相關(guān)。已有研究發(fā)現，促進(jìn)SIRT1酶活能夠延長(cháng)低等生物的壽命，對二型糖尿病肥胖小鼠也有較好的治療作用。

       Responses of NAD+ biosynthetic enzymes and sirtuins to nutritional and environmental cues in aging/longevity control

       在過(guò)去的數年里，由于在熱量限制所導致的生理反應中的關(guān)鍵調節作用，sirtuins已吸引了巨大的關(guān)注度；尋找能夠激活sirtuin分子的化合物也已成為很多抗衰老研究的重要方向。目前已有多種天然植物化學(xué)物質(zhì)，如槲皮素、楊梅素、白藜蘆醇、多酚(白藜蘆醇)等被報道具有SIRT-1激活劑的功效。白藜蘆醇(resveratrol)是近年來(lái)sirtuin激活劑的研究熱點(diǎn)之一。該化合物在增進(jìn)健康狀態(tài)及延長(cháng)壽命的功效已被深入研究，并在諸多模式生物如酵母、果蠅、線(xiàn)蟲(chóng)中得到了證實(shí)。當這些研究擴展到哺乳動(dòng)物身上時(shí)，白藜蘆醇不能延長(cháng)壽命。當在中年小鼠的飲食中添加白藜蘆醇時(shí)，并未觀(guān)察到小鼠壽命的平均值或中位數有顯著(zhù)的提高；盡管如此，研究人員卻觀(guān)察到了很多健康方面的有益功效，包括運動(dòng)性能的改善、骨骼健康水平提升、白內障及心臟問(wèn)題方面的減少等。另?yè)蟮溃邹继J醇還可以改善老年人的記憶能力，調節肥胖和糖尿病患者的血糖和血脂水平。

       干細胞療法

       Schematic diagram of stem cells

       干細胞是一類(lèi)具有自我復制能力的多潛能細胞。在一定條件下，它可以分化成多種功能細胞，因為其具有再生各種組織器官和人體的潛在功能，被醫學(xué)界稱(chēng)為“萬(wàn)用細胞”。根據干細胞所處的發(fā)育階段分為胚胎干細胞和成體干細胞，成體干細胞是臨床應用最成熟的一類(lèi)。其中，間充質(zhì)干細胞是成體干細胞家族的主要成員，它具有多向分化能力和免疫調節作用而越來(lái)越受到關(guān)注。

       干細胞療法是利用干細胞或干細胞來(lái)源的細胞來(lái)替代或修復因外源傷害、疾病或老化而受損組織的的治療方法。干細胞療法大致可分為三種不同的方法：(1)通過(guò)生長(cháng)因子、細胞因子及第二信使等分子刺激內源性干細胞，誘導受損組織的自我修復過(guò)程；(2)直接在受損組織部位注射干細胞，使其分化并替代損壞的組織；(3)第三種方法是干細胞來(lái)源的細胞、器官或組織的移植。有證據表明，神經(jīng)干細胞能夠釋放一些可擴散的因子，從而改善人類(lèi)大腦中老化及退行性病變的神經(jīng)元。在帕金森病中，通過(guò)移植能夠合成多巴胺的干細胞，可以修復受損的多巴胺能系統。多年以來(lái)，骨髓干細胞被用來(lái)進(jìn)行白血病的治療。另外，從人類(lèi)胚胎干細胞中產(chǎn)生胰島素分泌細胞是治療1型糖尿病的一種很有前途的策略。

       盡管干細胞療法在治療各種疾病方面有很大的希望，但是有許多倫理、技術(shù)和基本的科學(xué)問(wèn)題阻礙了干細胞技術(shù)的發(fā)展。首先，干細胞療法的治療費用非常昂貴；其次，卵母細胞及囊胚在干細胞治療中的應用一直備受爭議；另外治療效果還會(huì )受到機體對外源細胞組織排斥的限制。干細胞具有無(wú)限分裂的能力，這一特征與腫瘤細胞相同，因此癌變的風(fēng)險也限制了干細胞療法在疾病治療中的應用。

       總結與展望

       毫無(wú)疑問(wèn)，任何人的生命都是有限的，因而任何抗衰老藥物的目的在于延長(cháng)健康壽命的時(shí)期，而非長(cháng)生不老。在最廣泛的定義中，衰老的特征是分子及細胞層面損傷的不斷積累導致的功能衰退。鑒于此，抗衰老藥物的首要目標應該是將分子或細胞的功能衰退過(guò)程盡可能延長(cháng)。對于抗衰老藥物研發(fā)而言，的障礙在于衰老并不是單因素所導致的，且具有高度的異質(zhì)性和異時(shí)性。構成衰老機制的多個(gè)事件使尋找整體意義上的“抗衰老”干預非常有挑戰性。

       尋找具有可行性的抗衰老策略的另一大困難來(lái)源于研究的方法學(xué)。對藥物的抗衰老效果評估依賴(lài)于不同的參數指標：衰老的生物標志物(氧化應激、炎癥和細胞自噬水平)、年齡相關(guān)疾病的發(fā)病推遲情況、細胞穩態(tài)的維持、生理特征的改變(膽固醇水平、體重指數、血壓、空腹血糖)、對模式生物壽命增加的影響等等；對不同策略的療效比較非常難以核實(shí)。盡管如此，衰老分子機制的研究進(jìn)展，還是會(huì )為抗衰老藥物研發(fā)提供一些新的策略，新的靶點(diǎn)。

       Molecular mechanism(s) involving longevity promoting effects of different candidate anti-aging drugs/approaches

       AMPK (Adenosine 5‘-monophosphate (AMP) - activated protein kinase) 即AMP依賴(lài)的蛋白激酶，是生物能量代謝調節的關(guān)鍵分子，是研究糖尿病及其他代謝相關(guān)疾病的核心。它表達于各種代謝相關(guān)的器官中，能被機體各種刺激激活，包括細胞壓力、運動(dòng)和很多激素及能影響細胞代謝的物質(zhì)。現有的科學(xué)證據表明，AMPK在機體的能量狀態(tài)、熱量限制和壽命之間處于關(guān)鍵的連接點(diǎn)位置；大量的科研文獻支持AMPK在延長(cháng)壽命方面的作用。更為重要的是，AMPK在真核生物中高度保守。AMPK作為抗衰老藥物研發(fā)策略的一個(gè)重要靶點(diǎn)，由于A(yíng)MPK能夠整合上下游多條對長(cháng)壽起關(guān)鍵作用的信號通路，因此我們預見(jiàn)能夠適度激活AMPK的化合物將是最有潛力的候選藥物；而這也是現有知識背景下最有希望的抗衰老藥物研發(fā)策略。

       未來(lái)的抗衰老藥物研究工作可能會(huì )集中在營(yíng)養和能量感知的分子信號途徑上，包括mTOR、IGF-1、AMPK和sirtuin家族等信號通路。考慮到不同的分子網(wǎng)絡(luò )間存在大量的cross talk，尋找其中的一個(gè)或數個(gè)關(guān)鍵的節點(diǎn)分子作為靶點(diǎn)將是未來(lái)抗衰老藥物研究的首要目標。

       縮略詞表：

       CR：caloric restriction

       PMRS: plasma membrane redox system

       ROS: reactive oxygen species

       AFR: ascorbate free radical

       GH: growth hormone

       IGF-1: insulin like growth factor-1

       AMPK: adenosine monophosphate-activated protein kinase

       CamKKβ: Ca2+/calmodulin-dependent protein kinasekinase β

       cAMP: Cyclic adenosine monophosphate

       FoxO: forkhead box O

       mTOR: mammalian target of Rapamycin

       PI3K: Phosphatidylinositol 3-kinase

       LC3: light chain 3

       參考文獻：

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       2.Komal Saraswat & Syed Ibrahim Rizvi (2017) Novel strategies for anti-aging drug discovery, Expert Opinion on Drug Discovery, 12:9, 955-966, DOI: 10.1080/17460441.2017.1349750

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       6.Calorie restriction mimetics: canyou have your cake and eat it, too? Ageing Res Rev. 2015 Mar;20:46-62. doi:10.1016/j.arr.2014.11.005. Epub 2014 Dec 19.