衰老螺旋假说：线粒体功能衰退、二氧化碳调节机制以及衰老过程中的代谢崩溃

《Medical Hypotheses》：The aging spiral hypothesis: mitochondrial decline, CO 2 regulation, and the metabolic collapse of aging

衰老螺旋假说提出线粒体功能下降导致ATP不足，代谢抑制引发CO?减少，削弱 Bohr效应，进而影响氧气输送，形成自增强恶性循环。

　　衰老一直以来被归因于多种因素，如氧化损伤、端粒缩短和表观遗传变化。然而，这些模型在解释细胞层面的变化如何导致整体衰老方面存在局限，特别是对高能量需求组织的选择性脆弱性以及代谢调控的级联失效。本文提出了一种新的“衰老螺旋假说”，认为衰老始于线粒体功能的定量和功能下降，从而导致ATP缺乏。这种ATP缺乏会触发适应性代谢抑制，减少二氧化碳（CO?）的产生。随之而来的CO?减少会削弱波尔效应，进而影响氧气的输送，进一步加剧线粒体功能障碍，形成一种自我强化的代谢螺旋。该假说重新定义了CO?，不再仅仅将其视为代谢产物，而是将其视为调节氧气供应的代谢开关，从而将衰老描绘为一种系统性代谢崩溃的级联过程。这一假说可能为针对线粒体代谢和CO?介导的氧气调控的治疗干预提供新的方向。

在介绍部分，衰老被视为一个复杂的生物学过程，涉及氧化分子损伤、端粒磨损和表观遗传改变。其中，一个被广泛接受的理论强调了由线粒体呼吸产生的活性氧（ROS）积累所导致的分子损伤。然而，一些具有显著线粒体DNA损伤的个体并不总是表现出早衰的迹象。此外，受损的线粒体常常通过自噬（mitophagy）被清除，这表明ROS的积累并不必然导致衰老。这些传统模型虽然可以解释细胞层面的衰老相关变化，但无法阐明这些局部现象如何导致系统性和整体性的衰老。

“衰老螺旋假说”提出了一种新的机制：代谢抑制会导致TCA循环中CO?的减少，从而影响氧气的输送。尽管CO?通常被视为代谢产物，但本文认为其在调节氧气输送方面发挥着重要作用。TCA循环中，CO?是在异柠檬酸转化为α-酮戊二酸以及α-酮戊二酸转化为琥珀酰辅酶A的过程中释放的。生成的CO?进入红细胞，其中碳酸酐酶催化其转化为碳酸氢盐和氢离子。氢离子浓度的增加会促进血红蛋白释放氧气，这一过程称为波尔效应。因此，TCA循环活性的下降会导致CO?产量减少，波尔效应减弱，进而影响氧气的释放。虽然血浆中溶解的氧气在氧气运输中占有一小部分，但其数量贡献微乎其微，而CO?通过波尔效应调节血红蛋白亲和力的机制则是主要的氧气输送方式。结果，组织的氧气供应受到破坏，线粒体的氧化磷酸化被抑制，从而形成一个恶性循环，其中线粒体功能障碍进一步加深。

当氧气供应受损时，细胞会启动缺氧反应。缺氧条件下，HIF-1蛋白会被稳定，并促使细胞代谢向低能量消耗的方向转变。具体而言，HIF-1会诱导丙酮酸脱氢酶激酶（PDK），抑制丙酮酸脱氢酶（PDH），从而限制丙酮酸进入TCA循环。它还会通过PGC-1α抑制线粒体生物生成，并通过BNIP3/NIX通路促进自噬。尽管这些反应在短期内具有适应性，但它们会加速线粒体的数量和质量下降，加重ATP缺乏。因此，第二个反馈回路——缺氧→HIF-1激活→线粒体抑制——与第一个CO?-波尔回路融合，进一步强化衰老螺旋。

线粒体功能的下降导致ATP缺乏，细胞开始进行代谢自我抑制（适应性下调）。结果，如果细胞内的能量水平低于维持细胞分裂所需的阈值，细胞分裂就会停止，螺旋加速。这些细胞一旦脱离螺旋，就会进入不可逆的衰老状态。这一视角表明，“衰老螺旋假说”并不与已知的衰老标志相矛盾，而是对其进行了补充。

为了验证这一假说，本文提出了多种互补的方法。首先，实验验证部分包括体内和体外实验。在体内实验中，采用CO?生成凝胶包对老年小鼠进行治疗，这些凝胶包通过化学反应产生CO?，并允许其通过皮肤吸收。这是一种非侵入性的二氧化碳疗法。局部CO?应用可以用于直接评估其对组织特异性氧合和线粒体功能的影响。同时，小鼠将接受低浓度CO?吸入（2-5%），这种吸入会诱导轻度呼吸性酸中毒，并允许在体内评估波尔效应，而不会引起全身毒性。这种系统性方法与局部模型相辅相成，提供了更广泛的CO?介导的生理调节视角。通过使用相同的生物标志物比较这两种CO?暴露方式，本研究旨在阐明不同模式的CO?暴露如何影响线粒体健康和衰老过程。

临床研究表明，CO?的透皮应用可能对人类皮肤衰老具有一定的效果。例如，Bagherani等人（2023）在一项随机对照试验中报告称，重复使用CO?生成凝胶包会导致与衰老相关的基因表达显著变化。这些发现支持了基于CO?的干预措施的有效性，并为本文的预临床评估提供了依据。

在体外实验中，将培养成纤维细胞或角质形成细胞，并在不同的CO?浓度下评估其对线粒体功能、氧气消耗和与衰老相关的基因（如p21和p53）表达的影响。这些实验旨在确定，在缺乏系统性氧气输送机制（如波尔效应）的情况下，CO?是否能够单独调节细胞衰老过程。

为了验证波尔效应的功能，将在体内诱导局部酸化，通过CO?生成凝胶包应用于小鼠背部皮肤。这种治疗会促进皮下组织中碳酸的形成，导致局部pH值下降。在这些条件下，将使用近红外光谱（NIRS）实时监测血红蛋白释放氧气的变化，同时使用荧光pH探针和pH微电极评估局部pH动态。目标是通过定量评估pH与氧气释放之间的相关性，确定是否可以测量到氧气释放的可变性。

为了间接评估与年龄相关的线粒体CO?产量变化及其代谢后果，将采用基于13C同位素标记的代谢通量分析，使用年轻和老年小鼠的原代成纤维细胞和新鲜分离的骨骼肌切片。将给予均匀标记的13C葡萄糖，并通过质谱追踪下游同位素标记的代谢产物。这种方法允许定量评估TCA循环通量，特别是CO?释放的步骤，从而提供一个系统性的指标，反映与衰老相关的线粒体代谢下降。

为了评估线粒体数量和氧气感应在线粒体衰老螺旋中的因果作用，将使用基因改造模型。PGC-1α敲除小鼠，其线粒体生物生成受损，用于评估线粒体能力下降对CO?产量和氧气输送的影响。HIF-1α过表达模型则模拟慢性缺氧，用于评估缺氧引起的代谢转变如何加速衰老。这些模型有助于验证线粒体损失和氧气调控破坏是否协同作用，驱动自我强化的螺旋。

“衰老螺旋假说”提供了一个整合的框架，将细胞内代谢崩溃与器官水平功能障碍及衰老相关疾病联系起来。该假说的核心在于，线粒体功能障碍导致CO?产量减少，从而通过波尔效应削弱氧气输送，进一步加剧能量缺乏。这一系列变化形成了一个自我强化的循环，促进了各种组织的功能下降。以下将列举几个关键病理领域中的代表性影响。

在神经元和神经退行性疾病方面，神经元是高能量需求细胞，几乎完全依赖氧化磷酸化来产生ATP。因此，线粒体功能的下降使神经元特别容易出现能量缺乏，并对其适应性下调的影响更加敏感。这可能解释了在阿尔茨海默病和帕金森病等疾病中观察到的选择性脆弱性。

在肌肉细胞和肌肉萎缩方面，肌肉收缩需要大量的ATP，而线粒体功能障碍会直接导致肌肉力量下降。此外，氧气输送的受损会加剧这一效应，可能促进与年龄相关的肌肉萎缩的进展。

在成纤维细胞、角质形成细胞和皮肤衰老方面，成纤维细胞在氧气依赖的情况下合成胶原蛋白，缺氧会抑制胶原蛋白的合成，使皮肤更容易出现失去紧致和弹性的情况。此外，角质形成细胞依赖于线粒体代谢，其功能障碍会影响屏障形成和分化，最终加速皮肤衰老。

在癌细胞方面，癌细胞即使在有氧条件下也会抑制线粒体呼吸，导致代谢向糖酵解方向转变——这一现象称为“瓦尔堡效应”。持续维持这一代谢特征被认为不仅需要肿瘤微环境中的缺氧和HIF-1激活，还需要线粒体功能的持续下降作为其关键因素之一。这表明，氧气和能量代谢的破坏螺旋可能在癌症的代谢适应和恶性进展中发挥作用。

在与铁死亡相关的疾病方面，线粒体也深度参与铁死亡，这是一种由铁依赖的脂质过氧化驱动的细胞死亡。近期研究显示，缺氧和能量缺乏会增加对铁死亡的易感性，这表明由代谢螺旋引发的慢性氧气和能量缺乏可能与组织衰老、神经退行性疾病和器官功能障碍相关。

这些例子表明，“衰老螺旋假说”不仅具有理论意义，还有潜力作为一种元理论，通过共享的代谢机制，对多种衰老相关疾病——如神经退行性疾病、肌肉萎缩、皮肤衰老、癌症和铁死亡相关疾病——进行统一理解。在此背景下，有效的抗衰老干预措施可能旨在中断或逆转衰老螺旋。这类策略可能包括激活线粒体功能、增强系统代谢、增加CO?产量以及改善氧气供应。例如，运动疗法、使用CO?生成皮肤包的二氧化碳疗法以及基于氧气的疗法（如高压氧疗法或睡眠呼吸暂停中的CPAP疗法）可能成为对抗衰老相关下降的有前景的方法。

总之，“衰老螺旋假说”认为衰老是由线粒体功能的定量和功能下降引发的自我强化螺旋所驱动。因此，衰老应被重新定义为代谢调控的动态失败，而非分子损伤的积累。这一假说表明，针对CO?介导的氧气输送调控（CO?-氧气开关）可能为抗衰老策略提供新的方向。此外，它与多种衰老相关疾病的病理性理解相一致，可能为整合的治疗策略奠定基础。