生物學年齡評估方法研究進展

戴一鳴 劉詩琪 陳金明 劉浩然 許香怡 徐敏

摘 要： 生物學年齡是通過衰老相關的生物學標志物間接評價人體衰老程度的一種標準。衰老的生物學標志物是一組能夠分析機體功能狀態的生物學指標，與年齡有著定量或者定性的關系，不僅能評定衰老程度而且能夠監測衰老過程。篩選出可靠且易測的標志物，是對生物學年齡進行科學準確評價的前提。本文從生物細胞學、表觀遺傳學、化學分子、免疫功能、自主神經功能等方面綜述了國內外關于衰老的生物學標志物的研究現狀，并對生物學年齡評估方法未來的發展提出了思考與展望。

關鍵詞： 衰老;生物學年齡;生物學標志物

Research progress of the methods to evaluate biological age

DaiYiming LiuShiqi ChenJinming LiuHaoran XuXiangyi Xu Min

Bengbu Medical College Department of Medical Imaging AnhuiBengbu 233030

Abstract： Biological age is a standard to evaluate the degree of human aging indirectly through biological markers which are related to caducity.The markers of aging are a group of biological indicators that can analyze the functional state of the body and have a quantitative or qualitative relationship with age.They can not only assess the degree of aging but also monitor the aging process.Screening out the markers which are reliable and easy to measurable is the premise of scientific and accurate evaluation of biological age.The paper has summarized the status of biological markers of aging in China and abroad in terms of biological cytology，epigenetics，chemical molecules，immune function，autonomic nerve function.And on this basis，the future development of methods to evaluate biological age has been put forward.

Key words： aging;biology age;biomarker

1 緒論

衰老是生命現象中一個復雜的過程，可以定義為細胞、組織和器官的功能和完整性逐漸降低，從而導致疾病及與疾病相關的風險增加，并最終導致死亡[1]。衰老具有普適性和有害性，存在于人類的不同生命階段，能夠使生命體各系統衰敗、健康水平下滑、對外界刺激的調節功能減弱，對疾病尤其是衰老性疾病的抵御能力嚴重降低。為了應對衰老帶來的健康問題，尋找一種能夠對衰老程度進行科學評估的方法是必要的。

日歷年齡，即生命經歷的時間長度，是目前人們衡量個體衰老程度最常用的指標。但是，日歷年齡反映的只是個體生存時間的長短，由于遺傳因素、生活方式、精神狀態、日常環境等因素的影響，人類衰老的進程未必一致，此時，日歷年齡便無法真實體現個體的衰老程度。為此，相關研究人員提出了生物學年齡的概念，即在個體相對于日歷年齡同齡人功能狀態的基礎上，能夠評價個體功能狀態的生物學指標或參數。生物學年齡的研究有助于辨識因生物學衰老而導致相關功能障礙的個體，可以預防早衰及實現健康老齡化，是定量分析個體生物學衰老的基礎。目前生物學年齡的評估方法主要是通過分析人體當中與衰老相關的生物學標志物（生物學指標）與年齡之間的定量或定性關系間接實現的。美國老齡化研究聯合會（AFAR）制定了這些生物標志物的標準[2]：（1）與年齡有定量關系，相關性愈密切，靈敏度愈高;（2）監測對象必須是老化過程背后的基本生命過程，而不是疾病產生的影響;（3）能夠反復測試并且對人體無創;（4）必須適用于人類和實驗室動物;（5）此標志不受疾病、代謝或營養影響而變化;（6）能影響衰老進程的因素亦能影響此標志?，F有發現的這些生物學標志物均有一定的局限性，不能完全滿足AFAR所有的標準。本文從生物細胞學、表觀遺傳學、化學分子、免疫功能、自主神經功能等五個角度對衰老的生物學標志物及其研究現狀進行了綜述。

2 衰老的生物學標志物及其研究現狀

2.1 端粒與端粒酶

端粒是由堿基重復序列（5-TTAGGG-3）和端粒結合蛋白組成的DNA-蛋白質復合物，對維持染色體的穩定性，控制細胞分裂周期十分重要。端粒與人類的衰老有著密切的關系，大量研究已經證實，端粒長度隨年齡的增長而縮短。1990年，Calvin Harley通過對比癌癥和正常人的皮膚、血液、造血系統、骨骼肌和中樞神經系統等組織中的端粒長度和端粒酶活性研究發現[3]，正常體細胞中，一個或多個染色體上的端粒大量丟失會導致細胞衰老，端粒越短，衰老越快。在此基礎上，dAdda di Fagagna F等[4]通過染色質免疫沉淀和全基因組掃描等實驗研究發現，衰老細胞的染色體末端（即染色體端粒）直接參與DNA損傷反應。當端?？s短到一定程度時，將引起DNA損傷，稱為衰老的增值潛能衰竭，使細胞分裂周期停止，從而導致細胞衰老。Atzmon G等[5]在以端粒長度作為衰老的生物標記物的基礎上，通過一組德系猶太人，包括百歲老人、其后代和后代配偶之間的對照中發現，端粒長度與人的壽命密切相關。并探究了聯系端粒與衰老及相關疾病的遺傳機制，百歲老人及其后代將保持更長的端粒，且更長的端粒攜帶者往往具有更好的認知功能、更健康的脂質分布以及更好的抗衰老相關疾病的能力。Geoff等[6]對2186份端粒長度進行了分析，發現端粒長度與年齡呈負相關。Tsuji等[7]建立了人外周血單核細胞端粒平均長度與年齡之間的直線方程，相關系數達0.832。Kammori等[8]對人體甲狀腺和甲狀旁腺的研究發現，在成年早期無端?？焖倏s短，但在50歲以后出現端?？s短。

端粒長度在同一個體不同細胞中差別較大，而且具有組織特異性。此外，同一組織細胞在各個年齡段端粒長度隨年齡縮短也不均衡。這些問題在一定程度上限制了端粒長度在衰老評估中的實際應用。

2.2 DNA甲基化水平

衰老的過程導致細胞和分子水平的一系列變化，包括衰老、端?？s短和基因表達，表觀遺傳模式也會隨之改變，這表明表觀遺傳變化可能是衰老過程的一個重要組成部分。表觀遺傳標記被研究得最多的是DNA甲基化，即甲基在CPG二核苷酸上的存在。這些二核苷酸通常位于基因啟動子附近，并與基因表達水平相關。

DNA甲基化（DNAm），是指DNA甲基轉移酶催化S一腺苷甲硫氨酸上的甲基轉移至DNA分子中胞嘧啶環第5位碳原子上并形成5—甲基胞嘧啶（5—mC）的過程，其特征在于在胞嘧啶-磷酸-鳥嘌呤（CPG）位點向胞嘧啶核苷酸添加甲基[9]。研究發現5-甲基胞嘧啶的含量隨年齡的增長而下降，即衰老中普遍存在著基因組DNA甲基化（DNAm）水平下降的趨勢[10，11]，并且發現了一些位點特異性的模式，某些CPG位點與年齡高度相關。在樣本中選取與年齡有關的CPG位點，使用數據縮減技術得出一個集合，此集合中位點間的關聯性較低，再利用回歸方法處理，構建多變量回歸模型可以預測生物學年齡。Sven等[12]研究了34名年齡在21至55歲之間的樣本，在大約80個基因中鑒定了88個位點，其中甲基化程度與年齡顯著相關（r>0.57），多變量線性模型預測的年齡與實際年齡密切相關（r=0.83）。

然而，利用DNA甲基化水平評估衰老也存在著一些不足。如DNA甲基化在所有基因組位置都不相同，通常高度甲基化的區域，傾向于失去DNA甲基化，而未甲基化的區域，傾向于獲得DNA甲基化[13]，且DNA甲基化水平下降速度具有個體差異性、性別差異性及組織特異性。

2.3 羧乙基吡咯

羧乙基吡咯（carboxyethylpyrrole，CEP）是一種脂質過氧化產物，主要是在大腦和視網膜細胞膜中由二十二碳六烯酸酯（docosahexaenoic，DHA）的磷脂在氧化自由基作用下形成[14]的。衰老實質上是一種持續的應激狀態，CEP氧化可以形成應激反應引起β-半乳糖苷酶活性上升從而導致衰老。Orban等[15]測量了日本22例生物年齡衰老患者及正常對照患者大腦中的DHA的含量，研究發現生物年齡衰老患者DHA的含量比健康個體增加約32%，因此推測DHA氧化后的產物CEP可以作為氧化應激的標記，即可以作為生物年齡衰老的標記物之一。此外，Gu等[16]用酶聯免疫吸附測定法對916個生物年齡衰老患者和488個對照體血清中CEP氧化物進行檢測，發現衰老者血清中CEP氧化物含量是對照體的1.6倍。Daniel Ardeljan等[17]提出CEP在評估老年性黃斑變性（age-related macular degeneration，AMD）中具有廣闊的研究前景。CEP免疫反應水平以及抗CEP自身抗體濃度，在AMD患者體內都顯著升高。當與基因組AMD標志物協同對AMD易感性進行評估，可以達到80%的準確率。并通過動物模型進行多組對照實驗，驗證了CEP可以作為AMD的血漿生物標志物。Hua Wang[18]等人比對正常人和AMD患者血液CEP水平，發現AMD患者血漿中CEP水平是正常血漿的4.6倍，進一步驗證了CEP是臨床評估衰老相關疾病風險的生物學標志物以及監測治療干預的有效工具。

CEP作為生物標記物在判斷生物年齡老化原因、監測生物年齡老化患者、炎癥預防及治療干預等方面具有很大的應用前景。

2.4 免疫細胞和免疫分子

生物衰老常伴隨著衰老相關性疾病的發生，這與衰老過程中出現免疫系統衰退的現象有關。免疫系統的衰退會導致機體對腫瘤和病原體的抵抗力下降，使慢性炎癥產生的概率升高，慢性炎癥概率的增加又使得與衰老相關的疾病發病率升高。樹突狀細胞（dendritic cell，DC）屬于機體非特異性免疫應答的組成成分。李娜等人對免疫細胞的研究發現[19]，老年人的漿細胞樣樹突狀細胞（plasmacytoid dendritic cell，pDC）受到刺激后分泌干擾素IFN-Ⅰ和IFN-Ⅲ的能力降低，向CD4+T細胞和CD8+T細胞提呈抗原的能力也降低，導致老年人的免疫應答能力減弱，機體防御力降低，引發衰老相關疾病。免疫球蛋白G（IgG）是血液中一種介導多種免疫反應的糖蛋白，它的糖基化水平與體內炎癥反應的調控密切聯系，在許多免疫性疾病的發生和發展過程中有重要影響。王嵬等[20]利用Clin-TOF飛行時間質譜儀證明了分析免疫球蛋白G的糖基化水平可以預測生物年齡。通過免疫球蛋白G的糖基化水平與年齡的相關模式可以建立起以糖基化水平為基礎的生物年齡預測模型，可為亞健康狀態、炎性疾病和免疫性疾病的診斷提供新策略。

2.5 心率變異性

自主神經，也叫自律神經或植物神經，是在無意識狀態下調節人體臟器、血管、汗腺等所有器官機能的神經。簡單來說，自主神經可分為交感神經和迷走神經。正常情況下植物神經系統的活性較高，交感神經及迷走神經之間的相互作用處于平衡狀態，調節能力較好。隨著生物學年齡的增長，這種平衡逐漸被打破，植物神經系統活性降低，調節能力減弱。心率變異性（Heart rate variability，HRV）是指連續正常（竇性）心動周期之間時間上的微小差異，是美國心臟協會和歐盟心臟病委員會公認的定量評估人體植物神經系統功能狀態的最佳方法[21]。HRV分析一般從時域和頻域兩個方面進行。時域分析法中主要指標有SDNN（全部竇性心搏R-R間期的標準差）和PNN50（相鄰R-R間期差>50ms的個數占總心跳次數的百分比）。SDNN的值降低表明植物神經系統的調節能力減弱，PNN50的值降低表明迷走神經活性降低，均會導致HRV降低。頻域分析法中主要指標為HF（高頻指標），LF（低頻指標）及LF/HF（反映交感神經和迷走神經相互作用的動態指標）。HF的值反映迷走神經活性，HF的值升高，迷走神經活性增強，HRV升高。LF反映交感神經和迷走神經的復合調節功能。LF/HF的值升高反映在交感神經和迷走神經相互作用中，交感神經的支配占主導地位。以上均可定量描述植物神經的總體活性以及交感神經和迷走神經的平衡性。相關研究表明，這些參數大部分隨年齡變化而變化，一般呈負相關[22-27]。然而，頻域分析方法僅適用于穩定周期過程，一過性瞬態變化過程（如心率加速或減速）會使分析效果變差;時域分析雖然對非穩態不敏感，但受偶發性RR間期跳動的影響較大。近年來，眾多非線性的概念和方法也被應用于HRV序列的分析中。2002年，Goldberger等[28]在《Aging》雜志中發表評論文章，使用了生理復雜度這一概念來描述生理系統的非線性特征，并指出復雜度具有豐富的內涵：混沌或分形都是評估復雜度的一種方式，因而混沌或分形系統都具有較高的復雜度;由于正常生理系統具有明顯的混沌和分形特征，健康人群應具有較高的生理復雜度，可通過諸如HRV等時間序列的分析來評價。該文章客觀總結并闡釋了“衰老引發復雜度丟失”這一理論，使其成為本領域相關研究的基本支撐觀點而存在。2010年，Schumann等[29]引入相位校正信號平均技術對180例不同年齡階段的健康受試者進行分析，該技術其主要關注HRV序列中的下降模式因而其對迷走神經興奮性極為敏感，研究結果仍支持“復雜度隨年齡增加而降低”這一理論。近年來，Voss等[30，31]使用了時域、頻域的線性指標以及包括香農熵、去趨勢波動分析、符號熵和散點圖分析在內的非線性參數，分析了5個年齡組健康人的短時HRV變化情況，是嚴格意義上對年齡影響規律進行的首次探討，但是并沒有給出定量的數學模型。

[15]Orban T，Johnson WM，Dong Z，et al.Serum levels of lipid metabolities in age-related macular degeneration[J].FASEB J，2015，29（11）：4579-4588.

[16]Gu J，Pauer GJ，Yue X，et al.Assessing Susceptibility to Age-related Macular Degeneration with Proteomic and Genomic Biomarkers[J].Molecular & Cellular Proteomics，2009，8（6）：1338-1349.

[17]Ardeljan D，Tuo J，Chan CC.Carboxyethylpyrrole plasma biomarkers in age-related macular degeneration[J].Drugs Future，2011，36（9）：712-718.

[18]Wang H，Guo J，West XZ，et al.Detection and Biological Activities of Carboxyethylpyrrole Ethanolamine Phospholipids（CEP-EPs）[J].Chem Res Toxicol，2014，27（12）：2015-2022.

[19]李娜，孫希，邵筱，等.衰老相關的免疫細胞及分子變化研究進展[J].國際醫學寄生蟲病雜志，2014，41（3）：170-175.

[20]衛文.IgG糖基化分析判斷人的生物年齡[J].家庭醫學，2016，32（10）：32.

[21]Task Force of The European Society of Cardiology and The North American Society of Pacing and Electrophysiology.Heart rate variability——Standards of measurement，physiological interpretation，and clinical use[J].Eur Heart J，1996，17：354-381.

[22]Cardoso CR，Moraes RA，Leite NC，Salles GF.Relationships between reduced heart rate variability and pre-clinical cardiovascular disease in patients with type 2 diabetes.Diabetes Res Clin Pract.2014，106（1）：110-7.

[23]Singh JP，Larson MG，ODonell CJ，Wilson PF，Tsuji H，Lyod-Jones DM，Levy D.Association of hyperglycemia with reduced heart rate variability：the Framingham heart study.Am J Cardiol，2000，86：309-312.

[24]Mussalo H1，Vanninen E，Ikheimo R，Laitinen T，Laakso M，Lnsimies E，Hartikainen J.Heart rate variability and its determinants in patients with severe or mild essential hypertension.Clin Physiol.2001，21（5）：594-604.

[25]Guzzetti S，Piccaluga E，Casati R，Cerruti S，Lombardi F，Pagani M，et al.Sympathetic predominance in essential hypertension：a study employing spectral analysis of heart rate variability.J Hypertens 1988;6：711-7.

[26]29.Singh JP1，Larson MG，Tsuji H，Evans JC，O'Donnell CJ，Levy D.Reduced heart rate variability and new-onset hypertension：insights into pathogenesis of hypertension：the Framingham Heart Study.Hypertension.1998，32（2）：293-7.

[27]全國心率變異性分析多中心研究協作組.心率變異性正常值及其重復性的多中心研究[J].中國心律失常學雜志，2000，4（3）：165-170.

[28]Goldberger A L，Peng C K，Lipsitz L A.What is physiologic complexity and how does it change with aging and disease？[J].Neurobiology of Aging，2002，23（1）：23.

[29]Schumann A Y，Bartsch R P，Penzel T，et al.Aging effects on cardiac and respiratory dynamics in healthy subjects across sleep stages.[J].Sleep，2010，33（7）：943.

[30]Voss A，Heitmann A，Schroeder R，et al.Short-term heart rate variability——age dependence in healthy subjects[J].Physiological Measurement，2012，33（8）：1289-1311.

[31]Voss A，Schroeder R，Heitmann A，et al Short-term heart rate variability-influence of gender and age in healthy subjects[J].PLoS ONE，2015，30;10（3）：e0118308.

基金項目： 蚌埠醫學院自然科學基金項目（項目編號：BYKY1871）