老化是一種病嗎?

老化是多數慢性疾病最大的風險因子(major risk factor),這些疾病也正是造成我們失能與死亡的原因。我們可以從下圖看出,各種心血管疾病、糖尿病、失智、癌症...等疾病,隨著年齡增加,發生率成指數型的攀升(10倍10倍跳的意思)。

此圖縱軸是指數表示,線性表示的話會破表 credit

我們來看另一張圖,個體的每年死亡率(age specific death rate)。最左邊新生兒有較高的死亡率,最低則是十幾歲的年輕人,而三四十歲後隨著各種疾病發生率增加,每年死亡率也快速飆升。也就是說,身為一個中年人,每過個幾年,你活不到下一個生日的機率就加倍。

Photo credit by Andrew Steele(老化界的物理學家)credit

我們醫生反射覺得老化是必然的(應該說大部分的人都這樣覺得),不是我們所能改變的。但如果老化的機轉正是導致這些疾病的罪魁禍首 ,那我們是不是也應該針對老化來做些什麼呢?

老化是什麼?

生命[1](life)起源於帶有"遺傳物質"的化合物,藉此可表現繁衍與演進(reproduce and evolve)。 

而老化,正是這"遺傳物質"累積改變(deficit accumulation)[2]的過程(損傷與修復之間的拉扯),從影響單一細胞機能到整個生物系統的失衡(loss of homeostasis)。 

目前的科學共識是將老化分成12大標誌(aging hallmarks),包含了源頭(primary)遺傳物質[3]的改變,以及後續一連串細胞機能的失調(cellular responses to primary damage)。人並非單細胞生物,細胞的汰舊換新、細胞所處的環境、細胞彼此的互動,也都包括在老化標誌內。 

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於2023年1月Cell刊登,將老化細分12大標誌 credit

遺傳物質包含了基因(genome)和表觀基因 (epigenome)。基因負責DNA序列ACTG的資訊,表觀基因則代表DNA折疊後的整個立體結構,可以透過各種分子修飾,決定不同基因間的開關,進一步影響細胞的分化與功能(cell indentity)[4]。更簡易的說,我們全身細胞的基因都是一樣的,藉由表關基因才能形成這麼多種的細胞與功能。 

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表觀基因損傷導致細胞老化失能

任何一部份的組織,都是靠細胞群體通力合作才得以正常發揮功能。老化會影響細胞的正常運作,當某個器官或系統,其細胞失能累積到一定程度後,即落入了疾病的診斷標準。

循環系統的老化失衡,導致了高血壓、心血管等疾病,代謝系統則發生糖尿病、高血脂等問題。失智與腦細胞老化相關。全身上下各種細胞,則因為老化有著更高的機率演變成癌細胞。

追根究底,老化,正是疾病的元兇。

現今的醫療,醫生所開的慢性病藥物,主要是用來控制病症,它可以有效減少併發症的發生,但無法治好疾病本身。

與其針對各系統老化後五花八門的病症,以及數以百計不同的癌細胞種類,花盡心力各自擊破。我們是否可以針對共通源頭的老化機轉,在崩塌到疾病發生之前就介入,維持更長時間的生物平衡(homeostasis)呢?

生命本就週而復始,老化的拮抗與重置

人體面對老化,有一套修修補補與汰舊換新的機制。細胞可以透過特定基因(longevity genes),來修復失序的DNA。細胞內有掃地機器人(lysosome autophagy)定期清除垃圾(ex. misfolded proteins, break down debris)。而已經無法修復的細胞,也會啟動特定基因導致細胞凋亡(programmed cell death)。免疫系統清除離經叛道的細胞(ex. 癌細胞),而幹細胞則是幫忙回補功能細胞的數量。

SIRT1基因修復DNA斷裂 credit

然而,某些損傷是無法完全修復的(ex. 表觀基因變動 epigenetic alteration, 端粒縮短 telomere shortening);有時細胞的自動凋亡會出錯(變成殭屍細胞 senescent cells);有時廢蛋白沾到了油(脂褐素 lipofuscin),黏成一陀污漬,自噬作用怎麼清也清不乾淨;免疫系統效能與幹細胞數量也都會逐年耗損。隨著年紀增長,損傷的累積影響了自我修復的機制,導致平衡加速崩塌,最終走向死亡。

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那演化為何不讓我們走向永生呢?簡單說,它並不在意這件事情。 

當個體已經達成繁衍的目的,持續投入能量,維持消耗品的效益並不大,還有生存資源競爭的可能。演化甚至不惜付出青春期的快速老化(表觀基因損傷的大躍進),來換取身體強盛與生育能力,以提高繁衍機率,就算此舉縮短了個體的壽命也在所不惜(disposible soma theory)。

年輕成長時期methylation drifts的快慢跟物種maximum lifespan強相關。Slow and steady lives the longest. (credit)

老鼠的生存環境險惡,充滿獵食者環繞,約略一個月大即可進行繁衍。快速的性成熟也代表著提早老化,老鼠一般只有不到兩年的壽命。而最長壽的脊椎動物格陵蘭鯊(greenland shark),生活在格陵蘭和冰島周圍,龐大的身軀基本上沒有什麼天敵,他們不慌不忙的到了150歲才經歷青春期,壽命則可以達到300~500歲。

生命體的成熟與老化,其實是同一件事情。從胚胎分裂發育,一路到生育年齡,甚至是哺育下一代,才完成了繁衍的使命。

因此生物必須擁有拮抗老化的機制,有效地控制細胞成熟,在資源充沛時進行繁衍,而在環境險峻時減緩消耗。

生物的設計很奇妙,如果你仔細去看很多人體的作用機轉,都是透過一條路促進(油門),一條路抑制(煞車),藉此才能進行有效的調控。

而老化的重置,則發生在新生命的誕生。

生命並非單方向的,已經高度分化的精子與卵子,結合後觸發了重置開關(Yamanaka factors),完全復原了遺傳資訊的年齡,形成生命最初的多功能幹細胞。達成基因的生生不息,延續給下一個生命個體。

老化的拮抗與重置,都是我們的生命表現之一。正因爲如此,遙控器本就在我們的基因之中!

面對老化,我們其實是擁有掌控權的,而非無能為力

老化的拮抗與重置,本就在我們的基因之中。我們需要做的,就是看懂說明書,知道它是怎麼運作的。什麼東西能有效對抗老化(rejuvenation),哪些東西又會促進老化(proaging)。每一天的選擇與習慣,都決定了身體細胞老化的速度。

舉例來說:規律運動,除了一般我們所知的心肺功能上升,減少全身慢性發炎,更可以在細胞層面促進長壽基因的活化,修復失序的染色體,減緩端粒的縮短(研究統計端粒長度年輕近10年)。這也是為何規律運動可以有效降低眾多老化疾病的發生率(每週達到WHO建議的150分鐘中等強度有氧運動者,可以降低至少30%的全因死亡率,好處可以一直拉到每週300分鐘以上才遇到plateau effect),甚至在疾病發生後,也能有效降低藥物依賴,重返健康。

再舉一個例子,兩組基因相同的老鼠:

  • 一組吃一般食物,一組吃垃圾食物(高油高糖),總熱量一樣,肥胖問題與各種代謝疾病(糖尿病、高血脂...)數不清的研究顯示是吃垃圾食物的那組較高。
  • 條件一樣,但吃垃圾食物的那組,每天被限制在8個小時內吃完,結果兩組的體重,血糖、膽固醇濃度均沒有顯著上的差異(research by Satchin Panda)。

飢餓本身就會引發巨自噬作用(macroautophagy),打掃細胞內的各種垃圾。但如果是更長時間的飢餓(身體長時間缺少碳水與蛋白質的能量運用下),則可誘發深度自噬作用(chaperone-mediated autophage, CMA),更仔細的清除髒汙(廢蛋白),減輕細胞運作的負擔。

現在很流行的168,大家可能覺得總熱量受到控制,可以有效減肥。但其實是整個代謝系統都變年輕了。身體運用能量的效率提高,不再需要儲存多餘的脂肪了。

其它像是日夜週期,睡眠,壓力控制,人際互動,飲食選擇,生活目標等等,根據實證科學的累積,都與細胞老化有著緊密的關係。

另一方面,在眾多絕頂聰明科學家們的研究奉獻,與龐大潛在利益的推動下,我們得以直接手動干預老化的生理機轉。有些還在實驗室,有些則已經進入臨床試驗。

補充特定化合物(NAD boosters、mTOR inhibitors)來促進長壽基因的調控;清除殭屍細胞的藥物(senolytic drug);幹細胞的補充與細胞治療(cellular replacement therapy);粒腺體的抗氧化保護(mitochondria targeted antioxidants);可調控端粒酶(transient telomerase)以恢復端粒長度。針對不同的老化標誌,我們都有不同的應對之道正在進行中。

而最大的Game changer,則是透過著名的Yamanaka factors(iPSCs人工誘導多能幹細胞)技術,直接重新編寫細胞資訊[5](cellular reprogramming),利用生命本就存在的重置機轉,讓老化細胞,包括了表觀基因、粒腺體、端粒、蛋白平衡等一併逆轉。

細胞年齡變成一個可以調整的時鐘。

但這是一個做工複雜的時鐘,齒輪環環相扣。每一個面向的介入,實際執行都存在著風險。變的太年輕,細胞本來的功能沒有了,器官馬上衰竭。變的太多能(pluripotent),卻沒有給予分化的訊息引導,細胞形成腫瘤的機率則大幅增加。

如何有效的精準控制療效,讓細胞只是變年輕,卻沒有失去身份,有一天人類(還有電腦)會找到答案。

Lifespan vs Healthspan

人瑞平均失能人年(DALY)與一般人在統計上的區別 - Photo credit by Ana Maria Cuervo(老化界的打掃瑪麗亞)credit

很多人擔心老了以後,長年受疾病的折磨,不如不要活的這麼老。然而在研究統計上,活到百歲以上的人瑞(centenarian),因疾病失能的時間反而較短。

抗老最主要的目的,不是為了增加你的壽命(lifespan),更重要的是,抗老等於預防了大多數的疾病,減少了因為疾病所造成的失能。也就是說,你的人生會擁有更多健康快樂的日子(healthspan)。


我想這也是對辛苦的身體,最好的回報。



備註 [1] [2]  [3] [4] [5]


  1. 人類的語言,將擁有繁衍與演進(reproduce and evolve)表現的物質稱之為有生命。因帶有碳原子故稱有機生命體(organism),代表有生命表現之個體(individual entity)。人是一個生命體,腎臟不是,但身體上活著的細胞、腸道中的細菌都是。 ↩︎

  2. 遺傳物質的損傷,有來自細胞外源的傷害:如輻射線(宇宙射線、紫外線、X ray)、化學物質(空氣污染、抽煙、亞硝酸鹽添加物、苯類鎔劑),也有來自細胞內源的代謝產物如:活性氧類(ROS)、廢蛋白。細胞分裂時的DNA複製,也是一種傷害,會造成DNA的斷裂。人類有約37.2兆個細胞,每天發生約2兆次的細胞分裂。所以修復機轉平日就在不停的工作。 ↩︎

  3. 文中的遺傳物質泛指編碼生命所必需的所有成分。從僅有RNA的簡單生命世界演化至今雙股DNA/RNA/蛋白的各種複雜生物(雙股DNA有更穩定儲存資訊的優勢),包含了基因(細胞核的與粒腺體的)、表觀基因(protein-based, DNA-based, RNA-based) 、端粒等的一個統稱。 ↩︎

  4. David Sinclair(老化界的激進份子)於近年提出的老化單源說:表觀基因的資訊遺失(information theory of aging)。此學說有實驗佐證,雖然在解釋老化上有所限制,仍是科學已知老化的核心原因。fx1_lrg此實驗簡單說就是人為控制老鼠的基因損傷,細胞修復的過程會導致表觀基因資訊的遺失,加速老化,再透過著名的Yamanaka factors(iPSCs人工誘導多能幹細胞)幫助老化細胞回復原本的遺傳資訊,老鼠又變年輕的實驗。https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)01570-7?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0092867422015707%3Fshowall%3Dtrue。
    同一團隊在2023/10 Nature刊登的"The Information Theory of Aing"登高一呼的perspective paper.
    https://www.nature.com/articles/s43587-023-00527-6.epdf?sharing_token=xl-ygJB6-tAcawQnbt1-FtRgN0jAjWel9jnR3ZoTv0PEUHauox8PwQYP7477ep-c_PwJbCj329dj97AqROS8HLA9eyjc6c9hYom_Olzvv6nxFfb2fQq76J0rfkBI-mjiL_qIjB8wad-mdnYQX0Onp_RdLeTHFr6BopUlqH9I-0k= ↩︎

  5. 透過重新編寫細胞資訊,讓生命體從拾年輕的方式與限制。llustration-of-some-of-the-age-related-epigenetic-changes-and-the-limitations-and https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33825176/ ↩︎