長(zhǎng)壽之“道”——抗衰老藥物研發(fā)策略盤點(diǎn)(上)

       抗衰老藥物研究簡(jiǎn)介

       衰老是一個(gè)復(fù)雜和漸進(jìn)的生物學(xué)過程，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。在過去的幾十年里，通過治療干預(yù)措施，極大地提高了人類的預(yù)期壽命。相應(yīng)的，衰老也成為大多數(shù)人類疾病的主要危險(xiǎn)因素，包括糖尿病、心血管疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病和癌癥以及其他老年綜合癥，如跌倒、虛弱和失禁等。雖然老化是一個(gè)不可避免的過程，但研究表明它具有很大的可塑性，其進(jìn)展速度具有可調(diào)節(jié)性。近些年有關(guān)衰老的機(jī)制研究取得了巨大進(jìn)展，從分子及細(xì)胞層面可分為9大標(biāo)志性事件，如下圖所示。這些共同的重要事件主要有基因組的不穩(wěn)定性、端粒損耗、表觀遺傳學(xué)改變、蛋白穩(wěn)態(tài)喪失、營(yíng)養(yǎng)狀況感知紊亂、線粒體功能紊亂、細(xì)胞衰老、干細(xì)胞衰竭及細(xì)胞間通訊的改變等。

       The Hallmarks of Aging

       自古以來(lái)人類便癡迷于延年益壽的各類研究和嘗試；而近年來(lái)對(duì)衰老機(jī)理的理解使得對(duì)衰老過程進(jìn)行一定的干預(yù)成為現(xiàn)實(shí)。三十多年前，daf-2基因被發(fā)現(xiàn)能夠控制秀麗隱桿線蟲的壽命。此后，多種信號(hào)通路據(jù)報(bào)道可直接或間接的影響衰老的表型，如insulin/IGF-1、mTOR、AMPK及sirtuin等。這些發(fā)現(xiàn)也直接導(dǎo)致了很多候選藥物化合物的發(fā)現(xiàn)，通過激活或抑制某些蛋白分子而靶向于多種信號(hào)通路。各類抗衰老措施已被用于不同生物體的延遲衰老過程中，包括熱量限制、激素療法、抗氧化補(bǔ)充劑、自噬誘導(dǎo)劑、senolytic類藥物、端粒酶的激活、表觀遺傳學(xué)調(diào)節(jié)等，后者的靶點(diǎn)包括DNA甲基轉(zhuǎn)移酶、組蛋白去乙酰化酶HDAC、組蛋白乙酰基轉(zhuǎn)移酶HAT、非編碼的miRNA及潛在的sirtuin激活劑等，盡管很多方法的抗衰老臨床療效尚不確定。本文即對(duì)目前相對(duì)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(jié)。

       熱量攝入限制(CR)及類似物

       Overview of CR-associated signaling and some of its key players

       熱量限制(Caloric restriction，CR)指在提供生物體充分的營(yíng)養(yǎng)成分如必需氨基酸、維生素等，保證生物體不發(fā)生營(yíng)養(yǎng)不良的情況下，限制每日攝取的總熱量，又稱為飲食限制(Dietary restriction，DR)。McCay等于1935年首次報(bào)道CR延長(zhǎng)大鼠壽限，迄今70余年來(lái)，大量實(shí)驗(yàn)已表明CR是除遺傳操作以外最強(qiáng)有力的延緩衰老方法，被稱為衰老研究領(lǐng)域最重大的發(fā)現(xiàn)。同時(shí)CR還推遲和降低多種老齡相關(guān)疾病如腫瘤、心血管疾病、2型糖尿病等發(fā)病。CR已經(jīng)成為衰老機(jī)制及干預(yù)措施研究的一個(gè)重要模型，并且已有不少研究探索如何在人類實(shí)行CR療法。

       通過熱量限制來(lái)對(duì)抗衰老的作用機(jī)制尚未被完全闡明；其潛在的作用信號(hào)通路有四條來(lái)關(guān)聯(lián)個(gè)體的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)與促進(jìn)長(zhǎng)壽的效應(yīng)，分別是AMPK、胰島素-胰島素樣生長(zhǎng)因子1、mTOR信號(hào)通路的抑制及sirtuins分子的激活。這些機(jī)制主要是直接或間接調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)、線粒體功能和自噬。對(duì)于人類而言，熱量限制是一個(gè)相當(dāng)嚴(yán)格的長(zhǎng)期干預(yù)過程，需要堅(jiān)定的決心和較強(qiáng)的自我控制能力。初步的人類試驗(yàn)也報(bào)告了一些負(fù)面后果，如骨質(zhì)疏松、性欲減退、無(wú)法調(diào)節(jié)體溫和喪失體力及耐力等。另外，還有部分學(xué)者開展間歇性進(jìn)食在抗衰老領(lǐng)域的研究。

       能量限制的策略已在很多低等動(dòng)物開展的實(shí)驗(yàn)中證明了其抗衰老效果，但真正在人類身上應(yīng)用卻困難重重；這一矛盾也導(dǎo)致了熱量限制類似物CRM的出現(xiàn)。這類化合物可以在實(shí)際上沒有降低熱量攝入的情況下，使體內(nèi)產(chǎn)生類似于能量限制的效果，從而有利于個(gè)體的健康和長(zhǎng)壽。CRM方法是抗衰老干預(yù)的策略之一。

       葡萄糖代謝及吸收抑制：

       高血糖和高胰島素血癥是老年人常見的兩種主要疾病。高血糖引起的氧化應(yīng)激導(dǎo)致的晚期糖基化終末產(chǎn)物誘發(fā)許多退行性疾病，如糖尿病、動(dòng)脈粥樣硬化、慢性腎 臟病和阿爾茨海默病等。有證據(jù)表明高胰島素血癥引起的氧化應(yīng)激會(huì)導(dǎo)致氧化蛋白的積累。眾所周知，熱量限制可以通過降低葡萄糖和胰島素的循環(huán)水平來(lái)提高胰島素敏感性。因此，對(duì)于熱量限制類似物CRM的開發(fā)而言，降低血漿胰島素及葡萄糖水平是一類有效的策略。

       1998年，糖酵解抑制劑2-脫氧-D-葡萄糖(2DG)開始被認(rèn)為是第一種熱量限制類似物，據(jù)報(bào)道可以降低大鼠的體溫及循環(huán)胰島素水平。2DG是一種葡萄糖類似物，為葡萄糖代謝抑制劑，通過作用于己糖激酶(hexokinase)來(lái)抑制糖酵解。該化合物不僅可以增加線蟲的生命周期，且對(duì)大鼠進(jìn)行短期攝入后會(huì)產(chǎn)生類似熱量限制時(shí)的表型特征；另外也被發(fā)現(xiàn)對(duì)于一些神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如阿爾茨海默病、帕金森病典型等是有益的，并減緩缺血導(dǎo)致的腦損傷。2011年，有研究表明2DG可通過線粒體ROS激活的AMPK過程而在培養(yǎng)的表皮細(xì)胞中誘導(dǎo)產(chǎn)生自噬。

       盡管文獻(xiàn)研究表明熱量限制與服用2DG產(chǎn)生的效應(yīng)類似，但有研究表明攝入含2DG飲食的大鼠會(huì)患有腎上腺腫瘤、心臟**并增加死亡風(fēng)險(xiǎn)。其他一些糖酵解酶的抑制劑或葡萄糖攝取阻斷劑也有可能成為有效的熱量限制類似物，常見的有g(shù)lucosamine、mannoheptulose及iodoacetate等，作用靶點(diǎn)分別為己糖激酶及甘油醛-3-磷酸異構(gòu)酶。Acarbose是一類葡萄糖攝取阻滯劑，已廣泛應(yīng)用于2型糖尿病的治療20多年。該化合物可做用于α-葡萄糖苷酶組織小腸中的淀粉分解為雙糖，導(dǎo)致腸內(nèi)葡萄糖吸收減少，從而造成血液中葡萄糖水平低下的狀況。最近的一項(xiàng)研究表明，口服1%的阿卡波糖即可增加小鼠壽命的中位數(shù)及值。盡管如此，阿卡波糖似乎具有性別選擇性，對(duì)雄性的影響比雌性更為明顯，壽命增加率分別為22%及5%。另外，實(shí)驗(yàn)中還觀測(cè)到阿卡波糖可以降低體重、血糖、胰島素和IGF-1水平等效應(yīng)。

       生長(zhǎng)激素/IGF-1信號(hào)軸抑制劑：

       Main pathways in endocrine regulation of growth

       近期有研究表明，減少個(gè)體的促生長(zhǎng)活性同延緩衰老速度、推遲與年齡相關(guān)疾病的發(fā)病及高齡所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)存在關(guān)聯(lián)性。IGF-1全稱為類胰島素生長(zhǎng)因子1，由肝 臟響應(yīng)生長(zhǎng)激素而分泌。大量文獻(xiàn)報(bào)道了通過基因工程影響GH和IGF-1信號(hào)所帶來(lái)的熱量限制效應(yīng)對(duì)延長(zhǎng)壽命的影響，包括線蟲、果蠅和老鼠等。另外，在小鼠及人體中，降低GH/IGF-1活性可保護(hù)機(jī)體免于癌癥及糖尿病的侵襲，兩者均與個(gè)體年齡相關(guān)。對(duì)生長(zhǎng)激素釋放基因敲除小鼠的研究表明，小鼠個(gè)體生存中位數(shù)及壽命顯著增加，同時(shí)顯著降低了血清IGF-1水平、體重、血糖、血漿胰島素、甘油三酯和膽固醇水平，同時(shí)伴有血漿瘦素水平、脂聯(lián)素水平及胰島素敏感性的上升。而在患有遺傳性GH敏感性缺失的Laron綜合征人群中，癌癥及糖尿病發(fā)生的概率大大下降。因此，通過結(jié)合生長(zhǎng)激素受體而抑制生長(zhǎng)激素信號(hào)的傳遞，是延長(zhǎng)個(gè)體生命的可行性策略之一。

       AMPK激活劑：

       Summary of a selection of target proteins and metabolic pathways regulated by AMPK

       AMPK (AMP激活的蛋白質(zhì)激酶)是一種保守的異源三聚體蛋白質(zhì)激酶，其酶活力能夠被AMP上調(diào)。該蛋白質(zhì)激酶能夠通過感受細(xì)胞能量狀態(tài)來(lái)維持真核細(xì)胞的ATP生成和消耗的平衡，即能量穩(wěn)態(tài)。同時(shí)，AMPK在調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)和增殖、建立和穩(wěn)定細(xì)胞極性、調(diào)節(jié)動(dòng)物壽命、調(diào)控生理節(jié)律等方面也起著重要作用。AMPK可通過AMP/ATP比例來(lái)感知細(xì)胞內(nèi)的能量狀態(tài)；另外有研究表明，ADP的結(jié)合同樣有助于AMPK的激活。一旦激活，AMPK即可觸發(fā)包括糖酵解和脂肪酸氧化在內(nèi)的ATP合成過程。有意思的是，AMPK的激活也是迄今為止人類了解的最為清晰的mTOR信號(hào)抑制效應(yīng)的胞內(nèi)觸發(fā)者。

       近期很多藥物已被證明可通過激活A(yù)MPK信號(hào)通路而對(duì)機(jī)體產(chǎn)生有益效應(yīng)。這其中，最有希望的候選藥物是****，一類被廣泛用于2型糖尿病治療的藥物。****可以降低葡萄糖在胃腸道的吸收，減少肝 臟糖異生并增加胰島素敏感性。****并不直接激活A(yù)MPK，而是通過抑制線粒體呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ活力而導(dǎo)致胞內(nèi)AMP/ATP比率上升。臨床研究及對(duì)線蟲、小鼠模式生物的研究均表明****對(duì)生命體的健康壽命有益。除糖尿病外，****也被報(bào)道可降低心血管疾病、癌癥及癌癥所導(dǎo)致的死亡等風(fēng)險(xiǎn)。這些發(fā)現(xiàn)都表明，****是一類理想的抗衰老藥物。

       阿司匹林及其代謝物水楊酸是一種常用的鎮(zhèn)痛抗炎藥，已被證明是AMPK的變構(gòu)激活劑。阿司匹林是一種乙酰化試劑，可以乙?；h(huán)氧合酶活性位點(diǎn)的絲氨酸殘基；該化合物似乎可以降低人類患癌癥的風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)報(bào)道，阿司匹林科技增加小鼠的中位數(shù)壽命，而不是壽命。在人類結(jié)腸癌細(xì)胞中，阿司匹林被發(fā)現(xiàn)可以抑制mTOR信號(hào)和激活A(yù)MPK信號(hào)通路。阿司匹林對(duì)衰老的調(diào)節(jié)作用使其成為熱量限制類似物研究的重要目標(biāo)之一。

       抑制mTOR信號(hào)通路：

       mTOR signaling pathways

       另一種能夠感知細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)并能產(chǎn)生長(zhǎng)壽效應(yīng)的分子為mTOR，分子量約為289kDa且在真核生物中高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶家族。mTOR家族包括兩個(gè)蛋白復(fù)合體mTORC1和mTORC2，參與調(diào)節(jié)Akt活性。mTORC1在蛋白的從頭合成、細(xì)胞自噬及細(xì)胞生長(zhǎng)過程中扮演重要角色，在細(xì)胞內(nèi)養(yǎng)分充足條件下被激活并與PI3K/AKT、Ras/MAPK及AMPK信號(hào)通路互相影響，最終將胞內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)同生長(zhǎng)相關(guān)過程關(guān)聯(lián)。當(dāng)環(huán)境營(yíng)養(yǎng)充足時(shí)，mTOR關(guān)閉應(yīng)激狀態(tài)及自噬過程，通過磷酸化4EBPs及S6激酶而激活蛋白質(zhì)翻譯過程。mTOR信號(hào)通路的促進(jìn)長(zhǎng)壽作用最早發(fā)現(xiàn)于2003年，攜帶有mTOR突變的線蟲壽命幾乎翻倍。此后，大量基于線蟲及果蠅的研究進(jìn)一步確認(rèn)了下調(diào)mTOR信號(hào)通路對(duì)增加預(yù)期壽命及產(chǎn)生熱量限制效應(yīng)，改善健康狀況的影響。

       雷帕霉素(Rapamycin)是一種免疫抑制藥，當(dāng)人體移植了新的腎 臟或其他器官后，會(huì)自然產(chǎn)生排異，而雷帕霉素能抑制這種反應(yīng)。自1999年美國(guó)FDA批準(zhǔn)雷帕霉素作為器官移植患者的藥物后，迄今已拯救了數(shù)以萬(wàn)計(jì)移植患者的生命。近10多年來(lái)，研究表明雷帕霉素不僅可延緩與衰老相關(guān)的疾病，如癌癥、心臟病和老年癡呆的病情進(jìn)展，延長(zhǎng)生命，還能推延正常衰老所帶來(lái)的多種影響。

       真正使人們對(duì)雷帕霉素可以延緩衰老留下深刻印象的實(shí)驗(yàn)是2009年，一項(xiàng)由美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院(NIH)資助的大規(guī)模研究(由3個(gè)著名研究抗衰老單位同時(shí)進(jìn)行)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)雷帕霉素及其衍生品可延長(zhǎng)小鼠的壽限，使雄性小鼠壽命延長(zhǎng)了9%，而雌性小鼠延長(zhǎng)了14%。這是科學(xué)家首次證明一種藥物能夠延長(zhǎng)哺乳動(dòng)物的生命周期。2012年上述3個(gè)研究單位在后續(xù)的小鼠研究中發(fā)現(xiàn)，雷帕霉素能減緩肌腱的硬化速度和肝 臟功能的退化速度，而這兩個(gè)表征恰恰是衰老的兩大標(biāo)志。2013年有研究報(bào)導(dǎo)，雷帕霉素對(duì)年老小鼠心臟功能有改善效果。目前已發(fā)現(xiàn)雷帕霉素在實(shí)驗(yàn)老鼠身上可減少與衰老有關(guān)的骨質(zhì)疏松，逆轉(zhuǎn)心臟老化，并控制慢性病癥反應(yīng)。2015年3月美國(guó)華盛頓大學(xué)計(jì)劃對(duì)中年寵物狗進(jìn)行雷帕霉素的小劑量測(cè)試，重點(diǎn)將不是壽限(因?yàn)槟堑没ê芏鄷r(shí)間)而是尋找該藥對(duì)關(guān)鍵性年齡相關(guān)指標(biāo)，如動(dòng)脈硬化和心臟功能；所產(chǎn)生影響的跡象如果成功，雷帕霉素及其衍生品將最終成為首個(gè)抗衰老藥物；當(dāng)然還是限制在狗身上。因?yàn)樗且环N免疫抑制藥，健康人服用它仍存在較大風(fēng)險(xiǎn)，再加上老年人本身免疫功能較低，在沒有得出人體安全劑量之前不宜冒險(xiǎn)。另外有關(guān)雷帕霉素的副作用也已有報(bào)道，劑量不當(dāng)，可能抑制免疫功能，增加糖尿病風(fēng)險(xiǎn)，以及引起口腔潰瘍病，延緩傷口愈合等。

       端粒酶的激活

       端粒及在細(xì)胞分裂過程中的變化

       端粒酶(Telomerase)，在細(xì)胞中負(fù)責(zé)端粒的延長(zhǎng)的一種酶，是基本的核蛋白逆轉(zhuǎn)錄酶，可將端粒DNA加至真核細(xì)胞染色體末端。端粒在不同物種細(xì)胞中對(duì)于保持染色體穩(wěn)定性和細(xì)胞活性有重要作用，端粒酶能延緩縮短端粒(縮短的端粒其細(xì)胞復(fù)制能力受限)，從而增強(qiáng)體外細(xì)胞的增殖能力。但是，在正常人體細(xì)胞中，端粒酶的活性受到相當(dāng)嚴(yán)密的調(diào)控，只有在造血細(xì)胞、干細(xì)胞和生殖細(xì)胞，這些必須不斷分裂的細(xì)胞之中，才可以檢測(cè)到具有活性的端粒酶。

       衰老的端粒酶理論認(rèn)為，端粒的縮短是刺激衰老發(fā)生的分子鐘。端粒酶療法也旨在延長(zhǎng)已經(jīng)縮短的端粒，并且有些藥物已經(jīng)進(jìn)入了一期臨床研究階段。但端粒酶的另一個(gè)作用與腫瘤發(fā)生相關(guān)，90%的惡性腫瘤利用端粒酶來(lái)實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的永生；過表達(dá)的端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶(TERT)是人類癌癥的一個(gè)共同特征。端粒酶活化和細(xì)胞再生技術(shù)已在組織工程和再生醫(yī)學(xué)中得到了成功的應(yīng)用。

       將端粒長(zhǎng)度與衰老聯(lián)系起來(lái)的證據(jù)也導(dǎo)致了一種新型抗衰老策略的產(chǎn)生，即尋找能夠激活端粒酶活性的分子。這些端粒酶激活劑可以誘導(dǎo)端粒酶基因的表達(dá)并激活酶活性，從而維持端粒的完整性。環(huán)黃芪醇(Cycloastragenol / TAT2)是一種天然的四環(huán)三萜類化合物，在膜莢黃芪提取物中篩選抗衰老活性物質(zhì)時(shí)第一次鑒定得到。實(shí)驗(yàn)表明，來(lái)源于黃芪的TAT2能夠在T淋巴細(xì)胞中瞬時(shí)激活端粒酶活性。另外一種小分子端粒酶激活劑GRN510已被用于特發(fā)性肺纖維化的治療；而在乳腺上皮細(xì)胞和內(nèi)皮祖細(xì)胞中，SIRT1激活劑白藜蘆醇可以上調(diào)端粒酶的活性。另一種提高端粒酶活性的策略是通過補(bǔ)充抗氧化劑，如銀杏葉提取物通過誘導(dǎo)PI3K/Akt信號(hào)通路而激活端粒酶。

       自噬誘導(dǎo)劑

       細(xì)胞自噬(autophagy)一詞來(lái)自希臘單詞auto-，意思是“自己的”，以及phagein，意思是“吃”。所以，細(xì)胞自噬的意思就是“吃掉自己”。細(xì)胞自噬是真核生物中進(jìn)化保守的對(duì)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)進(jìn)行周轉(zhuǎn)的重要過程。該過程中一些損壞的蛋白或細(xì)胞器被雙層膜結(jié)構(gòu)的自噬小泡包裹后，送入溶酶體(動(dòng)物)或液泡(酵母和植物)中進(jìn)行降解并得以循環(huán)利用。細(xì)胞自噬主要有三種形式：微自噬(microautophagy)、巨自噬(macroautophagy)和分子伴侶介導(dǎo)的自噬(Chaperone-mediated autophagy，CMA)。Macroautophagy的研究最為詳盡，它會(huì)影響很多生理和病理?xiàng)l件，并在很多重要的生命過程中扮演關(guān)鍵角色。

       The Regulation of Autophagy and Life Span

       細(xì)胞自噬的主要保護(hù)性功能在于能夠去除機(jī)體伴隨著衰老而積累的一些**物質(zhì)，后者可引起多種年齡相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病。自噬機(jī)器還可監(jiān)測(cè)并處理掉受損傷的，膜電位缺失的線粒體。在迄今為止研究的所有實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭校允啥际怯上嗤男盘?hào)通路所誘導(dǎo)，這些信號(hào)通路都會(huì)影響細(xì)胞的壽命。mTOR信號(hào)的下調(diào)及AMPK和SIRT信號(hào)的上調(diào)會(huì)誘發(fā)自噬過程的產(chǎn)生，因此自噬水平的降低與加速衰老相關(guān)聯(lián)，而刺激自噬的發(fā)生則很可能具有強(qiáng)大的抗衰老效應(yīng)。在釀酒酵母中，已經(jīng)證明了雷帕霉素可以通過激活自噬而延長(zhǎng)了酵母細(xì)胞壽命；相同結(jié)果也見諸于線蟲和果蠅的研究報(bào)道。

       白藜蘆醇是一類sirtuin激活劑，被認(rèn)為在多種實(shí)驗(yàn)生物中可通過上調(diào)ATG基因的表達(dá)水平而發(fā)揮促進(jìn)長(zhǎng)壽的作用。而在2016年的一項(xiàng)研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)亞精胺能夠通過改善小鼠心臟功能而促進(jìn)延長(zhǎng)壽命，該效應(yīng)通過自噬的激活實(shí)現(xiàn)。因此，通過藥物學(xué)手段來(lái)改變機(jī)體的自噬發(fā)生狀態(tài)，也是抗衰老藥物開發(fā)的重要策略之一。

       未完待續(xù)，敬請(qǐng)期待：長(zhǎng)壽之“道”——抗衰老藥物研發(fā)策略盤點(diǎn)(下)

       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

       cAMP: Cyclic adenosine monophosphate

       FoxO: forkhead box O

       mTOR: mammalian target of Rapamycin

       PI3K: Phosphatidylinositol 3-kinase

       LC3: light chain 3

       SASP: senescence-associated secretory phenotype

       參考文獻(xiàn)：

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