往期回顾:
衰老的生物物理:(1) 生命是一台逆熵的机器
衰老的生物物理:(2) 损伤是常态,修复是概率
衰老的生物物理:(3) 机器在磨损,能源在泄漏
衰老的生物物理:(4) 各处的时钟不同,崩塌来得突然
衰老的生物物理:(5) 死亡率的指数曲线
衰老的生物物理:(6) 活得更久,不等于健康得更久
衰老的生物物理:(7) 衰老不是滑下去的,是掉下去的
衰老的生物物理:(8) 寿命有多少是掷骰子
衰老的生物物理:(9) 寿命的标度律
衰老的生物物理:(10) 衰老的熵增:为什么修补总也追不上磨损
衰老的生物物理:(11) 衰老的重置:为什么每一代都从零岁开始
衰老的生物物理:(12) 衰老的权衡:为什么身体不肯重开一次
衰老的生物物理:(13) 衰老的干预:在约束之内,能拧动哪几个旋钮
衰老的生物物理:(14) 衰老的边界:人类的寿命到底有没有天花板
衰老的生物物理:(15) 衰老的度量:一个数字,能不能装下衰老
衰老的生物物理:(16) 衰老的信息:细胞是怎么忘记自己是谁的
衰老的生物物理:(17) 衰老的清理:细胞为什么会攒下一堆破烂
衰老的生物物理:(18) 衰老的炎症:身体里那场灭不掉的慢火
衰老的生物物理:(19) 衰老的线粒体:能量工厂为什么会一节一节熄火
衰老的生物物理:(20) 衰老的端粒:细胞分裂的次数,是怎么被数完的
衰老的生物物理:(21) 衰老的干细胞:修补工是怎么一批批用光的
衰老的生物物理:(22) 衰老的细胞外基质:一层越用越硬的脚手架
▍本系列用生物物理的语言,把「衰老」从头讲一遍
上一篇的结尾留了一句话:脚手架撑着的,不只是形状。血管壁、肠壁、皮肤、血脑屏障,墙根下都垫着一层 ECM;垫层讲完了,这一篇讲墙本身。
不过「墙」这个说法并不准确。真正的屏障不挡一切,它挑。血浆里的葡萄糖要进去,白蛋白不能随便进去;肠腔里的水和小分子要过来,细菌和它的碎片不能过来;皮肤要让少量水慢慢蒸发,却不能让紫外线和化学物质随便穿透。同一层薄薄的细胞,对不同东西给出不同答案——这叫选择性,是屏障唯一要紧的事。
先看三个数。人脑里的毛细血管连起来,总长六百公里上下,展开的内皮面有十几平方米[1];肠道的吸收面靠绒毛和微绒毛一层层折叠,铺开来三四十平方米;皮肤不到两平方米。三个界面,面积相差十几二十倍,做的却是同一件事:在日夜不停的冲刷里,完成分拣。
一道每天被冲击十万次的闸门,凭什么几十年不漏?等它老了,漏进来的到底是「更多」,还是「别的东西」?
一、闸门不是墙:三层,一套账
把任何一处屏障拆开看,都是三层叠在一起。
第一层是物理层,干的是「不让过」。脑毛细血管的内皮细胞之间焊着紧密连接(tight junction):claudin-5、occludin 这些跨膜蛋白把相邻细胞的膜拉在一起,胞质一侧再由 ZO-1 锚到骨架上。这圈焊有多紧,可以用跨内皮电阻量出来——脑血管内皮比身体其他部位的毛细血管高出一两个数量级,所以脑里的白蛋白才能常年待在管内。肠道换了个办法:上皮细胞之间同样有紧密连接,外面还盖着黏液。杯状细胞分泌的 MUC2 铺成两层,紧贴细胞的那层几乎无菌,外层才是菌群活动的地方。皮肤靠角质层:角化细胞像砖,神经酰胺、胆固醇、游离脂肪酸按大约一半、四分之一、四分之一配成灰浆,填在砖缝里。
第二层是化学层,干的是「不让活」。在肠和皮肤上,它不靠结构,靠环境:压低 pH、锁住游离铁、抽走氧气,让大多数微生物活不下来。肠道里有胆汁、潘氏细胞分泌的溶菌酶与防御素,还有锁铁的乳铁蛋白,腔面又常年低氧;皮肤表面是一层酸性外膜(pH 大致 4.5 到 5.5),汗液里还有抗菌肽。脑内皮上则是另一类化学屏障——外排泵和代谢酶,把已经穿进来的脂溶性分子再泵出去、就地拆掉。
第三层是免疫层,干的是「认出来再处理」。肠黏膜下聚集着身体里最大的免疫细胞群,分泌型 IgA 被上皮细胞转运到腔面,把抗原拦在进门之前;皮肤里有朗格汉斯细胞;脑里有小胶质细胞和血管周巨噬细胞,盯着从破口进来的东西。
三层缺一层都不行。在小鼠身上把紧密连接的关键蛋白去掉,物理层一破,菌和毒素进来,炎症跟着起来;把 IgA 去掉,细菌更容易贴到上皮上,往黏膜下钻的机会也多了。屏障的强度,不取决于最厚的那一层,取决于最先垮的那一层。
这套结构有代价。紧密连接不是焊死的,它是动态的:肌球蛋白轻链激酶(MLCK)被激活,肌球蛋白轻链一磷酸化,细胞骨架收缩,连接蛋白跟着内吞,缝隙打开,过一阵再装回去。装和拆都要耗能、都要靠细胞骨架、都要靠上皮不断更新。肠上皮三到五天换一遍,是全身更新最快的组织之一——这正好接上第二十一篇:屏障的物理层,是修补队最忙的一个工地。可更新快,不等于不会老。
图 1|三处屏障,同一套三层结构(示意):脑靠内皮紧密连接与周细胞,肠靠单层上皮与两层黏液,皮肤靠角质层砖墙,密封带在颗粒层细胞之间;化学层管「不让活」,免疫层管「认出来再处理」。三层缺一层都不行,而它们老化的方式并不相同。
二、第一本账:脑,漏的地方很具体
脑的屏障最严,也最好测。
2015 年,蒙塔涅(Axel Montagne)等人用动态对比增强磁共振(DCE-MRI)做了一件事:给受试者打一针造影剂,看它从血管漏进脑组织的速度,算出一个常数 Ktrans。二十四名认知正常的受试者,年龄从二十三岁到九十一岁。结果很不均匀:海马里的 CA1 区和齿状回,Ktrans 随年龄升高;紧挨着的 CA3 区没有变化[2]。
这个「不均匀」比「升高」更值得注意。如果只是血管老化、管壁变脆,应该各处一起漏;实际是漏的地方很集中:海马——负责把短期经历写成长期记忆的那一块,也是阿尔茨海默病最早受累的地方之一。
周细胞是这件事里的关键角色。这种细胞贴在毛细血管外面,像藤蔓缠住水管,管着两件事:血管的张力,和屏障的完整。2010 年,贝尔(Robert Bell)等人用周细胞缺失的小鼠做了个干净的实验:周细胞少,脑毛细血管的灌注就降,脑血流跟着降;同时紧密连接松了,血清蛋白、凝血酶、纤溶酶这些本来进不来的东西在脑组织里堆起来,年龄越大堆得越多。而且顺序很清楚——血管的损伤在前,神经元的退变、学习记忆的下降、神经炎症在后[3]。
在人身上,周细胞的损伤可以用指标间接看到。sPDGFRβ 是周细胞膜上受体的可溶片段,周细胞受伤时释放进脑脊液。2020 年,蒙塔涅等人在二百四十五名受试者身上做了 DCE-MRI,发现携带 APOE4 的人,海马和海马旁回漏得更厉害;已经有轻度认知下降的人漏得最厉害。更关键的是,这种漏与脑里的淀粉样蛋白、tau 水平不相关——它像是另一条独立的线[4]。同期追踪的一百四十六人里,在携带 APOE4 的人当中,基线 sPDGFRβ 高的那些,之后几年的认知下降更快;不携带的人身上看不到这层关系。
这里和第二十二篇接上了:周细胞靠基底膜锚在血管上,而基底膜是 ECM。ECM 一变硬、一糖化,周细胞的黏附和收缩都受影响。脚手架那篇讲的是墙根下的垫层,这一篇讲垫层上面的墙——两件事其实是同一条链上的两段。
三、第二本账:不是更漏,是更乱
到这里,故事还很简单:老了,墙松了,漏得多了。2020 年的一项工作把这个说法推翻了一半。
杨(Andrew Yang)等人换了个测法。过去测血脑屏障,都是往血里打一种外来的示踪剂——荧光标记的右旋糖酐、外源 IgG——再看它进脑多少。杨等人的做法相反:把小鼠自己的血浆蛋白整体标记,再注回体内,测的是身体原本就在运的东西[5]。
第一个结果就出人意料:健康年轻小鼠的脑子里,血浆蛋白进去的量比过去以为的多得多。血脑屏障不是一堵只挡不运的墙,它是一个繁忙的口岸,大量蛋白在被有选择地运进去,其中包含激素、载脂蛋白和各种信号分子。这些蛋白进脑之后,能与神经元和小胶质细胞接触——换句话说,血液里的状态,一直在给脑子递条子。
第二个更意外:老年小鼠脑里,血浆蛋白的总摄取量是下降的。过去用外源示踪剂的研究几乎都说「越老越漏」,这里却是「越老越少」。矛盾怎么解?看转运方式就清楚了。
年轻的内皮细胞主要用受体介导的转胞吞:某个蛋白结合到它专属的受体上,受体被包进网格蛋白(clathrin)包被的囊泡,穿过细胞,从另一侧放出来。这是有选择、有方向、耗能的运输。老年的内皮细胞,这条路变弱了;取而代之的是小窝(caveolae)介导的非特异转胞吞——不管抓的是什么,先裹进来再说。
于是同一件事的两面同时成立:总量在降,因为专线车少了;杂货在增,因为大门敞开,谁都能挤进来。研究里最直白的一对结果:血浆蛋白摄取下降,IgG 摄取上升。IgG 是大分子抗体,本来不该随便进脑。
这就把「漏」这个字拆开了。屏障至少有两项功能:挡住不该过的,和运送该过的。衰老主要伤的是第二项;第一项还在,只是越来越不挑。只测「漏不漏」的实验,看不见前半段。
运得差会有什么后果?胰岛素、瘦素这类激素进不去,神经元失去一部分外周信号;转铁蛋白、载脂蛋白进不去,脑的铁与脂质供应也跟着受影响;反过来,白蛋白、IgG、凝血因子进去了,会激活星形胶质细胞、触发局部炎症。那项研究还发现,老年内皮里一个叫 ALPL 的磷酸酶表达升高,用药压住它,转铁蛋白和血浆蛋白的转运能部分恢复——说明这套系统不是彻底坏掉,是被某个开关压住了。
还有一条并行的清运通道。脑实质里没有淋巴管,代谢废物靠脑脊液沿血管周围间隙冲洗出去,这条路叫类淋巴系统(glymphatic system)。2014 年,克雷斯(Benjamin Kress)等人测了不同年龄的小鼠:老年小鼠脑内注射的淀粉样蛋白,清除率比年轻小鼠低四成;脑内小动脉的搏动幅度降了百分之二十七;星形胶质细胞上的水通道 AQP4 在血管周围的极化分布也散了[6]。进得乱、出得慢,两头夹。
图 2|同一层内皮,两种运法(示意):年轻时以受体介导的转胞吞为主,专车专送;年老时转向小窝介导的非特异转胞吞,总量下降而杂货增多。左边是挑,右边是不挑。
四、第三本账:肠与皮肤,储备先垮
如果屏障衰老就是「越老越漏」,肠子应该最先漏:它每天要处理上百克蛋白、几十万亿细菌,上皮只有一层细胞厚。
可人体数据不支持这个直觉。
测肠通透性有个经典办法:让受试者喝下乳果糖和甘露醇,然后留五六个小时的尿样。甘露醇分子小,走的是小孔;乳果糖分子大,只能走更宽的缝隙。两者回收率的比值(L/M 比)升高,说明缝变大。2014 年,瓦伦蒂尼(Luzia Valentini)等人把二百一十五名健康不吸烟成年人的数据合起来分析,其中八十四人六十到八十二岁:老年组与年轻组的 L/M 比没有差别[7]。更早的 1995 年,萨尔兹曼(Joel Saltzman)等人在五十六人身上得到同样的结果:随年龄增长,乳果糖和甘露醇的排出百分比都趋于下降,比值却不变——因为下降主要来自肾功能[8]。
也就是说:健康衰老,小肠的缝没有变宽。
但有条件。同一批数据里,低度炎症(超敏 C 反应蛋白升高)与 2 型糖尿病同时存在的人,L/M 比明显变差;只有一项时看不出来[7]。离体的人肠活检也显示,老年人的肠上皮在微生物刺激下产生更多 IL-6,跨上皮电阻更低。缝没变宽,是遇到压力时更容易被撑开。
小鼠的数据要硬得多。2017 年,特瓦拉詹(Netusha Thevaranjan)等人做了一个很干净的对照:把小鼠养在无菌环境里,年龄相关的循环炎症因子升高就不出现了;无菌小鼠活到六百天的比例更高;把无菌小鼠与老年(而不是年轻)常规小鼠养在一起,血里的炎症因子又升上去。反过来,缺 TNF 的小鼠不出现年龄相关的菌群变化,用抗 TNF 药物处理老年小鼠,菌群也能往回走[9]。这条链是环形的:菌群失调,肠屏障变差,细菌产物入血,TNF 升高,菌群更失调。
这里的分寸要说清:小鼠身上这条链有因果证据,人身上目前主要是关联。而且「肠漏」在人体上缺一把可靠的尺子。最常被拿来说事的 zonulin,商用 ELISA 试剂盒测的其实不是它——抗体认的是另一段序列,测出来的是另外几种蛋白,与乳果糖/甘露醇试验的相关性很差[10]。所以看到「某人群 zonulin 升高,提示肠漏」这类说法,先别急着信。
皮肤这本账,方向更反直觉。
按常识,老年的皮肤应该更「漏」——干、薄、容易过敏。可是测经皮水丢失(TEWL),老年人的基础值并没有升高,有些研究里甚至更低[11];角质层厚度也基本不变。真正的变化藏在别处:角质层的 pH 随年龄升高,负责合成神经酰胺的酶在偏碱的环境里效率下降,脂质灰浆变薄;水通道蛋白 AQP3 表达下降,角质层含水量掉;从二十多岁到六十多岁,表皮更替速度大约减半。这些加起来的后果,不是平时漏,而是破了以后补不上。用胶带反复剥离角质层做损伤试验,老年组的屏障恢复明显延迟:年轻人一天能修回一半,八十岁以上的老人只修回一成半[12];之后六天,恢复一直很慢。
血管内壁也盖着一层类似的结构。内皮细胞朝血的一面,盖着一层糖萼(glycocalyx):蛋白聚糖与糖胺聚糖织成的绒毛状网络,厚度不过一两微米,带负电,把血细胞和大分子挡在离细胞膜一点距离之外,同时把血流的剪切力传给内皮,让内皮放出 NO。随年龄增长,这层糖萼变薄、脱落,脱落的碎片(syndecan-1、硫酸乙酰肝素)能在血里测到。有研究提示,糖萼的退化可能早于内皮依赖性舒张功能下降和动脉僵硬度升高[13]——先掉的是这层绒毛,后坏的是整条血管。
还有一条容易被忽略的:维护屏障本身要花钱。紧密连接的装配、黏液的分泌、上皮的更新、糖萼的合成,全都要能量和原料。第十九篇讲过的供能下降,在这一篇里表现为「修不起」。老年肠上皮更新变慢、皮肤表皮更替减半、糖萼合成跟不上脱落,都是同一个原因的不同写法。
所以「屏障衰老」更准确的说法,不是墙塌了,是三道能力在退:选择性、储备、清运——退的先后,各处不一样。脑的漏只在局部,垮的首先是分拣;肠和皮肤的基础渗透性可以一点没变,但受损之后补不上,遇到炎症更容易被撑开;而进来了的东西,清不走。
五、闸门怎么变成筛子:三个正反馈
单看每一处屏障,变化都不大。可它们通过炎症连在一起,就有了斜率。
第一个环:炎症拆连接。TNF 作用到上皮或内皮上,激活 MLCK,紧密连接蛋白被磷酸化、内吞,缝隙打开;IFN-γ 则直接下调 claudin 的表达。这一步是可逆的,炎症退了,连接还能装回去——但每拆一次,装回去的精度就差一点。
第二个环:连接松了,炎症更旺。细菌的脂多糖、鞭毛蛋白、细菌 DNA、氧化修饰的脂质,本来留在腔里,现在进了血。它们结合 TLR4、TLR9 这类模式识别受体,让巨噬细胞放出更多 TNF 和 IL-1β。第十八篇讲的那场灭不掉的慢火,有一部分燃料就是从这些缝里漏进来的。
第三个环:菌群也在里面。膳食纤维在结肠被发酵,产出短链脂肪酸,丁酸是其中最重要的一种——它既是结肠上皮的主要能源,也能通过激活 AMPK 促进紧密连接的装配。体外实验里,丁酸能让 Caco-2 细胞单层的跨上皮电阻升上去、紧密连接蛋白重新排好[14]。菌群失调,产丁酸的菌少了,上皮既缺燃料、又缺这道信号,屏障更弱。
三个环套在一起:炎症拆墙,墙漏引炎症,菌群在其中添柴。这就是闸门变筛子的实际过程——不是某一天突然破了,是每一圈都比上一圈松一点。
图 3|四处屏障,一张表(示意):脑的漏与清运都变差,恢复能力还缺数据;血管先变的是糖萼;健康人的肠与皮肤基础值不升,垮的是储备。虚线框表示证据有限、方向不一,或这一项本就不适用,不是效应更小。
六、能修吗:没有「补墙」的药
先把期待放低:目前没有一种药,作用是修复屏障。已有的手段都是间接的,而且大多不是为这件事开发的。
最接近「促屏障修复」的药物是替度格鲁肽(teduglutide),一种 GLP-2 类似物。GLP-2 由肠道 L 细胞分泌,能增加肠血流、减慢排空、促进绒毛高度与隐窝深度增加。替度格鲁肽把天然 GLP-2 的第二位丙氨酸换成甘氨酸,挡住二肽基肽酶的降解,半衰期从几分钟延到约两小时。它在 2012 年获批,用于短肠综合征——肠子切除太多、靠静脉营养维持的病人,用它能减少一部分静脉营养的需求[15]。这是「屏障可以被药物养厚」的硬证据,但适应症很窄,不能外推到健康人。
剩下的多半是生活方式。规律的有氧运动能改善内皮功能、增加脑血流,动物上也能减轻年龄相关的肠通透性升高;膳食纤维走丁酸这条路,机制清楚,人群终点还缺;地中海式饮食与较好的血管指标相关,但很难分清是屏障本身改善,还是炎症整体下降。抗 TNF 药物在类风湿、炎症性肠病病人身上能改善屏障指标——这证明「炎症拆墙」这一环是真的,却不构成给健康人用药的理由。
补剂这一类要特别小心。益生菌在特定人群(比如抗生素相关腹泻)有证据,在「抗衰老」上没有;胶原蛋白肽吃下去会被拆成氨基酸和二肽、三肽,不会整段补到皮肤或血管上;至于各种「zonulin 抑制剂」「肠漏修复配方」,连测量屏障的尺子都不可靠,遑论证明有效。
清除衰老细胞(senolytics)是另一条思路:衰老的内皮细胞和上皮细胞会持续分泌炎症因子和蛋白酶,既拆墙又放火,把它们清掉,理论上能同时松开这三个环。动物上有一批正面结果,人体证据还在早期,而且清哪些细胞、清多少,都没有答案。
最后是边界。屏障功能「改善多少算有意义」,业内没有共识:DCE-MRI 能测脑,但没进常规;肠通透性有几种测法,彼此结果对不上;皮肤 TEWL 方便,可它测的是水,不是细菌和毒素。没有可靠的终点,就很难判断一个干预是真的有用,还是只把某个指标推动了几个百分点。
七、小结:衰老,也许是一张越用越不挑的筛子
屏障不挡一切,它挑。挑的能力叫选择性,比厚不厚更根本;
脑的漏很不均匀:漏在海马的 CA1 与齿状回,CA3 不变[2];周细胞一少,灌注和屏障一起坏,血管损伤在前、神经元退变在后[3];
APOE4 携带者的海马漏得更厉害,且与淀粉样蛋白、tau 无关[4];
但脑的衰老不只是漏得更多:受体介导的转运变弱、非特异的小窝转胞吞变多,总摄取下降、IgG 上升[5]——先丢的是选择性;
清运也在退:老年脑的类淋巴清除低四成,血管搏动弱了近三成[6];
健康人的小肠通透性并不随年龄升高[7][8],皮肤基础 TEWL 也没有升高[11];垮掉的是受损后的恢复能力,也就是储备;
菌群—TNF—屏障是一个环,在小鼠身上可以被打断[9];丁酸通过 AMPK 帮紧密连接装配[14];
没有补墙的药。替度格鲁肽只批给短肠综合征[15],其余手段都间接,且缺可靠终点。
回到整个系列的位置上:第五篇把衰老画成一条曲线,第六篇画成一道缺口,第七篇画成一片地势,第八篇画成一个分布,第九篇画成一条标度线,第十篇画成一场赛跑,第十一篇画成一次归零,第十二篇画成一场取舍,第十三篇画成一组旋钮,第十四篇画成一道边界,第十五篇画成一把尺子,第十六篇画成一份笔记,第十七篇把衰老画成一次清运,第十八篇把衰老画成一场灭不掉的慢火,第十九篇把衰老画成一张逐节熄灭的电网,第二十篇把衰老画成一只越漏越少的沙漏,第二十一篇把衰老画成一支越用越少的修补队,第二十二篇把衰老画成一层越用越硬的脚手架,第二十三篇把衰老画成一张越用越不挑的筛子——曲线是平均值的形状,缺口是落差的形状,地势是稳定性的形状,分布是随机性的形状,标度线是秩序的形状,赛跑是热力学的形状,归零是谱系的形状,取舍是演化的形状,旋钮是工程的形状,边界是极限的形状,尺子是测量的形状,笔记是信息的形状,清运是流通的形状,火是警报的形状,电网是供能的形状,沙漏是倒计时的形状,修补队是储备的形状,脚手架是支撑的形状;而筛子,是选择的形状:它衡量的不是挡住了多少,而是还分不分得清该放谁过去——分得清,一层细胞就是一道海关;分不清,同样的细胞就只是一张网。
可漏进来的东西,总得有人认。细菌、病毒、变了样的细胞,进了血、进了组织,得有人识别、有人记住、有人出手。这套本事属于免疫系统,而它也在老:胸腺从青春期之后就开始萎缩,T 细胞的种类一年比一年少,遇到新病原体能调动的克隆越来越有限,疫苗打下去,抗体也涨得不如年轻时高。第二十四篇,我们讲衰老的免疫监视:一支认不出敌人的哨兵。
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(未完待续)