1  前言

许多毒性物质对人体的急性毒害作用主要是剂量过高引起的中毒反应。一直以来，这种中毒反应让人们觉得毒性物质只有害处，而使得低剂量的毒物所隐含的HE的益处往往被掩盖和忽视。直到最近，HE及相关的理论才开始被应用于疾病防治及衰老研究等领域，本研究室关于“中医治本”的科学解读恰与HE理论不谋而合^[1,2]。其实，在现实生活中早就有过许多与HE相关的报道，比如说适量运动，虽然在生化水平会导致某些有害物质的产生，如：氧自由基、生物酸和一些毒性醛类物质，但众所周知，适当运动是有好处的，适当运动刺激的反馈改善作用是无可非议的生物学事实。

 

面对生物世界的诸多发人深省的HE现象，有些学者甚至提出：面对系统老化退化的威胁，机体故意要暴露在温和的应激状态之中，并以此来产生有益的包括健康和长寿的HE。因此HE可被定义为维护生命的有益效应，它源自细胞对温和应激的一次或者多次的应激反馈^[3]。

 

在此，我们首先重温一下已经发表的种种相关的文献。在生物环境条件下，诸多应激因子使机体表现出在高剂量的时候被毒害，但是在低剂量的时候却能产生减缓衰老和延长细胞或机体寿命的作用。表1列出了几种主要的应激方式。

 

表1 一些具有抗衰老效果的应激类型

然而，至今衰老领域相关的HE实验还是很少，主要是一些以温度应激和超重应激作为HE因子的研究。许多其它关于HE应激研究的描述，主要是以往文献的继承和推衍。这些应激研究还包括了辐射应激，运动应激，促氧化剂，营养元素及限食应激及相关影响等等。为了让HE可以作为一种调节衰老和寿命的基本方法被使用，我们先简要回顾一下相关的衰老生物学理论，这些理论指出衰老在生物学领域已不再是不解之谜^[3-6]。

 

2  衰老的生物学基础概述

以生物老化现象为研究目标的生物基础研究已经通过对生物整体，器官组织，细胞水平和生物大分子中解析衰老相关的改变，解开了衰老的神秘面纱^[7,8]。这些研究数据表述的主要部分是由两位先驱Leonard Hayflick和Robin Holliday提出的现代衰老生物学。他们在一些中国学者提出“衰老是生化副反应损变的失修性累积”的基础上明确指出，在生物学领域衰老已经不再是不解之谜^[9]。当然这并不是说衰老领域已经没有研究的必要了，更不是说在每一个生物系统中关于衰老的所有信息都已经被了解了。而是，他们的大胆断言指明衰老生物学基础的很多内容已经研究清楚，基础的框架也已经被确定了，至少这个框架的大方向不会因为新的实验数据而有太大的改变。基于大量研究数据，某些老化和寿命的一般原则可以得到清楚的表述，而这些将会成为健康老龄化及相关研究和发明的重要基础（表2）。

 

       表2： 以现代衰老生物学研究为基础的，衰老和寿命的一般原则

尽管与生物衰老相关的因素多如牛毛，但几乎所有的实验数据都显示衰老是自然发生的和与表观遗传相关的过程，并非只是被某个简单机制所控制的过程。即使在很老的个体上也没有组织器官或者生理系统因为老化而独自实现完全死亡，整体的联系和系统间的相互依赖决定了整个机体的生命长短。基因、环境和机遇的综合作用影响并决定了衰老的进程以及个体生存的长短^[13]。

 

许多证据表明，物种的生存和寿命是靠其维持和修复机制的相互作用来防止其损伤和死亡的。所有的生物系统都有一定的内在的抵抗能力来抵消和适应内部和外部的应激干扰。传统的模型是机体稳态模型，自20世纪30年代以来机体稳态模型就主导了生物学、生理学和医学的诸多领域。然而用机体稳态模型来更进一步解释生物学生长，发展，变异，复制和衰老，甚至死亡的过程从严格意义上来说是不全面的。因为机体稳态模型是以不变作为最核心的原则，并没有考虑到能更好地描述生物体复杂性的一些新理念，如：系统论、控制论、灾难理论、混沌理论、信息理论和现代生物学的复杂的互动网络等。1990年以来，术语“平衡态”一词被越来越多地用来解释复杂的生物学系统的内部环境。平衡态理论认为机体环境并非是一成不变的或是静止的，而是各级组织间动态平衡和相互作用的结果^[14]。衰老，老化和死亡只不过是机体内平衡不能维持时的最终表现形式^[15,16]。大量的分子、细胞和维护、修复的生理机制已经被研究得很清楚了。这些平衡包括对细胞核以及线粒体DNA修复的通路，自由基的应对机制，蛋白质的修复更新，代谢产物的排毒机制，免疫响应和应激反馈等等。

 

这些机制包含了大量的维持或提升平衡态区域缓冲能力的基因，它们将最终决定个体存活和保持健康状况的机会和能力。所以，平衡态区域的逐渐缩小是衰老的标志和引起衰老相关疾病的原因。图1.是一张平衡态区域示意图，描述了在衰老过程中平衡态区域的缩小。在正常、健康、年轻的个体中，维持和修复系统的复杂网络组成了功能性的平衡态区域。因为即使在年轻的个体中，维持和修复系统也不能永远都100%有效，从而逐步导致了生物分子及其相互作用的分子网络的损伤积累，而产生了机体的“脆弱区域”，“脆弱区域”不断积累，直到一定时候开始产生与年龄相关的疾病，如：阿尔茨海默病、癌症、白内障、II型糖尿病、骨质疏松、帕金森病，肌肉萎缩症等，甚至导致死亡的发生。

                                                                图1 平衡态区域示意图

图中白色部分逐渐缩小源于分子性损伤的累积，而年老后脆弱区域（阴影部分）的增加导致了衰老相关疾病的出现。

 

评判平衡态生命系统的关键指标就是这个系统对应激的反馈能力。在本文中，术语“应激”可被理解为生物体接收到的某种刺激信号，这个信号可以是由某物理、化学、生物因素（应激因子）所产生。信号刺激以后，生命系统开始产生一系列的级联反馈效应，使机体抵消并适应应激环境从而生存下来。

 

虽然对于低剂量的应激，成功地或过度补偿地反馈会促进整体细胞和机体平衡态区域的增加，但是不完全地或者错误地应激反馈却会导致机体损伤和一些有害的应激效应，例如炎症和发烧等，以至最终可能导致机体死亡。平衡态区域因此可作为生命体平衡能力的重要指标，这就是为什么我们要研究HE的原因。

 

3  衰老中的热应激与HE

3.1  生物体的热应激

温度应激，特别是高温诱导的热休克效应在衰老研究中被广泛应用于HE相关的实验研究。选择热休克作为HE应激的主要原因是因为热休克通过进化上高度保守的应激反馈通路来起作用，其分子机制已基本被研究清楚^[17]。在酵母、线虫、果蝇、啮齿动物和人体细胞中，温和的以及严重的热休克效应已经有了大量的实验研究。举例来说，age-1突变的雌雄同体的长寿型杆状线虫暴露在30℃中3-24小时，比空白对照组的平均寿命增加了很多。同样，野生型的线虫暴露在30℃中6小时，也可以增加他们的寿命，但是如果只暴露2-4小时就没有明显的效果。实验表明，线虫处于35℃热休克应激中低于2小时不会使寿命延长。一项复合的应激研究显示线虫在1小时和2小时35℃热休克处理之后寿命得到了延长^[18]。另一个研究显示幼龄线虫在反复地温和热休克刺激下比单次的温和热休克刺激更明显地延长了寿命，这种效果与热休克蛋白（HSP）的表达相关。此外，在对果蝇的研究中，雄性自交系黑腹果蝇在几周的70分钟36℃热刺激后表现出平均寿命的增加和死亡率的降低^[19]。也有研究表明野生型黑腹果蝇每天暴露在37℃热刺激中5分钟（以每周暴露五天为一个循环）只一周就比对照组的平均寿命长了2天^[20]。但是，更长的暴露则对其寿命既没有有益的也没有有害的影响。另一个黑腹果蝇的研究把幼年蝇暴露在34℃中四个周期，发现可以极大的增加雌蝇平均寿命和最大寿命，还可以增加他们潜在的致死热休克抗性。有趣的是，对于果蝇热休克的有益效应没有完全与HSP的浓度呈线性相关关系，这表明在新合成的HSP消失以后，有一系列HE的后续应激效应在起着作用。此外，热休克HE在果蝇的性别差异上表现得相差很大，这可能是因为雌性不得不在应激抗性与繁殖之间作出牺牲的缘故^[21]。

 

3.2  体外培养人体细胞热应激及其抗衰老效应

有实验室采用正常人体细胞作了一系列温和热休克引起有益作用的实验，以验证HE假说，这些细胞衰老实验采用了Hayflick细胞培养体系及相关的细胞衰老理论体系。通过对人皮肤成纤维细胞进行有规律的温和热应激（41℃中1小时，每周两次）以观察其复制寿命，研究发现了许多抗衰老效果（表3）。基于预实验，研究者选择了30%响应值为最大的热休克应激条件，在此条件下，反复温和的热休克时，细胞生长和生存基本不受影响^[22]。（但这并非意味着对于这些细胞这是最理想的HE条件，关于剂量和时间长度的最佳条件，仍然还在研究之中。）研究者证明在反复温和的41℃热休克而非相对严重的42℃热休克时，人皮肤成纤维细胞增加了复制寿命，并且保持或上调了MAP激酶、JNK1、JNK2和p38的水平^[23]。

 

温和热休克诱导的HE在不同的人体细胞中具有广泛的作用，有研究表明，正常人体的表皮角质化细胞(NHEKs)也有类似皮肤成纤维细胞的结果。NHEK在反复暴露于温和热休克（41℃）时表现出各种细胞和生化毒物兴奋导致的抗衰老效果。这些效果包括年轻细胞的正常形态维持，复制寿命延长，蛋白酶活性增强和HSP水平增高等。

 

表3 人皮肤成纤维细胞体外培养反复温和热休克的抗衰老HE的研究

此外也有学者研究了热休克对钠,钾-ATP酶和钠泵的作用效果，在温和热休克刺激后其含量和活性均有显著的增加^[29]。除了温和热休克在钠,钾-ATP酶分子机制和相互作用及其在衰老生化过程中的作用十分明显外，研究还发现，当NHEK反复暴露在43℃时，产生了严重刺激下的有害效应，这与前述在温和刺激下的有益效应形成了鲜明的对照。

 

有研究发现，温和热休克在钙离子存在下加快了连续角质化细胞进入分化期的速度，这是用分化标志物（被膜素、p38和HSP27）检测出的结果。永生型的hTERT-MSC骨髓间充质干细胞，能被RMHS刺激促进分化。这种细胞暴露在单一或者多种温和热休克中，通过检测骨细胞标志物——碱性磷酸化矿物化基质的水平，发现能明显加强维他命D诱导的hTERT-MSC的分化。因此，热休克的HE机制在人体细胞分化上的作用为研究各种细胞的分化能力的加强铺平了道路。

 

另外防止衰老相关的改变可以引导修复如皮肤变薄、起皱和因为骨质的损伤而导致的骨质疏松症。另一些研究表明，温和热休克对人体细胞中的HE在促进伤口的愈合和加强体外血管生成上十分有用^[24]。举例来说，取自一组41℃，6小时热休克条件培养的细胞，可以加快伤口治愈率约17%-38%。在加快伤口的愈合的同时还增加了68%的流动性和细胞的移动性，并使单个细胞个体伸长了54%。这些研究表明温和热休克诱导了细胞中的一个或者多个基因产物的高表达。此外这些分子还可以通过直接或者间接的方式刺激伤口的治愈，如抑制纤溶酶原激活物PAI-1等^[30]。研究者们目前正在分析各种细胞迁移的分子标记，如：桩蛋白，踝蛋白，粘着斑来解析温和热休克诱导的促进伤口愈合的机制。

 

改善体外的血管再生是另一种温和热休克导致的HE。将正常人脐静脉内皮细胞(HUVECs)在41℃或者42.5℃中预处理一小时，然后根据在37℃时恢复的快慢不同，可以得出其与血管生成有关的HE。有意思的是，被预暴露在41℃中的血管比对照组的血管生成速度更快。然而预暴露在42.5℃中的细胞却导致了血管结构的相对恶化，这表明了只有温和应激才有有益的HE效应^[24]。除了与HSPs的合成水平相关，还有证据表明HSP90依靠HUVEC加强一氧化氮合酶（NOS）的基因表达和产生一氧化氮来刺激血管的形成^[31]。通过温和热休克HE来实现的分子机制的研究仍在继续。尽管一般的严重热休克造成损伤的机制已被熟知，但是还是不清楚机体在温和的HE和严重热休克反应中的差异^[32]。有可能是种种生理学的应激，能量利用状态，分子的损坏程度以及新陈代谢的转换等决定了温和和严重热应激的不同。另外，我们尚不知道不同浓度HSPs的短暂出现是怎样导致了生物学上的HE以及细胞功能的改变，比如对蛋白酶活性的改善，对其它应激抵抗的加强，以及对细胞骨架完整的维护等。

 

4  重力HE和衰老

超重导致的抗衰老和延长寿命的HE已经在果蝇身上做过实验。虽然终身暴露在超重环境中的啮齿类动物和果蝇的寿命都会减短，在年轻的时期连续2周暴露在3g到5g的环境中导致了雄性果蝇寿命增长了15%^[33]，但是雌性果蝇却没有因此延长寿命。另外还分析了寿命和别的生理、行为参数之间的关系，如生育能力，繁殖力，移动能力，抗氧化酶活性，HSP水平和热抗性。除了热抗性下的果蝇在超重暴露中存活率增加，尚没有发现其它明确的性状与短时超重应激导致的抗衰老相关效应^[34]。为什么超重HE延长寿命的效果仅局限于雄性果蝇这个问题还不清楚。衰老的分子生物标记上的超重抗衰老效应的研究仍然在继续，如大分子损伤水平和其它维护与修复的通路等。

 

5  辐射的HE与衰老

5.1  昆虫的辐射HE

一项辐射对面粉虫寿命延长的研究表明，反复暴露在低剂量X射线里的杂拟谷盗虫比那些未暴露在射线里的杂拟谷盗虫死亡率有所降低。之后又有别的关于γ射线和X射线对杂拟谷盗虫寿命延长的类似的观察报道^[35]。还有一些别的昆虫如家蝇，黑腹果蝇被用来做相似的研究。一般来说，高剂量的辐射减少寿命，而低剂量的辐射延长果蝇和家蝇的寿命^[35]。由于辐射导致雌性不育，所以寿命增加是以减少生育能力为代价的。同时，有研究表明，没有卵巢变异的雌性在辐射过后不会增加寿命 ^[36]。低剂量辐射对昆虫寿命的延长的原因可能是：辐射诱导了表观DNA修饰的稳定以及加强了DNA的修复能力。

 

5.2  啮齿类和其它类型动物的辐射HE

很多研究报道了在大鼠，小鼠和天竺鼠上做γ-射线的HE实验。据报道，在C57BL/6小鼠中，胸腺淋巴瘤的诱导抑制和寿命的延长与慢性低剂量辐射（LDR）造成的免疫修饰有关^[37]。相反，一些早期的研究并没有显示在低剂量处理以后会有寿命的延长。比如说，氘核辐射的小鼠不论性别怎样都表现出高死亡率和更短的寿命。还有一些关于线虫生存和寿命的低剂量辐射的试验数据。比如说观察到周期性辐射可以增加线虫的生存率之类。然而，用紫外线或离子辐射预处理后，不会提升其抗性或者增加暴露在别的类型的HE应激（如：热应激，高压氧和氧化剂前体）中的线虫的寿命^[18]。

 

5.3  人体的辐射HE

人体胚胎细胞在低剂量γ-射线中的适应性应激明显增加了其复制寿命。与之相似，人体胚胎的肺二倍体纤维母细胞也在接受了1 Gyγ-射线的辐射后一定程度地增加了复制寿命。据报道低剂量X-射线的HE（如：繁殖能力，基因组稳定性和分裂素活性蛋白激酶通路的激活）在别的人体二倍体细胞上也存在^[38]。在人体，也有一些数据表明，暴露在低剂量的辐射中有抗衰老和别的健康益处如预防癌症等效果，但是因为数据不足，还无法下定论。比如，广岛和长崎的原子弹辐射间接的产生了HE，虽然其中一些幸存者声明这些辐射有益健康，但是最新的研究分析驳斥了这个观点^[39]。另一方面，在英国原子能管理局的工作人员的各种疾病死亡率比国家平均死亡率要低。而比之普通人，核工作人员患癌症（白血病和前列腺癌）和各种疾病死亡率要更低一些。在一些早期研究中分析了各种环境辐射水平与在印度不同地方的癌症发生率之间的相关性，癌症的危险总是在喀拉拉邦这些地方要低一些，也许因为沿海存在放射性的Th沉淀。

 

最近对15个国家的原子能机构工人和生活在核反应堆周围的人群研究也同样表明辐射效应并不与幸存、癌症、以及其它疾病的发生率呈线性关系。但是，这些影响可能与年龄、健康状况、以及生活方式相关。就像对非-霍金氏淋巴瘤的辐射治疗中，低剂量辐射产生有益的HE^[40]。治疗中少量TBI试剂没有直接地杀死癌细胞，但是却通过含有细胞毒的T淋巴球来辅助诱导T淋巴球起作用，并且抑制癌细胞的增长率。虽然低剂量辐射带来很多益处，但是关于低剂量辐射到底如何引起有益效应尚未研究清楚。已经有一些项目在研究采用低剂量刺激来检验辐射之类的应激效应，这些研究项目包括：DNA修复的改善， DNA甲基化的诱导，抗氧化酶水平的增长和加快移除被损害的大分子^[41]。通过这些项目，我们可以有效地设计和开展特殊的实验来进行抗衰老、抗癌和辐射应激促进长寿的HE研究。

（未完待续）

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