重磅首发丨中国六十余研究组联合发布“衰老标志物”综述，全方位深度评估衰老

近日，《中国科学：生命科学》英文版（SCIENCE CHINA Life Sciences）以封面文章发表了由中国衰老标志物研究联合体（Aging Biomarker Consortium，ABC）六十余个研究组联合撰写的巨幅综述——Biomarkers of aging。

该综述参考了逾2千篇衰老领域研究文献，以超9万字、31张插图和23张表格的篇幅，系统总结了衰老标志物研究在细胞衰老、器官衰老、衰老时钟及其应用、相应伦理及社会意义四个方面的重要进展。

该综述在国际上率先提出了衰老标志物的基本属性、维度以及三种“原色”（Primary colors，系统性、特异性和可用性），定义了衰老标志物的六个“支柱”（Pillars，生理学特征、影像学特征、组织学特征、细胞改变、分子改变和体液分泌因子），并指出“生理行为特征”、“影像学特征”、和“体液分泌因子”可作为衰老标志物临床转化的三个可应用指标。

该综述是迄今为止最为前沿且详尽的衰老标志物综述，有助于引领衰老评估和预警领域的发展，并推动“健康老龄化”方案的制定。

时光派对该综述进行了编译汉化，纯人工9万字88页，受限于公众号篇幅，文章将分为上下两部分发出，第二部分详见今日次条。

此外，为便于深度学习，时光派将全文打印成册，有需求的读者可点击下方链接，支付邮费和打印费；编写者免费领取（仅供个人学习，不得用于任何盈利行为），数量有限，请将资源留给真正需要的人，感谢支持。

普通读者领取入口：（点击下方卡片了解详情）

编写人员领取入口：（扫描下方二维码填写信息）

原文链接：

https://www.sciengine.com/SCLS/doi/10.1007/s11427-023-2305-0

我们真的了解自己的生理年龄吗？它比时序年龄更能准确描述我们的身体状态。有些人患上特定类型的年龄相关疾病，如心血管疾病和神经退行性疾病的风险是否更高？我们又该怎样识别出他们？又或者，我们如何判断某些所谓的抗衰老疗法是否有效？

为了回答这些问题，我们需要建立衰老生物标志物。衰老生物标志物是生物学参数的组合，可用于：

（1）评估年龄相关改变；

（2）追踪生理性衰老过程；

（3）预测向病理状态的转变。

尽管我们已经开发出范围广泛的衰老生物标志物，但它们的潜在用途和局限性仍未得到充分阐释。作为量化衰老的生物学测量，衰老生物标志物必须是特异的、系统的、可用的。

（1）特异性：衰老是一个异质性过程，不同个体的衰老速度不同，甚至同一个体的不同器官衰老也存在差异，因此，不可能对整个机体采用同一种生物标志物，而是需要针对不同器官采用不同的生物标志物进行评估；反之，每个生物标志物应该能捕获到相关器官的独特衰老信号。

此外，衰老生物标志物应该可以预测疾病发展的风险，这需要一个特定的阈值来区分生理性衰老到病理性障碍的转变。

（2）系统性：衰老涉及全身几乎所有器官系统，其中包括许多相互关联的生物学过程。此外，一个器官的变化可能会引起全身的代偿机制或系统反馈。

因此，生物标志物需要能够反映这种系统性变化，这方面我们需要多维度的生物标志物集合。

（3）可用性：通过非侵入性或微创方法收集的生物标志物更适合转化为临床实践。衰老是一个随时间推移逐渐加剧的过程，因此需要进行纵向研究，无创的方式更容易为人所接受。在更大规模的队列研究中，选择生物标志物还需考虑成本和便利性。

多年来，各种数据类型和建模技术已被用于开发广泛的衰老生物标志物。根据这些用于衰老生物标志物的参数的性质，可分为6大类：其中有反映生理和功能变化的高阶参数类型，如生理学特征、影像学特征和组织学特征。

此外，还有更多因果或机制驱动因素类型的生物标志物，如细胞改变和分子改变，以及介于两者之间，可在体液，如血液、尿液、唾液、脑脊液（CSF）中检测到的激素和分泌因子。后三种类型，因为它们也可能作为衰老标志（hallmarks of aging）或驱动因素，所以可能针对性地用于干预衰老过程。

然而，基于不同变量的生理年龄预测往往是不一致的。在某些情况下，一套经过深思熟虑的老化生物标志物组合可能更可靠、更有用，可以解决这个问题。

为澄清这些困惑，本篇综述综合了当前关于衰老生物标志物的知识，为学术界和产业界的研究人员，以及老年病学和老年学的医疗从业者提供全面的参考；涵盖了细胞、器官、机体和人口老龄化各个维度的生物标志物，每个维度都根据6大分类进行梳理；此外，还展示了这些衰老生物标志物如何用于各种预测模型或衰老时钟构建，以及如何应用于队列研究。

衰老生物标志物层级的基础是细胞衰老标志物。细胞是器官和机体的重要组成部分，细胞衰老是器官和机体衰老的驱动力。

因此，这一水平的生物标志物不仅监测衰老过程背后的基本细胞过程，还可能对整个器官或生物体产生更大的影响，这些生物标志物的出现拓宽了我们对衰老基本机制的理解，并可能成为衰老干预的潜在目标。

然而，只有少数细胞衰老生物标志物被广泛接受，例如衰老相关β-半乳糖苷酶 (SA-β-gal) 活性，它们的功能也仍未得到很好理解。

我们提出以下10个方面的细胞衰老生物标志物：表观遗传改变、基因组不稳定性、端粒损耗、核内小体紊乱、细胞周期阻滞、线粒体功能障碍、蛋白质应激、代谢改变、信号通路失调和衰老相关分泌表型 (SASP)。下面将对它们逐一展开介绍。

表观遗传是指在不改变DNA序列的情况下发生的可逆遗传机制，表观遗传改变对于衰老和与年龄相关疾病至关重要。

这些与衰老相关的表观遗传生物标志物包括基因组DNA甲基化改变、组蛋白修饰异常、异染色质丢失、三维（3D）基因组结构重组和RNA修饰失调。它们导致遗传物质局部可及性改变、逆转录转座子元件等异常转录和基因组不稳定性，从而导致衰老和与年龄相关疾病。

基因组DNA甲基化改变是衰老过程中研究最广泛、最具特征性的表观遗传生物标志物之一。

启动子内CpG岛的超甲基化抑制基因转录，反之，低甲基化则允许基因表达。在多种生物的衰老过程中，观察到DNA甲基化的整体水平降低，这可能归因于DNA甲基转移酶1（DNMT1）水平随年龄增加逐渐降低；相较之下，从头甲基化（de novo methylation）随年龄增长水平增加，这可能是其他DNMT（如DNMT3A和DNMT3B）上调所致，这表明衰老过程中DNA甲基化模式的变化可能是衰老的良好指标。

基于某些CpG位点的DNA甲基化模式，使用机器学习方法，Horvath和Hannum等人开发了第一代衰老表观遗传生物标志物——DNAmAge，也被称为“表观遗传时钟（epigenetic clock）”，它能够估测大多数组织和细胞类型的年龄，并预测衰老的结果，包括死亡风险和与年龄相关疾病。

此后，PhenoAge、GrimAge等多种，具有更高的准确度和精度的表观遗传时钟被相继报道，在衰老研究中具有更广阔的应用前景。

新近研究表明，人类内源性逆转录病毒（HERV）元件的DNA甲基化水平降低，与衰老过程中内源性逆转录病毒再激活有关，内源性逆转录病毒在多种衰老细胞模型，以及许多器官和物种中，充当生物标志物和衰老驱动因素。

在细胞衰老过程中，组蛋白修饰（如甲基化和乙酰化）变化被广泛研究。例如，H3K4me3（编者注：指组蛋白第3亚基H3的第4位赖氨酸的三甲基化）是一种与转录活跃相关的标记物，在酵母、秀丽隐杆线虫和阿尔茨海默病（AD）小鼠模型中会随着年龄的增长而增加，但在人造血干细胞（HSCs）和神经元中随年龄增加而减少。

与衰老过程中观察到的组蛋白乙酰化与甲基化变化相类似，H3K56ac（编者注：指组蛋白第3亚基H3的第56位赖氨酸的乙酰化）水平降低和 H4K16ac水平升高，与酵母和人类成纤维细胞的复制衰老相关。Sirtuin 家族成员——进化上保守的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）依赖性组蛋白脱乙酰酶，其激活与缓解衰老和年龄相关疾病有关。

异染色质结构域可将DNA包裹进一个难以接近、转录失活的结构中

。异染色质与特定蛋白质相关，如异染色质蛋白1（HP1），敲除Hp1促进了细胞衰老，而补充Hp1缓解了过早衰老的表型；异染色质也与某些特定组蛋白修饰相关：异染色质丢失伴随着H3K9me3整体减少，与从酵母到人类的细胞衰老及年龄相关疾病发病有关。用逆转录酶抑制剂、维生素C、没食子酸、低剂量氯喹（CQ）等处理衰老的人类间充质祖细胞，可增加异染色质相关标记水平（包括H3K9me3和HP1），缓解细胞和组织的衰老。

得益于各种高通量染色体构象捕获（Hi-C）、DNA腺嘌呤甲基转移酶鉴定（DamID）、高通量染色质开放测序技术（ATAC-seq）等高通量测序技术的进步，研究者们能在如3D基因组结构和染色质可及性等高阶结构层面上，描绘衰老过程中的表观遗传改变。

总体而言，3D基因组结构重组可表现为熵的增加，增加程度可作为衰老的潜在生物标志物，但对其的测量要应用于临床实践，还有很长的路要走。

尽管识别表观遗传生物标志物用以预测生物年龄方面已取得很大进展，但由于样本集数量少，仍存在预测偏差。

未来，将需要使用更多来自不同细胞、组织、种群、物种、疾病的大规模数据集，结合不同层面的表观遗传生物标志物，提供更为精准的生物年龄预测，以及更好地评估临床衰老干预手段的结果。

基因组不稳定性是衰老的标志之一。

DNA作为遗传信息的载体，随着年龄增长发生各种改变，对正常细胞活动和组织稳态产生负面影响。这些改变包括但不限于：DNA损伤、DNA损伤反应（DDR）和修复、突变、复制应激、转座、染色体畸变、端粒缩短、微核和DNA片段化。

DNA损伤被认为是经典的衰老主因。支持这一观点的是，大量研究报告了衰老细胞、早衰细胞和老年人的DNA损伤增加，γH2AX灶点是一种常用的DNA双链断裂（DDR）生物标志物。

DNA修复受损也是衰老细胞中DNA损伤累积的原因之一。通常，γH2AX灶点在DNA修复过程完成后被清除。

然而，一些新研究发现：一种含有γH2AX和其他与DNA双链断裂相关的蛋白（53BP1、MDC1、NBS1等）的大而持久的DNA损伤灶，被命名为染色质改变增强衰老的DNA片段（DNA-SCARS），对于衰老细胞和受辐射的小鼠组织长期维持衰老相关表型至关重要。

除DDR外，通过8-羟基-2'-脱氧鸟苷 (8-OHdG) 测量的DNA氧化损伤水平也随着年龄增长显著增加，且负责修复DNA氧化损伤的碱基切除修复（BER）能力随着年龄增长而下降。但有趣的是，衰老过程中DNA修复的改变似乎是组织和细胞类型特异性的。

大量未修复或错误修复的DNA损伤的存在也会促使其他衰老生物标志物的产生。尽管 DNA损伤和修复在衰老中起着深远的作用，但靶向DNA修复是否可以预防年龄相关疾病，并有助于长寿还需要进一步研究。

与年龄相关的突变变化具有组织类型特异性：心脏和小肠的突变频率都随着年龄的增长而增加，而突变谱在这两个器官之间表现出显著差异。

2021年的一项新研究发现，与在自然衰老小鼠的肠道、肝脏和肺中检测到的累积突变相比，心脏中几乎没有明显的与年龄相关的突变增加,暗示心脏中的DNA修复系统可能在全生命周期均发挥效用。

目前已经报道了组织特异性突变频率和特征，但仍缺乏关于细胞类型特异性突变特征的知识，未来迫切需要借助单细胞组学技术以单细胞分辨率来揭示与年龄相关的突变改变。

生殖细胞和体细胞突变的差异是另一个有趣的话题。年轻成年小鼠的生殖细胞处于受保护状态，而在老年小鼠中，精子发生过程中突变频率明显升高。

DNA修复受损会导致突变，而基因组不稳定性在衰老的发展中起着至关重要的作用，然而，在具有转录相关修复缺陷的早衰小鼠中并未报道突变的积累。这种现象一方面可能是由于检测突变的方法对于检测DNA修复不敏感所引起，另一方面，某些情况下，DNA修复受损可能独立于诱导有害突变导致衰老表型。

2.3 染色体畸变

染色体畸变是指染色体数量或结构的变化，是另一种与衰老和与年龄相关疾病（特别是癌症）的生物标志物。

一项研究表明，75-79岁老年人的血液和口腔样本中出现嵌合型染色体异常（包括出现非整倍体和拷贝中性杂合性丢失）的频率，相较50岁以下的成年人高出约8倍；重复、缺失和单亲二倍体的频率在老年人样本中也迅速上升。

不同的染色体对于年龄相关的染色体畸变可能表现出不同的易感性。在人类老化的成纤维细胞中，第1、4、6、8、10号染色体（其中大部分含有衰老相关基因）比其他染色体更容易受到年龄的影响。性染色体不分离频率在男性百岁老人中达到顶峰，而在女性百岁老人中显著降低，暗示衰老过程中染色体畸变具有性别特异性。

值得注意的是，在个体被诊断患有血液系统恶性肿瘤前至少一年收集的DNA样本中，克隆嵌合现象可检测性至少高出健康人27倍；几项研究还发现，血液中Y染色体嵌合体缺失会导致心力衰竭、实体瘤和AD等，这表明血细胞中的染色体畸变可能是人类多种年龄相关疾病的重要生物标志物。

2.4 微核

微核是小的、具有膜结构的、含DNA的隔室，由于有丝分裂过程错误而产生。

长期以来，微核被认为是一系列人类疾病的生物标志物。研究表明，微核频率随着人类年龄增长表现出双相特征（从新生儿到40岁逐渐增加，而在中老年人群中逐渐减少），可能与细胞增殖能力随年龄增长逐渐下降有关。

衰老细胞会将核纤层蛋白A/C阴性、γH2AX强阳性、H3K27me3强阳性的DNA片段挤出到细胞质中，这种被称为细胞质染色质片段（CCF）的胞质DNA明显不同于被核膜包裹的微核。

CCF可激活cGAS-STING通路，介导衰老细胞的促炎反应，并进一步促进旁分泌衰老。由于细胞质DNA负荷增加会导致衰老和炎症，靶向去除核外DNA在减轻先天免疫反应和衰老相关表型方面具有巨大潜力，DNA降解活性缺陷是DNA片段介导的衰老的部分原因，二甲双胍、雷帕霉素激活自噬可减少CCF并抑制衰老。

如前所述，与基因组不稳定性相关的多种细胞改变已被报道为衰老的生物标志物，尽管它们中的许多以细胞、组织类型或性别特异性的方式受到调节，其中潜在的机制，迄今为止仍然模棱两可。

我们在这里回顾的大多数生物标志物都与核DNA变化有关；然而，线粒体 DNA改变也与衰老密切相关。最近的一项研究还表明，线粒体DNA复制缺陷对核基因组稳定性具有负面影响，暗示了细胞核和线粒体之间长期以来被忽视的联系。

此外，上述这些与基因组不稳定性相关的生物标志物是否可用于测量衰老过程、预测疾病易感性、指导年龄相关疾病的个性化治疗仍值得进一步研究。

在许多与衰老相关的生物学机制中，端粒脱颖而出，因为它们遵循着一条简单而重要的逻辑：在衰老过程中被损耗而缩短。

在真核生物中，端粒是位于线性染色体末端的核蛋白复合物，在保护基因组完整性免受核降解、DNA 损伤反应和不必要的DNA重组损害方面起着至关重要的作用。

端粒的基本组成是一种包含数万富含G碱基的串联重复DNA序列的特殊染色质结构，在人类中，端粒的染色质结构由shelterin蛋白复合物和非编码RNA TERRA所构成：shelterin复合物包含6种蛋白质——端粒重复结合因子1（TRF1）、端粒重复结合因子2（TRF2）、TPP1（负责募集端粒酶）、POT1、TRF1相互作用核因子2 (TIN2)、TRF2相互作用蛋白（RAP1/TERF2IP），它们执行端粒复制调节、端粒加帽和端粒染色质高阶结构监测等多种功能。

从端粒上打开shelterin复合物会导致DNA损伤反应激活和异常的DNA修复。因此，shelterin缺乏会导致端粒脱帽甚至端粒崩溃，几种shelterin成分的功能丧失模型中出现了组织再生能力下降和衰老加速。

3.1 端粒DNA长度

人类端粒在出生时由8-15 kb的短串联重复序列（5'-TTAGGG-3'）组成，由于末端复制问题，端粒在每个复制周期后都会缩短。

早期发育过程中，端粒DNA被端粒酶延长，以抵消由于细胞高度增殖而在每个复制周期后端粒显著缩短的约50-200个核苷酸。

在大多数体细胞中，胚胎发育阶段结束时端粒酶就已失活，因而，端粒DNA长度（TL）可被视为细胞分裂次数的计数器，当端粒缩短导致极短的TL（Hayflick 极限）时，会触发不可逆的细胞周期停滞，称为复制衰老。因此，TL可以被认为是衡量衰老的生物标志物。

许多研究表明，TL的动态变化不仅是细胞水平的有丝分裂时钟，而且是反映个体衰老水平的时钟。

随着人类年龄的增长，大多数组织中的平均 TL 会随着年龄的增长而下降（发生在包括皮肤、胃肠道和造血系统等高增殖组织，和心脏、大脑和脂肪等低增殖组织中）。

由于端粒缩短与细胞分裂有内在联系，而非增殖组织主要由长寿命的有丝分裂后细胞（LLPMC）组成（非增殖组织中与年龄相关的端粒变化机制仍然难以捉摸），线粒体功能障碍和 ROS 在这些组织中积累，其富含G的端粒DNA对ROS氧化特别敏感，这会造成端粒损伤，可能导致端粒磨损并在数十年内脱帽。这些结果表明，端粒结构变化与增殖性和非增殖性组织老化均有关。

由于TL的动态变化是各种组织衰老的潜在标志，许多临床和流行病学研究已经解决了血细胞中TL缩短是否可以反映组织衰老甚至个体衰老的问题。实际上，外周白细胞或外周血单个核细胞（PBMC）中的TL缩短反映了衰老对整个人体组织TL分布的系统性影响：成年后PBMC中的平均TL损失速度约为1000bp/年（1岁以内大约100bp/年，童年期约50bp/年），这表明PBMC中的TL是一种衰老预测标志物。

机体水平上，TL的动态变化受整个人类生命周期中的遗传变异和非遗传因素的影响。遗传因素导致人类TL的变异范围为30%-80%。TL稳态响应生活方式、社会因素或环境的变化。即使是病原体感染，例如新冠感染，也会导致端粒显著缩短，这表明端粒损耗的程度是反映压力暴露积累的敏感生物标志物。

因此，TL作为一种令人振奋的衰老生物标志物，可以及早预测和追踪虚弱、弹性（resilience）丧失和年龄相关疾病。例如，生活方式、社会和环境压力是导致衰老异质性的主要原因，个体TL变异可能预示着衰老加速风险。

最近的研究比较了PBMC中的TL变异和甲基化时钟对追踪时序年龄的效果，有趣的是，它们可以在衰老评估中起到互相补充的作用，因为它们似乎反映了决定衰老轨迹的不同生物学机制。

可重复的TL测量对于未来的临床应用非常重要。

目前存在许多检测端粒的方法，包括定量聚合酶链反应（Q-PCR）、末端限制性片段（TRF）分析、各种定量荧光原位杂交（Q-FISH）方法、单链端粒长度分析（STELA）、最短端粒长度测定（TeSLA）、单端粒肽核酸杂交分析（PHAST）测定和单分子实时（SMRT）测序。

尽管这些方法在近几十年间得到了改进，但在临床环境中仍然存在重大技术障碍，包括准确性、可重复性、检测时机和技术难度。

此外，端粒状态的相关生物学评估需要超出平均TL的信息，以预测年龄相关疾病。例如，TL分布正在成为一种比中值或平均TL更有效的生物标志物，因为触发细胞衰老的是单个染色体末端最短TL而非平均TL，而最长端粒被用作识别成体干细胞区室的标志，但准确检测超过20kb的端粒仍然很困难。具有异常端粒表型（如正常TL分布的端粒融合）的细胞分裂中期图像可以提供令人信服的证据，揭示端粒功能障碍的状态。

基于实时Q-PCR的TL测量是一种使用少量样品的快速方法，提供标准化TL平均值，但它无法提供有关端粒长度分布的信息，此外，由于使用了各种标准化方法，这种方法在实验室间的标准化程度很低。由于用于标准化的基因的非整倍性和突变发生很常见，Q-PCR对于量化癌症研究中的TL也是不准确的。

目前已经开发了几种基于Q-PCR的方法，如Ω-qPCR和单端粒绝对长度快速（STAR）检测，这些方法可以确定绝对TL。此外，STAR 检测可以在相对广谱范围内量化单个端粒分子，从最短的端粒到单个细胞中数百kb的较长端粒，可用于肿瘤TL检测，无论是在临床还是在基础研究中，它都是一种很有前途的TL检测方法。

TRF测定被认为是端粒分析的金标准。TRF测定需要Southern blot程序以在限制酶消化后分离端粒片段。这是一个费力的过程，并且需要大量的起始基因组DNA，因此该测定不适合临床应用。STELA及其改良方法（U-STELA和TeSLA）是在TRF分析的基础上开发的，它结合了Southern blot和接头连接后的PCR扩增，测量单个染色体末端的TL，并提供有关TL分布的有价值信息，这些方法能够检测最短端粒。

STELA、U-STELA、TeSLA对于临床早期预测病理性衰老至关重要，然而，这些检测对于常规临床和大量人群研究来说，还是过于耗费人力。

Q-FISH方法是将荧光标记的(CCCTAA)3肽核酸（PNA）探针与固定的间期细胞或各种活检组织杂交，通过计数荧光信号的数量和强度来量化TL，从而确定TL。

Q-FISH的明显缺点是端粒的荧光信号（也称为“端粒斑点”），依赖于高阶端粒结构的聚集，这会导致端粒总数减少，从而可能导致错误的TL分布结果估计。中期Q-FISH可以检测TL分布和单个染色体末端的异常表型，但只能在活跃分裂的细胞上进行。基于与 Q-FISH 类似的原理，但利用流式细胞技术进行了改进，流式FISH测量与端粒PNA探针杂交后悬浮液中单个细胞中值TL。结合不同流式细胞术方法，流式FISH可以适应更高的通量并且增强了可重复性，它是第一个经过验证、可用于临床诊断目的的TL检测方法。流式FISH的另一个优点是通过抗体染色测量不同的细胞群的TL（特定细胞群可以在流式FISH之前进行细胞分选）。

流式FISH 是目前可用于测量人类血细胞亚群平均TL最快、最灵敏的方法。这种技术的缺点是，由于各种实验室的固定和杂交效率，PNA 探针可能会非特异性结合。

PHAST测定旨在pull-down与端粒序列杂交的PNA探针，并通过微流体通道利用光片荧光进行分析。PHAST需要非常专业的设备，且不适合测量超过15kb的TL。

最近，SMRT测序开发了一种高通量TL测量，使用HiFi测序平台对含有端粒序列的纯化基因组DNA进行杂交和连接染色体3’末端的端粒单链富含G的悬垂后，以核苷酸分辨率进行高通量TL测量。该检测不仅提供了一种高通量和准确的检测方法以高分辨率检测TL，而且还揭示了端粒变异序列（TVS）的存在，这将为临床和端粒生物学研究提供更多信息。

综上所述，上述所有检测TL分布的方法各有其优缺点。随着基础研究技术发展和大型临床研究需要，在未来使用单细胞方法来识别具有异常长或短端粒的细胞是非常可取的。

3.3 端粒作为一种衰老生物标志物

端粒缩短是生物衰老的标志，也可用作识别并拦截年龄相关疾病风险的“哨兵”——事实上，端粒损耗水平与糖尿病、心血管疾病（CVD）、抑郁症和认知能力下降的发病率和死亡率有关，端粒缩短也有可能独立于时序年龄被用来预测各种癌症预后。

端粒损耗严重是年龄相关疾病的危险因素，它预示着免疫功能差和脆弱性：短端粒占比较高的患者，发生新冠重症的风险也较高。

TINF2突变是造成先天性角化不良（DKC）的第二大常见遗传原因（影响约15%患者），DKC是导致人类早衰综合征的先天性疾病，这表明TIN2功能对于对抗病理性衰老至关重要。

尽管很少有研究检测到人类衰老过程中的shelterin（端粒保护蛋白复合体）水平，但已发表数据表明，TRF2水平在临床活检中随着组织衰老而下降，并且TRF2表达在癌症活组织检查中异常升高，所有这些结果表明TRF2是衰老轨迹的潜在标志物。仍需要进一步的大型流行病学队列或针对年龄相关疾病患者的研究，来了解TRF2以及其他shelterin组分在正常和病理性衰老过程中的表达水平差异。

可用于DNA损伤研究的端粒功能障碍测定是TIF分析（端粒功能障碍诱导病灶）。该方法基于通常在体外或在组织切片中间期细胞上进行的PNA-端粒探针Q-FISH，并涉及识别DNA 损伤反应的抗体，例如γH2AX或53BP1。端粒与DDR抗体信号的共定位表明端粒受到损伤。

尽管此测定不提供有关TL的信息，但它可用作生物标志物检测出现端粒功能障碍（短或未加帽）的细胞数量，这是预测导致细胞衰老或恶性增殖趋势的重要标志物，TIF的增加与TL 变异无关，是B细胞慢性淋巴细胞白血病（B-CLL）早期阶段的特征表现，也表明TIF可能是独立于TL的年龄相关疾病的生物标志物。

在本文中，我们总结了与衰老轨迹和年龄相关疾病可能相关的端粒相关生物标志物。同时我们也强调了端粒功能障碍的根本原因——无论是端粒缩短、端粒DNA损伤，还是端粒特异性蛋白质耗竭的形式，均可用来表征衰老轨迹。

这为开发用于衰老干预的重要生物标志物奠定了基础，不仅可以预测患上年龄相关疾病的早期风险，还可以促进健康老龄化。

未来应进行精心设计的临床研究，以测试和验证端粒生物标志物和相关靶点作为有力工具对抗衰老不良后果的价值。

核内小体（核体）是真核细胞核内的大分子凝聚物。这些点状结构进一步划分核空间并执行类似于细胞器的专门功能。

然而，与高尔基体和溶酶体等膜细胞器不同，核体通常是通过成核机制，由蛋白质或核酸成分的液-液相分离（LLPS）形成的，故没有脂质膜。

因此，核体也被认为是具有细胞核的无膜细胞器（MLO）。迄今为止，至少有18种核体被记录，包括核仁、Cajal核体、早幼粒细胞白血病（PML）核体等。

核体显示出多种功能，在一系列生物过程中发挥协同作用，如基因表达调控、RNA 加工和成熟。类似于正常老化过程中核结构的改变，一些核体如核仁，也与衰老过程有关, 可成为衰老的潜在生物标志物。

作为主要由LLPS机制形成的亚细胞结构，核体常呈圆形或点状形态，偶为不规则的形状，例如小颗粒或扭曲的球体。核体的大小一般在直径0.2-2微米范围内，核仁是最大的圆形核体，直径范围1-10微米。

随着衰老的开始，核仁发生形态学变化，它的大小一般与动物的寿命成反比，如老年健康人的核仁会扩大，这表明核仁大小是衰老的生物标志物。在HGPS早衰症患者的细胞中，经典的点状PML核体被重组为线状结构，表明PML核体的形态学改变也可能是衰老晚期的生物标志物。

尽管近年来在核体研究方面已取得长足进步，但还需要识别更多类型的核体。

此外，未来还需要回答以下问题：是否有与衰老和疾病相关的新核体？这些核体如何在年轻和衰老的细胞中进行交流？是否存在对于某些特定核体的生物大分子“核体语法”？一些核体可以用作生物标志物或治疗靶点吗？

这些问题的答案将有利于细胞衰老和健康衰老研究。

细胞周期是指驱动具有增殖能力的细胞分裂成两个新子细胞的一系列事件。

典型的细胞周期由G1、S、G2和M期组成。细胞周期进程受细胞周期蛋白（Cyclins）和CDK、CDKI和RB的调节。存在三个主要的细胞周期检查点，包括G1/S和G2/M转换检查点，以及纺锤体组装检查点（SAC），以确保适当的细胞周期进程。

Cyclin D/E、CDK（如CDK2、4、6）可形成Cyclin-CDK复合物并磷酸化RB，从而导致转录因子E2F从RB-E2F复合物中释放并随后易位至细胞核，从而转录激活参与DNA复制的下游靶基因，积极驱动细胞周期从G1期进展到S期转变。而p21CIP1和p16INK4a等 CDKI可抑制CDK活性使RB不能被磷酸化并保持其低磷酸化状态，导致E2F螯合在RB-E2F复合物中，从而抑制E2F靶基因转录，阻断G1期细胞周期，并抑制细胞进入S期。

因此，适当的细胞周期进程需要Cyclin-CDK复合物和CDKI之间的精确协调。

无论细胞内和细胞外衰老刺激如何变化，细胞衰老最明确的标志之一是稳定的细胞周期停滞在G1期或可能是G2期，这会阻止细胞增殖。细胞衰老中的细胞周期停滞主要受p53/p21CIP1和p16INK4a/RB通路调控，两条通路间也存在串扰。

由p53/p21CIP1和p16INK4a/RB两条通路介导的稳定性细胞周期停滞，是细胞衰老最明确的标志之一。这两种途径都很复杂，因为它们涉及许多上游调节器和下游效应器。

在人类的衰老过程中，衰老细胞会在多种组织中积累。作为一种被广泛接受的细胞衰老生物标志物，SA-β-gal活性已被探索用于监测活体小鼠的细胞衰老；p16INK4a、p21CIP1也可用于检测组织中的衰老细胞。

然而，p53和RB激活也发生在其他形式的细胞周期停滞中，甚至p16 INK4a也并非在所有衰老细胞中表达。

因此，需要多种生物标志物协同评估来精确识别衰老细胞：如Cyclins、 p53/p21 CIP1和 p16INK4a/RB、DNA 复制标志物EdU或BrdU，细胞增殖标志物Ki-67或PCNA、集落形成试验或细胞生长曲线、SA-β-gal染色、DNA损伤标记γH2AX、Lamin B1，和/或SASP。

线粒体是重要的细胞内细胞器，在多种细胞活动中发挥重要作用，包括能量供应、钙稳态、细胞信号传导、细胞凋亡调节和许多生物合成途径。线粒体包含自己的基因组，称为线粒体DNA（mtDNA），编码37个基因。

活性氧（ROS）主要产生于线粒体呼吸链复合物Ⅰ和Ⅲ，可对mtDNA造成氧化损伤。由此发生的mtDNA突变再导致缺陷的呼吸链成分，从而产生更多的ROS，从而造成ROS的恶性循环和mtDNA突变积累，这被认为是衰老的标志之一。氧化损伤学说是衰老机制的主要理论之一。

一般来说，与年龄相关的线粒体异常，包括ROS生成增加、mtDNA突变和含量累积、线粒体动力学改变、线粒体未折叠蛋白反应（UPRmt）降低，以及呼吸链活性降低。

mtDNA突变积累被认为是导致衰老和年龄相关疾病的重要因素，特别是对于一些能量需求旺盛的组织（包括心脏、肝脏和皮肤组织），过度mtDNA突变积累会通过损害氧化磷酸化和加速衰老表型，导致线粒体功能障碍。低频（＜0.5%）mtDNA点突变在人类卵母细胞衰老过程中积累，可能造成囊胚形成受损，从而降低生育能力。因此，低频mtDNA点突变可作为卵母细胞老化的潜在生物标志物。

除mtDNA突变外，mtDNA拷贝数也在衰老过程中变化，具有组织特异性。

线粒体动力学包括线粒体裂变、融合、运输、生物发生和线粒体自噬，有助于维持线粒体代谢功能和mtDNA完整性，在线粒体周转和许多信号通路中也发挥着调节作用。

线粒体动力学正常对于延长寿命是必需的，线粒体动力学改变，如线粒体裂变缺陷，与细胞衰老有关。受线粒体融合裂变动力学的直接调控影响，也有研究表明称线粒体的形态变化与衰老有关，在老年人细胞中可观察到线粒体增大。

蛋白质稳态的维持对于细胞和生物体的正常功能至关重要。

随着年龄增长，蛋白质稳态逐渐下降，会增加异常蛋白质聚集体积累的风险，故蛋白质稳态丧失被认为是衰老和各种年龄相关疾病的标志。

蛋白质稳态网络包括以下核心组分，它们共同维持着蛋白质稳态：

（1）分子伴侣和辅助伴侣促进有效的蛋白质折叠和组装，并防止错误折叠的蛋白质聚集；

（2）自噬-溶酶体系统和泛素-蛋白酶体系统是对蛋白质稳态至关重要的两个质量控制途径；一般来说，大的聚集体通过自噬在溶酶体中降解，而末端错误折叠的底物被蛋白酶体降解；

（3）应激反应途径，如热休克反应（HSR）和内质网（ER）与线粒体的UPR（URPER/UPRmt）。

最近，越来越多的证据表明蛋白质稳态与衰老和长寿密切相关。伴侣蛋白状态、自噬-溶酶体系统、泛素-蛋白酶体系统的活动，以及URPER和UPRmt的功能，均可用作衰老的生物标志物。

翻译后蛋白质修饰（PTM）增加了蛋白质组的功能多样性，对于真核生物是必不可少的。衰老过程中的酶促和非酶促PTM是蛋白质稳态下降的关键调节机制；这些PTM主要是磷酸化、泛素化、SUMO化、乙酰化、羰基化和氧化翻译后修饰（OxiPTM）。

（1）蛋白质磷酸化：蛋白质磷酸化通过激活或灭活蛋白质和/或调节蛋白质错误折叠和聚集的趋势，影响衰老过程中的蛋白质稳态。如α-突触核蛋白是与帕金森病（PD）和其他突触核蛋白病有关的关键蛋白，其丝氨酸129位点（pS129）的磷酸化是PD的病理标志。

（2）蛋白质泛素化和SUMO化：泛素化是将泛素（一种小的功能调节蛋白，含76个氨基酸）连接到目标分子的过程，泛素连接酶CHIP是蛋白质稳态的关键调节因子。

CHIP缺陷会导致胰岛素受体（INSR）的泛素化水平降低，使线虫和果蝇的寿命缩短；蛋白质SUMO（类泛素蛋白修饰分子）化也是一种广泛的翻译后修饰，SUMO化受损可能与核蛋白稳态丧失有关，并可能导致核纤层蛋白综合征中的早期衰老。

（3）蛋白质乙酰化：赖氨酸乙酰化是一种正常且用途广泛的蛋白质翻译后修饰，赖氨酸乙酰转移酶和赖氨酸脱乙酰酶，分别催化组蛋白和非组蛋白靶标上乙酰基的添加或去除。临床研究揭示了在AD和其他主要tau蛋白病的中存在显著的乙酰化增加。

（4）蛋白质羰基化：蛋白质羰基化是蛋白质氧化损伤的主要标志，表现为蛋白质被大量活性物质（ROS、脂质过氧化衍生的醛和还原糖）氧化修饰。蛋白质组学分析表明，参与蛋白质质量控制的蛋白质和糖酵解相关酶是羰基化的主要目标。

7.2 OxiPTMs（氧化翻译后修饰）

在半胱氨酸巯基（-SH）上常见的OxiPTM包括亚硝基化（-SNO）、谷胱甘肽化（-SSG）、巯基化（-SSH）、次磺酰化（-SOH）、亚磺酰化（-SO2H）和磺酰化（-SO3H）。

（1）亚硝基化：是一氧化氮（NO）或其衍生物对蛋白质半胱氨酸巯基的可逆性翻译后修饰。蛋白质稳态的许多方面受到亚硝基化调节，例如关键的ER巯基氧化酶Ero1α的亚硝基化增加导致酶活性降低，使蛋白质稳态破坏和UPRER受损，加速衰老。

（2）巯基化：是由硫化氢（H2S）所介导的半胱氨酸巯基的翻译后修饰，H2S是一种重要的调节信号分子。通过饮食或药物干预措施，增加巯基化作用与延长寿命有关。

除PTM外，细胞氧化还原平衡为各种细胞内生物大分子发挥正常功能提供了稳定的微环境，成为调节衰老和年龄相关疾病中蛋白质稳态的另一个关键因素。

氧化还原应激反应能力（RRC）下降是衰老的动态特征，影响细胞内维持适当活性氧的能力，而适当的活性氧能够起到激活细胞信号通路，维持氧化还原稳态，降解受损蛋白质，即维持蛋白质稳态的作用。通过饥饿、运动或热应激增加氧化还原应激信号阈值（RST，即氧化还原应激显示出益处的最大水平），可改善RRC以维持蛋白质稳态和延缓衰老。

另一项研究表明，ER中的还原应激是细胞衰老的重要驱动力，还原条件下蛋白质合成、蛋白质折叠和UPRER活性都会被破坏；ER 氧化程度的调控成功延缓了细胞衰老。值得注意的是，有学者提出精确氧化还原是抗氧化药理学的关键，针对此方向的探索已经拉开帷幕。

近来压倒性的证据表明蛋白质稳态丧失是衰老的关键特征之一，也是衰老的有效生物标志物。

蛋白质PTM通过调节蛋白质活性、定位或与其他细胞分子的相互作用，参与衰老过程中的蛋白质稳态与细胞稳态。OxiPTM竞争特定的蛋白质巯基，对于蛋白质稳定性很重要，而OxiPTM的作用取决于细胞氧化还原状态。扩大RST是一种通过增加氧化还原应激信号阈值来维持蛋白质稳态的方法。

在未来的研究中，需要建立定量评估蛋白稳态生物标志物（PTMs水平、RRC、RST）与衰老进展之间关系的方法和指标。

细胞代谢是维持生命的一项基本活动，与大多数生物过程密切相关，包括衰老和细胞衰老。衰老具有许多特征，其中有相当一部分源于异常的代谢活动。由于细胞代谢对衰老过程产生深远影响，因此代谢物自然被认为是衰老的良好生物标志物。

研究者们已经付出了很多努力来测量不同年龄的人群代谢物的差异，一个名为MetaboAge的数据库收录了很多人类衰老相关代谢组研究。

目前已记录数百种代谢物的水平随年龄变化，其中数十种能够促进或抵抗衰老过程；然而，由于个体的代谢异质性和研究之间不同的代谢物检测方法，只有少数代谢特征在多项研究中得到一致性验证。这其中，7种代谢物与年龄密切相关和/或引起跨物种的抗衰老作用，因此可以被认为是衰老代谢生物标志物的候选。

NAD+是强烈影响不同模式生物衰老过程的明星分子之一。

除了与NADH相互转化外，NAD+主要通过补救途径、Preiss-Handler途径和从头合成途径产生，并通过许多NAD+消耗酶被分解代谢，例如PARP、SIRT和CD38。NAD+通过多种机制调节衰老过程，如参与氧化还原反应、维持干细胞稳态、维持先天免疫功能等。NAD+水平下降与年龄表现出强烈的相关性，从而使其成为有前途的衰老生物标志物。

α-酮戊二酸是三羧酸循环的关键中间代谢物。它可以通过谷氨酸氢化酶在线粒体中的可逆转化，或胞质溶胶和线粒体中的转氨反应由谷氨酸合成。

α-酮戊二酸可以延长包括线虫在内的几种模式生物的健康寿命，其干预性抗衰老作用可能是通过TOR信号介导实现的。

尽管多项研究观察到补充α-酮戊二酸的抗衰老作用，但衰老和细胞衰老过程中α-酮戊二酸的水平似乎取决于生物学环境。一些研究表明，α-酮戊二酸水平在化学诱导的衰老中增加，其他研究则报告它的水平在老年小鼠的血液和卵泡液中下降。

色氨酸是人体必需的氨基酸之一。

小部分游离色氨酸用于生物合成，例如重要的神经递质5-羟色胺和神经调节剂色胺，但大部分游离色氨酸通过吲哚胺-2,3-双加氧酶、色氨酸-2,3-双加氧酶和最近发现的酶IL4I1转化为犬尿氨酸，犬尿氨酸及其衍生物是免疫细胞的关键调节剂，也可进一步分解为NAD +的前体喹啉酸，犬尿氨酸及其衍生物的免疫学效应是导致免疫功能下降和神经退行性变，但尚不清楚是否有其他潜在机制将色氨酸代谢与衰老联系起来。

甲硫氨酸是启动mRNA翻译成蛋白质所必需的必需氨基酸。

甲硫氨酸作为一种常见的含硫氨基酸，通过甲硫氨酸循环相互转化为同型半胱氨酸，同型半胱氨酸再通过转硫途径合成半胱氨酸。

此外，蛋氨酸还参与多胺的生物合成。甲硫氨酸限制可以延缓从酵母到小鼠的衰老进程，但确切的原因还不完全清楚，目前已提出了一些机制假设，例如降低翻译速率、调节自噬和抗氧化。与年轻小鼠相比，老年小鼠的甲硫氨酸水平在血清中降低，但在脑中升高。

多胺是含有两个或多个胺基的代谢物，包括腐胺、亚精胺和精胺，它们都是精氨酸的分解产物。

长期以来，人们都知道多胺具有抗衰老作用，补充亚精胺对小鼠和大鼠的心血管和免疫细胞具有保护作用。最近的研究表明，多胺水平随着年龄增长而下降。

作为一种脂类，胆固醇来源于饮食或由乙酰辅酶A合成，它作为细胞膜的主要成分之一和类固醇激素的前体被消耗。

血液中的胆固醇水平往往随着年龄增长而升高，但也与运动、营养状况和遗传多态性等其他因素密切相关，例如，家族性高胆固醇血症（FH）患者血清中的胆固醇水平会更高。

细胞衰老是一种细胞命运调控程序，它通过强制细胞周期停滞去限制受损细胞增殖。

细胞衰老可由多种形式的刺激触发，包括DNA损伤信号、慢性氧化应激和端粒功能障碍。并且，衰老细胞会分泌多种细胞因子和趋化因子，统称为SASP，它们又可以反过来启动、促进或维持细胞衰老。

细胞衰老需要整合多个信号通路，迄今为止的实验证据共同表明，尽管许多刺激可以诱导衰老反应，但它们集中在两个主要通路上，即p53途径和pRb途径，然而，这可能只是冰山一角。基因表达谱揭示了复制衰老反应的特征是高度细胞类型特异性的，有多种途径可以诱导细胞衰老。

在这些途径中，TNFα信号与衰老密切相关，TNFα是一种多效性促炎细胞因子，可介导广泛的生物学功能：刺激正常细胞增殖、对肿瘤细胞发挥细胞溶解活性、引起炎症和免疫调节作用。

同时，TNFα也是一种有效的炎症反应诱导剂，在许多慢性炎症性疾病、与年龄相关疾病的发病机制中发挥着至关重要的作用；此外，长期低水平TNFα可导致免疫系统的慢性激活，称为慢性炎症。在本节中，我们将讨论由TNFα诱导的信号通路作为细胞衰老的生物标志物。

TNFα 的生物学效应由两种不同的细胞表面受体TNFR1和TNFR2介导，两种受体在它们的细胞外结构域中具有显著的同源性，但细胞质结构域不同。

TNFR1包含一个死亡域（DD），而TNFR2没有。TNFR1的细胞质DD对TNFα的信号转导至关重要，它可以募集其他含DD的分子。在连接TNFα后，TNFR1发生三聚化并诱导受体DD结合，随后募集两种含DD的蛋白质，形成一个瞬时膜信号复合体，称为TNFR1信号复合体（TNF-RSC）或复合体Ⅰ。通过后续信号通路转导，促进NF-κB通路激活，并可介导MAPK信号激活。

细胞衰老涉及影响衰老相关细胞周期停滞的细胞内、外过程之间复杂的相互作用，以及免疫系统对衰老细胞的监视作用。

新证据表明，SASP可以介导衰老细胞和免疫细胞在其微环境中的相互作用，加强细胞周期停滞。NF-κB激活是其中的重要过程，NF-κB转录因子包含Rel家族蛋白（RelA/p65、c-Rel和RelB）和NF-κB组分（p50/p105和p52/p100），它们在细胞质中通过相互二聚化结合激活，并可被IκB蛋白抑制，激活后的NF-κB复合物易位到细胞核中促进特定靶基因组的表达。

NF-κB复合物的p65亚基更显著地富集在衰老成纤维细胞的染色质中，p65 Ser536残基磷酸化是p65的反式激活修饰，与衰老过程中SASP的表达和分泌增加相关。进一步支持 NF-κB通路在衰老过程中发挥作用的证据是，许多TNF-RSC成分参与衰老过程，例如限制NF-κB信号传导的泛素编辑酶A20，在TNFα 诱导的衰老中发挥重要作用，上调A20可预防多种炎症性疾病发生；有趣的是，A20对TNFα诱导的髓核细胞衰老具有保护作用，下调髓核细胞中A20加剧了衰老表型，包括SA-β-gal活性增加、衰老相关蛋白表达增加、细胞外基质（ECM）合成增加，和细胞周期的G1停滞。

除NF-κB通路外，MAPK通路激活是TNFα信号转导的另一个结果。

MAPKs能够感知不同细胞条件的变化，进而引发包括衰老在内的适应性反应。MAPKs调节衰老过程中多种蛋白质的水平和功能，包括p53/p21 CIP1和 p16INK4a/RB通路中的因子。

尽管MAPKs家族包含大量激酶，与细胞衰老最相关的是ERKs（ERK1和ERK2）、p38（p38α、p38β、p38γ和p38δ）和 JNKs（JNK1、JNK2和JNK3）。衰老过程中，多条MAPK通路被各种应激信号激活，MAPKs 通过调控衰老相关基因转录，或通过磷酸化在转录后调控基因表达程序从而调节与衰老相关的RNA结合蛋白的活性。

此外，MAPK底物MK2参与SASP的翻译，将MAPK通路与mTOR通路联系起来，而mTOR通路在衰老细胞中也被激活。此外，MAPK还与NF-κB通路协同调节衰老：p38 MAPK激活MSK1/2，它可以磷酸化NF-κB复合物的p65亚基，从而增强NF-κB信号传导。综上，MAPK信号控制着衰老细胞中的转录和翻译程序，它的激活也可能是代表细胞衰老的重要生物标志物。

尽管细胞衰老的原因和表型是多方面的，但持续的基因毒性应激，特别是DNA损伤，被认为是建立和维持衰老表型的关键共同机制。DNA损伤可在衰老过程中触发NF-κB、MAPK 和PI3K/AKT通路激活。

然而，DNA与这些途径之间的联系尚不清楚。cGAS是一种DNA 传感器，通过产生第二信使cGAMP来触发先天免疫反应，cGAMP结合并激活衔接蛋白STING。几项研究提供了强有力的证据表明cGAS-STING通路在促进细胞衰老方面具有重要作用，从机制上讲，cGAS通过产生一系列细胞因子和趋化因子（例如IFN-β、IL-1β、IL-6和IL-8），反馈到分泌细胞以加强衰老信号。鉴于cGAS-STING通路提供了维持细胞衰老所必需的关键旁分泌信号，该通路的激活也可能作为代表细胞衰老的生物标志物。

新近研究表明，TNFα信号激活，包括NF-κB通路、MAPK通路和PI3K/AKT通路，控制细胞衰老表型，包括SASP产生、细胞周期停滞和有丝分裂旁路途径。

为了响应能够触发细胞衰老的刺激，NF-κB、MAPK和PI3K/AKT通路充当传感器以识别损伤程度，并帮助确定是否应该启动细胞增殖、细胞凋亡、细胞衰老或其他反应；如果细胞采取细胞衰老的反应，这些途径将直接参与细胞衰老的各种特征，要么实施基因表达程序，使生长停滞、促进SASP产生和分泌；要么抵消细胞凋亡表型，确保衰老细胞长期存活。

细胞衰老代表一种特殊的细胞状态，涉及多种病理生理过程和一系列年龄相关疾病，因此临床对靶向细胞衰老进行治疗，以实现健康衰老和预防、改善年龄相关疾病的兴趣持续增长。

在体内外准确识别和检测衰老细胞是必不可少的环节，但在技术上仍具有挑战性。目前已经确定了几种细胞衰老的生物标志物，包括SA-β-gal、p16INK4a和p21 CIP1，但很少有标志物具备高灵敏度和特异性。

衰老细胞合成和分泌大量可溶性因子——包括促炎细胞因子、趋化因子、血管生成因子、生长因子和基质金属蛋白酶（MMP），统称为SASP，或衰老信息分泌组（SMS）。

迄今为止，已经明确SASP是衰老细胞的典型标志，SASP可强化自分泌和旁分泌方式的细胞衰老、触发免疫反应以消除组织微环境中的衰老细胞，还在伤口愈合、细胞重编程和组织可塑性方面具有生理学意义。SASP在不同的组织和器官中引起持续的慢性炎症，这种现象被称为炎性衰老。

SASP的组成和强度可以有很大不同，取决于细胞衰老持续时间、细胞衰老刺激性质、特定的细胞类型和细胞衰老诱导后的时间。尽管细胞衰老相关标志物是由暴露在压力下的细胞转录改变而产生的，衰老表型却是可变的、动态的，在衰老诱导后以不同的时间间隔发生变化，因此基本缺乏能够随时识别衰老细胞的方法。

SASP的复杂性通常通过一系列分泌蛋白来评估，但在很大程度上被低估了，因为少数因素无法解释这种不同的表型。

事实上，SASP表达受一个多层次的、复杂但有序的信号网络的调控。一些候选细胞衰老生物标志物恰好与人类血浆中的衰老标志物重叠，包括GDF15、STC1和SERPIN，它们在巴尔的摩老龄化纵向研究（BLSA）中被证实与年龄相关。

此外，病原体相关因素，如脂多糖（LPS）或新冠病毒S1抗原，也可以显著放大衰老细胞的SASP 级联，增加细胞因子风暴的风险，进而增加老年人和患有与衰老细胞高负担相关的基础疾病的人的临床死亡率。

理解SASP的时空调节，可以帮助进一步深入了解支持SASP异质性，探索可用于调节SASP组成的机制。许多编码SASP的基因显示出显著的变异性，暗示单一标志物不足以识别衰老细胞，尤其是在体内。

此外，衰老细胞通过近分泌NOTCH/JAG1信号、释放ROS、细胞质桥和细胞外囊泡（EV）等方式，与其周围微环境进行交流。通过对不同生物环境中衰老分泌组的全面表征，可能更有助于识别细胞衰老。

鉴定有可能被开发为指示SASP生物标志物的、由衰老细胞产生的分泌因子似乎是一项具有挑战性的任务，因为分泌因子的特征通常由许多因素决定。

最近一项研究揭示衰老的人类成纤维细胞分泌343种SASP因子，其水平是静止状态的成纤维细胞的2倍以上，其中44种蛋白质参与与细胞衰老几乎无关的凝血过程。

尽管SASP在体内完成多种多样的生理功能，但其中许多确实与慢性炎症有关，这是一种在机体衰老过程中经常观察到的现象。SASP 的几种成分具有免疫调节作用，如IL-1α、IL-1β、IL-6、IL-7、IL-8、M-CSF、G-CSF、GM-CSF和TNFα。

识别转录组学特征以检测衰老细胞，是评估衰老细胞的不同生物学作用，和开发有效药物靶点的策略。全转录组数据集呈现出人类成纤维细胞中55个细胞衰老相关基因转录组指纹，作为细胞衰老和SASP异质性的核心，从而可以特异性靶向那些具有致瘤性、免疫抑制性或可能与其他年龄相关疾病有关的衰老细胞。

然而，限制仍然存在，特别是在对于涉及生物样本的研究中，仍缺乏特定衰老细胞标志物。为此，Gorgoulis等最近提出了一种多标志物组合方法，可用于评估senolytics的疗效，senolytics作为一种用于干预各种年龄相关疾病的治疗方法，目前正在进入临床试验阶段。

鉴于SASP的明显异质性，美国国立卫生研究院（NIH）最近明确了5个广泛领域来推进细胞衰老相关研究，包括：

①衰老细胞鉴定和表征、②衰老图谱建立、③生物标志物开发、④模型系统优化、⑤成像工具开发。

仍有几个悬而未决的问题，它们共同构成了该领域的重大挑战：生物标志物、模型系统和成像技术都需要验证项目，其中细胞稳态通路受到扰动以诱导、调节和微调细胞衰老，评估这些扰动对SASP发展的影响，以及对不同组织和器官的生理完整性的影响，对于明确造成时序老化的病理因素至关重要。

这些方面的进展可能有助于发现更准确的衰老相关特征，以解决一些关键问题：是什么启动和调节了SASP？深度衰老细胞会获得哪些表型？在细胞衰老过程中，靶向SASP的最佳时间点是什么？这些有趣问题的答案将有助于为细胞衰老和SASP的亚型开发新的标志物组合，并指导不断发展的衰老干预领域，从而在当前精准医学时代的下一波浪潮中傲立潮头。

衰老包括许多可能不会同时改变的生物过程。

如上一章所述，在细胞水平就是这样的情况，在衰老维度的更高层级（即器官水平）中亦是如此。在本章中，我们将深入研究具有自身衰老生物标志物的各个器官，每个器官都按6大支柱（生理学特征、影像学特征、组织学特征、细胞改变、分子改变、分泌因子）组织在同一个框架中进行叙述。

除了对特定器官具有特异性之外，一些生物标志物往往由多个器官共享，或通过代偿机制、系统反馈、以及涉及肠道和循环免疫细胞的外周免疫功能相互关联。理想情况下，老化的生物标志物应在整个生命周期内均可进行测量。因此，我们认为好的器官老化生物标志物应是特异性的、系统性的、可用的。

人脑重约3磅（约1400g），其中最晚进化的结构（即新皮质）极大地增强了认知功能，将智人与其他动物区分开来。

通过感觉、运动和自主神经系统，大脑充当人体的最高指挥中心。中枢神经系统（CNS）通过周围神经系统支配所有器官，神经控制和血液供应一样无处不在。

脑也是一个容易老化的器官，衰老会增加一系列神经退行性疾病的风险。在衰老过程中，脑在生化、细胞、结构和功能等层面发生变化，一些特征性变化可以作为生物标志物来反映和评价脑老化过程。

1.1 生理学特征

在细胞和分子水平上，已提出脑衰老十大标志的假设：线粒体功能障碍、细胞内氧化损伤分子累积、能量代谢失调、细胞“废物处理”机制受损、适应性应激反应信号受损、DNA 修复受损、神经元网络活动异常、神经元钙稳态失调、干细胞耗竭和炎症。

临床上，脑老化表现为脑形态学改变、异常蛋白质病理性堆积、生理功能改变。神经影像学证实的衰老过程中的大脑形态变化，主要包括脑容量减少、灰质和白质退化、脑室扩大；或由脑小血管疾病引发神经元细胞萎缩、树突变性、脱髓鞘、代谢缺陷、小胶质细胞激活和白质病变形成而导致的皮质变薄。

脑β-淀粉样蛋白（Aβ）、tau蛋白和α-突触核蛋白在脑中的病理性沉积，被认为是包括AD和PD在内的神经退行性疾病的标志，也是脑老化的生理标志。在表型和功能层面，脑老化的特点是学习、记忆、决策速度、感觉功能和运动协调能力下降，所有这些与脑老化相关的变化都对个人日常生活基本活动产生巨大影响，并导致衰弱等老年综合征。

世界卫生组织（WHO）最近提出的“内在能力（intrinsic capacity）”概念，涉及个体在运动、认知、感觉、心理和活力方面的能力，可用于测量时序老化以及功能水平的脑老化。

虽然年龄相关的神经变性迹象通常出现在50岁之后，但与任何其他器官一样，脑老化的速度因人而异。

个体在早年经历的环境因素（如压力、饮食、社会经济地位、吸烟、饮酒）会影响晚年认知功能。具有遗传风险因素（例如APOE4）或暴露于环境风险的人，可能较其他人有更高的脑老化率；同样，遭受严重创伤或急性感染也可能加速脑老化的过程。

1.2 影像学特征

1.2.1 结构磁共振成像

磁共振成像（MRI）被广泛用于显示与年龄相关的大脑结构变化，结合多种结构成像标志物，包括脑萎缩、微血管改变、微出血、白质病变（WML）和白质完整性受损，可以预测脑老化和神经退行性疾病。

脑萎缩是老年脑最常见的变化之一，它会同时影响灰质和白质，正常衰老期间额叶体积下降幅度最大。

在不同的神经退行性疾病中会出现不同的脑萎缩模式，例如，MRI上显示内侧颞叶萎缩是AD的标志。MRI显示微出血的患病率估计在8.8%-35%，随着年龄增长而增加，高血压性血管病变引起的微出血常见于基底节、丘脑、脑干和小脑；脑淀粉样血管病（CAA）引起的微出血多分布在大脑皮层，由于不同大脑区域之间的连接中断，微出血负荷增加可能预示着认知能力会进一步下降。WML是指白质中T2加权成像（T2WI）上的高信号斑块，与老年脑中的微血管改变和缺血有关，WHL分为两种形式，即脑室周围白质病变和深部白质病变（额叶首先出现），具有不同的潜在发病机制；对于白质完整性在脑老化中的作用，弥散张量成像（DTI）序列穹窿分数各向异性（FA）降低是最早的MRI异常之一，可预测记忆功能下降，在AD风险增加的老年人中常出现。

功能MRI（fMRI）可提供有关神经元活动和血管生理的信息，非常适合活体早期脑病理生理学观察。

大量研究表明，随着年龄的增长，脑血流量（CBF）在局部和全脑范围内都会减少，与认知能力和脑血管健康水平下降有关。CBF变化时空模式从楔前叶、后扣带回和颞顶叶局部减少扩展到更广泛的区域，对应着健康到轻度认知障碍（MCI）再到AD人群，故支持将CBF纳入AD研究框架。氧摄取分数（OEF）和脑氧代谢率（CMRO2）是脑氧稳态和代谢的标志物，静息CMRO2在AD老年人的顶颞叶和楔前叶区域减少。

正常老化和神经退行性疾病的区别还与功能性大脑网络的改变有关，功能性脑网络通常通过静息态fMRI进行测量，使用图论法，功能性大脑系统内部连接性降低或增加在老年人中很明显。

大多数研究表明，与正常老化人群相比，记忆力下降的老年人默认模式网络（DMN）区域之间的功能连接性降低，特别是在后扣带皮层和顶叶区域之间的连接性，表明功能网络可作为认知的早期标志物指导AD的早期干预。任务态fMRI同时测量可以比静息态更容易检测到变化，MCI患者较正常老年人在认知任务状态下前后功能连接减少、局部效率提高，静息状态则无显著差异，这表明任务态可以放大检测的灵敏度，可能是评估AD风险的早期生物标志物。

采用多种放射性标记物的正电子发射断层扫描（PET），有助于深入了解与年龄有关的病理生理变化，特别是神经活动异常、突触丧失、Aβ沉积和tau沉积，以及这些变化与年龄相关认知能力下降之间的关系。

18F-氟脱氧葡萄糖（FDG）PET成像测量脑的葡萄糖代谢，对神经活动改变和突触功能失调很敏感。正常老化过程中，18F-FDG摄取量减少主要出现在额叶、扣带回和颞叶，这表明这些脑区容易受到衰老的影响；与正常老年人相比，认知能力下降的人在这些脑部老化中表现出更严重的代谢不足，18F-FDG PET成像可预测老化过程中的认知功能下降进展和转化为AD的风险；18F-FDG PET上的后扣带和颞顶的低代谢是AD的另一个标志。

Aβ淀粉样斑块和由高磷酸化tau组成的神经纤维缠结被认为是AD的神经病理学标志，导致AD的认知障碍。

这两种蛋白也出现在认知正常的老年人的大脑中，表明AD的潜伏期为10-25年。

Aβ沉积通常发生在认知障碍发生之前，并在痴呆症状阶段达到高峰。认知正常的老年人的Aβ PET成像显示，Aβ与认知功能之间存在明显的关联，尤其是在表象记忆方面。正常老年人的Aβ沉积也可导致认知障碍，与皮质厚度减少、白质完整性改变和DMN功能连接减少有关。Tau-PET成像有助于AD的Braak分期，Tau-PET成像显示Tau病理在认知能力无障碍的老年人中开始集中于颞周皮层，通过破坏内侧颞叶-皮层功能连接影响记忆表现，此过程与Aβ无关；当tau与Aβ直接在颞下回相互作用时，tau沉积会灾难性地扩散到新皮质区域。纵向的tau-PET检查可追踪AD进展，并且最能预测认知能力下降。

突触密度、神经炎症和α-突触核蛋白PET示踪剂的发展，为探索脑老化开辟了新途径。

未来的纵向研究使用多放射源PET成像与其他神经影像学模式，如MRI形态测量、任务态fMRI、功能性近红外光谱（fNIRS）和脑磁图等相结合，对阐明脑老化的神经病理学基础和相互作用至关重要。

在不久的将来，自动图像分析、多模态分析、PET-MR混合成像以及人工智能在脑老化研究中的发展将是非常必要的。

脑的组织学结构很复杂，但一般可分为两类结构：灰质和白质。灰质由神经元胞体、树突、无髓轴突、各种神经胶质细胞、毛细血管组成；白质主要由形成神经纤维的有髓轴突和形成髓鞘的少突胶质细胞，以及星形胶质细胞和小胶质细胞组成。

随着年龄的增长，脑的主要形态学变化包括脑容量减少、灰质和白质萎缩、皮质变薄、脑沟回消失和脑室扩大。

（1）全脑容量减少和萎缩：现代基于神经影像学的研究认为35岁以后，脑容量开始以每年0.2%的速度流失，到60岁时加速至0.5%，并在此年龄后保持超过0.5%的速度稳定流失。神经元体积（而不是其数量或密度）下降和神经元树突、轴突的减少是出现脑萎缩的主要原因。

（2）灰质萎缩：灰质主要分布在大脑表面区域，形成大脑皮层。人类大脑表面褶皱形成多个沟回，增加了人类大脑的表面积。在衰老过程中，皮层变薄，沟回减少，老化过程中平均皮质厚度以0.35mm/年的速度下降，可能是由神经元萎缩和广泛的树突退行引起的。

（3）白质萎缩：白质体积减少与灰质相比出现时间较晚，白质体积在成年早期和中期不断增加，但在生命后期开始比灰质体积减少得更快。白质的组成完整性下降也与年龄有关，导致大脑的某些部分直之间断开连接；另一方面，脱髓鞘后，一些轴突可被少突胶质细胞重新不完全髓化，损害神经回路的完整性和功能。

（4）脑室扩大：脑室系统对于脑脊液循环是必不可少的，为大脑提供营养并将废物排出体外。脑室随着年龄的增长而扩张，是大脑和灰质萎缩的结果，脑室容积增加速度约1.3-1.5 cm3/年。

（5）脑血管变化：脑血管系统受衰老的影响：血管密度随年龄增长而下降，供应深层白质的动脉在整个脑中的走向最长，在衰老过程中经常变得迂回，生物学意义尚未明确。

（6）神经发生：神经发生是从神经干细胞生成新神经元的过程，正确的神经发生需要神经发生龛所有细胞的支持。在哺乳动物大脑的嗅球、海马和室下区已发现神经发生，可部分补偿这些区域的神经元死亡。由于年龄依赖性的干细胞耗竭，神经生成随着年龄增长而明显受损，生物学意义尚未明确。

神经元、胶质细胞和内皮细胞是脑的基本构成部分。神经元功能随着衰老而下降，神经元是有丝分裂后细胞，神经元衰老的调节方式可能与增殖细胞的调节方式不同。

尽管如此，在衰老的神经元中也发现SA-β-gal增加。衰老也会改变神经元的形态，老年脑的突触数量减少。在神经元衰老过程中，线粒体功能降低，受损线粒体和ROS在神经元中积累，mtDNA突变负荷增加，导致线粒体功能障碍，ATP供应减少，ROS产生增加，最终导致神经元的功能损害和大脑的进一步损害。

脑老化也与神经炎症增加有关，炎症细胞因子IL-6水平在健康老年动物脑中增加，脑中的IL-6会减少食物摄入，抑制记忆和学习，导致神经变性。过去，对脑年龄相关的改变研究大多集中在神经元上。

然而，胶质细胞是中枢神经系统中对“压力” 第一个做出反应的细胞，胶质细胞的细胞衰老（如端粒缩短），也可能干扰其生理功能。占脑细胞数量10%的小胶质细胞实际上是脑的免疫细胞，在不同的脑条件下，小胶质细胞的改变比其他胶质细胞更为剧烈，衰老风险因素可诱发小胶质细胞的异常激活，这种激活导致神经炎症和突触修剪增加，最终导致神经回路损伤和神经变性，溶酶体的扩大和积聚是异常小胶质细胞的特征。

星形胶质细胞和神经元一样，除非损伤等特殊情形外不会分裂，胶质纤维酸性蛋白（GFAP）是星形胶质细胞重新激活的生物标志物。在人类中，星形胶质细胞基因表达谱在不同年龄和脑区都有变化，特别是海马和黑质，值得注意的是，这两个区域主要受到AD和PD的影响。少突胶质细胞的作用还没有得到很好的阐释，老年脑中髓鞘化减少、髓鞘碎片不正常释放，表明少突胶质细胞功能异常。

（1）DNA甲基化：胞嘧啶碱基的5位甲基化（5mC）是研究最多的表观遗传标记之一5位羟甲基化（5-hmC）是最近发现的一种DNA修饰，在脑中高度富集，在小鼠的海马区也随年龄增长而增加。AD患者神经元中观察到衰老基因启动子甲基化增加，DNA甲基化可作为脑老化和年龄相关疾病的一个新的诊断性生物标志物。

（2）组蛋白修饰：组蛋白修饰通过调节染色质的可塑性参与大脑衰老。

在老年小鼠的大脑皮层和海马中，H3K9me2、H3K9me3和H3K27me3的抑制性组蛋白标记增加，H3K36me3和H3K27ac的激活性组蛋白标记减少。

老年小鼠显示出H4K12ac的特异性失调，因此不能启动与记忆巩固相关的基因表达程序，这表明H4K12ac减少可能是脑老化的早期生物标志物。

除组蛋白乙酰化，在老年小鼠的脑中也有组蛋白甲基化标记变化，包括H3K27me3、H3R2me2、H3K79me3和H4K20me2的甲基化减少。

最近的两项独立研究表明，H3K9me3的下调和LINE1的转录去抑制是小鼠和猴子脑老化的重要特征，这可能是构成与衰老相关的神经炎症上调的驱动因素之一。

（3）ncRNAs：非编码RNA（ncRNAs）包括lncRNAs、miRNAs、tsRNAs和piRNAs，在脑中高度表达，在脑老化中发挥调节作用，最近的研究确定了336个在老年人类大脑中差异表达的lncRNAs，80个在小鼠大脑中差异表达的miRNAs，以及8个在衰老加速的小鼠模型中差异表达的tsRNAs，全转录组piRNA分析确定了总共9453个piRNAs，它们在人类大脑前额叶皮层中的表达是不同的。

这些发现表明， ncRNAs失调促使脑衰老，并可作为脑老化的潜在诊断生物标志物，尽管它们在脑衰老中的调节功能在很大程度上仍然难以确定。

（4）蛋白质组学：对人类脑的大规模蛋白质组学分析确定了579个与脑老化有关的蛋白质，生物信息学分析表明，这些失调的蛋白质高度参与不同的功能，包括突触（SYT12，GLUR2），线粒体功能（FIS1，DRP1），氧化应激（PRDX6，GSTP1和GSTM1），转录调节，核糖体（RPL4，RPS3），细胞骨架的完整性和GTP酶功能等。这种变化可以预见，通过减少ATP含量、增加DNA氧化损伤和降低突触功能，导致脑功能衰退，表明蛋白质组标志物可以作为脑老化的分子生物标志物。

1.6 分泌因子

存在于血液、尿液和脑脊液中的体液生物标志物可作为临床指标，反映生理和/或病理过程。

由于它们具有非侵入性或最小侵入性、高度敏感和易于准确测量的特性，在IVD（体外诊断）领域对分泌因子的测量也是定量衰老过程一个不可或缺的手段。

由于中枢神经系统和周边区域的通讯高度活跃，脑稳态的变化可及时反映在体液中，在神经退行性疾病的早期检测领域，体液生物标志物已得到了积极探索。

有趣的是，虽然与年龄高度相关，但痴呆不一定是衰老的必然结果，正常大脑老化标志物仍可与神经退行性疾病的标志物区分开来。

（1）激素：在人类生命周期的早期阶段，生长激素（GH）和胰岛素样生长因子1（IGF-1）在血浆中的水平逐渐增加，这对身体发育和成长至关重要。

GH和IGF-1随年龄增长而下降，而值得注意的是，血浆中GH和IGF-1水平与大脑老化程度正相关，老年人群中的高血浆IGF-1水平与痴呆症有关。在一项对百岁老人的研究中，发现血浆中IGF-1受体、IGFBP2和IGFBP6的高浓度，也许反映了配体的低浓度，与长寿有关。

此外，还发现抑制GH可以改善胰岛素敏感性，胰岛素抵抗的增强可被视为大脑老化的一个特征。其他如胃泌素、催乳素、瘦素等调节食欲和能量平衡的激素，也是大脑衰老的潜在标志。

（2）代谢物：NAD+是一种参与氧化还原反应的辅酶，是能量代谢的核心。人体衰老过程伴随着血液中NAD+水平或NAD+/NADH比例的下降。

越来越多的证据表明，NAD+是维持神经系统健康的主要代谢物。

慢性低度炎症被认为是大脑老化和相关疾病的关键驱动因素，而这些炎症过程是NAD+依赖性的，异常和持续激活的先天免疫以及减少的适应性免疫反应消耗了大量的NAD+，循环免疫细胞中CD38水平增加表明NAD+大量消耗；SASP也取决于NAD+水平。因此，NAD+作为大脑老化的标志物，需要与炎症背景结合起来考虑。

（3）蛋白质因子和脂质标志物：通过异体共生实验观察到年轻血液可以引起逆转衰老的过程，而老化血液则可加速衰老，在此研究下，还发现了几个与大脑老化有关的体液标志物：血液和CSF中高水平的CCL11和β2-微球蛋白与神经发生水平下降有关；基质金属酶抑制因子TIMP2与海马神经活动的恢复有关；细胞因子GDF11也与大脑老化有关，其高表达可以增强大脑活力以及侧脑室周围的成人神经发生。人类CSF蛋白质组成在衰老过程中发生了变化，已检测到CSF中一种免疫信号枢纽基因TREM2的蛋白水平随着年龄增长而逐渐增加，这反映了小胶质细胞的功能激活，也与AD有关；此外，年轻鼠CSF中的Fgf17可促进老年鼠神经系统的年轻化。

人们越来越意识到运动作为一种“药物”，具有促进大脑年轻化的作用——血液中产生的抗炎因子和补体信号抑制因子，如簇集素（CLU）、H因子（FH）、色素上皮衍生因子（PEDF）和白血病抑制因子受体（LIFE），运动后都会在血浆中增加，这可能有利于对抗大脑老化；另一项研究证明了长期运动对大脑本身的影响，其证据是老年小鼠的大脑皮层厚度增加，整个中枢神经系统的炎症减少。衰老细胞裂解后释放到体液中的生物标志物也可能成为大脑老化的特定生物标志物。

衰老细胞可以合成大量由多不饱和脂肪酸氧化后产生的生物活性代谢物，如Dihomo-15d-PGJ2是衰老细胞特有的，在细胞死亡时释放，可在血液和尿液被检测到。

（4）在神经退行性疾病中发现的标志物：Lue等通过研究提供了血浆中Aβ和t-Tau的正常范围，并阐明了这些生物标志物在正常发育期间的动态变化。

此外，研究表明，尿酸（UA）在氧化应激中发挥着抗氧化作用，血清尿酸水平（sUA）动态下降与认知障碍呈正相关关系。在具有高水平sUA的人群中，Aβ42不再与tau病理相关，Aβ42-Tau与认知障碍之间的联系被打断，表明sUA可能具有神经保护作用。另一项研究中，发现血清标志物Cofilin 2能够区分AD和健康受试者，以及AD和血管性痴呆。

众所周知，脑老化是包括AD和PD在内的各种神经退行性疾病的最大风险因素，这些疾病给家庭和社会带来了巨大负担，同时也是一个严峻的公共卫生挑战。

值得一提的是，即使在家族性AD或PD的情况下，个人确实携带致病基因突变，并且突变基因在大脑中表达，人们通常不会在年轻时表现出病理变化，这表明其他与年龄有关的因素需要与致病基因相互作用后，才使致病基因引起明显的病理变化。

因此，也许预防或推迟疾病发生的一个主要的策略是干预脑老化。为了实现这一目标，有必要找出具有特异性、系统性和可用性脑老化的生物标志物，体液生物标志物、生理和影像生物标志物特别适用于大规模纵向研究。

从上面的回顾可以看出，细胞、分子和组织学的生物标志物可以在体液、生理和影像层面上得到反映。根据中国道家经典《道德经》：“道生一，一生二，二生三，三生万物”，我们也提出脑老化生物标志物的“三要素”——分别来自生理、影像和体液测量，以监测脑老化，并作为未来抗脑老化干预措施的可靠效果评估。

血管老化出现弹性纤维减少、断裂纤维增加、胶原蛋白沉积、动脉壁钙化和增厚，这些变化与心房传导和功能损害，如心房顺应性和主动心房收缩有关，这与高血压和死亡风险增加相关。由于氧化应激增加，心肌细胞数量会减少，左心室的成纤维细胞会随着年龄增长而发生细胞衰老，剩余细胞发生代偿性肥大，心室壁会变厚。

与年龄相关的左心室结构变化主要是向心性肥大，包括室壁厚度和左室质量增加，以及左室腔缩小，这些变化导致心室顺应性降低，心室舒张功能随年龄增长而下降，二者都是与年龄相关的射血分数保留的心力衰竭（HFpEF）的原因。

在静止状态下，左室收缩功能不受年龄影响，然而，当面临高的心输出量需求或使用更敏感的心功能指标（如左心室纵向应变和应变率）时，老年受试者的心室收缩功能会下降。

心脏瓣膜与年龄相关的主要形态学变化是狭窄和反流，老化瓣膜的钙质和结缔成分沉积增加，硫酸化糖胺聚糖含量下降，导致瓣膜僵硬，进而发展为瓣膜狭窄。与年龄相关的心包变化包括心包纤维化增加和心包脂肪组织沉积，脂肪组织会合成和分泌促炎的脂肪因子，这可能与老年人心房纤维化和传导异常有关。

随着年龄增长，去甲肾上腺素和肾上腺素从组织中释放到循环系统的数量增加，而儿茶酚胺清除率下降，交感神经系统在衰老过程中被激活，这种激活在心力衰竭情况下被放大，窦房结和左心室的去甲肾上腺素释放增加近50倍，可能与心律失常和心脏结构重塑有关。由于窦房结、房室结和希浦系统的功能障碍，心脏电传导系统相关疾病的发病率随年龄增长而增加，导致心动过缓、心悸、头晕、晕厥、疲劳和心源性猝死。

随着年龄增长，超声心动图的心房功能指标（如左心房扩张指数、收缩期峰值应变、应变率和左心房排空分数）下降，左心房僵硬指数和心房总传导时间（PA-TDI）增加；彩色多普勒成像显示，随着年龄增长，平均舒张早期速度（EDV）下降，舒张晚期速度（LDV）增加，导致EDV/LDV比值（E/A）下降，这是评估心脏舒张功能的重要指标。

心脏磁共振（CMR）是MRI的一种专门应用，能产生高质量的心血管系统图像，以评估心脏功能和结构，基于T2 mapping序列的定量MRI测定的T2弛豫时间在老化心脏中明显下降；由于左室顺应性随年龄增长而降低，舒张早期径向位移、径向速度和周向应变率下降，而舒张晚期周向应变率上升。

2.3 组织学特征

心脏老化的一个主要特征是组织学上的交替，这也是心脏功能平衡失调的结构基础，是心肌损伤后修复的阻碍因素。

如前所述，心脏老化表现为僵硬度增加、心肌细胞丧失、肥大、慢性炎症和纤维化、瓣膜僵化，这些是最常见的老年性心脏病，与细胞增殖和伸展性下降，以及胶原沉积、钙化和血管狭窄增加有关；此外，淀粉样蛋白沉积和脂褐素累积也是心脏老化的重要特征。心脏老化这些病理特征的直接结果是自主神经控制受损和心律失常，这是心脏老化的功能特征。

成人心脏中心肌细胞的自我更新率非常低，当心肌细胞在衰老过程中发生死亡（细胞凋亡、焦亡、坏死、铁死亡）时，没有新生的心肌细胞可以加入，来接替失去的心肌细胞的功能，一方面，心肌组织发生肥大以维持心脏功能；另一方面，成纤维细胞和炎症细胞增殖以形成瘢痕进行结构修复，因此心肌肥大和纤维化是各物种心脏老化的两个典型特征。

在老化心脏中，心率不仅受到窦房结细胞损失的影响，也受心脏结构变化的影响，这种功能衰退会减缓并损害整个心脏的电传导。

此外，老化心脏对心脏损伤的反应也不同，炎症细胞和成纤维细胞对缺血性损伤的反应比较迟钝，加剧了脆弱松散的瘢痕组织形成，以及提升了对于心力衰竭等后续心血管事件的敏感性。心肌组织内的动脉血管（即冠状动脉）会发生重塑，冠状动脉功能障碍是老化心脏的另一主要特征，与射血分数保留的心力衰竭有关；脂质在冠状动脉内的沉积导致动脉粥样硬化和心肌梗塞。衰老还降低了血管内皮细胞的血管生成能力，这也是老化心脏缺血后心肌修复能力下降的机制之一。

2.4 细胞改变

老化心脏中的细胞成分与年轻心脏相比有明显不同，这一点在最近的单细胞研究中得到了很好阐释。

除了上面讨论的老化心脏心肌组织中心肌细胞损失外，免疫细胞如巨噬细胞、中性粒细胞、树突状细胞和T细胞的富集也受到衰老的影响。

例如，人类和啮齿动物的树突状细胞和巨噬细胞可分泌趋化因子和细胞因子（如TARC/CCL17），通过调节辅助T细胞促进心脏老化。老化心肌组织内的许多细胞显示出细胞衰老特征，成纤维细胞和内皮细胞表达和分泌典型的SASP，如IL-6、凝血酶原激活物抑制因子1（PAI-1）、TNFα、CXCLs和MMPs；衰老的血管内皮细胞可发生内皮-间质转化（EndoMT）和纤维化，受到TGF-β、内皮素-1（EDN1）和IL-1等细胞因子的调节；心肌细胞也可表现出细胞衰老，但其衰老的标志与内皮细胞等增殖细胞的衰老标志有很大不同，衰老心肌细胞表现出DNA损伤、 内质网（ER）压力、线粒体功能障碍、肥大性生长和非典型SASP（如TGF-β2、GDF15和EDN3）以及收缩功能障碍等特征。

此外，心肌细胞在衰老过程中体细胞突变积累表明与年龄相关的DNA损伤和广泛的氧化性基因毒性，这种与年龄相关的心脏突变积累为衰老对心脏功能障碍的影响提供了解释。清除衰老细胞可减少心脏老化特征（肥大和纤维化），并延长小鼠的寿命。

细胞的变化主要由相关细胞器以及细胞器和细胞核之间的串扰来调节。线粒体是心肌细胞稳态中的关键细胞器，心肌细胞对能量的需求很高，这在进化上导致心肌细胞内线粒体数量很多。

虽然与心肌细胞相比，内皮细胞的线粒体数量较少，但内皮细胞中的线粒体也以至关重要的方式调节内皮功能，如血管生成和旁分泌（血管内分泌）功能。线粒体不仅通过供应能量和调节氧化应激来调节心肌功能，还通过提供酰基-CoA等供体来调控蛋白质和组蛋白的翻译后修饰，如ECHS1突变引起的线粒体巴豆酰-CoA失调是衰老相关心脏肥大和纤维化的一个关键机制。

老化心脏中可观察到线粒体结构和功能异常，线粒体动力学失衡（融合-裂变异常）加速心脏细胞的线粒体衰老，是心脏衰老和疾病的一个重要生物标志。

2.5 分子改变

阐明参与心脏老化的分子通路有助于理解心脏老化的机制，并促进衰老相关心血管疾病的预后和诊断。多种重要的分子信号通路在心脏衰老过程中发生变化，如氧化应激和自噬。此外，最近的一些单细胞转录组研究为揭示心脏老化的分子机制提供了重要参考。

ROS在老化心脏中积累，导致线粒体蛋白羰基化程度升高，同时线粒体DNA突变和缺失增加，这表明随着年龄增长，心脏中线粒体氧化损伤程度加剧。

此外，由于ROS升高会导致DNA的氧化损伤，单心肌细胞测序发现，体细胞单核苷酸突变（sSNVs）在老年人类心脏中的积累，其比率高于神经元和淋巴细胞中的变体，表明心脏中与年龄相关的体细胞突变负荷更高；相反，心脏的自噬作用随着年龄增长而减少，由于mTOR是自噬的一个关键调节器，它也被认为是心脏老化的一个关键驱动因素。

例如，小鼠心脏的mTOR磷酸化随着年龄增长而增加，抑制mTOR会延长小鼠的寿命，并通过促进自噬来改善与年龄相关的心脏疾病；同样，sirtuins，一个保守的NAD+依赖性去乙酰化酶家族，也被广泛地牵涉到心脏衰老中，已经发现多个sirtuins的蛋白表达（包括SIRT1、SIRT2和SIRT3），在心脏中随着年龄增长而减少。

随着单细胞和单核转录组测序技术的发展，最近还新发现了多种潜在的心脏老化的生物标志物。例如，灵长类动物心室的单核转录组测序显示，炎症因子IL-7在心脏老化过程中增加；此外，不同年龄的灵长类动物心脏的单核转录组测序分析已经确定FOXP1和FOXP2是关键的年龄下调转录调节因子，其靶基因与各种心脏疾病有关。

一致的是，来自FOXP1缺陷人类胚胎干细胞的心肌细胞表现出多种心脏老化表征，包括细胞肥大和细胞衰老；此外，从3月和24月龄的小鼠心脏中分离出的内皮细胞的单细胞转录组分析显示，随着年龄增长，Syne2表达增加，Nes表达减少。

2.6 分泌因子

衰老与CVD风险增加密切相关，血液和尿液中可检测到的分泌因子作为可测量和量化的生物标志物，是诊断、监测、预后心脏老化和相关疾病的潜在有力工具。

血液中可检测到的一些分泌因子与心脏老化有关。例如，血清B型钠尿肽（BNP）的水平已被发现在老年人中增加，而与年龄相关的左心房应变损害与更高的BNP水平正相关，是一个独立的因素。同样，血浆超敏心肌肌钙蛋白T（hs-cTnT）的水平也随着年龄增长而增加，并且男性往往高于女性。

此外，老年人群血清IL6和C反应蛋白（CRP）水平更高。对无流行性心血管疾病个体的循环分泌因子的评估显示，上述所有生物标志物都与衰老相关的心血管疾病风险的增加呈正相关。此外，一项队列研究显示，基于循环神经酰胺和磷脂的风险评分与CVD发病率呈正相关。

与其他类型体液相比，尿液最容易收集，对病人的侵入性最小，而且一般比较稳定，因此对生物标志物的鉴定和应用非常可行。

正如在血液中那样，尿液BNP增加也与较高的衰老相关的CVD风险有关；尿液中纤维蛋白肽A（FPA）增加与心绞痛和心肌缺血有关；此外，在患者尿液样本中发现了数百种蛋白质和肽，可作为冠状动脉疾病的推定生物标志物，包括CD14、α1-抗胰蛋白酶（AAT）、1型和3型胶原、 粒蛋白样神经内分泌肽前体（ProSAAS）、孕酮受体膜成分1（PGRMC1）、钠/钾ATP酶γ链（FXYD2）和纤维蛋白原α链（FGA）。

心脏老化显示出功能、结构和细胞/细胞外成分的变化。上面总结了心脏老化的典型生物标志物，许多分子途径（Sirtuin、mTOR、AMPK和FOXO）都参与了心脏衰老。

在心脏老化领域仍有一些悬而未决的问题：、

首先，心肌细胞衰老的一些潜在标志以前已经总结过，但仍然很难定义和检测体内的心肌细胞衰老；

其次，许多心脏老化的生物标志物与青壮年心脏疾病的病理特征相重叠，需要进一步努力来区分出人类心脏生理性老化的生物标志物；最近的研究报告指出，表观遗传信息丢失是包括心脏在内的哺乳动物组织衰老的一个原因，目前仍不知道哪些表观遗传标记对心脏老化有重大意义，并可作为心脏老化的生物标志物；

最后，许多针对衰老生物标志物的干预策略已被用于延迟衰老和疾病，清除衰老细胞可用于延长小鼠的寿命和减少衰老相关的心脏重塑，对猴子和猪等大型动物的进一步研究，可能会促进临床应用和转化医学。

功能上，老化血管表现出硬度增加、对血管活性物质的敏感性降低，以及血管生成减少。测量动脉血管硬度的金标准是颈股动脉脉搏波速度（PWV），即血压波从颈动脉传导到股动脉的速度，臂踝PWV和心踝PWV在临床上也常被应用，PWV增加与时序年龄相关，并且与CVD风险和全因死亡率增加有关。

血压升高也是衰老的一个共同特征，并且同样是心血管事件和死亡率升高的主要原因，高血压通常先于动脉硬化，并可互相促进，表明它们之间存在正反馈回路。

血管内皮细胞（VECs）通过产生一氧化氮（NO，血管扩张物质）或血管紧张素Ⅱ（Ang Ⅱ，血管收缩物质）来感知和响应来自血液的刺激，并调节血管平滑肌细胞（VSMCs），内皮功能障碍是血管老化和病变的核心机制。例如，与年龄相关的内皮依赖性舒张反应减少导致血管生成减少，是血管老化的另一个主要特征。

内皮功能障碍也增加了对动脉粥样硬化的易感性，其特征是富含脂质和炎症的粥样斑块积聚在中、大动脉的内膜下空间中，内皮功能受损和内皮完整性受损被认为是动脉粥样硬化的主要驱动因素和早期事件。内皮功能障碍可通过超声，使用流量介导的扩张（FMD）技术进行无创测量，血管在受到切应力瞬时闭塞后，NO等血管活性物质释放，肱动脉血流产生变化，FMD对此变化进行测量，可检查肱动脉内皮功能；外周动脉张力测量法（PAT）可测量手指外周微血管功能，经自然对数转换后得到反应性充血指数（RHI）。

几项前瞻性研究表明，FMD和RHI都是未来心血管事件的独立预测因子，但这两种方法并不密切相关，表明它们反映了血管功能的不同方面。

3.2 影像学特征

随着年龄增长，颈动脉内膜中层厚度（cIMT）增加，与CVD的患病率、发病率和死亡率增高有关，可使用超声对cIMT进行测量，作为对主要动脉中亚临床动脉粥样硬化负荷的估计，即使只在基线时测量一次，cIMT也可以在针对其他CVD风险因素进行调整后，预测普通人群未来CVD事件；cIMT增加也可以反映非动脉粥样硬化过程。更晚期的动脉粥样硬化阶段，可通过量化各种颈动脉斑块参数（例如斑块存在情况、数量、厚度、面积和体积）来评估。

血管老化还常伴随着磷酸钙晶体在血管内膜层中（也称动脉粥样硬化性内膜钙化）和中膜层中（也称Mönckeberg动脉硬化）的活跃沉积，这两种类型的钙化常同时发生，成像技术有时难以区分，可以使用计算机断层扫描（CT）来确定冠状动脉钙化积分（CACS），这被认为是金标准技术。CACS与时序年龄高度相关，并且是冠心病和所有动脉粥样硬化相关CVD的最重要预测因子。

眼底镜检查借助眼底镜经肉眼即可直接窥到视网膜，被推荐用于糖尿病视网膜病变的诊断和预防。它还可以非侵入性地识别眼部微血管异常，例如视网膜动脉和静脉闭塞性疾病、视网膜动脉瘤形成和栓塞事件，以预防和管理高血压的眼部和全身并发症。通过评估与血管僵硬和动脉粥样硬化密切相关的微血管并发症，眼底镜检查可能有助于增强血管老化的风险和预后重分类。

与年龄相关的血管系统改变是各种血管疾病的重要危险因素，包括腹主动脉瘤（AAA）和主动脉夹层。

AAA通常被定义为主动脉扩张或增宽至＞3.0 cm，大多数腹主动脉瘤在破裂前没有症状，但可导致65%的患者死亡；AAA的病理生理发展涉及多个过程，包括VSMC凋亡和细胞衰老、血管壁炎症浸润和氧化应激、细胞外基质蛋白水解断裂；在临床上，AAA 通常通过影像学检查（超声或CT）密切随访监测，以确保动脉瘤没有持续扩大。

主动脉夹层是另一种危及生命的疾病，原发性撕裂沿主动脉传播，导致血管内层（大部分带中膜的内膜）与外层（带外膜的剩余中膜）发生灾难性分层，老年人易感性增加，人主动脉的分层强度随年龄显著降低；CT是检测主动脉夹层的金标准，可能显示夹层瓣或主动脉扩张；MRI 和经食管超声心动图（TEE）也可作为替代方法。

3.4 细胞改变

衰老过程中，血管系统的组成细胞会发生许多与衰老相关的形态学改变和功能适应。例如，大多数衰老的VECs和VSMCs表现出增殖能力降低，细胞形态变得扁平和增大，并表现出细胞群中多倍体增加和SASP增加。内皮的完整性和功能对血管稳态至关重要，VECs细胞衰老诱导整个血管系统开始老化，在衰老VECs中，基线和切应力刺激的NO产生水平以及内皮NO合酶（eNOS）活性均降低；由于衰老VECs中的氧化应激，NO的生物利用度也会降低，而NO可以激活端粒酶并延缓衰老的发生；衰老VECs还会将单核细胞吸引到内皮并促进VSMCs的增殖和迁移。

VSMCs对血管活性物质（包括NO和β-肾上腺素受体激动剂）的反应在衰老过程中会降低。

VSMCs衰老的另一个主要特征是从收缩到合成的表型转换，衰老VSMCs分泌促炎细胞因子和基质金属蛋白酶，这些SASP促进单核/巨噬细胞的趋化性，刺激邻近的非衰老VSMCs或VECs释放细胞因子和表达粘附分子，从而参与或驱动慢性血管炎症和疾病；衰老VSMCs也会增加钙沉积，并促进钙化调节因子表达，导致VSMCs矿化和血管钙化。

此外，VSMCs中弹性蛋白酶的产生和VECs中纤连蛋白的产生，加重血管老化中的纤维化。在动脉粥样硬化病理过程中，VSMCs更具可塑性，可采用替代表型（包括类似于泡沫细胞、巨噬细胞、间充质干细胞和骨软骨细胞的表型），这些表型可能对疾病进展产生积极或消极的双向影响。

与其他类型细胞类似，在细胞衰老过程中，VECs和VSMCs中观察到p53/p21CIP1和p16INK4a/RB通路上调、端粒损耗和SA-β-gal激活，这些被确定为血管中细胞衰老的经典生物标志物。

血管老化可以由基因预先决定，例如LMNA或WRN基因突变可能分别导致儿童 Hutchinson-Gilford早衰综合征或成人Werner综合征，由于加速血管老化和心血管事件，这两种综合征都与过早死亡有关。

新出现的证据还表明衰老过程中的表观遗传变化（包括组蛋白翻译后乙酰化和甲基化改变、DNA甲基化异常、染色质重塑）与血管老化密切相关。

此外，作为ROS的主要来源，线粒体完整性和功能会随衰老而下降，已发现几种线粒体相关分子是血管老化的潜在生物标志物，包括PGC-1α、p66Shc和SIRT3。

另一个与血管老化有关的过程是炎症。NF-κB通路和免疫细胞是这一过程的主要参与者。NF-κB激活上调炎症细胞因子和细胞粘附分子表达，包括 IL-1β、TNFα、IL-6、VCAM-1、ICAM-1、iNOS、MCP-1和COX-2。Ang Ⅱ信号调控许多控制血管老化的刺激信号，激活NF-κB和p53/p21CIP1通路；血管紧张素转换酶-1（ACE-1）的活性和表达在衰老过程中明显增加。

SIRT是一类参与血管老化的蛋白质，尤其是SIRT1、SIRT3和SIRT6，它们在VECs和VSMCs中的活性在衰老过程中下降，过度表达可抵消血管老化。

此外，随着技术发展，一系列分子被发现与血管老化相关或在功能上促进血管老化，包括HIF-1α、VEGF、Klotho、FOXO1A、FOXO3A、ADRB2、MFG-E8、NPRA和APOE。

3.6 分泌因子

由于炎症与血管老化高度相关，循环中炎症因子水平，如CRP、IL-6、IL-1受体拮抗剂（IL-1Ra）和氧化低密度脂蛋白（ox-LDL），是血管老化的潜在生物标志物；循环成纤维细胞生长因子21（cFGF21）浓度与年龄呈正相关，高水平cFGF21与CVD风险增加密切相关。循环fibulin-1与臂踝PWV呈正相关，是动脉硬化的独立危险因素；其他循环因子（包括氧化应激和 miRNA）也被报道为血管老化的潜在生物标志物。

血管老化的公认表现之一是循环中骨髓来源的内皮祖细胞（EPC）减少，已知EPCs参与出生后新生血管形成和血管修复，衰老会减少EPCs数量并促进其衰老，从而导致血管生成和血管愈合能力下降；此外，巨噬细胞、T细胞和B细胞的衰老也与血管老化有关。ATP结合盒转运蛋白A1（ABCA1）的下调和异常极化是衰老巨噬细胞的特征，衰老的巨噬细胞损害胆固醇的外流，增加细胞因子表达和过早的单核细胞募集，并促进细胞外基质降解。循环CD8亚群中CD8+CD28- T细胞比例增加是人类衰老和T细胞衰老过程中最显著的变化之一，衰老的T细胞释放大量干扰素-γ高度促炎，还通过释放高水平的穿孔素和颗粒酶来诱导ECs和VSMCs的直接裂解。

衰老对B细胞的一个主要影响是转换为记忆B细胞（IgD+CD27+）的百分比显著下降，以及幼稚（IgD+CD27-）和双阴性记忆（IgD-CD27-）百分比显著增加，衰老的B细胞表现出增强的吸收、处理和呈递抗原给T细胞的能力，并通过分泌促炎因子促进局部炎症。

此外，通过识别发生与年龄相关的甲基化变化的特定CpG位点，计算出的血细胞DNA甲基化年龄（DNAmAges，也称为“表观遗传时钟”）可以很好地预测全因死亡率和CVD死亡率。

肺是人体表面积最大的器官，其主要功能是与外界环境进行气体交换，肺组织稳态对生命和健康至关重要。

越来越多的证据表明，随着年龄增长，肺功能面临进行性损害，其特征是阻碍气体交换的物理、机械和结构变化。

肺老化的特征是呼吸肌（尤其是膈肌）无力、胸壁僵硬。随着COVID-19的爆发和流行，肺炎引起的急性呼吸窘迫综合征（ARDS），特别是在老年人群中，导致了全球医疗危机和卫生资源严重挤兑。

肺是一个复杂的多细胞器官，包括有肺泡上皮细胞、血管内皮细胞、气道上皮细胞、成纤维细胞、巨噬细胞、血小板、中性粒细胞等。肺的细胞和分子调节过程会在一生中发生变化。更深入地了解随着衰老发生的肺内变化对于开发高效的临床治疗至关重要。

衰老导致老化肺易患各种呼吸系统疾病：例如慢性阻塞性肺病（COPD）、ARDS、间质性肺纤维化（IPF）和肺炎。高龄是慢性呼吸道疾病的主要危险因素。数据证明，COVID-19导致80岁以上老年人的死亡率是50岁人群的20倍。

总体来说，随着年龄的增长，肺功能会明显恶化。由于胸壁功能和呼吸肌力量减弱，老化的肺清除粘液和异物的能力受损，导致老年人更易患肺炎。

肋骨随着年龄增长而变硬，胸腔形状也随之改变，影响正常肺功能；脊柱弯曲可进一步减少老年人的胸腔容积。

尽管由于呼吸强度减弱和胸壁顺应性降低导致弹性反冲力随年龄增长而降低，但随着年龄增长，肺活量（VC）的变化并不显著。

据统计，肺功能从35岁开始下降。其中，第一秒用力呼气容积（FEV1）每年下降30 mL，用力肺活量（FVC）每年下降20 mL。但由于老龄化人群肺部的异质性和高度变异性，目前老年人肺功能的参考标准还需进一步明确。

与年轻肺部相比，识别“正常”老化的肺部CT特征对于鉴别具有临床意义的疾病更为重要。

与年轻人相比，老年人患有肺及气道囊肿、网状结构、空气潴留、支气管扩张和支气管壁增厚的几率增加。

与衰老相关的胸部影像学特征表现为血管迂曲和钙化、纵隔脂肪增生、膈肌隆起和突出，以及肌肉骨骼特征（如胸部骨赘和肋软骨钙化）。

肺老化组织学表现与损害肺功能的机械、结构和生理改变有关。

肺中ECM蛋白的组织、浓度和形态会随着年龄增长而改变，过度而无序的ECM破坏肺的正常结构。在老化肺中，肺泡附着物数量没有变化，但肺泡大小和肺泡毛细血管表面积明显增加。此外，肺泡深度和腺泡气道管腔的变化也与高龄有关。

4.4 细胞改变

单细胞转录组学和体内谱系示踪技术的发展，为了解肺部细胞的复杂性提供了更全面的视角。通过多组学综合分析，目前已在肺部发育过程中鉴定出了144种细胞亚型，但这些细胞在衰老过程中的变化尚不完全清楚。

衰老导致转录噪音增加，从而使遗传控制失调。单细胞转录分析表明，时序衰老会增加Ⅱ型肺泡上皮细胞（AT2）和脂肪成纤维细胞中与胆固醇生物合成相关的基因特征，导致上皮细胞和成纤维细胞中的中性脂质含量随年龄增加。

与年轻小鼠肺相比，纤毛细胞标记基因特征在老年小鼠中被极大地上调，纤毛细胞增加导致老年小鼠气道中club细胞与纤毛细胞的比值改变。

衰老的关键特征之一是干细胞/祖细胞衰竭或功能障碍，AT2是肺组织常驻祖细胞，在损伤后可能分化为AT1，有研究表明AT2的数量不随年龄变化，但自我更新和分化能力降低；基底细胞和club细胞的数量也随着年龄增长而减少。通过清除组织微环境中的衰老细胞，可以在一定程度上改善老龄小鼠的肺功能。

人体呼吸系统负责对来自外部环境的不同刺激做出反应，是人体重要的免疫界面。

在衰老过程中，慢性抗原刺激和氧化自由基持续积累可导致促炎细胞因子的产生。肺泡巨噬细胞（AMs）是肺组织中比例最大的驻留免疫细胞，在识别、启动和消除宿主对外部微生物的免疫防御中起着关键性作用。

单细胞转录组结果表明，肺部环境驱动了AMs对增殖的年龄相关抗性，这种抗性在甲型流感病毒感染期间持续存在，这种变化由老年小鼠肺组织ECM中乙酰透明质酸增加引起。

AMs的吞噬能力也与年龄相关，吞噬能力下降导致肺部病原体清除受损或延迟。中性粒细胞胞外陷阱（NETs）在免疫调节、病原体清除和疾病病理过程中发挥着重要作用，NETs介导的病原体破坏作用随着年龄增长而减弱，会进一步导致细菌清除受损，可能增加老年人对感染的易感性。在健康老年人中，支气管肺泡灌洗液（BAL）中的中性粒细胞比例升高，巨噬细胞比例降低。

此外，老年人CD4+和CD8+ T细胞减少会损害流感疫苗诱导的免疫力和对流感病毒的细胞毒性。

4.5 分子改变

在受IPF损伤的衰老成纤维细胞中，PIM1及其靶标活化T细胞核因子-1（NFATc1）被假定为持续促纤维化基因特征的驱动因子。

微阵列分析结果表明，多个基因随着年龄增长而发生变化，例如与增殖和分化相关的IGF和TGFβ信号通路。随着年龄增长，呼吸系统粘膜纤毛清除率减慢，这是由纤毛摆动频率决定的，氧化应激激活蛋白激酶Cε（PKCε）信号增加会降低纤毛摆动频率。

正常和病理性衰老会导致一些慢性病结局存在相当大的差异，后者往往代表更高的死亡率。

与衰老相关的病理过程如何驱动肺部相关疾病的发展目前尚不完全清楚，但衰老相关生物标志物与IPF严重程度之间的相关性已得到证实。白细胞端粒长度（TL）越短，IPF患者的生存率越低。

一些研究探讨了衰老生物标志物与间质性肺异常（ILA）之间的关系。结果显示，GDF15、IL-6、TNFα和CRP 的血浆浓度增加，与ILA存在几率增加相关；血清中受损或再生的AT2产生的涎液化糖链抗原-6（KL-6）水平与COVID-19患者预后显著相关；COVID-19严重程度还与血浆髓过氧化物酶（MPO）-DNA复合物浓度呈正相关。

骨骼肌是体内质量最大的组织，在调节姿势、运动、呼吸和代谢方面起着关键作用。

健康肌肉具有独特的再生能力，在常规损伤或急性损伤后功能可以得到完全恢复，这一恢复能力在很大程度上归功于肌肉干细胞（MuSCs，也称肌卫星细胞）的存在。

肌肉质量和力量在成年早期达到顶峰，在40岁后逐渐下降，随后下降会更加剧烈，尤其是在强度方面，这主要是由于大量肌纤维萎缩和损失。

骨骼肌老化的特征不仅是肌肉质量下降，肌肉功能也会下降，这一下降现象通常被称为与年龄相关的肌少症。

肌少症会导致各种与发病率和医疗费用增加高度相关的不良后果，预计肌少症的流行将成为未来几年的主要公共卫生问题。与年龄相关的肌少症的进展受到遗传和环境生活方式之间相互作用的复杂影响，鉴于人们对涉及驱动骨骼肌老化的无数内在和外在的分子和细胞机制因素知之甚少，开发拥有肌少症的敏感性和特异性生物标志物一直是一项艰巨的挑战。

因此，揭示骨骼肌老化的分子和细胞生物标志物，对于更准确地定义和监测肌肉减少状态至关重要。最终能为我们提供新的机会，将对其病理生理学的理解转化为改进诊断、治疗和预防策略。

骨骼肌的晚期老化会导致肌少症（sarcopenia，在希腊语中意为“肌肉减少”），它最初被描述为与年龄相关的瘦体重下降，尽管关于肌少症的最佳定义仍存在争论，但它目前被视为一种进行性骨骼肌疾病，会加速肌肉质量和功能丧失。

肌少症诊断的临床标准遵循亚洲肌少症工作组（AWGS）、欧洲老年人肌少症工作组（EWGSOP2）、国际肌少症工作组以及肌少症、恶病质和消耗性疾病协会的指南（SSCWD）。

肌少症的主要特征包括肌肉质量和力量的损失、细胞组成和神经支配的改变、出现具有纤维化特征的异位脂肪浸润（即肌肉脂肪变性）、以及肌肉干细胞退行性改变引起的再生能力下降。

因此，肌少症与肌肉质量下降、活动能力受损和身体表现不佳有关，肌少症会导致许多不良的健康后果（包括跌倒、骨折、虚弱），甚至老年人死亡。其中，与肌肉老化相关的虚弱生理表型可以根据以下参数进行评估：握力较弱、步速较慢、体力活动水平低、自我报告的能量水平低和无意识的体重减轻。

可以想象，分子、细胞和组织水平的多种生物标志物组合对于精确共同地反映肌肉的衰老依赖性病理变化是必要的，因为这些病理变化是导致这些身体机能下降的基础。

肌肉老化或肌少症的诊断需要测量肌肉质量和肌肉力量，以及评估身体表现，几类成像技术可用于估测肌肉质量和强度，包括双能X线吸收测定法（DXA）、CT、MRI 和超声。

DXA凭借准确性的优势，是临床上唯一最常用的放射学工具，具备公认的肌少症诊断临界值；CT和MRI作为参考标准可用于评估肌肉质量和脂肪浸润，但缺乏识别肌少症的共识临界值，使它们局限于在研究中应用；超声目前在肌少症中的应用也有限，但所有这些成像方式都可以提供定量结果，并且随着时间推移具有可重复性和可比较性。

在肌肉质量和功能丧失的同时，肌肉老化最明显的组织学特征是肌纤维大小和数量下降，其中Ⅱ型肌纤维（快缩红肌纤维/糖酵解肌纤维）退化最严重，被认为是衰老引起的肌少症的主因之一，这可能是由于蛋白质周转（蛋白质合成、降解和肌节蛋白折叠）异常和MuSCs选择性减少沿着Ⅱ型肌纤维分布。

肌肉萎缩的另一个原因是控制肌肉收缩的运动单位退化。在年轻肌肉中运动神经元处在称为神经-肌肉接头（NMJ）的特殊中央区域，直接与肌纤维相互作用，随着年龄的增长，这个接头可能会损坏。对肌肉退行的研究表明，肌纤维在维持衰老过程中的NMJ生理机能方面发挥着直接作用，目前尚不清楚NMJ退变是否是肌肉老化的原因，或者肌肉老化是NMJ退变的原因。

在肌原纤维基质中，与衰老相关的组织学变化是脂肪和结缔组织浸润，纤维成脂祖细胞（FAP）的明显纤维化激活、免疫防御和纤维化清除活性受损是最终导致纤维化的主要原因。

此外，支持和滋养肌肉的血管系统也在衰老过程中发生显著变化。微血管毛细血管与MuSCs非常接近，可提供维持MuSC干性的因子；在衰老过程中，血管系统中的血管通透性增加，趋于僵硬，并有钙化和动脉粥样硬化的风险，骨骼肌内血管是否会发生类似变化还有待探索。

5.4 细胞改变

除了合胞体肌纤维外，骨骼肌内还含有各种类型的单个核细胞。这些细胞群有着不同的经历，然后随着年龄增长加剧肌肉无力。

MuSCs是肌肉再生的先决条件，衰老伴随着MuSCs数量和质量上的急剧下降，MuSCs衰老的特征表现为：p16INK4a增加和深度静止、p38 MAPK增加和自我更新减少、NAD + 减少和线粒体片段化、自噬减少和功能异质性、纤毛丧失、CD34减少、FOXO和Notch信号、CD47和JAK-STAT信号激活增加。这些都会对MuSCs干性造成显著损害，并导致再生失败。

MuSC生态位的衰老是释放驱动MuSC衰老的分泌因子的另一个核心来源。老化肌纤维FGF2和TGF-β分泌增加，纤维连接蛋白和β1-整合素损失，在干细胞生态位内禁止MuSCs静止，最终导致干细胞库耗尽。值得注意的是，上述许多调节剂已被研究用于治疗小鼠模型中衰老或病原体诱发的肌病，其中一些已转化为人体临床试验。

与许多其他器官相似，衰老的肌肉会积累更多的脂肪和结缔组织，最终导致纤维化。FAPs是促进年轻MuSCs分化和肌肉再生的前体，在衰老过程中，FAPs失调，产生过量基质蛋白，MuSCs在形态学和基因程序中启动纤维化转化；衰老FAPs还会增强脂肪生成潜力引发脂肪沉积，阻碍肌肉再生并引起长期炎症。

与衰老相关的慢性炎症主要由促炎趋化因子/细胞因子累积，及其激活调节剂如IL-6、TNFα和NF-κB驱动。在促进损伤后肌肉再生方面，先天免疫细胞和适应性免疫细胞都具有优势。在衰老过程中，由于肌原纤维基质中的脂肪浸润和纤维化，以及肌肉细胞紊乱，巨噬细胞和T细胞等免疫细胞的免疫防御功能不可逆改变，最终导致慢性炎症和肌肉纤维化。

虽然研究已经揭示了许多复杂机制，来帮助我们理解肌肉的细胞衰老，但对于捕捉整体特征仍是不够。

在过去的十年中，单细胞转录组学分析的发展，让我们已经能够系统地剖析和监测人类所有细胞类型的异质性及其衰老动态。

随着哺乳动物的衰老，骨骼肌表现出MuSCs、Schwann 细胞和血管细胞的减少，但各种免疫细胞和成纤维细胞的浸润，与生理功能障碍和慢性炎症同时发生，连同空间转录组学的结果，促炎细胞因子如 CCL2 等驱动肌肉老化的新标志物开始出现。

5.5 分子改变

在骨骼肌老化过程中发现了许多分子变化，可以帮助从机制上深入了解肌肉再生潜能和分化肌细胞能力的功能下降，以及肌肉蛋白质合成和分解代谢之间的不平衡导致的肌纤维形态缩小。

MuSCs由异质种群组成，MuSCs的特定亚群在衰老过程中选择性地减少或增加。

老年小鼠中MuSCs的Pax7Hi亚群显著减少。从机制上讲，肌纤维分泌的G-CSF在衰老过程中会减少，反过来损害MuSCs的不对称分裂，从而导致Pax7Hi亚群丢失；研究还发现MuSCs的CD47Hi亚群在老年小鼠中增加，并通过thrombospondin-1/CD47信号传导损害肌肉再生。

除了亚群变化外，MuSCs的静止状态也常被打乱，它们的自我更新能力在衰老过程中显著受损，衰老过程中活跃的p16INK4a /Rb轴将MuSCs从可逆的静止状态转变为不可逆的细胞周期停滞，衰老过程中表观遗传标记物H3K27me3的增加可能加重MuSCs静止的破坏；衰老的肌纤维带来的 FGF2 水平升高可诱导静止MuSCs进入活跃的细胞分裂，最终导致MuSCs 库耗尽。

由于蛋白质合成代谢的减少和分解代谢的增加，衰老过程中会发生肌纤维萎缩。泛素蛋白酶体系统是调节肌肉蛋白质降解的主要途径之一，它通过诱导MuRF1和Fbxo32的表达来提高蛋白质分解代谢。Dkk3可诱导β-catenin进入核并增强其与FoxO3的相互作用，进而激活MuRF1和Fbxo32的转录，导致肌肉萎缩。

肌肉收缩诱导的Apelin，是一种所谓的“运动因子”（exerkine），被证明可以通过激活衰老肌纤维中的AMPK、AKT和p70S6K来促进线粒体生物合成和蛋白质合成；此外，抑制15-PGDH会导致多种途径发生改变改善老化的肌肉功能，包括减少蛋白质水解。

由于骨骼肌组织包含多种细胞类型和复杂的ECM，已发现许多与衰老相关的变化会影响MuSCs与肌肉生态位的串扰。

衰老会损害小鼠FAPs的功能，使WISPI分泌减少，显著影响肌肉再生过程中的MuSCs扩增；在衰老过程中，ECM成分纤连蛋白减少使与MuSCs的粘附丧失，从而对MuSCs库功能和维持产生不利影响；减少的Sprouty1表达也会破坏MuSCs静止。鉴于老化肌肉的慢性炎症状态，揭示肌内免疫细胞与年龄相关的分子特征具有重要意义，可为肌肉老化提供新的免疫衰老生物标志物。

此外，进一步深入研究细胞器应激反应，如UPR，可能提供一些更有价值的肌肉老化分子生物标志物。

5.6 分泌因子

骨骼肌是一种分泌器官，可分泌各种称为肌细胞因子的激素样分子，肌细胞因子对骨骼肌健康至关重要，可成为肌肉老化的潜在生物标志物。

Apelin是一种运动诱导的肌细胞因子，是G蛋白偶联受体APJ的配体，在老年小鼠和老年人类血清中含量较低。

此外，已发现与年轻人相比，老年人血清中的其他几种肌细胞因子减少（包括Sestrin1/Sestrin2、IGF-1、Irisin、VEGF）；而血清中IL-6、肌肉生长抑制素（Myostatin）在老年人类受试者血清中增加，在老年大鼠中观察到更高的血清瘦素水平。所有这些肌细胞因子都可能是与骨骼肌老化相关的肌肉疾病的潜在生物标志物。

展望未来，通过将先进的单细胞基因组学与机制研究整合，可以为识别骨骼肌老化和相关疾病的分子和细胞生物标志物提供更广阔的途径，为干预骨骼肌老化的临床前应用铺平道路。

在多组学方法和运动等生活方式干预的推动下，需要进行更广泛和仔细的研究，以在体液中寻找更多衰老生物标志物，不仅包括肌细胞因子/细胞因子，还包括短肽、小分子代谢物，或其他物质。

最终，我们将从血液、尿液或肌肉活检组织中找寻到真正的生物标志物，共同用于准确监测骨骼肌老化状态，以供未来转化研究应用。

与其他器官类似，肝脏会随着年龄增长经历一系列形态结构和功能的退行性变化。肝脏老化的生理特征包括体积缩小、灌注减少和功能性萎缩。

从大体形态上看，老年人肝脏并不比年轻人小，而微观观察显示老年人肝细胞数量更少但体积更大。据报道，在健康老年动物肝脏中，肝窦细胞表型的轻微改变即会导致肝血管阻力轻度增加，从而降低有效肝灌注。

尽管老化肝脏表现出一些形态学变化，但与其他老化器官不同，老化肝脏仍可表现出正常功能储备，只是再生能力显著降低。

此外，正常老化肝脏中有巨噬细胞聚集，巨噬细胞自噬的衰老相关损伤导致促炎细胞因子释放（尤其是IL-6），这可能与年龄相关生理功能障碍有关。慢性肝脏炎症会导致肝纤维化，与年轻小鼠相比，衰老小鼠肝脏中总胶原蛋白含量（纤维化严重程度标志）显著增加。

毫无疑问，衰老不仅使个体更容易发生肝纤维化，还会增加各种肝病预后不良的风险，导致死亡率增加。

尸检发现衰老通常伴随着肝脏重量下降，这一点也得到了活体影像学研究证实。

经超声测定，与年轻人相比，老年人的肝脏体积减少约20%–40%，血流量减少约35%–50%；选取不同年龄段的健康受试者，通过多普勒超声测量肝总血流量（THF）和肝功能性血流量（FHF），发现THF和FHF与年龄呈显著负相关（尤其75岁以后）。

18F-FDG PET成像显示肝脏FDG摄取量随年龄增长而增加，增加原因尚未完全阐明，可能是由于长期处理各种毒素引起肝脏炎症变化累积所致。

MRI T2*加权成像显示年龄也与肝脏铁过载有关：40岁开始肝铁水平持续增加，但从40岁到70岁，肝铁水平保持稳定或轻度增加。肝细胞脂质积累与衰老之间的关系存在争议，例如，有报道称老年人肝细胞内脂滴含量明显高于年轻人，导致过度脂肪变性和纤维化，进而抑制肝功能；但也有研究表明年龄与脂肪肝呈反比关系，肝脏脂肪堆积似乎与肥胖更相关。

虽然一般研究发现在老化肝脏中组织结构正常，但在老年大鼠中也观察到一些提示轻度肝损伤的特征，包括胞质空泡形成、核固缩、胞质嗜酸颗粒增多、细胞间边界消失和脂质累积增加。

肝血窦内皮超微结构显著变化，也在小鼠、大鼠、非人类灵长类动物和人类中得到广泛记录，这种变化通常被称为“假性毛细血管化”，其特征是窗孔数量和孔隙度减少、内皮增厚、窦周基底层和胶原蛋白沉积，降低肝窦内皮的扩增和分泌能力，导致肝血管阻力和门静脉压力增加；此外，vWF分泌和ICAM-1表达在血窦内皮细胞中均升高，导致肝血窦区域募集更多的中性粒细胞和CD68 +巨噬细胞。

肝血窦内皮窗孔是摄取脂蛋白、胰岛素和碳水化合物的重要门户，老化肝脏中窗孔减少会导致高脂血症（总胆固醇和LDL-C升高）和肝脏胰岛素抵抗，呈现出对代谢性心血管疾病的高度易感性。此外，肝血窦内皮细胞老化也是急性肝损伤后老年人预后明显更差的主要原因，这些研究共同强调了肝血窦内皮细胞对衰老的脆弱性。

6.4 细胞改变

肝组织包含多种细胞类型，包括肝细胞、肝血窦内皮细胞（LSEC）、肝星状细胞（HSC）和免疫细胞。

老化肝脏中肝细胞数量相对减少，而多倍体肝细胞从不到15%增加到约42%。从形态学上看，衰老肝细胞的内质网表面积显著减少，这与肝微粒体蛋白合成活性下降有关；此外，随着年龄相关的嵴和内膜结构变化，线粒体增大（出现“巨型线粒体”）但数量减少且功能下降；衰老肝细胞的自噬活性明显受损，导致错误折叠蛋白质水平升高，蛋白质稳态丧失，蛋白质聚集体（如脂褐素）形成。衰老肝细胞也降低了DNA合成和修复的速度，表现出更高的基因组不稳定性。

因此，衰老肝细胞随着年龄增长而增加，并有更多的脂质积累和ROS产生，此外，衰老肝细胞释放细胞因子（如IL-6、TNFα和IL-8），导致与年龄相关的炎症。

如前所述，由于老化肝脏中窦状内皮的假毛细血管化，老化的LSECs去分化，舒张和分泌能力降低，NO生物利用度降低就是证明；此外，老化的LSECs表现出轻度促炎状态，CD68+细胞增加，vWF和ICAM-1分泌增加，一些LSECs还会随着p16INK4a上调和SIRT1下调而发生细胞衰老。

老化肝脏中HSCs数量增加，且衰老HSCs呈现中度激活状态，不同激活标志物的表达增加：包括α-SMA、胶原蛋白1α1、胶原蛋白1α2和p-moesin，以及基质重塑基因表达（如TIMP-2和MMP9）变化，老化肝脏中HSCs激活伴随着细胞内脂滴数量和大小增加，此外老化HSCs具有升高的PNPLA3和降低的RBP-1表达，表明维生素A代谢发生了改变；一些HSC也会发生端粒磨损、细胞衰老。

衰老还与免疫细胞的显著改变有关，肝枯否细胞（KCs）数量随着年龄增长而增加，并且这些细胞显示出基础激活状态，老化的KCs显示出线粒体功能缺陷、吞噬活性降低、细胞因子产生增加。

促炎性M1型巨噬细胞在老化肝脏中积累，同时高表达NAD+消耗酶 CD38，这可能由衰老细胞分泌的炎性细胞因子诱导；老化肝脏中的中性粒细胞数量增加，而树突状细胞数量减少。幼稚CD8+ T细胞丰度减少，还存在明显的与年龄相关的PD1+ TOX+CD8+ T细胞亚群，占到组织中所有CD8+ T细胞的60%；表现出T细胞衰竭表型，在 TCR刺激后产生一组独特的促炎细胞因子，活化的PD1+CD4+ T细胞也在老化的肝脏中积累；NK细胞和1 型先天性淋巴样细胞（ILC1s）在老化肝脏中的丰度减少。

值得注意的是，老化肝脏中内皮细胞与各种免疫细胞类型之间的通讯发生了显著变化，这是另一个表明内皮细胞在年龄相关的免疫反应中重要性的迹象。

6.5 分子改变

肝细胞是实质细胞，占肝脏总质量的70%–80%，并负责大部分肝功能。随着衰老，肝细胞中会发生各种分子变化。在老化的肝细胞中观察到通常与细胞衰老相关的标志物表达增加：例如 SA-β-gal 活性和p21CIP1、p16INK4a和γ-H2AX，伴随着SASP。

对衰老表型的研究揭示了一些涉及肝脏病理生理学的显著表观遗传变化，其中一个是染色质重塑蛋白Brm和HDAC1表达增加，它们与C/EBPα构成C/EBPα-Brm或HDAC1-C/EBPα-Brm复合物，该复合物占据并沉默E2F依赖性启动子，导致肝脏再生潜能的年龄依赖性丧失；与Brm和HDAC1上调相反，SIRT1在衰老的肝细胞中下调，可能导致老年小鼠酒精性肝损伤加重；此外，发现在衰老的肝细胞中昼夜节律性全局蛋白乙酰化丢失，而热量限制可以通过上调NAD+-SIRT1- AceCS通路来挽救这种衰老相关衰退。

除了表观遗传水平的分子变化外，衰老通常伴随着代谢功能失调，例如肝细胞脂肪变性，衰老在肝细胞中诱导异常的RAGE/PPARα轴，最终导致与衰老相关的肝脂肪变性。

此外，最近一项研究发现，中脑星形胶质细胞衍生的神经营养因子（MANF）在果蝇、小鼠和人类中经历了与衰老相关的下降，而肝细胞中的表达减少与肝脂肪变性有关，补充MANF可改善肝脏老化的几个标志，防止饮食诱导的肝脂肪变性，并改善与衰老相关的代谢功能障碍。

与涉及肝细胞分子变化的研究相比，人们对肝非实质细胞（如LSECs、KCs、HSCs和胆管上皮细胞）中与衰老相关的分子变化知之甚少。

衰老导致LSECs中eNOS-NO-cGMP血管舒张通路的下调，以及血管分泌和抗氧化分子（Stabilin-2、CD32b、VEGF-R2、HGF、Wnt2和HO-1）的减少；最近一项研究表明，在老年小鼠的LSECs中，PD-L1+细胞数量增加，PD-L1表达与更高水平的SASP相关。

同样，衰老也会影响HSCs。一项分析人类端粒长度的研究表明，与年龄相关的端粒长度减少仅限于HSCs和KCs，而老化的胆管上皮细胞和肝细胞能够抵抗端粒缩短。 除了SIRT1在衰老肝细胞中的表达减少外，SIRT1下调也存在于老化肝脏的HSCs中，这增加了与年龄相关的酒精性肝损伤和纤维化。

很少有研究报道KCs中与衰老相关的分子变化，最近的一项研究表明老年大鼠KCs中IL-6的RNA表达增加，然而其他KCs标志物的表达没有与年龄相关的变化（包括TNFα、Mrc1、Arg1和IL-10）。胆管上皮细胞衰老常见于原发性胆汁性胆管炎（PBC）、原发性硬化性胆管炎（PSC）等慢性肝病，衰老胆管细胞的特征标志物是p16INK4a、γ-H2AX和SASP（IL6、IL8、CCL2和PAI-1）的表达增加；Twf是一种抑制肌动蛋白结合的隔离蛋白，最近被确定为与年龄相关的 microRNA（miR-1a、miR-20a和miR30e）的靶标，是胆管上皮细胞衰老的中介体。

6.6 分泌因子

衰老过程中，几乎不会导致血清白蛋白、胆红素和转氨酶水平变化；而胆固醇代谢减弱，导致血液总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）水平随着时间推移总体增加。

最近的研究还表明，血清骨桥蛋白（OPN）水平升高，是一种与肝脏老化相关的分泌表型因子，而相反，血清MANF水平随着肝脏老化而下降。

（1）功能变化：肾功能下降表现为肾小球滤过率（GFR）随着年龄增长而逐渐下降，在健康个体中，估计肾小球滤过率（eGFR）的年平均下降范围为0.4-2.6 mL/min；35岁后，GFR每10年下降约5%–10%。年龄相关的肾功能下降可能导致老年人肾功能储备受损，从而增加对急性肾损伤（AKI）和慢性肾病（CKD）的易感性。此外，肾小管的浓缩和稀释功能在肾老化过程中下降：与20-39岁年龄组相比，60-79岁年龄组的最大尿渗透压降低了约 20%；同时，老化肾脏重吸收钠和排钾的能力明显下降，导致老年人易患电解质代谢紊乱。

（2）结构变化：在宏观尺度上，肾脏老化表现为体积减小、表面粗糙、局灶性瘢痕形成和单纯性肾囊肿出现。

肾脏体积在60岁后每年减少约16 cm3，其中肾皮质体积随着年龄增长逐渐减少，而髓质体积则在50岁之前增加，50岁之后逐渐减少，肾皮质体积减少与年龄相关的GFR下降有关。

7.2 组织学特征和细胞改变

老化肾脏最显著的组织学变化是肾脏硬化，定义为存在以下两种及以上组织学变化：

①肾小球硬化、②肾小管萎缩、③肾间质纤维化＞5%、④肾动脉硬化。肾脏硬化的患病率从18–29岁组的2.7%增加到70–77岁组的73%。

（1）肾小球硬化：肾小球硬化通常伴随着周围肾小球的代偿性增大。一项针对健康肾脏捐献者的研究表明，年龄最大的亚组（70-75岁），与最年轻的亚组（18-29岁）相比，非硬化性肾小球数量减少了48%。足细胞丢失是肾小球硬化的主要决定因素，研究发现足细胞核密度随着年龄增长而降低，足细胞是终末分化细胞，在衰老过程中不再更新，衰老足细胞的丢失往往伴随着邻近足细胞的肥大，剩余肾小球的肥大最终也将导致足细胞脱离和整体肾小球硬化。

（2）肾小管萎缩和肾间质纤维化：对肾小管年龄相关形态学变化的研究表明：随着年龄增长，肾小管数量减少、体积减少，萎缩加剧；肾小管萎缩伴随着间质纤维化增加，蛋白质组学分析揭示了间质结构成分增加与年龄相关（如胶原蛋白Ⅵ、原纤维蛋白-1和纤连蛋白，以及基质调节剂TIMP3和ADAMTS5），间质成分改变先于明显结构变化。

（3）肾动脉硬化和毛细血管稀疏：老化肾脏的动脉变化包括小动脉硬化、纤维内膜增生和透明小动脉硬化；此外，肾老化过程中肾小管周围毛细血管数量减少，可能是由于周细胞减少；与CKD相关的研究发现，肾小管周围毛细血管变细与肾小管萎缩和间质纤维化之间存在密切联系，但尚未确定两者之间的因果关系。

7.3 分子改变

总的来说，肾脏老化的生物学过程很复杂，涉及细胞、组织、器官和周围微环境的多种变化。我们将重点关注肾脏老化过程中细胞衰老、自噬和炎症的分子变化，但读者应该明白，这个列法并不详尽。

（1）细胞衰老：AKI后肾功能恢复在老年患者中明显更差，这种再生潜能下降是衰老过程的标志，可能是由细胞衰老引起的。作为支持，最近的研究表明，不断清除衰老细胞可以减轻与年龄相关的肾功能恶化和肾小球硬化；衰老细胞的积累也可以解释肾脏疾病随着衰老而增加的患病率。

正如Huang等人所作的系统综述，几乎所有肾细胞类型的细胞衰老都参与了AKI和CKD的发病机制。在老化肾脏中也发现了细胞衰老的常见分子变化，包括p16INK4a和p53/p21CIP1上调、SA-β-gal活性增加、端粒缩短和SASP。Klotho是一种衰老干预蛋白，在肾小管上皮细胞中高表达，对血管钙化、缺氧、细胞再生和细胞衰老有影响，α-Klotho下调对肾脏老化具有特异性，Klotho敲除小鼠显示动脉硬化是其衰老表型的一部分。

因此，开发可靠的检测方法来监测Klotho水平可能有助于预测肾功能下降和CKD的进展。

（2）自噬：自噬在老化和不同肾脏疾病模型中得到了深入研究。有人提出，由于足细胞和肾小管上皮细胞的寿命长，可能特别依赖于自噬功能，以便在其生命周期内有效地“自净”蛋白质聚集体和缺陷细胞器。

事实上，足细胞显示出很高的基线自噬率；Atg5（自噬机制的一个关键组分）足细胞特异性缺失会引发衰老表型，积累脂褐素、氧化蛋白和sequestosome 1阳性蛋白聚集体；当Atg5在肾小管上皮细胞中被选择性敲除时，也出现了类似的结果，导致肾功能受损并具有促衰老表型。

基于这些数据，足细胞或肾小管上皮细胞中与年龄相关的自噬紊乱有望成为促衰老机制发挥作用。

（3）炎症：肾脏老化与亚临床全身慢性炎症状态有关，免疫衰老是最重要特征之一。免疫衰老涉及一系列由衰老引起的免疫系统改变，其特征是两个相反的标志：免疫反应缺陷和全身炎症增加。

在肾脏中，驻留的巨噬细胞和成纤维细胞不断暴露于外部环境因素，局部免疫反应诱导的细胞重编程效应随着年龄增长而积累，可能与老年人对肾脏疾病的易感性增加有关。

7.4 分泌因子

eGFR在70多年来一直是评估和监测肾功能的主要指标，然而它并不能准确反映肾小管和肾间质病变，且对识别早期肾损伤不够敏感。

因此，研究人员一直致力于寻找更早、更全面、无创的生物标志物来反映肾小管-间质纤维化的程度和肾功能障碍的进展。

（1）肾小管损伤和功能障碍标志物：肾小管损伤/萎缩是肾脏老化过程中一个非常重要的方面，已经发现了几种生物标志物来评估肾小管损伤：肾损伤分子-1 (KIM-1)是一种由受损的近端肾小管细胞释放到尿液中的跨膜糖蛋白，尿KIM-1水平与eGFR降低、间质纤维化和肾小管萎缩的组织学变化呈正相关；对糖尿病患者的研究发现，血浆KIM-1与糖尿病肾病的进展和不良肾脏预后相关。

α-1微球蛋白（A1M）是一种在肾小球内自由过滤并被近端肾小管上皮细胞重吸收的低分子量蛋白质，在药物性间质性肾炎患者和肾移植受者中，尿A1M升高与eGFR降低、间质纤维化程度和肾小管萎缩相关。

除了近端小管，其他类型的肾小管也有相应生物标志物：尿调节蛋白（UMOD）仅在髓袢升支粗段中产生，血清低UMOD水平与发生终末期肾病（ESKD）的较高风险独立相关，即使在对基线eGFR进行调整后仍然具有显著性；同时，尿UMOD水平与eGFR下降率和AKI后患者最终进展为CKD的风险呈负相关。

远端肾小管功能的新标志物还包括表皮生长因子（EGF），它在远端肾小管上皮细胞中选择性表达，对肾小管损伤后修复过程中的细胞分化和再生至关重要；尿液EGF （uEGF）与间质纤维化/肾小管萎缩、eGFR和eGFR丢失率显著相关，将uEGF添加到标准临床参数中可增强不同CKD人群疾病事件的预测，较低的uEGF水平与普通人群中eGFR快速下降和CKD事件风险增加有关。

MMP-7是一种分泌型锌和钙依赖性内肽酶，据报道通过激活β-catenin信号通路参与肾小管损伤和间质纤维化，CKD患者尿MMP-7水平与肾纤维化评分密切相关；对IgA肾病和糖尿病肾病患者的研究发现，循环MMP-7水平与GFR损失和肾间质纤维化密切相关。

此外，蛋白尿性肾病患者的尿纤维蛋白原水平显著升高，较高的尿纤维蛋白原水平与患者更严重的间质纤维化和肾小管萎缩有关，对于新发ESRD的预测模型，将尿纤维蛋白原添加到尿蛋白、血压和基线eGFR的传统组合中，使ROC曲线下面积从0.73增加到0.76。

（2）炎症生物标志物：循环中的许多炎症相关生物标志物也与肾功能障碍和纤维化密切相关。肿瘤坏死因子受体（TNFR）被TNFα激活，在炎症过程中具有重要作用，激活后的TNFR从细胞表面脱落成血液中的可溶性形式（sTNFR）；据报道，血浆sTNFR-1和sTNFR-2与肾小管间质和肾小球病变减少以及CKD和糖尿病肾病患者的eGFR相关。

YKL-40，也称为类几丁质酶-3（CHI3L1），是一种由巨噬细胞、中性粒细胞和其他局部炎症细胞产生的糖蛋白，YKL-40是缺血/再灌注损伤后炎症的重要介质，并在持续损伤和适应不良修复的背景下激活促纤维化信号通路，血浆YKL-40较高的糖尿病肾病患者肾脏疾病进展和最终发展为ESRD的风险更大，CKD和ESRD患者较高的血浆 YKL-40 水平与死亡率呈正相关。

MCP-1，也称为CCL2，由内皮细胞、巨噬细胞和成纤维细胞表达，作为响应组织损伤的趋化蛋白，在一项CKD患者的多中心前瞻性队列研究中，3个月住院后的尿MCP-1水平与eGFR下降加剧和复合肾脏结局发生率增加相关；血浆MCP-1水平与肾小管间质和肾小球病变相关，血浆MCP-1浓度每增加一倍都与肾病进展和死亡风险增加相关。

循环可溶性尿激酶纤溶酶原激活物受体（suPAR）是一种可溶性形式的尿激酶型纤维蛋白原激活物受体，主要在免疫细胞和内皮细胞上表达，并在炎症期间释放到循环中，在一项前瞻性成年心血管疾病队列中，发现较高水平的血浆suPAR与较低的基础eGFR水平和随后的eGFR降低相关。补体系统激活在肾脏疾病进展中起着重要作用，尿液中大部分C3衍生肽与eGFR呈负相关，且使用尿液中多个补体肽片段的组合来评估肾功能，是比单个分子更好的预测指标。

（3）其他肾损伤生物标志物：除了各种蛋白质分子被用作生物标志物外，越来越多的研究表明血浆或尿液中的代谢物具有预测肾功能下降的能力。如肌酸和3-吲哚硫酸盐两种代谢物的血清浓度与eGFR下降显著相关；较高水平的5-氧代脯氨酸和1,5-脱水葡萄糖醇（1,5-AG）与较低的CKD风险显著相关。

最近研究发现，外泌体作为细胞间通讯的信使在肾纤维化和CKD的发展中起着非常重要的作用，外泌体CCL2在IgA肾病中与肾小管-间质炎症、C3沉积和eGFR之间具有相关性，肾活检时的高CCL2水平与随后的肾功能恶化有关；此外，外泌体中的mRNA、miRNA和蛋白质可能是CKD的非侵入性生物标志物，这些发现仍需通过大规模队列研究和随机试验进一步验证。

到目前为止，已经确定了众多生物标志物来反映肾脏疾病中肾脏功能和结构变化，但还需要更多的多中心大规模研究来进一步验证其效用。

越来越多研究表明，单一的生物标志物很难满足综合风险识别或诊断效用标准，需要更多研究来确定最佳生物标志物组合，以监测肾功能、改善肾脏结局风险评估，减轻肾脏疾病负担。

到目前为止，Klotho是唯一被充分证明的生理性和病理性肾脏衰老特异性生物标志物。其他常用的衰老生物标志物，如p16INK4a、p21CIP1、端粒相关生物标志物，也反映了肾脏老化，但并不是器官特异性的。CKD已被认为是由多种病因引起的肾脏加速衰老，同样，这些因素也通过不同机制促进生理性肾脏老化进展，先前发现的肾脏疾病生物标志物可以提高我们对自然肾脏老化的病因学理解。