基于多组学的老年衰弱人群生物标志物研究

流行病学数据显示，2020年全球60岁以上人群衰弱及早期衰弱的发病率分别为16%和45%，带来了沉重的社会经济负担［1］。衰弱是指年龄依赖性的系统调节功能下降导致包括肌肉力量下降、年龄相关的激素水平紊乱、炎症和营养、代谢异常等多系统累积损伤，引起老年人体力活动、能量代谢、认知水平等生理储备能力下降的一种多维度老年综合征［2］。衰弱不仅使老年人发生跌倒、失能、残疾、谵妄、住院和死亡的风险增加，也对老年人健康状态及预期寿命构成重大威胁。有学者提出，衰弱状态可能是老年慢性疾病亚临床阶段的外在表现。因此，早期诊断衰弱有助于最大限度地降低衰弱进一步发展、减轻或延缓潜在的老年慢性疾病和症状并控制反复住院、死亡等临床不良结局［3］。

衰弱的发展与多个复杂的病理生理进程有关，包括慢性炎性反应、能量代谢失衡、氧化应激、内分泌失调、肌肉减少症、营养不良等，使得衰弱的临床诊断和干预难以有效实施，其表型异质性以及个体多系统失调的复杂性加大了全面评估的难度，也使得衰弱生物标志物的研究充满挑战性［4］。目前，已有多项研究寻找基于“组学”的生物标志物来评估老年衰弱的风险及其后果［5］，但尚缺乏系统梳理。为此，本文经过大量的文献梳理，从基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学多组学视角来描述衰弱的生物标志物研究进展，为开展老年衰弱人群临床实践研究提供思路。

文献检索策略：以“衰弱、衰弱早期、表观基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、生物标志物”为中文关键词检索万方数据知识服务平台、中国知网，以“frailty、pre-frailty、epigenomics、transcriptomics、proteomics、metabolomics、biomarkers”为英文关键词检索PubMed、Web of Science，检索时间为建库至2022年7月。文献纳入标准：与老年衰弱早期多组学生物标志物相关的系统回顾、指南、荟萃分析、原始研究；文献排除标准：会议摘要、无法获得全文的文献。

1　衰弱基因组学的变化特征

1.1　单核苷酸多态性（SNP）　SNP在调节生物体差异基因表达、解释衰弱发生的个体间差异方面具有重要作用。研究发现，由于参与衰弱相关通路的基因变异，衰弱人群的循环细胞因子浓度在相同炎症状态下有所不同［6］。更重要的是，SNP可显著影响患者对运动干预的耐受性和依从性，从而影响其治疗效果［7］。综上，SNP有助于衰弱潜在个体的早期识别及衰弱发生可能机制的探究，改变患者对某些治疗干预的依从性，从而影响治疗效果，研究SNP与衰弱表型的相关性具有较高的临床应用潜力［8］。

1.2　表观修饰　表观修饰会影响整个生命周期内所有细胞和组织的生理进程，是对衰弱有预测价值的生物学标志［9］。其中，DNA甲基化组会随着年龄的增长发生改变，是遗传、环境因素影响衰弱发展的中介因子，是衰弱及相关疾病表观修饰研究的主要方向之一［10］。研究发现，衰弱的加重与启动子特异性胞嘧啶-磷酸-鸟嘌呤位点DNA甲基化水平的升高有关［11］，基于DNA甲基化水平开发出的“GrimAge”“DNAm-PhenoAge”等表观遗传时钟模型显示出对衰弱［12］、死亡［13］等不良结局具有良好的预测能力。DNA甲基化可作为预测衰弱发展的指标，但在使用表观遗传时钟预测衰弱时需要基于不同性别、种族的人群及不同组织、细胞和不同疾病的更多数据以减少预测误差［14］。

2　衰弱转录组学的生物标志物

2.1　微小RNA（miRNA）　miRNA参与细胞信号转导、分化、增殖等多个过程的调控，并介导炎症、衰老、肌肉萎缩等病理生理进程，在衰弱的发展中起重要作用。衰弱除了伴随着氧化应激和炎性因子水平的升高，还常伴随miRNA表达改变［15-24］，见表1。SZEWCZYK-GOLEC等［25］证实衰弱人群血样中3种与炎症相关的miRNA（miRNA-21、miRNA-146a和miRNA-223）显著增加，而与具有抗衰老作用的褪黑激素合成相关的miRNA-483、miRNA-223表达降低。此外，许多miRNA与肌肉萎缩有关，并且在剧烈和/或长期运动后的表达会发生显著变化。通过早期适当干预miRNA表达可以维持线粒体功能，减轻肌肉稳态失衡，因此miRNAs也可以作为潜在的衰弱治疗靶点。

2.2　外周血单核细胞总RNA　PRINCE等［26］对来自外周血单核细胞的总RNA进行测序，结果发现包括SLC2A6、FCGR3B、TEPSIN、抑瘤素、CXCL1、白介素（IL）-6、IL-1β、早期生长反应基因1（EGR1）在内的8个基因表达受到衰弱的影响，其中EGR1的表达与衰弱程度呈正相关，SLC2A6、FCGR3B和C17orf56基因表达量与衰弱程度呈负相关。ZHANG等［27］对基因表达数据库中来自外周血单核细胞总RNA水平进行配位分析，发现衰弱与非衰弱患者基因组间差异涉及细胞代谢调节以及大分子代谢相关的过程，其中TSIX、BEST1和ADAMTSL4是引起这些差异关键的基因。

3　衰弱蛋白质组学的生物标志物

蛋白质组学旨在将基因和患者表型联系起来，通过研究蛋白质的表达、调控、相互作用及其功能，快速确定细胞、组织或生物体中的整体蛋白质变化。蛋白质组学研究表明，衰弱相关的潜在途径包括炎症、细胞凋亡、钙稳态失衡、神经元信号传导、激素水平改变和基因表达/转录水平调节［28］。肌肉蛋白改变、慢性低度炎症以及特征性血管和血蛋白质组学特征有助于诊断或预测衰弱。

3.1　肌肉蛋白　随着年龄增长，肌肉功能下降和肌少症是老年人活动能力丧失的主要原因，是衰弱的核心标志。DANESE等［29］报告了股外侧肌中参与兴奋-收缩耦联、肌肉代谢、离子处理和细胞应激反应的19种蛋白质的变化与年龄的相关性。其中，碳酸酐酶3（CA3）异构体在肌肉老化过程中丰度增加，表明CA3可能是一种潜在的肌少症生物标志物。UBAIDA-MOHIEN等［30］发现老年人肌肉中能量代谢相关性蛋白质含量减少，而与免疫、蛋白质稳态和选择性剪接有关的蛋白质含量升高，其原因可能与能量代谢紊乱、促炎环境和蛋白质水解增加有关。

3.2　炎症蛋白　在生物标志物研究中，慢性炎症始终与衰弱有关。衰老的细胞分泌炎性因子，可能导致慢性炎症和衰弱。据推测，一些炎性因子可能对肌肉有分解作用，低度炎症状态可能会使老年人常见的一些临床症状发生恶化，尤其是肌少症和恶病质。对衰弱受试者外周血的研究表明，高水平的IL-6、IL-1、肿瘤坏死因子α（TNF-α）和C反应蛋白（CRP）与衰弱的发病率和受试者死亡率风险增加有关［31］。虽然IL-6、CRP等在临床研究中已作为衰弱的生物标志物，但其在早期识别、风险分层和预防方面的作用被证明是有限的，并且是非特异性的，在各种炎症、肿瘤或感染下均会增加，用作衰弱的筛查仍存在一定的限制。

3.3　血管系统蛋白　蛋白质组学可以用来分析血清中复杂的蛋白质水平变化，对于检测某些蛋白质的功能紊乱或表达变化具有重要意义。CHEW等［32］在一项横断面研究中发现男性血清中的肌生长抑制素（GDF）和女性血清中的胰岛素生长因子1（IGF-1）是社区老年人同时存在肌肉减少症和衰弱的潜在生物标志物。LIN等［33］在衰弱老年人的血清蛋白质组学研究中发现血管紧张素原（AGT）、激肽原1（KNG1）和抗凝血酶Ⅲ（AT-Ⅲ）随着衰弱程度加重而升高，且与握力呈高度负相关。根据Fried身体衰弱表型［34］，握力低下是测定衰弱的项目之一，因此AGT、KNG1和AT-Ⅲ可能是监测老年人衰弱发生和进展的潜在生物标志物。未来还需开展更多基于血清样本的纵向研究，对确定衰弱生物标志物、治疗靶点和制订干预措施至关重要。

4　衰弱代谢组学的生物学标志

衰弱常伴随能量代谢异常、炎症、激素失调等多方面的功能紊乱，尤其是能量失衡多种代谢相关的途径紊乱，故代谢相关生物学标志的研究可为衰弱的干预提供新思路。

4.1　糖代谢紊乱　糖代谢紊乱会引起能量供应失衡、胰岛素敏感性降低等，并且和衰弱密切相关。WESTBROOK等［35］发现，衰弱老年人的糖酵解、三羧酸循环（TCA）加快，TCA代谢产物（谷氨酸和γ-氨基丁酸）水平升高。TCA代谢产物可以通过二羧酸转运体和其他转运机制从线粒体转运到细胞质和血浆，影响机体整体健康。

4.2　脂质代谢失调　脂质代谢可通过调节骨骼肌质量和功能影响衰弱的发生、发展。近年来，随着代谢组学的兴起，血清非靶向代谢组学被广泛用于探究老年衰弱患者的脂质代谢特征。在一项对英国老年人的队列研究中，研究者通过对1 191名老年人的血清进行非靶向代谢分析，确定了包括3种生物三烯酚与6种肉碱在内的12种衰弱相关代谢产物，并利用网络富集分析和统计建模确定了肉毒碱穿梭和维生素E代谢是与衰弱相关的两个主要代谢途径［2］。随后，包括血清神经酰胺、胆固醇和磷脂酰胆碱在内的5种代谢产物与衰弱的正相关关系也被证实［36］，血清溶血磷脂酰胆碱含量也被用于预测步速下降等衰弱表型［37］。此外研究者提出脂质代谢紊乱对衰弱的影响作用可能与线粒体电子传递链功能障碍和肌肉质量及功能下降有关［38］。未来需要深入探究老年人脂质代谢失调和衰弱可能存在的其他相关性。

4.3　氨基酸代谢紊乱　氨基酸通过调节机体营养水平、炎性因子水平、胰岛素敏感性及氧化还原稳态等机制引起肌肉萎缩和功能障碍。因此，氨基酸代谢紊乱在衰弱的发生中具有重要作用。CALVANI等［39］研究发现，衰弱和肌少症患者血清中的天冬酰胺、天冬氨酸、乙醇胺、谷氨酸、瓜氨酸、肌氨酸和牛磺酸水平较高，血清α-氨基丁酸和蛋氨酸水平较低，表明衰弱和肌少症的发生与机体氨基酸代谢失衡有关。也有研究提出，较高水平的循环氨基酸（如缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、色氨酸、血清素和蛋氨酸）是老年人肌肉质量下降及衰弱的生物标志物［37］。从中年的合成代谢占优转变为老年的分解代谢占优，可能造成了衰弱老年人的血清氨基酸水平升高。因此，使用血清代谢组学深入研究与衰弱老年人氨基酸相关的代谢途径，可能会揭示衰弱老年人潜在的代谢变化与病理机制。

4.4　激素代谢失调　激素代谢与老年人衰弱有关，特别是通过对肌肉质量和骨密度产生影响。

4.4.1　性激素　目前发现可能影响衰弱的性激素主要有游离睾酮（FT）、脱氢表雄酮（DHEA）、雌二醇（E2）。FT水平对不同性别的老年人衰弱影响不同，随着年龄增长会出现程度不同的FT水平下降。HSU等［40］研究表明FT水平的下降与年龄增长相关，并与衰弱引起的能量代谢紊乱、肌肉力量下降和身体机能减弱有关。而对衰弱的老年男性进行6个月的FT治疗，可以预防与年龄相关的下肢肌肉力量减弱，并改善身体成分、功能和生活质量，达到治疗衰弱的目的［41］。DHEA能够调节骨代谢，改善衰弱患者的体力与认知功能，DHEA水平降低与衰弱患病率的增加有关，补充DHEA可以改善衰弱的肌肉骨骼症状［42］。CARCAILLON等［43］研究发现内源性E2水平随年龄和受教育程度的升高而显著降低，而随BMI、CRP和日常生活活动能力的受损而升高，有望成为衰弱的血清学标志物。

4.4.2　其他激素代谢　血清生长激素（GH）和IGF-1水平在衰弱过程中逐渐下降，GH通过生长激素释放激素（GHRH）/GH/IGF-1信号通路调控IGF-1水平。IGF-1在免疫系统的调节中发挥着重要作用［28］。此外，IGF-1分泌下降容易导致神经元衰老和骨骼肌减少，而这两者均是衰弱的核心进程。

4.5　氧化应激水平失调　老年人衰弱与氧化应激标志物的升高和抗氧化参数（谷胱甘肽过氧化物酶、超氧化物歧化酶）的降低有关。氧化应激可能导致老年人肌肉骨骼系统损伤，从而促进衰弱。维生素E与衰弱呈负相关。维生素E及其代谢产物水平的下降可能导致活性氧对细胞的损伤增加［44］。MENG等［45］确定了15种衰弱人群血清生物标志物，包括了7种抗氧化相关标志物（乙酰肌肽、ERG、S-甲基-ERG、三甲基组氨酸、齐墩果酸、2-酮丁酸和尿酸盐）和3种具有自由基清除剂特性的标志物（蛋氨酸、脯氨酸和色氨酸）。LIU等［46］在一项前瞻性队列研究中发现，衰弱的社区老年人血清中的异前列腺素、骨保护素和脂蛋白相关磷脂酶A2是氧化应激的生物标志物。因此，降低氧化应激水平可能是衰弱的潜在治疗目标，未来的研究可以探讨是否能通过减少氧化应激的干预措施来预防或治疗衰弱。

5　小结

衰弱是与年龄有关的稳态失衡，临床实践中可以通过早期识别、早期干预延缓衰弱的发生、发展，然而，目前尚未发现特异性强、稳定和可靠的衰弱相关生物标志物。组学平台的问世，使衰弱人群生物标志物得到了广泛的应用，同时也促进了该领域研究水平的提高。本文总结基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学的衰弱生物标志物的研究进展，成果有助于识别老年人早期衰弱，制订有效的干预措施，防护衰弱。

本文无利益冲突。

参考文献略

本文来源：徐婷,季明辉,陈一萌,等. 基于多组学的老年衰弱人群生物标志物研究[J]. 中国全科医学, 2023, 26(23): 2871-2876. DOI:10.12114/j.issn.1007-9572.2022.0743.（点击文题查看原文）