最全综述解读衰老《​Biomarkers of aging》

医芯君荐语：本综述是一篇关于衰老非常全面的一篇综述，看完不仅对衰老也对各个脏器的机制及疾病的机理了解得更多了，建议收藏阅读，从疾病谱的未来医芯资本长期看好神经脑科学及抗衰老领域，特此分享，欢迎交流探讨。

开篇献上衰老标志物的思维导图：

文献介绍

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。

一、细胞层面的衰老

•十大衰老标志物•

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。

1、表观遗传改变  

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。

2、基因组不稳定  

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。

3、端粒损耗  

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。

4、核内小体紊乱  

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。

5.细胞周期阻滞  

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。

6.线粒体功能障碍  

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。

7.蛋白质稳态丧失

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。

8.代谢失调  

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。

9.异常信号通路  

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。

10.衰老相关分泌表型（SASP）

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。

二、器官老化的生物标志物

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。

1. 脑老化

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intrinsiccapacity）”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。

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。

2. 心脏老化

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。

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。

3. 血管老化

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。

4. 肺老化

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。

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。

5. 骨骼肌老化

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。

6. 肝脏老化

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。

 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。

7. 肾脏老化

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。

8. 骨老化

骨组织形态学在研究骨的微观结构、形态、病变特征和病理过程中起着至关重要的作用。组织形态学表明，骨形成率随着年龄增长而显著下降，与年龄相关的骨质疏松症的形态特征是骨小梁数量、平均宽度和分离度减少，平均骨壁厚度和骨髓内细胞数量减少而脂肪组织增加，骨矿物质沉积率和类骨质沉积率一致，破骨细胞周围矿物质没有明显流失。对大鼠骨骼

的组织形态学分析表明，老年大鼠的破骨细胞数量、表达Ⅰ型胶原蛋白 mRNA 的成骨细胞的活性和数量均有所减少。在松质骨中，衰老改变了破骨细胞和成骨细胞之间的关系，表现出显著增加的基质或成骨细胞诱导的破骨细胞形成和成骨细胞前体池扩增。骨膜含有未分化的间充质干细胞，具有在骨折愈合和软骨修复过程中形成软骨的潜力，兔模型分析显示，随着年龄增长，骨膜的软骨形成潜能明显下降。

对于 OA 而言，关节软骨退变是核心病理改变。在损伤后的早期阶段，软骨细胞增殖并形成细胞簇，并产生基质重塑酶；当 OA 进展时，软骨细胞表现出大细胞形态和增殖能力进一步下降，软骨形成减少。OA 中的软骨细胞表现出高水平的细胞衰老；在老化的软骨中，软骨细胞呈成纤维细胞状，直径较大，分布面积较大，细胞骨架蛋白更新率低，将导致软骨

退化。

9. 脂肪组织老化

脂肪组织（AT），是由成熟脂肪细胞、前脂肪细胞、脂肪祖细胞、血管内皮细胞和免疫细胞组成的，具有高度灵活性和异质性的器官。虽然脂肪组织最初被认为是一种惰性能量储存库，但现在公认 AT 是一种代谢活跃的内分泌器官，对全身能量平衡、食物摄取、脂质和血糖稳态、产热和免疫反应都至关重要。

存在以不同的解剖位置、形态和功能为特征的 3 种类型 AT：在小鼠中，白色脂肪组织（WAT）的主要功能是将能量储存为甘油三酯形式，肩胛间棕色脂肪组织（BAT）和皮下 WAT（sWAT）分散的米色脂肪组织以产热方式耗散能量；成年人拥有各种 WAT 库，以及功能性BAT 和米色脂肪（主要分布在颈部和锁骨上区域）。白色脂肪细胞形态表现为含有单个脂滴和较少线粒体数量；而棕色脂肪细胞含有多房脂滴，较多线粒体含量赋予其褐色外观，并可表达高水平的产热解偶联蛋白 1（UCP-1）；米色脂肪细胞则以分散的方式存在于 sWAT 中，在基础状态下与白色脂肪细胞无法区分，但在冷暴露、β3-肾上腺素能信号输入、轻度热疗和运动等刺激条件下，通过称为“褐变”的过程转化为棕色脂肪细胞样特征；米色脂肪细胞的这种可诱导产热能力，赋予增加能量消耗的巨大潜力，从而有望成为代谢疾病的治疗靶点。

10. 皮肤老化

皮肤老化是衰老最显而易见的结果，它也在一定程度上直接反映了全身衰老的程度。皮肤老化是一个复杂的多因素过程，涉及多个步骤，其中时序老化和光老化密切关联。老化皮肤表现出结构、功能、细胞和分子的变化以及衰老细胞的积累，而衰老细胞伴随着 SASP，通过旁分泌过程诱导相邻细胞衰老，进一步引发其他组织与年龄相关的功能障碍。

皮肤上皮成分包含毛囊间上皮（IFE）、毛囊、皮脂腺和汗腺，它是一种不断自我更新的组织，主要由角质形成细胞构成。IFE 是由基底层、棘层、颗粒层和角化层构成的复层上皮，老年人的 IFE 保持了正常的分层结构，但显示出上皮延伸向真皮和/或整体厚度减少；在基底层，整体细胞密度和表达高 MCSP 和 β1-catenin 的 IFE 干细胞（IFESCs）丰度降低，但有趣的是，老年人 IFE 中整体细胞增殖不一定会减少，只是可能会进一步局限于基底层。增加的 p16INK4a+衰老细胞可能主要是黑素细胞，IFESCs 的克隆性扩增在皮肤老化过程中很普遍。

HF 是由毛囊干细胞（HFSCs）驱动的循环再生微型器官，在晚期 HF 老化中，HFSCs 通过转分化或细胞凋亡被耗尽，导致 HF 微型化；而早期 HF 老化中，HFSCs 得以维持，但再生反应迟钝。头发变白是由 HF 黑素细胞及其干细胞的损失引起的，且还与人类头皮 HFs 中的毛发祖细胞消耗有关。HF 老化还伴随着附近感觉神经元的分布变化和 SGs 萎缩或功能障碍。

皮肤真皮层主要由真皮成纤维细胞及其 ECM 构成。真皮成纤维细胞在正常情况下大部分是非增殖性的，且在衰老过程中逐渐丢失，导致真皮萎缩、组织密度降低、ECM 成分改变、细胞与胶原纤维之间的接触减少，以及 p16INK4a+衰老细胞的累积。

皮肤中不同类型的免疫细胞在衰老过程中也会发生不同的变化。在自然老化的 IFE 中，朗格汉斯细胞数量及其迁移能力降低，CD4 +/CD8+ T 细胞比例增加，单核细胞增殖能力降低，伴有免疫反应和创伤愈合能力受损。在 HF 老化过程中，观察到 HFSCs 中免疫细胞浸润增加和炎症信号通路激活。在真皮光老化过程中也观察到巨噬细胞、T 细胞和肥大细胞的浸润增加。

11. 肠道老化

肠道屏障损坏（肠漏）在动物和人类研究中都被描述为肠道衰老的病理学标志。随着年龄增长，肠道消化吸收功能减弱，这种生理变化显著改变了肠道菌群结构：例如嗜黏蛋白阿克曼菌（Akk）和产短链脂肪酸（SCFA）菌减少，而潜在促炎性共生微生物显著增加。Akk 是一种肠道细菌，可降解黏蛋白并为有益微生物提供能量，并通过激活上皮细胞和产生粘液来保护肠上皮完整性；它在衰老小鼠和老年人肠道中减少肠漏，进而导致全身炎症水平的降低。总之，在肠道老化过程中，生理特征的变化包括肠道菌群多样性的减少和 Akk 菌等有益菌的减少，以及肠道通透性的升高，进而引发一系列健康问题，包括肠动力紊乱、食欲下降、肠漏、肠道炎症和老年人过早死亡。

12. 胰腺老化

胰腺的外分泌和内分泌部分都会老化。胰腺外分泌功能随着年龄增长而退化，表现为胰腺外分泌功能不全（EPI），这可能导致消化不良和营养不良。促胰液素激发试验（SST）是评估胰腺外分泌功能的标准测试，可测量胰液分泌量、碳酸氢盐输出量和胰酶输出量；基于该测试的研究表明，老年人的十二指肠抽吸物中胰腺分泌物的体积显著减少，胰酶和碳酸氢盐的浓度降低，淀粉酶和胰蛋白酶活性降低。粪便弹力蛋白酶试验（FET）可测定粪便中弹力蛋白酶-1（FE-1，一种由胰腺分泌的酶）的含量，是诊断中重度胰腺外分泌功能不全的高度敏感标志物；10%-21.6%的老年人存在EPI（FE-1＜200 μg/g），其中5%存在重度EPI（SEPI，FE-1＜100 μg/g），EPI 和 SEPI 的发生率随年龄增长显著增加。对于胰腺内分泌，其功能主要体现在血糖调控、糖耐量、空腹或餐后胰岛素/C 肽分泌等方面。糖化血红蛋白（HbA1c）是临床评估血糖控制情况的检测指标，可反映既往 2-3 个月的血糖波动情况；几项针对不同人群的研究报告称，老年人 HbA1c 水平高于年轻人，特别是对于患有 2 型糖尿病（T2D）的老年人，建议采用不太严格的 HbA1c 控制标准，以最大限度地提高治疗获益并减少危害。

糖耐量和胰岛素分泌通常通过口服葡萄糖耐量试验（OGTT）来测量；在人类中，葡萄糖耐量会随着年龄增长而逐渐下降，这种与年龄相关的葡萄糖耐受不良通常伴有胰岛素抵抗；随着年龄增长，葡萄糖或膳食刺激的胰岛素/C 肽分泌下降也表明老年人 β 细胞功能障碍。这些检测具有作为生物标志物的价值，可用于诊断代谢疾病和评估胰腺健康状况与老化情况。

13. 生殖系统老化

与大多数体细胞器官不同，尚未在成年卵巢中发现生殖干细胞。由于缺乏新卵子发生导致卵母细胞耗尽后无法补充，导致卵泡储备耗尽，因此不可避免地会发生绝经。因此，大量卵泡闭锁和周期性排卵引起 PMF 库耗竭是卵巢老化的根本原因。

与年龄相关的女性生育能力下降也归因于卵母细胞质量下降，线粒体功能障碍、ROS、重组失败、黏连蛋白（cohesin）功能下降和纺锤体组装检查点失调是导致卵母细胞非整倍体的主要原因：线粒体生物发生减少、线粒体稳态受损和自由基失衡在卵巢老化中起着关键作用。来自 38 岁以上女性的颗粒细胞含有更高水平的 mtDNA 缺失和受损线粒体数量，导致类固醇激素生物合成能力降低和 ROS 生成增加；卵丘细胞 mtDNA 含量可被视为高龄女性体外受精结果的生物标志物。与年龄相关的卵母细胞和卵巢其他细胞中 ROS 水平升高以及抗氧化能力降低，导致氧化应激，从而降低卵母细胞质量并加速卵巢老化过程；抗氧化治疗

可能延缓卵巢老化。单细胞转录组学图谱显示，早期卵母细胞中 GPX1 和 GSR 表达下降，或颗粒细胞中氧化还原酶活性的 IDH1、PRDX4 和 NDUFB10 表达水平降低，可以提供特定的分子生物标志物来表征卵母细胞质量并提示卵巢老化。人类卵母细胞非整倍体归因于固有的减数分裂纺锤体不稳定性、分裂细胞附着增加以及着丝粒和染色体结构中与年龄相关的变化，与年龄相关的纺锤体异常和染色体错位会降低卵母细胞质量，导致高龄女性非整倍体患病率更高。卵母细胞与周围颗粒细胞或卵丘细胞之间的细胞间通讯对于发育过程中的卵泡发生以及维持卵巢功能至关重要，颗粒细胞为卵母细胞和卵泡发育提供营养和机械支持，颗粒细胞、卵丘细胞和基质细胞的衰老可导致炎症和纤维化。排卵也是一个强烈的炎症过程，会产生 ROS 并导致氧化损伤。与年龄相关的胶原蛋白增加和乙酰透明质酸减少在人类卵巢中是保守的，此外 AGEs 在卵泡的积累可能引发卵巢早衰，颗粒细胞或卵泡液衍生细胞表面AGEs 的测量可用作卵巢老化的生物标志物。

人类睾丸老化最常见的组织学模式是曲细精管病变（硬化、变薄、闭塞），其他特征包括曲细精管管径缩小、与精子发生停滞相关的间质纤维化，以及基底膜和白膜增厚。

（1）生殖细胞：生殖细胞随年龄减少通常从精子细胞开始，逐渐影响不太成熟的精母细胞或精原细胞，直到形成完全硬化的曲细精管；然而，关于衰老过程中精原细胞数量的研究结果并不一致。老年人类睾丸中由于邻近精母细胞或精子细胞的细胞膜融合而导致多核等形态学变化，在超微结构水平上，精母细胞和精原细胞可见核内包涵体，细胞质内可见螺旋状内质网；精子细胞中与年龄相关的改变包括顶体畸形、多余核膜、核内包涵体、细胞质中过多液滴和核不规则构型。

（2）支持细胞：支持细胞数量随着年龄增长而下降，并表现出多种超微结构和组织学改变，例如细胞核形状不规则、定位丢失、囊泡增大、线粒体化生、内质网疏松和有泡、溶酶体不规则，去分化和多核化也有报道。衰老支持细胞的细胞连接也失去了特征性的外观并退化，表明老年人的血睾屏障受损。

（3）间质细胞：与睾丸中的其他类型细胞相比，关于 Leydig 细胞群在衰老过程中表现的研究存在更多矛盾。人们普遍认为，Leydig 细胞分泌睾丸激素的能力在衰老过程中会下降，在老化 Leydig 细胞中观察到许多与年龄相关的形态学和超微结构变化，例如细胞萎缩、多核化、核内 Reinke 晶体、空泡，以及脂褐素和脂滴的积累，还会出现去分化迹象以及平滑内质网和线粒体数量减少。

14. 造血系统老化

造血系统老化的特征是造血稳态逐渐破坏，导致红细胞和淋巴细胞的产生减少，髓系细胞产生相对增加，这些变化与贫血和感染风险增加、疫苗接种反应差、骨髓衰竭风险增加以及老年人患血液恶性肿瘤有关。大多数 HSCs 在稳态环境中处于静止或休眠状态，有利于维持其功能和年轻化，而过度增殖会导致耗竭，老化 HSCs 自我更新、再生潜力和归巢能力受损。老年人中最常见的血液病是贫血，可能由铁、叶酸和维生素 B12 缺乏以及慢性炎症引起，1/3 病例的贫血原因尚未确定，包括意义未明的特发性血细胞减少症（ICUS）患者，30%的 ICUS 患者被发现有体细胞突变的 HSCs 克隆扩增。免疫系统的所有细胞都来源于 HSCs，故免疫衰老源于 HSCs 的衰老，使老年人易受感染，B 细胞产量及其抗体多样性下降可能是老年人接种疫苗效果较差，并且更容易患上自身免疫性疾病的原因；幼稚 T 细胞逐渐减少，导致适应性免疫功能障碍和随后的癌症易感性增加；NK 细胞数量增加，但细胞毒性减弱，细胞因子分泌减少。单核细胞是先天免疫的重要组成部分，通过分化为抗原呈递细胞（如巨噬细胞和树突状细胞）发挥作用，在造血衰老过程中，循环中的中性粒细胞和单核细胞数量增加，但功能下降，表现为中性粒细胞向刺激物迁移减少和巨噬细胞吞噬活性降低，从而影响先天免疫系统。最近的一项研究发现了具有血小板偏倚的多能 HSCs，可能与年龄相关的血小板计数下降和功能变化有关，对于血栓性疾病至关重要。

15. 免疫系统老化  

人体免疫系统老化的最重要标志之一是胸腺退化。人类胸腺在出生时重 10-15 克，在青春期发育至 30-40 克，此后胸腺的皮质和髓质开始被脂肪组织取代，到了老年，整个胸腺会减少到约 10 克。人类胸腺的退化包括其组织结构的解构、胸腺大小和重量的减少以及胸腺细胞数量的减少。胸腺是 T 细胞发育的主要器官之一，衰老引起的胸腺功能退化可直接导致幼稚 T 细胞产量下降、记忆 T 细胞的代偿性克隆扩增以及外周 T 细胞多样性的降低；胸腺退化还可能导致 T 细胞活性下降，进而导致免疫力下降，并可能导致免疫耐受缺陷和自身免疫反应增强。

人体有 300-500 个淋巴结，总重约 100 克。随着人体衰老，淋巴结的数量和体积都逐渐减少，淋巴结开始出现与年龄相关的功能退化，如纤维化、玻璃样变、脂肪过多、毛细血管后血管数量减少、淋巴结形态和功能改变等。随着退行性改变积累，淋巴结的功能区带结构和组成逐渐紊乱，淋巴结皮质和髓质中的淋巴组织数量减少，淋巴滤泡生发中心数量和大小下降，滤泡树突状细胞数量减少，淋巴结稳态相关趋化因子（如 CCL19、CCL21 和 IL7）水平下降。最终，这些由衰老引起的淋巴结结构和功能缺陷导致 T 细胞和 B 细胞的细胞稳态受损、免疫细胞识别抗原的能力降低以及体液免疫反应降低。

衰老还会导致人类脾脏体积缩小。在结构上，脾的厚度受年龄影响：从出生到青春期发展到顶峰，然后开始慢慢变薄；淋巴滤泡变得不规则，脾脏生发中心的体细胞超突变也随着年龄的增长而减少。

在衰老过程中，先天免疫系统和适应性免疫系统中的许多免疫细胞亚群都会发生变化。巨噬细胞吞噬和消化病原体，在先天免疫系统中充当“哨兵“，影响适应性免疫反应并发挥组织修复功能。巨噬细胞由不同表型和行为的异质细胞群组成，巨噬细胞功能的年龄相关变化因部位而异。

中性粒细胞具有快速捕获和杀死入侵的病原微生物的能力，是先天免疫系统的重要组成部分。在衰老过程中，中性粒细胞表现出较低的迁移和吞噬能力，并且在激活时更容易发生细胞凋亡，从而减少了它们向感染部位的募集和对病原体的吞噬作用。此外，炎症性中性粒细胞的持续存在可能会阻碍炎症的消退，从而导致组织损伤。中性粒细胞在一些器官中的驻留随着年龄的增长而增加，但其机制和生理功能仍不清楚。

DCs 是重要的抗原呈递细胞，在先天免疫和适应性免疫之间架起一座桥梁。老年人的循环 DCs 较低，并且老化的 DCs 也表现出功能障碍，包括 IFN 产生减少，IL-6 和 TNFα 产生增加，以及细胞表面 MHC Ⅱ分子表达降低，这与抗病毒反应受损、促炎偏倚和 T 细胞激活减弱有关，过度的 NF-κB 刺激也会导致 DCs 在衰老过程中发生改变。

NK 细胞是一组具有细胞毒性的先天免疫细胞。与年龄相关的 NK 细胞的变化特点是细胞毒性能力受损，包括细胞因子和趋化因子的产生以及与 DCs 和巨噬细胞的相互作用。激活受体（如 NKp30、NKp46 和 DNAM-1）表达的改变可能会损害老年人 NK 细胞的免疫监视功能，这些变化可能导致老年人恶性肿瘤发病率和死亡率增加。

免疫衰老也会导致适应性免疫力耗尽，幼稚 T 细胞数量急剧下降，而记忆 T 细胞数量增加。TCR 多样性随着年龄增长而下降，Lck、ZAP70、DLG1、Lat 和 SLP-76 的表达减少与 TCR 信号机制改变有关。衰老 T 细胞呈现 SA-β-gal 表达和细胞毒活性降低、增殖能力下降、细胞周期停滞基因以及免疫检查点相关分子（如 Tigit、Tim3 和 CTLA-4）表达上调, 以及功能分子如穿孔素和 GzmB 表达减少。这些变化可能与促炎细胞因子分泌增加和新抗原识别减少有关。表面标记在衰老过程中也会发生变化，衰老 T 细胞会失去共刺激分子 CD27和 CD28 的表达，但会增加 KLRG-1 和 CD57 的表达，因此 CD27-CD28-CD57+KLRG-1+ T细胞可作为免疫衰老的指标。相应地，老年人幼稚 B 细胞频率和 B 细胞活化受损，形成抗体的能力和抗体亲和力降低，而记忆 B 细胞由于抗原刺激增加而积累，共刺激分子（CD27、CD40）的表达在衰老的 B 细胞中减少。B 细胞产生的针对病原微生物的抗体对于抵抗细菌和病毒感染很重要，B 细胞功能下降可能导致老年人抗感染免疫力减弱。

在血液、尿液和脑脊液等体液中可检测到分泌因子。血液中与衰老相关的分泌因子通常与慢性低度炎症表型（CLIP）有关，表现为血清中促炎细胞因子水平升高（增加 2-4 倍）。除了最经典的 IL-6 和 CRP 外，越来越多的促炎因子已被确定与 CLIP 的启动和发展相关，包括：①细胞因子和相应的可溶性受体或相关分子：IL-1、IL -8、干扰素和肿瘤坏死因子；②趋化因子：CCL2、CCL3 和 CCL5；③粘附分子：VCAM-1、ICAM-1 和 E-选择素；④炎症的急性期反应物：血清淀粉样蛋白 A（SSA）和纤维蛋白原，其中许多也与 SASP 有关；还发现外周血中 lncRNA 和 miRNA 的积累与免疫衰老有关，单细胞转录组分析显示 lncRNANEAT1 和 MALAT1 在衰老过程中被耗尽的 T 细胞和脆弱特异性单核细胞中过度表达。

除了外周血，尿液和粪便样本也常用于与年龄相关的免疫功能的实验室检测。许多尿液或粪便测量值，包括 8-OHdG、游离 mtDNA、糖皮质激素代谢物、尿液胰岛素 C 肽、甲状腺激素和新蝶呤，已被证明是炎症的合理生物标志物。来自尿液和 CSF 的细胞外囊泡（EV）也被证明对反映细胞特性和远程细胞间通讯状态具有洞察力。一项研究表明，SASP 细胞因子和免疫防御因子可以在尿液 EV 中识别，但不能在尿液中识别；SASP 相关因子（例如，IL-8、IP-10、GRO 和 MCP-1）在大于 60 岁的老年人的尿液 EV 中检测到的水平显著高于年轻人。

大脑周围的脑膜和脑脊液也包含有免疫细胞，它们在病理条件下受到严格调节以对大脑抗原作出反应。已发现几种炎症细胞因子和代谢成分会随着年龄的增长而变化，脑脊液中的免疫学变化与神经退行性疾病（如 AD 和路易体痴呆）等病理事件有关。最近，与衰老相关的单细胞转录组分析揭示了老年健康个体脑脊液中非经典单核细胞的脂质转运基因（APOE、APOC2 和 APOBR）上调，这突出了脂质代谢在衰老过程中的关键作用与年龄相关的脑脊液的先天免疫和免疫调节变化。

三、老化时钟及其应用

除了细胞和器官水平，衰老的异质性还体现在生物体和种群水平。应该使用综合措施来评估这些层级的衰老，但决定使用哪些生物标志物组合并不是一件容易的事。通过使用各种建模技术，特别是人工智能的应用，在大型队列研究中测量的生物标志物已经产生了被称为“生理年龄或老化时钟”的不同预测模型。在本章中，我们根据这些模型中使用的生物标志物的性质分类介绍老化时钟及其应用，并深入探讨这些模型面临的挑战和复杂性，这些都是需要进一步创新的领域。

1. 表型时钟  

衰老表型的定义很广泛，可以粗略分为物理特征（如面部、皮肤和大脑成像）和功能能力（如认知和心理评估分数）来构建表型衰老时钟。

PhotoAgeClock 是一种利用深度神经网络（DNN）通过眼角膜图像预测时序年龄的模型，实现了平均绝对误差（MAE）2.3 岁。另一种通过人类 3D 面部成像特征的线性回归模型的MAE 约为 6.1 岁。后来基于更大队列，Xia 等构建了卷积神经网络（CNN）年龄预测系统，并报告时序年龄/感知年龄与预测年龄之间的误差为±2.79/2.90 岁，且发现衰老率的异质性在中年达到顶峰。脑结构 MRI 数据也可以应用于年龄预测，其 MAE 为 4.16 岁；最近，一个3D CNN 模型的 MAE 达到了 2.3 岁，此模型还可以揭示患有 MCI 和 AD 的成年人的神经认知轨迹，并可以作为 AD 的早期标志物。

2. 表观遗传时钟  

早期的表观遗传时钟仅由少量样本和少量 CpG 基因座生成，精度有限。2013 年，Horvath发现了第一个多组织表观遗传时钟。Horvath 时钟是从 51 种组织和细胞类型的 8000 个样本中生成的，共发现 353 个 CpG 位点与衰老密切相关，相关性为 0.96，误差为 3.6 岁。在Horvath 时钟中，不同组织显示出不同的老化速度；然而局限性也很明显，例如，它不能应用于培养细胞。为此，Horvath 开发了基于人类成纤维细胞、角质形成细胞、口腔上皮细胞、内皮细胞、淋巴母细胞、皮肤、血液和唾液样本的 Skin & Blood Clock，包含 391 个 CpG，可以有效预测体外培养的神经元、神经胶质细胞、大脑、肝脏，甚至骨骼样本的生理年龄。

迄今为止，大多数表观遗传时钟都是基于 Illumina Infinium 阵列，其高昂价格使它们不适合应用于大规模临床药物试验，一些基于含有较少 CpG 基因座的血液样本开发的 3-CpG 时钟常被用于法医学目的；也有人使用成本较低的焦磷酸测序方法来识别与年龄最相关的 5 个CpG 位点（ELOVL2、Clor132、TRIM59、KLF14、FHL2) 作为预测模型。5-CpG 时钟在多个组织中得到验证，后续研究表明，即使只用 5 个 CpG 位点中的 3 个（ELOVL2、Clor132、FHL2) 也足以预测生理年龄。

3. 转录组时钟  

来自多个器官的转录组数据已被用于构建衰老时钟。Peters 等对几个大型队列研究中的外周血单核细胞基因表达阵列数据进行线性回归得到一个模型，MAE 为 7.8 岁；这个转录组时钟也被发现与一些生物标志物和风险因素有关，包括吸烟状况。Fleischer 等使用人真皮成纤维细胞 RNA-seq 数据导出时钟，中值绝对误差（MedAE）为 4.0 岁，为了降低转录组数据的噪音，本研究结合了多个线性判别分析分类器，也可用于检测早衰样本。

4. 蛋白组时钟  

在与年龄相关的蛋白质组数据集的基础上，构建了几个老化时钟。一种基于与时序年龄高度相关的循环血浆蛋白的老化时钟，最终鉴定出 76 种蛋白质的蛋白质组学特征具有良好的年龄预测能力，其中 GDF15 表现出最强的年龄关联。值得注意的是，随着年龄增长，蛋白质输入越少，变化越明显，时钟模型的可预测性就越好。令人鼓舞的是，为捕获复杂的有机体机制而建立的蛋白组时钟可能具有超越测量生物衰老加速的潜在应用，它们可用于加强对多种与年龄有关的疾病的监测和促进衰老干预候选药物的开发。迄今为止，针对与衰老密切相关的肝肾疾病、免疫功能障碍、代谢紊乱和神经退行性疾病，多个多重蛋白组在临床环

境中显示出巨大的应用价值。

5. 代谢组时钟  

代谢与衰老密切相关，一些代谢物的丰度与年龄相关，表明有可能使用这些成分来评估生物年龄。第一个代谢组年龄预测因子是基于使用质子核磁共振（1H-NMR）光谱的大规模尿液代谢物分析研究建立的，命名为“代谢评分（metabolic score）”，后在两个独立的队列中得到验证，并且可以预测接受减肥手术的个体的体重减轻情况。

6. 生物钟  

衰老如何扰乱内源性生物钟的功能仍然是一个悬而未决的问题。移植实验表明，SCN 是疾病、衰老和长寿的关键调节因子，研究发现，与年轻个体相比，老年个体的 SCN 体积有所减少，关键激素分泌减少、神经元网络活动连贯性丧失，这可能导致生理和行为的日常节奏恶化。激活内源性生物钟的小分子可能成为延缓年龄相关疾病的潜在药物。生物钟因个体遗传易感性、年龄和性别而异。整合生物钟、药物昼夜节律药代动力学、年龄和性别可以提供最佳干预措施以促进健康老龄化。此外，通过控制进食时间（限时进食）来调节生物钟，显示出对减轻与年龄相关的慢性疾病的强大作用，但具体机制远未完全了解。进食行为是否可以作为衰老的潜在生物标志物需要进一步研究。

7. 长寿时钟  

最初的研究侧重于确定长寿人群队列中与长寿相关的基因突变，这些突变可以作为长寿的潜在指标，例如 FOXO3A 基因中的长寿突变。但长寿的遗传影响有限（15%–35%），广泛的工作试图在其他分子水平上表征长寿人群队列中人类健康衰老和长寿的潜在生物标志物（或指标），包括基因表达、蛋白质表达、DNA 甲基化和代谢。越来越多的证据表明，百岁老人的长寿优势体现在他们相对于时序年龄更年轻的表观遗传年龄（即生理年龄）。来自长寿人群个体的转录组学证据和功能实验也表明，自噬溶酶体活性增加和核糖体活性降低是人类健康衰老和长寿的两个重要指标；长寿个体也往往表现出良好的脂质分布，这可能部分与长寿个体中脂质代谢活性增强有关；一项针对百岁老人家庭的血清蛋白质组研究也确定了几种与丰度和人类生存相关的蛋白质；一项针对百岁老人家庭的单细胞 RNA 测序研究揭示了百岁老人的免疫重塑过程，其特征是杀死癌细胞的细胞毒性 T 细胞的数量增加和功能增强，长寿人群个体的炎症水平也相对较低，这可能是由于激活 ATF7；此外，一些关于肠道微生物组的研究揭示了百岁老人的独特特征。综上所述，长寿人群队列可以促进识别与人类健康衰老相关但与年龄非线性相关的长寿特异性指标和/或生物标志物，以构建更有效的长寿时钟。

8. 单细胞分辨率下的老化时钟  

近十年来，一系列基于表观基因组学的衰老时钟诞生，但批量测序数据无法提供对特定细胞类型中发生的分子变化的深入了解。细胞类型组成或细胞年龄的变化如何影响个体或组织衰老的表型特征，以及如何定量评估特定细胞类型的分子水平变化对个体或组织衰老的贡献，这将是值得探索的问题，是具有挑战性但有前途的研究领域。受限于单细胞组学测序技术的发展程度，目前单细胞分辨率的老化时钟主要集中在单细胞表观基因组和单细胞转录组，使用机器学习方法来预测单个细胞的生理年龄。随着单细胞多组学测序技术的进一步发展，新型老化时钟有望实现更精准的性能，我们相信，基于单细胞组学的老化时钟将在不久的将来彻底改变我们对老化时钟的理解。

9. 医学影像技术在老化时钟中的应用  

丰富的医学影像学手段在临床前研究和临床实践中得到了应用。多种成像方式，如 CT、MRI、超声、光学成像系统、单光子发射计算机断层扫描（SPECT）和 PET，可用于提供从微观到宏观的老化时钟的分子、功能和结构信息。在这一部分中，我们将讨论医学成像技术在老化时钟中的应用，这将阐明老化时钟在管理和治疗衰老引起的疾病中的临床转化用途。

10. AI 在老化时钟中的应用  

AI 能够分析与大型人群相关的横断面和纵向数据，促进衰老生物标志物的发展，为评估健康状况、量化干预效果和制作个性化医疗报告提供了工具。使用 DL 的研究未来仍将不断发展，以实现更好的性能：一方面，老化时钟将继续样变出新的生物标志物，并整合更多种生物标志物，同时通过收集公共或私人数据集来增加训练的样本量，可进一步提高模型的性能；另一方面，新的 DL 建模架构（通过对多参数进行仔细建模）可被设计并进一步探索，在年龄估计方面获得巨大前景。

11. 复合老化时钟  

当前，只有有限的研究在试图建立一个复合时钟来评估生物衰老。最近，一项研究对 106名 29-75 岁的健康人进行了纵向研究，获得了多组学测量，涵盖了这些人的转录物、蛋白质、代谢物、细胞因子、微生物和临床实验室数据，基于这些测量结果，作者定义了不同个体的衰老模式，称为“年龄型（ageotypes）”，强调了个体之间衰老轨迹的异质性；这项研究用全息数据集将衰老轨迹分为不同等级，这意味着有可能建立一个综合的老化时钟；另一项研究收集了不同模式的免疫特征数据，包括细胞亚群表型、细胞对细胞因子刺激的功能反应，以及 135 个健康人外周血样本的全血基因表达，通过整合这些数据，定义了“免疫老化（IMMAGE）”评分，该评分在预测老年人死亡率方面显示出比表观遗传时钟展现出更好的性能，但这项研究主要集中在量化免疫老化，但不是对抗衰老的特征。

四、关于衰老生物标志物研究的伦理和社会影响

1. 潜在的科学考量  

衰老的复杂性和异质性使衰老生物标志物的研究极其复杂和昂贵，远远超出了单个研究人员的能力范围。在这种情况下，衰老生物标志物的临床有效性经常受到质疑。一方面，衰老生物标志物的临床前研究和临床试验之间的环境差异（例如参与者/被试者动机、风险承受能力和心理表现等方面的差异），使得结果间可能存在差异，其临床有效性有待进一步论证；另一方面，临床应用需要衰老生物标志物的临床有效性和安全性证据以及相关标准，数据收集的耗时和收集标准的缺乏大大增加了发现和验证衰老生物标志物的难度，这使得建立衰老标志物应用有效性和安全性的标准变得更加困难。

2. 知情同意的挑战  

衰老生物标志物在科学方面的不确定性和不完整性，使得获得研究参与者/受试者的知情同意成为一个巨大的挑战。特别是，如何以全面且易于理解的方式充分告知参与者/受试者，衰老生物标志物检测的潜在益处、风险和不确定性，是研究人员/临床医生在进行相关研究时必须面对的挑战之一。同时，知情同意的过程也受到研究参与者/受试者给予知情同意的能力方面的挑战，例如对于那些轻度认知障碍的人，他们对风险的理解能力相对有限，获得他们的知情同意并维护他们的最大利益会更加困难。关于知情同意过程是否应考虑家庭参与也还存在一些争议。

3. 评估和诊断结果的披露  

衰老生物标志物研究及其临床试验也面临是否应向研究参与者/受试者公开相关结果的问题。在某种程度上，对衰老生物标志物评估或诊断结果的披露后果是双向的：一方面，它可以为参与者/受试者提供早期管理年龄相关疾病或进行生活规划的机会，以此提高他们的生活质量；另一方面，衰老干预措施的选择有限，相关披露有可能对参与者/受试者造成特定的社会心理困扰（压力、焦虑、抑郁甚至自杀倾向），影响他们的生活质量，并改变他们的社会环境。从这个意义上说，衰老生物标志物研究及其临床试验的潜在益处与研究参与者/受试者的个人态度、信念、期望、生活质量、家庭支持和社会环境密切相关，结合研究人员/临床医生的异质性考虑，相关风险的披露会成为参与者/受试者与研究人员/临床医生之间持续沟通的复杂过程。

可想而知，衰老生物标志物评估或诊断结果的披露已成为一项复杂且具有挑战性的任务，需要特定的培训和传达不确定性的能力。研究人员/临床医生是否应该将衰老生物标志物评估或诊断的结果告知参与者/受试者？如有必要，哪些该告知哪些不该告知，相关结果是否应公开或与家属分享，是否应根据基础研究和临床试验的不同采取不同的公开机制？由于参与者/受试者的个体差异以及临床前研究和临床试验之间的差异，所有这些问题都面临着很大的困难。

4. 其他具体的伦理和社会问题

衰老生物标志物研究及其临床试验也可能在个人或社会层面对研究参与者/受试者产生重大影响：在个人层面，衰老生物标志物评估或诊断结果及其相关数据信息的公开涉及个人隐私保护，相关数据泄露可能导致污名化，或对其就业和保险产生负面影响等后果；在社会层面，未来衰老生物标志物的临床应用可能会使诊断资源或保险范围的公平和公正分配成为问题，例如，衰老生物标志物测试是否主要用于治疗或预测需求，无论它们是针对患者还是普通人群，以及相关费用是自行承担还是由医疗保险承担，都对当前的医疗保健系统构成了挑战，从长远来看，这些问题可能会破坏社会保障和医疗保健系统的团结原则，改变国家医疗保健系统和社会保障系统的未来方向，甚至产生新的医疗保健平等问题。

结语与作者

由于新的衰老研究的陆续发布，特别是那些基于大队列的研究，例如“千人衰老研究项目”等新举措，以及机器学习方法的不断扩大，和衰老生物标志物和应用模型正在迅速发展；此外，不同种类动物的衰老生物标志物在某些情况下可能并不一致，甚至是相互矛盾的。因此，转化临床实践前需要开发适用于或特异性的生物标志物来评估衰老和早期预警年龄相关疾病。我们计划在未来几年内更新这篇关于衰老生物标志物及其应用的综述，以反映我们对衰老的最新理解。识别特定的、敏感的、可用的衰老生物标志物，是实现通过各种策略进行衰老干预的前提和基础。尽管在衰老生物标志物方面还有很多需要学习的地方，但可以预见的是，随着衰老生物标志物理论和应用的逐步深入，我们对衰老规律的认识以及对年龄相关疾病的预防和治疗将迎来一个全新时代。

附（通讯作者）：

刘光慧（中国科学院动物研究所），裴钢（同济大学），邹卫国（中国科学院上海生物化学与细胞生物研究所），朱大海（中国医学科学院基础医学研究所），赵玉政（华东理工大学），赵同标（中国科学院动物研究所），张灼华（中南大学湘雅医院），张云武（厦门大学医学院），张勇（中国医学科学院基础医学研究所），张维绮（中国科学院北京基因组研究所），张亮（中国科学院上海营养与健康研究所），张宏波（中山大学），张存泰（华中科技大学同济医学院附属同济医院），岳锐（同济大学），叶静（上海交通大学瑞金医院），许代超（中国科学院上海有机化学研究所），谢正伟（北京大学），肖意传（中国科学院上海营养与健康研究所），项鹏（中山大学），黄超兰（中国医学科学院北京协和医学院），王韫芳（清华大学长庚医院），王延江（第三军医大学大坪医院），王小宁（中国人民解放军总医院），王霞（清华大学），王思（首都医科大学宣武医院），王树森（南开大学），田梅（复旦大学），孙宇（中国科学院上海营养与健康研究所），孙毅（同济大学），松阳洲（中山大学），宋默识（中国科学院动物研究所），任瑞宝（上海交通大学瑞金医院），任捷（中国科学院北京基因组研究所），曲静（中国科学院动物研究所），彭耀进（中国科学院动物研究所），聂静（南方医科大学南方医院），毛志勇（同济大学），马欣然（华东师范大学），马帅（北京干细胞与再生医学研究院），罗湘杭（中南大学湘雅医院），刘勇（武汉大学），刘兴国（中国科学院广州生物医药与健康研究院），刘强（天津医科大学），刘强（中国科学技术大学），刘林（南开大学），刘峰（中南大学），刘宝华（深圳大学），李鑫（中国科学院动物研究所），黎健（卫生部北京老年医学研究所），李吉（中南大学湘雅医院），孔庆鹏（中国科学院昆明动物研究所），鞠振宇（暨南大学），黄恺（华中科技大学同济医学院附属协和医院），韩敬东（北京大学），高峰（第四军医大学），丁秋蓉（中国科学院上海营养与健康研究所），丁楅森（四川大学），慈维敏（中国科学院北京基因组研究所），陈军（北京大学），陈厚早（中国医学科学院基础医学研究所），陈国兵（暨南大学），陈畅（中国科学院生物物理研究所），陈彪（首都医科大学宣武医院），曹中炜（四川大学），曹丰（中国人民解放军总医院）。