综述：老年心脏的多细胞衰老程序

《Journal of Molecular and Cellular Cardiology Plus》：Multicellular senescence programs in the aged heart

　　

心脏衰老反映了内在分子损伤与适应性不良应激反应的汇聚，这些过程逐步侵蚀心肌的韧性。基因组不稳定性、端粒功能障碍、染色质重塑及代谢失调在心肌细胞、内皮细胞、成纤维细胞和免疫细胞中的累积，激活固有免疫信号与细胞衰老。在组织层面，这些过程表现为微血管稀疏、纤维化、肥厚、神经血管解偶联及适应能力受损，形成与心肌病、心力衰竭及心房颤动（atrial fibrillation, AF）广泛重叠的病理基础。重要的是，心脏衰老并非单一过程。新兴的多组学与空间分析揭示了情境依赖的衰老程序，包括支持血管生成与修复的短暂性损伤相关状态，以及通过衰老相关分泌表型（senescence-associated secretory phenotype, SASP）传播炎症与重构的慢性衰老表型。这些观察表明，衰老并非均一性地有害，而是包含老年心肌内功能异质性的反应。非细胞自主性相互作用——涵盖心肌细胞-成纤维细胞串扰、免疫微环境信号、内皮细胞-神经元轴及系统性器官-心脏通讯——进一步放大或限制这些进程。生物标志物发现、影像学及循环表观遗传特征方面的进展，现已能够在时序年龄之外量化心脏的生物性衰老，尽管许多循环生物标志物并非心脏特异性，也可能反映系统性炎症、纤维化、衰弱或广义的生物性衰老。与此同时，临床前研究表明，靶向清除衰老细胞（senolytic）、抑制SASP（senomorphic）、代谢及营养感应通路干预可部分恢复心脏稳态。综上，这些发现提示细胞衰老可能是心脏衰老的关键机制及潜在可干预环节，对预防与治疗年龄相关性心血管疾病具有重要意义。

引言（Introduction）

心脏衰老与人类心肌病的核心分子特征重叠，凸显其与临床疾病的直接相关性。端粒缩短、脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA）损伤、衰老细胞累积、经典/非经典SASP因子、活性氧（reactive oxygen species, ROS）及慢性无菌性炎症在老年心脏中逐步累积，且在人类与实验性心肌病中观察到相似特征。肥厚型心肌病（hypertrophic cardiomyopathy, HCM）与缺血性心肌病（ischemic cardiomyopathy, ICM）均与心肌细胞端粒长度缩短相关，而扩张型心肌病（dilated cardiomyopathy, DCM）中端粒动力学研究结果不一。值得注意的是，HCM还伴随心肌细胞DNA损伤水平升高。这些发现提示衰老相关机制在不同心肌病亚型中被差异性激活，强调疾病情境化解读的必要性。压力负荷模型中，p53累积与毛细血管稀疏及心功能不全相关，与衰老相关的微血管丢失一致。SASP相关介质在衰竭心脏中可被检测到，例如胰岛素样生长因子结合蛋白7（insulin-like growth factor-binding protein 7, IGFBP7）在心力衰竭患者的心脏组织与循环中升高，其抑制可减轻压力超负荷诱导的心功能不全；更广泛的循环SASP相关蛋白组合正被提议作为心力衰竭的生物标志物。综上，解析衰老与老化机制有助于理解并潜在调控年龄相关性心脏疾病的生物学基础。鉴于这些共享的衰老相关程序，心室与心房既存在共同的衰老表型，也具有腔室特异性差异。本综述将讨论心室与心房的衰老相关机制，强调其相对重要性及差异。

老年心室的特征（Characterization of the aged ventricle）

定义心脏衰老的多个生物学程序与病理性重构激活的程序重叠。累积的分子损伤存在于老年心肌中，包括染色质紊乱、DNA损伤应答、线粒体功能障碍、慢性炎症、代谢失调、自噬与蛋白稳态抑制，以及心肌细胞与非心肌细胞区室的衰老，共同导致进行性功能下降与应激适应能力降低。组织层面的标志性改变包括毛细血管稀疏、神经密度降低、间质纤维化、心肌细胞肥大、凋亡增加及增殖/更新能力下降，共同导致心肌储备减少及对血流动力学与代谢应激的易感性增加。代谢应激是心脏衰老过程的关键组成部分。自噬在老年心脏中下降，部分由Atg9b介导的自噬体形成减少所介导。糖原合成酶激酶-3β（glycogen synthase kinase-3 beta, GSK-3β）可增强自噬，而其磷酸化形式（pGSK-3β）功能受抑。老年心脏pGSK-3β水平升高，持续激活的GSK-3β可增强老年心脏自噬，改善收缩功能并提升临床前模型生存率。年龄相关的系统性代谢改变亦影响心肌细胞生物学，衰老伴随循环苯丙氨酸水平升高、细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂1A（cyclin-dependent kinase inhibitor 1A, p21）表达增加及心肌细胞表观遗传重塑。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide, NAD⁺）是线粒体稳态与基因组稳定性的关键调节因子，其在全身及心脏中随衰老而下降，NAD⁺可用性降低与端粒不稳定及DNA修复受损相关。心脏交感神经功能的分子成像显示老年个体中存在年龄相关的功能性重塑，超越了传统结构评估。纵向正电子发射断层扫描（positron emission tomography, PET）研究显示，大鼠心脏11C-羟基麻黄碱摄取（去甲肾上腺素转运体功能指标）随衰老下降。123I-间碘苄胍（123I-metaiodobenzylguanidine, MIBG）成像显示无心脏病个体的下壁MIBG摄取随年龄下降，提示年龄相关的心脏交感神经支配丢失。近期研究揭示衰老以区域特异性方式重塑心脏微环境，尤其在血管周围生态位中，其特征为衰老细胞、活化成纤维细胞与炎性Lyve1^?巨噬细胞通过C3–C3ar1轴的富集。重要的是，心脏衰老并非均一的病理过程。成年小鼠心脏的多组学分析鉴定出由早期生长反应因子1（Early growth response 1, Egr1）调控的短暂性损伤相关衰老程序，该程序与心脏修复过程中的血管生成、心肌细胞增殖及细胞外基质重塑相关。这些发现提示衰老在心脏损伤与修复中可能发挥情境依赖的作用，表明衰老并非均一有害，并凸显心肌内衰老反应的功能异质性。基于上述发现，下文将探讨衰老与细胞衰老如何在心室的主要细胞组分中表现，包括心肌细胞、内皮细胞、成纤维细胞与免疫细胞。

心室心肌细胞的细胞衰老（Cellular senescence in ventricular cardiomyocytes）

越来越多的证据表明，心肌细胞衰老源于出生后成熟过程中起始并随衰老逐步加剧的汇聚性细胞应激。肌节组装与氧化代谢增加伴随ROS生成增多，促进DNA损伤与p53激活，驱动细胞周期阻滞与多倍体化。同时，出生后端粒缩短与功能障碍促进p21依赖的细胞周期退出与双核化，显著限制出生后的再生能力，尽管该过程可通过抑制p21逆转。这些早期屏障进一步由p53-鼠双微体2同源物（murine double minute 2 homolog, MDM2）依赖的微RNA（microRNA, miRNA）网络加固，其破坏允许心肌细胞再进入细胞周期，但会导致扩张型心肌病，凸显其在心脏稳态中的作用。随衰老进展，心肌细胞逐步累积持续性基因组损伤，表现为端粒相关DNA损伤灶（telomere-associated DNA damage foci, TAF）。老年心肌分离的心肌细胞表现出p21蛋白表达升高、SA-β-Gal活性增加及Cdkn1a与Cdkn2a转录水平上调。此外，这些老年心肌细胞获得非经典SASP，特征为生长分化因子15（growth differentiation factor 15, GDF15）、转化生长因子-β2（transforming growth factor-β2, TGF-β2）与内皮素-3（endothelin-3, EDN3）等因子产生增加，从而影响心肌微环境。转录重编程进一步巩固衰老，p53诱导的 prominin 2（Prom2）将肥厚重构与衰老表型联系起来。细胞内在应激通路进一步放大并稳定心肌细胞衰老；前蛋白转化酶枯草溶菌素6（proprotein convertase subtilisin/kexin type 6, PCSK6）缺失使心肌细胞倾向于DNA损伤诱导转录3（DNA damage-inducible transcript 3, DDIT3）相关的内质网（endoplasmic reticulum, ER）应激反应，伴随氧化应激增加与p16/p21激活，而恢复PCSK6可减轻这些变化。老年心脏IκBα抑制减弱，肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor α, TNFα）与核因子κB（nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells, NF-κB）p65（RelA）水平升高；钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶II（calcium/calmodulin-dependent protein kinase II, CaMKII）水平亦升高。CaMKII持续激活促进NF-κB依赖的SASP产生与衰老，而其抑制可阻断这些促衰老反应。值得注意的是，NF-κB信号在心肌细胞中具有情境依赖性，持续核活性加速衰老，而其完全的心肌细胞特异性抑制会破坏稳态并加重临床前模型的重构。除这些应激反应通路外，表观遗传与RNA为基础的调节因子通过染色质重塑与转录后控制进一步调节心肌细胞衰老易感性，包括髓系发育不良/髓系白血病因子1（myelodysplasia/myeloid leukemia factor 1, MLF1）-E1A结合蛋白p300（E1A binding protein p300, EP300）依赖的表观遗传调控及microRNA介导的应激反应。综上，这些发现表明心肌细胞衰老是一个由应激信号、转录调控与表观遗传重塑整合的多层调控网络所主导的渐进过程，阐明这些机制对于识别衰老启动的调节因子及靶向心脏衰老的分子基础至关重要。

衰老心肌细胞的细胞器功能障碍与代谢重构（Organelle dysfunction and metabolic remodeling in senescent cardiomyocytes）

衰老心肌细胞的细胞功能障碍与进行性线粒体恶化及代谢重构密切相关。老年小鼠与大鼠心脏分离的心肌细胞线粒体质子漏增加。在人诱导多能干细胞来源的心肌细胞（human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes, hiPSC CMs）中，常用作心肌细胞衰老模型的药物阿霉素（doxorubicin, DOX）可增加SA-β-Gal活性、DNA损伤及p21转录水平，且线粒体内膜（inner mitochondrial membrane, IMM）形态与动力学改变，扰乱氧化磷酸化（oxidative phosphorylation, OXPHOS）。人心肌细胞系AC16中，DOX增强糖酵解并重编程多条代谢通路，包括三羧酸（tricarboxylic acid, TCA）循环、脂肪酸β-氧化、甘油磷脂代谢及肉碱穿梭。值得注意的是，老年心脏呈现与表观遗传失调相关的假性缺氧特征。老年心脏分离的心肌细胞显示H3K27乙酰化增加，H3K4单甲基化与H3K27三甲基化减少，这些变化伴随转录共激活因子p300表达升高及OXPHOS基因表达抑制；缺氧增强心房HL-1细胞的糖酵解介导ATP生成，而抑制p300/CBP可阻断该效应。药理学抑制p300/CBP可改善老年小鼠心脏收缩功能不全，分离的心肌细胞收缩力改善并伴随己糖激酶2（hexokinase 2, Hk2）基因表达降低。线粒体氧化还原稳态的改变进一步促进心肌细胞功能障碍。锰超氧化物歧化酶（manganese superoxide dismutase, MnSOD）是清除超氧阴离子自由基为过氧化氢的线粒体基质酶，保护线粒体免受氧化损伤并维持氧化还原稳态。然而，MnSOD组成性激活会增加心脏SA-β-半乳糖苷酶活性及p53、p21蛋白水平，减小心肌细胞线粒体体积，并在实验模型中诱导扩张型心肌病样表型。在功能层面，这些改变与老年心脏电重构及心律失常风险增加相关。DOX处理hiPSC CMs可延长多细胞QTc间期与单细胞动作电位时程（action potential duration, APD），增加APD变异性与延迟后除极（delayed afterdepolarizations, DADs）发生率，这与晚期钠电流（late sodium current, I_NaL）增强及延迟整流钾电流（delayed rectifier potassium current, I_Kr）减少相关。此外，肌浆网（sarcoplasmic reticulum, SR）Ca²⁺含量因SERCA2下调与兰尼碱受体2（ryanodine receptor 2, RyR2）介导的Ca²⁺漏增加而减少；这些电与细胞内Ca²⁺改变主要归因于DOX处理心肌细胞中CaMKII活性增加，而分离自心室的心肌细胞也表现出APD延长、I_NaL增强及CaMKII磷酸化增加。总之，线粒体功能障碍、代谢重编程、氧化还原失衡及电生理重构共同促进心肌细胞衰老与衰老相关的心功能不全。

心肌细胞稳态的下游失稳：自噬丧失、端粒功能障碍、炎症与环境应激（Downstream destabilization of cardiomyocyte homeostasis: autophagy loss, telomere dysfunction, inflammation, and environmental stressors）

衰老伴随包括心脏在内的全身器官自噬反应下降。GSK-3β/丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶ULK1（serine/threonine-protein kinase ULK1, Ulk1）轴在心脏自噬调控中起关键作用，GSK-3β磷酸化Ulk1以刺激自噬。心肌细胞特异性表达不可磷酸化的ULK1突变体可导致小鼠7月龄时出现心功能不全、肥厚、纤维化，以及p53、p16水平升高与DNA损伤。亚精胺（spermidine）可增强年轻与老年小鼠心肌细胞的自噬流，改善老年小鼠左心室（left ventricle, LV）舒张功能不全，并延长实验模型寿命，且该心脏保护作用在Atg5敲除小鼠中消失，支持自噬在介导亚精胺心脏保护作用中的关键地位。综上，这些发现凸显自噬受损是心肌细胞衰老的关键机制，并支持恢复自噬作为心脏衰老的潜在治疗策略。端粒损耗发生于老年心脏及心力衰竭患者。端粒酶（telomerase, TERT）抑制可阻断hiPSC向心肌细胞分化。端粒较短的hiPSC-CMs表现为氧消耗率（oxygen consumption rate, OCR）降低、搏动频率下降、p21水平升高、DNA损伤与SA-β-Gal活性增加，并对线粒体功能障碍与细胞死亡易感性增加。NF-κB信号在老年心脏中上调，其心肌细胞特异性激活可增强小鼠心脏纤维化、心肌CD45^?、CD11b^?与F4/80阳性细胞浸润，并增加Emr1、Icam1、Ccl2与Cxcl10转录水平。除这些内在过程外，外在因素也被认为促进心脏与心肌细胞衰老。环境颗粒物污染物，包括空气动力学直径≤2.5 μm的颗粒物（particulate matter with an aerodynamic diameter of ≤2.5 μm, PM2.5）与纳米塑料（nano-plastics, NPs），日益被认为是心血管衰老的调节因子。NP暴露可损害小鼠LV收缩功能，增加心脏纤维化与ROS水平，伴随衰老与炎症相关蛋白（p53、p21、p16、TNF-α、IL-1β与IL-6）水平升高；体外实验中，NPs可被心肌细胞内化并诱导相似的衰老与炎症反应。在射血分数保留的心力衰竭（heart failure with preserved ejection fraction, HFpEF）模型中，浓缩环境PM2.5（concentrated ambient PM2.5, CAP）增加心脏纤维化并降低LV收缩与舒张功能；体外研究进一步表明CAP增加ROS与DNA损伤，并促进心肌细胞死亡或衰老。综上，这些研究凸显心肌细胞衰老源于多层内在与环境应激反应的汇聚，最终导致心肌稳态渐进性失稳。除心肌细胞依赖的机制外，年龄相关的心室重构也受非心肌细胞群功能障碍的影响。

衰老心室中的内皮细胞（Endothelial cells, ECs）（Endothelial cells (ECs) in the aging ventricle）

内皮衰老已成为促进年龄相关性心室重构的重要机制。衰老伴随心脏内皮细胞转录失调，包括多达700个基因的改变及载脂蛋白素受体富集亚型的减少，凸显心脏内皮独特的年龄相关分子与细胞变化。老年心脏miR-145水平降低，导致心脏内皮细胞中信号素3A（semaphorin-3A）水平升高，与心室神经密度降低相关。单细胞双组学分析进一步揭示老年心脏中非心肌细胞存在显著的细胞类型特异性和细胞内异质性。尽管内皮细胞中衰老相关转录变化的幅度小于巨噬细胞（其对衰老的反应最强），但内皮功能障碍仍可能通过血管完整性改变、神经血管信号及细胞间通讯显著影响心肌稳态。综上，这些发现支持心脏衰老通过涉及内皮与其他非心肌细胞群的多细胞与细胞类型特异性重构过程而产生。衰老相关的其他非心肌细胞群改变将在下一节讨论。

衰老心室中的成纤维细胞（Fibroblasts in the aging ventricle）

心脏成纤维细胞经历深刻的年龄相关重构，驱动细胞外基质（extracellular matrix, ECM）重塑并改变心肌微环境。然而，这些变化并非单纯由成纤维细胞增殖增加或经典ECM基因转录激活所驱动。越来越多的证据表明，成纤维细胞衰老通过放大炎症信号、促进抗血管生成与成骨基因特征及损害修复能力，成为心脏衰老的重要调节因子。心脏成纤维细胞在新生儿期具有高增殖与转录活性，出生后第1天增殖率超过50%，至4周龄迅速下降至约10%，成年早期进一步降至约2%并保持低水平。值得注意的是，衰老伴随成纤维细胞增殖、胶原/ECM相关基因表达或DNA甲基化的变化相对有限，提示年龄相关性心脏纤维化可能并非主要源于成纤维细胞内在的增殖扩增或主要的胶原相关转录重编程。老年心脏心外膜中出现成骨成纤维细胞群扩增，特征为分离的心脏成纤维细胞中成骨分化主转录因子Runx2转录水平升高。GATA结合蛋白4（GATA-binding protein 4, GATA4）在心肌细胞增殖、分化、存活与肥厚中发挥作用，但其在成纤维细胞中的作用尚不清楚。Tcf