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2023-07-01 07:01:18
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血液循环因子能否发挥作用并延缓您的生物衰老？（中）
血液循环因子能否发挥作用并延缓您的生物衰老？（上）血液循环因子能否发挥作用并延缓您的生物衰老？（结论） 3.2. IGF-1包括IGF-1和IGF-2在内的胰岛素样生长因子（IGF）可以与IGF-1受体（IGF1R）结合，从而在组织水平上调节细胞存活，分化，迁移和增殖以及体细胞生长，发育进程和身体老化[146,147]。在血浆中，IGF配体与IGF结合蛋白（IGFBP）形成复合物，从而阻断了通过受体的信号传导[148]。IGF-1的血液水平在青春期达到最高，然后逐渐下降[149]。同时，老年人血清中IGF-1 / IGFBP-3摩尔比的升高与包括癌症，糖尿病，心血管疾病和认知障碍在内的全因发病率和死亡率呈正相关，而IGFBP-3水平本身与全因死亡率负相关[150]。除了IGF-1 / PI3K / AKT / mTOR（磷酸肌醇3-激酶/ Akt-蛋白激酶B/雷帕霉素的哺乳动物靶标）途径在生长和再生中的主要作用外，它也是参与炎症和细胞衰老。在衰老过程中，包括免疫系统在内的所有组织都会逐渐增加胰岛素抵抗，从而降低淋巴细胞对感染的激活和扩展能力。这降低了免疫系统的功能能力[151]，并导致受感染，突变和衰老的细胞破坏而积累的细胞，无法通过免疫监视机制清除[37,152]。一方面，循环中IGF-1的消耗可使IGF-1/PI3K/AKT / mTOR信号沉默在许多动物模型中都可以延长寿命[153,154]。另一方面，IGF-1/PI3K /AKT/mTOR途径是免疫防御的重要调节剂，对生命周期也很重要[155-157]。 mTOR的异位激活将淋巴细胞极化转移至细胞毒性T细胞命运，从而促进细胞衰竭，衰老和衰老细胞的积累。哺乳动物TOR也参与炎症性免疫应答的调节，增加了老年死亡的风险。在TORC1复合物中，mTOR减少自噬，这是细胞内免疫的主要部分。相应地，mTOR抑制剂（抗病毒药物，雷帕霉素类似物（西罗莫司，依维莫司））可降低老年患者的“ gerolavic”感染率[13]，并有助于应对严重的病毒感染[152]。另外，IGF-1总量的增加使幼稚淋巴细胞的分化向CD4 +细胞转移，与活性T细胞结合，可导致自身免疫反应的发展[156,158]。IGF-1/ PI3K /AKT/ mTOR信号减弱与FOXO3A相关的重要转录因子寿命长。阻断IGF-1 /PI3K /AKT/ mTOR信号传导途径可延长各种生物的寿命[159-162]。另外，PI3K结构域之一的突变导致FOXO3A的激活[163]。与这些观察结果一致，在日本和德国的百岁老人家庭中发现了FOXO3A的增强表达[164]。如上所述，众所周知的IGF-1/ PI3K/ AKT/mTOR抑制剂起着神经保护剂，二甲双胍和雷帕霉素的作用，可调节免疫力并抵抗与年龄有关的疾病，例如糖尿病和癌症[13,165-167]。一些天然成分，例如蜂胶，能够增加与寿命相关的基因FOXO3A和NGF的表达，因此也可以起到保护神经的作用[168,169]。代谢因子对于生长，发育和再生至关重要。然而，这些信号通路的过度慢性刺激会导致胰岛素抵抗并促进细胞衰老的发展。3.3. NGF和神经再生神经生长因子（NGF）是一种神经营养因子，可调节中枢胆碱能神经元，交感神经和感觉周围神经元的发育和维持[170]。发现了NGF的诺贝尔奖获得者Rita Levi–Montalcini博士在她的余生中都以滴眼剂的形式应用了NGF，并活了103年[171]。尽管尚未明确证明NGF在显着延长预期寿命中的作用，但一些研究表明其对某些老年性疾病的悬浮和重要生命系统功能的延长有影响[12,42,122,167,172-175]。 NGF水平降低与认知能力下降和阿尔茨海默氏病有关。NGF可通过减少大脑中淀粉样β肽的聚集来减轻与年龄有关的阿尔茨海默氏病的进展[176]。许多临床试验试图改善NGF向大脑神经组织的传递，以增强阿尔茨海默氏病治疗的疗效[177]。在认知障碍患者中，还显示出其他激素的血清浓度降低：脑源性神经营养因子（BDNF），神经胶质细胞系源性神经营养因子（GDNF）[178]。神经元再生的潜在机制可以通过PI3K域中的p85β突变来说明，该突变会中断神经元前体中的IGF-1 / PI3K / AKT / mTOR信号转导。结果，与寿命相关的转录因子FOXO3A被去磷酸化并转移到细胞核中，并与DNA结合并激活下游基因，从而对氧化应激具有很强的抵抗力，增加了自噬作用并延长了寿命[163]。显然，p85β突变或化学抑制作用对PI3K / AKT的阻滞改变了MGF信号通路（促分裂原激活的蛋白激酶）的NGF信号，并与FOXO3A一起改善了神经元的存活，分化和再生[179,180]。 NGF还通过刺激PI3K / AKT / mTOR信号通路参与卵母细胞的发育和再生[181]。鼻内施用NGF可以显着增加衰老动物的血清睾丸激素浓度。已经建议用NGF治疗作为与年龄有关的性腺功能低下的潜在疗法。在具有加速衰老的衰老加速小鼠模型（SAMP8）中，NGF可增加下丘脑神经元的活性并刺激促性腺激素释放激素的分泌，从而显着提高性动机和性能，改善精子质量，并恢复衰老男性的生育能力[175 ]。因此，血浆NGF的水平可以作为阿尔茨海默氏病的早期指标，也是延长可育年龄和对抗与年龄有关的性腺功能减退的有前途的药物。3.4. PDGF/ VEGF血管重塑血小板衍生生长因子（PDGF）由几个蛋白质链亚基（A，B，C和D）组成，可调节血管的代谢和生长。异二聚体PDGF-AB水平随年龄而降低。已经建议用于治疗与年龄有关的心血管疾病[182,183]。 PDGF-AB对血管生长具有多种作用，包括癌症和炎症中的新血管形成。 PDGF-AB也暗示是骨再生的一个因素[184]。顶端内皮生长因子VEGF-A（血管内皮生长因子，同种型A）也参与新血管形成和周围神经再生。 VEGF的表达也随着年龄的增长而减少，这导致外周血管再生的下降，从而导致组织缺氧[185]。对1800万个不同年龄段的健康个体和处于糖尿病前状态的人进行的质量分析表明，一系列因素可能与衰老和代谢性疾病的发展有关。因此，除了VEGF和PDGF-AB外，他们还报道了另外两种同工型VEGF-D（同工型D）和同型二聚体PDGF-BB的含量也随着年龄的增长而增加[23]。 VEGF-D调节血管和淋巴管的形成和迁移，并且还参与各种病理过程的进展，包括肺水肿，癌症，炎症和肥胖。干扰血液中的这种蛋白质水平可能是心血管疾病治疗研究的有益策略[186]。然而，尚不清楚全身性VEGF-D过度生产在衰老中的作用。PDGF-BB的表达在鼠纤维肉瘤中有指示。它也诱导肿瘤内淋巴管生成，并促进淋巴转移[187]。血液中的VEGF-D和PDGF-BB水平被认为是脂肪组织蓄积和进行性肥胖的标志[188,189]。也许，血液中VEGF-D和PDGF-BB与过量体重的累积比率表明了脂肪组织内淋巴系统的发育程度，并显示出健康的减肥趋势。 PDGF-AB，PDGF-BB，VEGF和其他与血管重塑相关的已知因子bFGF（基本成纤维细胞生长因子）和EGF（表皮生长因子）可用作血管网络状态的指标，对于监测与年龄有关的疾病。3.5. FGF21热量限制（CR）是一种众所周知的饮食疗法，可以改善健康状况，延长寿命，防止心血管疾病和代谢紊乱并减轻神经炎性疾病的症状[7,8,190]。寻找CR后上调的基因发现了许多模仿CR作用的因素，包括转录因子FOXO3A和可溶性激素FGF21（成纤维细胞生长因子）21）[191,192]。CR诱导肝细胞分泌Fgf21，这可能会抑制IGF-1 /GH1 /信号传导通过SIRT途径激活[193]。此外，Fgf21在小鼠中的过表达延长了它们的寿命[192]。尽管在糖尿病治疗的临床试验中，FGF21的给药显示出有希望的但适度的改善，但与代谢紊乱的患者相比，该标记物的量可能表明对高热量饮食的健康反应[194,195]。血液中FGF21的水平升高会减少哺乳动物的糖消耗，而敲除Fgf21基因则会增加啮齿动物的糖摄入。在人类中，Fgf21基因突变与糖果和酒精的消耗量增加以及每天吸烟有关[196]。3.6. 催产素催产素激素被称为“爱荷尔蒙”或“拥抱激素”。当一个人恋爱，拥抱或处于友好的社交互动中时，它就会被分泌出来。激素注射通过MAPK / ERK（促分裂原激活的蛋白激酶/细胞外信号调节的激酶）信号通路激活来刺激衰老小鼠的肌肉再生，肌肉干细胞增殖的激活[197]。将TGFβ/ ALK5信号抑制剂与催产素联合给予老年小鼠，可下调细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK）抑制剂p16（细胞衰老的标志物）并重建组织再生[110]。生物体对该激素的反应再次证明了对老年人的护理和关注的重要性。3.7. 生长激素生长激素（GH或生长激素）在青春期达到最高水平，指导生长发育。 GH浓度与IGF-1水平相关。 GH参与胰岛素和IGF-1信号的精细调节，但不影响IGF-2。具有GHRHR（生长激素释放激素受体）或GH1基因突变或下游信号传导缺陷（STAT5B突变）的成年人具有生长迟缓和代谢障碍[198]。 GH，胰岛素，IGF-1或IGF-2信号的过度表达与严重的代谢疾病，过度生长和肥胖症有关[146]。青年人上升后循环生长激素的水平随着年龄的增长而逐渐降低，包括人类在内[199-201]。但是，GH1的突变也会增强小鼠对胰岛素的敏感性。在“矮”小鼠（GH1突变）的肝脏中，胰岛素受体，胰岛素受体底物（IRS-1和IRS-2）被上调[202]。同时，这些小鼠体内的全身胰岛素水平降低，这也增加了组织胰岛素敏感性和动物的寿命[190,203]。此外，在GH水平降低的人类家庭中，寿命增加而血液中IGF-1和IGFBP-3含量没有明显变化（其他与寿命有关的因素已在上文讨论）[204]。然而，在青春期，在密集的生长发育过程中，GH的浓度最高[200]。最近的一项小型临床试验表明，重组人生长激素与两种用于预防高胰岛素血症的抗糖尿病药（脱氢表雄酮和二甲双胍）可以通过生物年龄指标和DNA甲基化变化（表观遗传年龄）。在这项研究中还观察到胸腺再生和治疗患者其他免疫学参数的改善。结果，由DNA表观遗传标记估计的年龄在治疗一年后回归了1。5年[14]。值得注意的是，由于治疗的副作用，在美国，以衰老或复兴为目的对健康个体进行GH治疗被认为是不道德和非法的[205]。所谓的“饥饿激素” ghrelin是胃肠道因饮食限制而分泌的生长激素促分泌素受体（GHS-R）的内源性配体。 GHS-R信号传导刺激GH释放，食物摄入以及碳水化合物和脂质代谢。此外，生长激素释放肽调节肠胃道的分泌，免疫功能，并在神经细胞和心血管细胞免受凋亡的保护中起作用[205]。4. 与年龄相关的炎症因子血液中炎症因子的浓度随年龄增长而增加，通常被称为“发炎” [11]。这个过程与衰老细胞的积累和常在老年时发展的慢性感染有关[206]。如大量研究所示，发炎会导致糖尿病[207]，骨骼老化[208]，发炎性肠病，关节炎，神经组织发炎，慢性肺部发炎以及其他绝症，例如癌症，阿尔茨海默氏病和多发性硬化[ 209,210]。类风湿关节炎期间用TNFα拮抗剂阻断炎症会增加对胰岛素的敏感性，表明炎症与代谢紊乱之间存在联系[211]。此外，老年人中COVID-19死亡率的增加也与之相关与患者的慢性炎症水平有关[212]。老年人的全因死亡率与口腔健康有关。牙龈，口腔粘膜，牙周炎的发炎与中风，心肌梗塞，类风湿性关节炎以及心血管疾病和死亡率的风险有关[57]。凭借年轻时的最佳免疫系统状态，病原体从体内清除后，炎症反应迅速平静下来。受损的细胞很快被清除，健康的组织得以完全恢复。随着年龄的增长，对病原体的免疫反应越来越可能变为慢性，从而导致败血症并变成不受控制的过程。老年人还会积聚衰老的免疫细胞，从而加剧炎症。 [13,51,152,213,214]。4.1. 众所周知的促炎因素在发炎期间，血浆中肿瘤坏死因子α（TNFα），白介素（IL1b，IL6）和C反应蛋白（CRP）的浓度是免疫衰老的最典型模式[11,206,207]。血浆中新蝶呤的量是指示慢性炎症水平的极佳标志。这种代谢物是巨噬细胞分泌的。它在生理衰老和自身免疫疾病期间积累[215]。较少的报道描述了其他与年龄相关的炎症因子的积累，例如可溶性TNF受体1（TNFR-1），单核细胞趋化蛋白1（MCP1）（也称为CCL2），血管内皮生长因子A（VEGF-A），表皮生长因子（EGF），环氧合酶2（COX-2），一氧化氮合酶，诱导型（iNOS / Nos2）[113,216]。最近，报道了几个重要因素-与年龄有关的炎症的潜在指标-。但是，在急性感染性疾病中，短时间内也观察到了炎症因子浓度的增加。因此，在使用发炎标记物评估生物学年龄时，应考虑到人类的总体健康状况，因为急性感染的存在会极大地改变炎症性衰老评估的状况，并导致有关该生物学年龄的不合理结论。生物。 4.2. CCL2CCL2（C-C基序趋化因子配体2，MCP-1）将外周单核细胞募集到组织中，并支持在先天免疫应答过程中接管诱导炎症的M1（炎症）表型[217]。 CCL2表达是由促炎因子如TNFα，IFNγ，IL-1，IL-4，IL-6，LPS，TGFβ等诱导的[218]。 CCL2被称为前列腺[219]和乳腺癌[220]的潜在诊断生物标志物，以及与骨相关的转移性癌症[221]的骨重构指标。 CCL2由多种细胞类型表达，包括内皮细胞，髓样细胞，上皮细胞，星形胶质细胞，神经元和神经胶质细胞，并促进神经胶质激活[218]。CCL2在阿尔茨海默氏病中明显上调。此外，通过在皮层和海马中通过腺病毒递送的CCL2过表达在神经原纤维缠结中诱导炎性因子的表达和病理性Tau蛋白聚集。作者假设CCL2在阿尔茨海默氏病发病机理中的关键作用[222]。血浆中的CCL2水平也与肝病的严重程度有关[217]，并且在患有主动脉瓣狭窄的老年人中显着升高[223,224]。在Ercc1- /∆和Bubr1H / H小鼠早衰症模型中，与年龄有关的CCL2增加甚至更加加速。因此，CCL2可能与“发炎”表型有关。因此，已被建议作为生物学年龄的标志[225]。4.3. CCL11C-C基序趋化因子配体11（CCL11），也称为嗜酸性粒细胞趋化因子，被确定为血浆中的衰老因子。在共生小鼠模型的实验中发现了CCL11在衰老中的作用。 CCL11水平随着血液和脑液的年龄而增加。当将此因子注射到年轻小鼠中时，观察到记忆力下降和神经发生能力下降[226]。 CCL11还使免疫反应向Th2反应倾斜，并参与了嗜酸性粒细胞和嗜中性粒细胞向炎症组织的募集。该趋化因子的血液水平升高表明该生物体内正在进行的慢性炎症过程的证据。 CCL11也参与过敏反应和哮喘进展。有人建议将其作为预后的生物标志物，并作为未来抗衰老药物策略发展的候选药物[227,228]。4.4. CCL27老年人中C-C基序趋化因子配体27（CCL27）的血浆浓度升高[23]。这种趋化因子将T细胞吸引到炎症部位。牙周疾病患者的唾液中检测到高水平的CCL27 [229]。值得注意的是，这种疾病与发展与年龄有关的心血管疾病的风险有关[57]。此外，CCL27参与自身免疫，癌症和缺氧反应[230,231]。4.5. IL27，IL35和TNF相互作用一些循环的促炎因子会导致造血干细胞（HSC）衰老，从而支持体内所有免疫细胞的产生。例如，TNFα通过ERK / ETS1 / NF-kB途径上调IL27Ra。作为IL27 / IL27Ra信号转导的结果，HSC获得了老化的表型，该表型包括髓样偏见和减少的自我更新。已有研究表明，血液中IL27的水平可能是评估HSC衰老率的重要标志[232]。 IL27浓度的增加还导致应激性骨髓生成，导致腹主动脉病变的发展[233]。在儿童早期，IL27水平已显示极低，但树突状细胞产生细胞因子的峰值出现在成年期，也可能是在老年时[234]。 IL27配体与其Ebi3基因（EBV诱导的基因3）的异二聚体伴侣产物相关。此外，IL27Ra也与IL35 / Ebi3复合物连接[235]。因此，监测血液中诸如IL27，Il35和TNF等因子的水平将刺激检查血液干细胞衰老的新方法的发展。4.6. 可溶性VCAM1和ICAM1血管黏附分子1（VCAM-1）在发炎的内皮细胞上的表达上调。 VCAM-1可以将信号从老年小鼠的血浆传递到发炎的内皮细胞，这可能部分是与年龄有关的神经营养障碍的原因。 ADAM17金属蛋白酶裂解VCAM-1，从而阻断炎症环。血浆中可溶性VCAM-1（sVCAM-1）浓度的增加是老年人血管内皮活化，炎症和健康下降的征兆[47]。细胞间粘附分子1（ICAM-1）促进淋巴细胞向发炎组织内的浸润。其表达在内皮细胞上调。在抗炎性环激活过程中也会被裂解。血浆中ICAM-1（sICAM-1）可溶性形式的年龄相关积累是老年人健康下降和虚弱的指标[236]。肾素-血管紧张素系统（RAS）在调节血压，电解质平衡和血管张力方面起着关键作用。它还通过激活VEGF-A，bFGF的合成来诱导血管生成，并可以通过增强金属蛋白酶的合成以及sICAM-1和sVCAM-1的表达来调节炎症反应。血浆中两种分子的长期存在是局部发炎的信号，是癌症转移的信号[24,237,238]。4.7. vWFvon Willebrand因子（vWF）是在一项遗传性出血性疾病的研究中发现的。它参与血凝块形成的早期阶段。当血小板聚集在出血部位时，vWF就像胶水一样，帮助它们凝聚在一起以阻止失血[239]。同样，对于任何组织损伤或炎症，vWF支持募集血小板和白细胞至发炎和受损的病灶[240,241]。在所有这些病理条件下，vWF合成得到增强，因此，其在循环中的存在增加了[240]。血液中vWF蛋白水平的升高是指示剂，也是导致慢性内皮发炎的原因之一，并且免疫血栓形成。该分子调节内皮表面的活化和组织渗透性，使淋巴细胞向炎症部位浸润[240-242]。在衰老过程中，发炎的表型发炎并堆积衰老细胞后，vWF水平升高[241]。血液中vWF蛋白水平的升高是指示剂，也是慢性内皮炎症和免疫血栓形成风险的原因之一。该分子调节内皮表面的活化和组织渗透性，使淋巴细胞向炎症部位浸润[240,242]。在衰老过程中，发炎的表型发炎并堆积衰老细胞后，vWF水平升高[241]。它也通过激活血管表面而参与动脉粥样硬化斑块的形成[243]，并被认为是与年龄有关的疾病（包括糖尿病，中风，心肌梗塞和败血症）的预测生物标志物[240]。因此，对于生物衰老研究而言，血浆vWF水平是慢性内皮组织炎症的极佳早期指标。4.8. TIMP2-抗发炎金属蛋白酶的组织抑制剂（TIMPs）是基质金属蛋白酶的内源性抑制剂。新生儿的脐带血血浆中含有大量的TIMP2[26,244]。此外，对共生动物模型的实验表明，需要系统性的TIMP2库来维持正常的海马功能并改善年长动物的认知功能[26,109,245]。 TIMP2在小胶质细胞中组成性表达，但在炎症过程中被显着抑制[245]。随着年龄的增长，人和小鼠的TIMP2血浆水平都会下降[244]。粪甲虫糖胺聚糖的抗衰老和抗癌作用与TIMP2的上调和糖胺聚糖的抗炎活性有关[246]。但是，另一项研究报道了TIMP2与癌症进展的相关性[247]。TIMP2的抗炎抗衰老作用表明小分子或其他内在因素金属蛋白酶抑制剂可减轻与年龄有关的炎症。 4.9. 可溶性和馅饼1衰老细胞的积累是引起衰老和发生慢性衰老相关疾病的主要过程之一。近来，已显示清除衰老的神经胶质细胞可防止小鼠的神经退行性过程，认知功能障碍和与年龄有关的疾病[248,249]。抑制FOXO4与p53的相互作用可诱导衰老小鼠的衰老细胞凋亡，并恢复其组织稳态，适应性，毛皮密度和肾功能[250]。此外，炎症条件可刺激细胞衰老，反之亦然，衰老细胞分泌促炎细胞因子并诱导衰老的反馈回路[31,251]。将衰老细胞移植到幼小的动物中会导致身体机能障碍并加速宿主的衰老[41]。因此，监测衰老细胞池将允许以更高的生理学准确性确定个体的生物学年龄。纤溶酶原激活剂系统由尿激酶型纤溶酶原激活剂（uPA）及其受体（uPAR）组成。丝氨酸蛋白酶抑制剂（serpins），包括纤溶酶原激活物抑制剂-1和-2（PAI-1和PAI-2），有助于纤维蛋白溶解，细胞黏附和迁移，但在细胞衰老和肿瘤发展中也起着至关重要的作用。最近报道了衰老细胞分泌PAI-1 [252]。此外，用化学抑制剂TM5441阻断PAI-1可以减少心肌细胞，内皮细胞和成纤维细胞中与年龄相关的细胞衰老[253]。内源性蛋白质激肽抑制素可预防血管损伤。它可以通过减少PAI-1的表达来促进端粒酶活性，抑制氧化应激并抑制内皮祖细胞TNFα诱导的衰老[254]。最近的研究表明，uPAR还可以在衰老细胞的表面表达[255]。可溶性uPAR的血浆浓度与炎症和加速的生物衰老相关。可溶性uPAR水平高的人的认知功能和体育活动下降幅度更大[256]。因此，可溶性uPAR和PAI-1可能是生物衰老的优秀生物标志物。 点击：查看更多生物学文章免责声明：福昕翻译只充当翻译功能，此文内容及相关信息仅为传递更多信息之目的，仅代表作者个人观点，与本网无关，版权归原始网站所有。仅供读者参考，并请自行核实相关内容。若需要浏览原文、下载参考文献等，请自行搜索文中提到的原文网站进行阅读。来源于：mdpi
2020-12-17 20:02:00
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血液循环因子能否发挥作用并延缓您的生物衰老？（上）
血液循环因子能否发挥作用并延缓您的生物衰老？（中)血液循环因子能否发挥作用并延缓您的生物衰老？（结论)Natalia Rybtsova1，Tatiana Berezina 2，Alexander Kagansky 3，*和Stanislav Rybtsov 1，*1 英国爱丁堡大学EH16 4UU，爱丁堡大学再生与修复研究所再生医学中心； rybnat@yahoo.com2 莫斯科国立心理学大学极端心理学科学基础系教育，127051莫斯科，俄罗斯； tanberez@list.ru3 远东联邦大学生物医学学院基因组和再生医学中心，俄罗斯符拉迪沃斯托克690922* 通信：kagasha@yahoo.com（A.K.）; srybtsov@ed.ac.uk（S.R.）;电话：+ 44-1316519540（S.R.） 收到：2020年11月12日;接受：2020年12月14日;发布时间：2020年12月15日 摘要：根据世界卫生组织的资料，在未来30年中，发达国家60岁以上的人口将增加一倍，这将迫使退休年龄进一步提高，并增加医疗保健系统的负担。因此，存在一个严重的问题，即保持健康和延长积极的工作寿命，以及实施早期监测和预防早衰和与年龄相关的疾病，以避免早期残疾。传统的生物年龄指标并不总是能提供信息，通常需要进行广泛而昂贵的分析。血液因子研究是一种简单易行的评估个人健康状况的方法，并以新的客观标准补充了人的生物学年龄的传统指标。随着年龄的增长，生长发育，组织再生和修复的过程逐渐减少。它们逐渐被增强的分解代谢，炎性细胞活性和胰岛素抵抗所取代。支持炎症环的衰老细胞数量增加；自噬和线粒体的细胞清除速度减慢，从而导致线粒体和细胞损伤以及功能障碍。对循环血液因子的监测不仅反映了这些过程，而且还可以建议采取医学干预措施，以预防或减缓与年龄有关的疾病的发展。我们回顾了最近出版物中讨论的与年龄有关的血液因素，以及为健康和积极长寿而减缓衰老的方法。 关键词：老化代谢失调;血液因素炎;衰老;老化的生物标志物；生物时代 1. 介绍 由于个体的生活方式和环境因素的随机影响，以及决定个体发育的遗传和表观遗传因素，个体的生物学年龄可能与日历年龄大不相同[1]。通常使用生物的形态，生理和功能特征来估计生物年龄，并将其与相同日历年龄的其他个体的平均生物年龄进行比较[2-5]。特别是，对血管系统状态的研究通常用于评估生物学年龄[6]。决定生物年龄的衰老率还取决于各种因素，包括饮食和不良习惯[7,8]。由于与社会动荡和个人问题有关的压力，个体的衰老会加速[2,9]。对个体生物学年龄和衰老标记的鉴定进行评估，对于预测寿命，评估与年龄有关的疾病的风险以及为快速发展的抗衰老研究制定出可保护性的可保护性参数[10-14]是必不可少的。 在发达国家和发展中国家退休年龄逐渐增加的情况下，这对于延长现代社会的就业年龄和积极的寿命尤为重要。因此，对大数据的分析，包括与生物衰老相关的各种遗传，代谢和医学指标，表明饮食限制[15,16]，体重减轻，运动[17,18]，甚至是肠道菌群的改善。 [19-22]可以逆转衰老标志物的上升，并预防包括肥胖症，糖尿病，癌症等在内的病理状况，显示出有望增加全球人口的平均平均活跃寿命[23,24]。衰老是多种疾病（例如免疫缺陷，心血管疾病，糖尿病，癌症和各种神经系统疾病）的主要潜在危险因素。尽管数十年来在研究和临床投资上做出了巨大的努力，但仍没有针对这些疾病中许多疾病的有效治疗方法，并且衰老降低了治疗方法的有效性[13,25,26]。我们认为有两种方法可以延长积极的健康寿命：防止过早衰老和防止老年性疾病的发展。了解衰老和与年龄有关的疾病的原因对于实施这些策略至关重要。衰老是所有人体组织逐渐退化的复杂过程。出生后，在我们的成长和发展过程中，形成了身体的新结构和组织。在成年期，这种从头开始的形成和生长停止了，逐渐转向维持身体功能和各种系统的平衡。随着年龄的增长，身体系统的失衡加剧，导致对器官和组织失去控制，分解代谢和枯萎[27]。尽管尚未发现衰老的完整遗传程序，但科学家们已经鉴定出许多影响衰老和寿命的基因和过程[10,14,27–30]。衰老的主要机制之一是衰老细胞在所有器官和组织中的积累[25,31]。感染或占优势的肠道微生物群引起的炎症会耗尽免疫系统[19,20,32]。促炎细胞因子水平升高会引起局部组织损伤。受损细胞和组织的修复是一个非常耗能和耗资源的过程[33]。生长因子和激素信号显着激活脂质代谢，蛋白质合成和增殖，因此，细胞中“秩序”的维持被迫取消。自噬和线粒体被抑制，去除自由基的酶的分泌减少。总而言之，所有这些都会导致线粒体受损和暂时性细胞功能障碍的积累[33,34]。再生后，电池清洁和维护重新开始，并且电池功能恢复正常。这尤其是干细胞的特征，干细胞在扩增和分化过程中负责受损组织的再生和恢复[35]。但是在慢性炎症中，细胞不易于清洗（自噬和线粒体吞噬），而容易衰老[36]。这些代谢增加的衰老细胞获得了所谓的衰老相关的分泌表型：它们开始释放大量的促炎因子[37]。出现病理循环-炎症随着年龄增长而增加，因此衰老或耗尽的细胞数量增加。由于再生干细胞的加速老化或/和枯竭，再生受到阻碍。炎症反应的增强和衰老细胞的积累是相互依赖的过程，通常被称为“ senoinflammation” [25,38]。当使用能消除衰老细胞的抗衰老药物[39-42]和抗炎治疗[43,44]时，成功地减缓了与年龄相关的变化，从而证实了这一概念的准确性。炎症性衰老还影响造血干细胞和祖细胞（HSPC）[45-49]。其特点是与年龄相关的造血功能和免疫功能紊乱，年轻细胞数量减少，循环中衰老细胞数量增加，吞噬细胞减少，从而能够从积累的转化细胞和陈旧细胞中清除组织。免疫系统的这种衰老会降低免疫监视的水平，从而导致出现慢性感染和恶性增生性疾病[50]。造血细胞不仅具有从衰老细胞和感染中清除组织的免疫功能，而且还可以向循环血液中分泌大量促炎，抗炎和再生因子[51]。血液向所有器官和组织输送营养，氧气，激素和生长因子。此外，它还将订单发送给整个身体并控制免疫系统[52]。与年龄相关的血液循环因子变化反映了衰老的过程和机制。这些因素在医学上的实现将其传递到血液中，从而可以将信号传递至调节和监测衰老的体内系统[27]。在本文中，我们概述了有关最重要的衰老报告者的最新研究。这些是代谢，激素和炎症因子，可提供生物学年龄的客观标准。此外，其中一些因素直接影响老化过程。在本文中，我们将仅关注血浆中可测量的因素。2. 血浆生物化学和血管动力学的年龄相关变化无论是在动物实验还是在人体实验中，许多关于放松条件下的血流速度的研究都没有发现其随年龄的增长而显着降低。但是，在压力下，年轻的动脉相比年长的动脉会大大扩张。此外，在年长的动物中，控制血管张力和收缩的感觉神经元数量也明显减少[53]。毛细血管的数量随着年龄的增长，横截面的变化以及局部血栓形成的可能性的增加而减少[54]。显然，即使老年人的血小板数量略有下降，血纤蛋白原含量的增加也会影响血液的凝结[55,56]。血浆中纤维蛋白原浓度随年龄的升高既反映了系统性炎症的升级，又反映了血管内皮的年龄相关变化（表1）[57]。表1.血管疾病，代谢产物，脂质和氧化还原剂是与年龄有关的疾病的危险因素及其对寿命的影响。匆忙的机体功能障碍的风险随年龄增长而增加。例如，传统上在临床实践中使用的血尿素氮与肌酐之比（BUN /肌酐）也与急性心力衰竭相关[58]。随着年龄的增长逐渐增加的另一个可靠的衰老标志是白蛋白/肌酐比值，称为尿微量白蛋白。微量白蛋白含量很高与糖尿病和高血压有关，可能引发肾功能不全和衰竭[59]。众所周知，血钙水平也会随着年龄的增长而增加，特别是与肾功能不全相关时。也已经表明，在老年时，钙水平的突然下降或升高会导致较高的过早死亡风险[57,60]。血细胞参数随年龄的增长而降低，例如总淋巴细胞计数，红细胞计数，血红蛋白和血细胞比容，通常用于评估健康状况[56]。众所周知，男性（约15.5至12.3 g / dL）和女性（约13.5至11.5 g / dL）的年龄在50至90岁之间，血红蛋白水平都会下降[61]。然而，这种相关性更确切地描述了随着年龄的增长，病理性贫血的发生率增加。有健康的衰老个体具有稳定的血红蛋白水平[57]。新的分析方法使人们能够识别随年龄变化的各种血浆附加成分。它们在衰老中的作用以及使用它们评估生物学年龄的可能性仍有待阐明。2.1. 血脂脂质的总含量及其种类（脂质组）会随着年龄的增长而衰减，可以被视为健康脂质代谢的年龄相关预测指标。血浆中脂质体的质谱分析表明，某些特定脂质的浓度与年龄有关，而与体重指数无关；它们包括胆固醇，鞘磷脂和含二十二碳六烯酸的磷脂[62]。不同类别的胆固醇和炎症因子浓度的年龄依赖性增加与心血管疾病的风险和寿命的缩短相关[63-65]。炎症和衰老过程中血浆中含三酰基甘油的多不饱和脂肪酸（PUFA）积累与寿命负相关，而血浆中鞘磷脂浓度与寿命正相关[66]。最近的一份报告确定了一组与年龄相关疾病组合风险相关的生物标志物。对44,168人的代谢谱监测发现了10种与10年全因死亡率相关的生物标志物。它们包括脂蛋白，脂肪酸和糖酵解代谢产物，体液平衡标志物和炎症因子[67]。另一项研究揭示了与全脂类血浆浓度相关的遗传标记，以及与心血管疾病风险相关的脂修饰[68]。2.2. NAD+/ NADH指数NAD +及其前体水平的年龄依赖性降低会导致线粒体功能障碍和代谢紊乱的累积。NAD+的组成水平取决于NAD合成与消耗NAD +的酶活性之间的平衡。 NAD +对于炎症过程中造血细胞的免疫功能至关重要。与衰老相关的所有过程，包括炎症，局部缺血，代谢失衡，变性细胞状况，均会抑制NAD +的产生；因此，每20年NAD+的浓度会降低两次[69,70]。 NAD +的生产也依赖饮食。高蛋白摄入会导致血浆NAD +水平降低[71]。最近的研究发现CD38-NADase是NAD +的主要消费者，并且是与年龄相关的NAD +下降的媒介[72]。 CD38在大量免疫细胞上表达，包括B细胞，T细胞，NK细胞和一些髓样细胞。此外，CD38在大量淋巴白血病细胞中大量表达。考虑到NAD +功能在所有代谢过程中的重要性，动物实验表明，通过化学抑制来阻断CD38依赖的NAD +摄入可以改善小鼠的健康和寿命[73]。 2.3. 赞美活性氧（ROS）会引起氧化性细胞损伤。 ROS随年龄增长而增加；降低ROS水平可减少年龄相关的功能衰退。例如，最近开发了一种方法，用于通过其衍生物的数量-活性氧代谢物（D-ROM）以及通过指示巯基氧化还原回收系统状态的硫醇蛋白基团的浓度来评估ROS的量。总硫醇水平（TTL）。这项技术可以发现与年龄相关的变化与D-ROM和TTL标记的积累之间的相关性。 D-ROM水平和TTL浓度还与心血管疾病，肿瘤疾病和糖尿病的过早死亡率相关[74,75]。基于氧化还原的平衡机制也基于S-亚磺酰化蛋白Cys-SSH向Cys-SSOH（半胱氨酸过硫代亚硫酸，氧化形式）的转变。Cys-SSH被广泛认为是一种细胞氧化还原传感器。蛋白质的亚磺酰基半胱氨酸（Cys-SSH）可以被ROS反向氧化，从而降低自由基的水平[76,77]。由于Nrf2表达（核因子红系2 p45衍生的因子2）的减少，对消除自由基和其他毒素的遗传控制随年龄的增长而降低[78]。反过来，Nrf2控制抗氧化剂蛋白，解毒酶，药物转运蛋白和许多细胞保护蛋白的表达。此外，Nrf2通过响应增强剂（SOD是ROS的重要中和剂）直接掌握超氧化物歧化酶（SOD）的表达[78-80]。 Nrf2还可以通过直接调节抗氧化酶功能来保护线粒体，通过上调Sirtuin（SIRT）来增加自噬水平，并通过抑制NF-kB来减轻炎症[81]。2.4. 硫化氢可溶于血浆的硫化氢（H2S）在生物系统中作为氧化还原传感器也起着基本作用[82]。产生H2S的CSE（胱硫醚γ-裂合酶）的发现表明，该分子不仅是环境毒素。这有助于了解H2S在动态平衡，免疫细胞，组织和器官功能管理中的作用[83]。在无脊椎动物的实验中，硫化氢/半胱氨酸过硫化物（H2S / Cys-SSH）生产者的基因缺失缩短了动物的寿命，而促进H2S则大大增加了寿命。血浆中H2S浓度随年龄的下降可能是与年龄有关的变化的客观指标[82,84,85]。 H2S和上述Cys-SSH可以通过荧光和Dimedone开关标签方法轻松测量[82,86]。最近，已经表明H 2S参与伴侣功能的调节。控制H2S产生的酶CSE/CTH / CGL（胱硫醚-γ裂解酶），CBS（胱硫醚-β-合酶）和MST（3-巯基丙酮酸硫转移酶）与HSP22的抗逆性，老化和应力依赖性调节有关， HSP70和HSF1 [87,88]。伴侣蛋白在适应性应激中起重要作用，并且可以直接调节与寿命相关的Foxo3基因的表达（Forkhead box O3）[89]。产生H2S的酶缺乏会导致高血压，而在动物研究中施用化学H2S供体可降低血压并防止器官损伤[90]。 MST是一种涉及骨骼矿化的气体递质H2S酶。最近有文献报道其在预防骨关节炎发展过程中软骨钙化中的作用[91]。此外，还发现氧化应激，Cys-SSOH的剥夺或抑制作用伴随着CGL（胱硫醚γ-裂解酶基因）表达的增加，导致H2S的产生与mTORC1保持负平衡（与蛋白质合成有关）。 H2S的增加是限制热量摄入饮食有效性的关键指标[92]。血浆中的H2S浓度也能够调节炎症反应，具有抗氧化特性并调节血管舒张作用[93]。血浆中H2S的浓度会随着年龄的增长而逐渐降低，因此，可以将其作为生物学年龄标记[85]。 H2S供体化学物质硫代硫酸钠已被成功用于临床试验，以治疗晚期肾脏疾病患者的钙减少症[94]。不过，由于硫代硫酸盐的副作用，有必要寻找新的硫化氢供体[90,94]。维持血液中的H2S平衡可能是开发抗保护性疗法的有前途的策略。2.5. β2-微球蛋白作为主要组织相容性复合物（MHC）一部分的β2-微球蛋白（β2M）存在于血小板，淋巴细胞和单核细胞的表面。 β2M的表达受干扰素和促炎细胞因子的调节，其功能对于免疫监视至关重要。它稳定MHC以建立抗原呈递。血小板衍生的β2M是单核细胞促炎性分化的介质，并可能在癌变过程中或作为心肌保护剂发挥分子伴侣的作用[95]。由于炎症反应，血浆中会发生β2M的蓄积，但通过肾脏过滤可积极消除。随着年龄的增长，肾功能下降会导致血浆β2M量逐渐增加，并引起与年龄有关的认知功能和神经再生过程的损害[95-97]。血液中β2M的存在会引起淀粉样原纤维的形成和沉积（淀粉样变性），这是许多病理状况的原因。这个过程可能与慢性炎症和衰老有关，可能是阿尔茨海默氏病，帕金森氏病和II型糖尿病的基础[98]。淀粉样变性在长期透析后也会发生，因为现代系统无法释放大分子，例如β2M。这就是为什么该分子被认为是肾脏滤过效率的标志[99]，全因死亡率以及其他健康下降和疾病风险病例的预测因素的原因[100]。还证明了血清β2M水平与老年人的虚弱（慢，无力，低体力活动，疲惫和萎缩）之间的关联[101,102]。因此，β2M被认为是几种与年龄有关的炎症性疾病的预测指标。3. 与衰老相关的循环激素和生长因子血浆成分的浓度随年龄而变化。其中一些是自然衰老的指标，同时可能直接影响，增加或减少衰老的速度。通过共生模型，将年幼和老年的动物通过外科手术缝合在一起，可以测试血浆成分如何影响健康和衰老率（图1）[103,104]。在共生生物模型中，在骨骼肌，心脏，肝脏和中枢神经系统中观察到改善老动物健康指标的作用，以及在年轻供体小鼠中这些器官和组织的同时退化[105-108]。此外，将年幼小鼠的血浆注入年老小鼠中会增加衰老海马中环状AMP反应元件结合蛋白（CREB）的表达。这导致神经元的可塑性增强和认知功能改善[109]。最近对幼小和年老的共生动物表达谱的研究确定了与血管系统再生相关的基因复合物，包括改善的线粒体功能和对氧化应激的反应[52]。从血浆中分离出活跃的年轻化因子是一项重要的策略，因为共生体本身在临床上是无法翻译的：从伦理上说，年轻人到老年人的输血是不可接受的，并且充满多种副作用[110-113]。此外，在功能上与衰老相关的关键因素是用于生物年龄估算的优秀生物标记。本章讨论了最明显的与年龄相关的因素（图1，表2）。3.1. TGF-β超家族转化生长因子β（TGF-β）超家族包括几个分子，例如骨形态发生蛋白（BMP），生长分化因子（GDF），激活素等。它们调节胚胎中的组织形态发生，并参与成人的几个生物学过程，例如细胞静止，凋亡，分化，增殖和细胞迁移，尤其在造血功能的调节中起关键作用。它们的异常表达与许多疾病和衰老的发病机制有关[114-116]。 图1.共生生物小鼠模型：循环因子对生物衰老的相互影响。在年轻的生物体中，生长和再生，胰岛素敏感性高，细胞清洁（自噬，线粒体吞噬）水平提高的过程胜过衰老细胞的积累，胰岛素抵抗，肌肉和其他细胞的分解代谢以及慢性炎症的过程。 （发炎）特定于旧生物。粉色箭头表示主要存在于年幼动物血液中的因素。蓝色箭头显示过程和因素-生物年龄增长的指标。显示了具有外科手术连接的血管系统和常见血液循环的共生模型，在该模型中，成年小鼠和成年小鼠之间交换了因子和细胞。该模型可以评估血液因素对生物衰老的影响。使用共生模型检测了图中所示的几个因素（第3章中的附加说明）。 sVEGF和sICAM1表示蛋白质的可溶性形式。 “ EGF +炎症”显示高水平的EGF信号传导与高水平的炎症因子结合，导致内皮细胞衰老。文本中解释了分泌蛋白的所有名称。我们根据https://www.genecards.org使用基因名称和蛋白质缩写。 表2.与衰老有关的生长因子，激素和炎性因子的动力学。TGF-β因子的典型功能是通过c-Myc（增殖调节因子）和白介素受体的转录下调以及诱导细胞休眠的细胞周期蛋白依赖性激酶的抑制剂来抑制生长。因此，TGF-β在许多过程中作为抗炎因子起作用。在衰老期间，TGF-β表达升高。令人惊讶的是，随着年龄的增长，这种升高导致神经源性海马海马，骨骼肌的肌源性海马中促炎性利基细胞的扩增。通过这种方式，TGF-β增加了炎症，而不是其抑制免疫应答的典型作用。Alk5抑制剂阻断TGF-β信号传导可降低β2-微球蛋白水平，并增强小鼠的神经元和肌肉再生[110,117]。激活素与特定的II型受体A（ActRIIA）或B（ActRIIB）结合（分别针对激活素A或B）。这种结合刺激了细胞质蛋白Smad2和Smad3的磷酸化，从而将信号转导传递到细胞核中[118]。除激活素的发育作用外，它们还与炎症有关[119]。其他TGF-β超家族成员，生长分化因子8和11（GDF8或肌生长抑制素，和GDF11）以及激活素，还通过SMAD2 / 3向核传递信号，以调节多种过程：神经发生，肾脏和内分泌胰腺发育，肌肉和心脏再生。 GDF11蛋白序列与GDF8 90％相同，但是它们作为ALK4 / ActRII信号的配体发挥不同的作用[118,120,121]。血浆中的几种TGF-β超家族成员，包括GDF8（肌生长抑制素），GDF11和激活素A被认为是衰老的指标，并讨论了它们在衰老过程中的可能参与[118,122]。此外，GDF8（肌生长抑制素）在减缓许多动物物种的产后肌肉生长中起着重要作用。此外，GDF8的突变导致衰老小鼠的心脏功能改善[123]和脂肪代谢正常化[124]。因此，随着年龄的增长其水平会导致骨骼肌和平滑肌的退化[125]。GDF8激活素的天然拮抗剂是卵泡抑素。在肌肉萎缩症小鼠模型中静脉给予卵泡抑素可改善肌肉再生[126]。GDF8的缺失产生了超肌肉表型，而GDF11的缺失在胚胎中是致命的，并且与包括血管和肌肉萎缩在内的广泛发育缺陷有关。 IGF11还参与海马神经元和血管再生期间血管细胞的发育和粘附[127,128]。皮肤细胞中GDF11的缺失会影响真皮基质成分的产生，并与皮肤老化有关[129]。与这些研究一致的是，老年人血浆中GDF11浓度的降低与老年性肌营养不良有关[130]。静脉内给药时，GDF11能够逆转与年龄有关的心脏肥大[122,131,132]，并能防止内皮损伤[128]。但是，长期的 全身注射GDF11可引起恶病质（虚弱和体重减轻）[133]。另外，高浓度的GDF11可能导致红细胞成熟的最后阶段延迟并导致贫血[134]。尽管关于GDF11对预期寿命和恢复活力的影响的报道相互矛盾，但血液中GDF8和GDF11的水平可以用作心血管风险的预测性生物标志物。血浆GDF11含量降低也与健康受损，神经变性和死亡风险相关[118,122,128]。近来，激活素A已显示会影响灵长类动物肌肉质量的形成[135,136]。激活素A以及GDF8和GDF11的主要受体是激活素IIB受体（ACVR2B /ActRII），它通过SMAD2 / 3传递信号至负责组织分解代谢的关键基因的启动子。在血浆中检测到的ActRII信号报告基因之一是卵泡抑素样3蛋白（FSTL3）。血液中FSTL3的水平与年龄有关[118]。 FSTL3已被提议作为心血管系统加速衰老和心脏功能障碍风险的指标。有趣的是，FSTL3抑制了ActRII受体配体，因此GDF8和GDF11的总库随着年龄的增长而减少。但是，激活素A的水平增加。激活素A可能与FSTL3的抑制作用无关。随着年龄的增长，肌肉和心肌的退化与血浆中激活素A含量的增加有关[137,138]。此外，ActRII的完全阻滞可保护心肌免受小鼠诱发的梗塞[139]。 ActRII信号传导不仅对心肌有多种作用，而且对血细胞也有多种作用。 FSTL3在红细胞的产生[140]和血统的克隆形成前体的粘附[141]中起着重要作用，这可能与造血过程中与年龄相关的变化有关。ActRII受体的分解代谢功能取决于激活该信号通路的配体类型。与衰老相关的ActRII的另一个重要的TGF-β超家族配体是骨形态发生蛋白（BMP9）[121]。 BMP9的阻滞导致发育过程中的出血，表明其在维持血管内皮结构中的作用[142]。 BMP9通过另外的内皮特异性衔接子受体内皮糖蛋白（ENG）与ActRII相互作用[143]。 ENG衰减到SMAD3的BMP9信号。代谢综合征和肝硬化期间BMP9水平降低，而ENG水平升高[144,145]。人们对BMP9信号的兴趣日益增长，也促使人们对BMP9/ ENG在组织纤维化中的负作用进行讨论[121]。另外，BMP9参与脂质稳态和葡萄糖代谢的调节。这种激素可以减少肝中糖原的积累。通过提高胰岛素的合成和增加组织的胰岛素敏感性，BMP9增强了肌肉组织的葡萄糖消耗并促进了肌肉组织的转变。白色脂肪组织到棕色脂肪组织[115]。ActRII信号通路抑制剂的种类繁多，以及其复杂的转录后成熟调控，使人们对它们在衰老中的作用及其在检测生物学年龄中的用途的理解模糊了[131]。总之，所有这些研究都可能建议监测TGFβ，BMP9，GDF11，GDF8，激活素A和FSTL3，作为评估与年龄相关的健康状况和衰老率的预测平台。 点击：免费使用英文翻译免责声明：福昕翻译只充当翻译功能，此文内容及相关信息仅为传递更多信息之目的，仅代表作者个人观点，与本网无关，版权归原始网站所有。仅供读者参考，并请自行核实相关内容。若需要浏览原文、下载参考文献等，请自行搜索文中提到的原文网站进行阅读。 来源于：mdpi
2020-12-17 19:47:55
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两种苹果品种角质的结构研究：金冠和红冠
来源于：MDPI国家理工学院-CNMN，墨西哥城萨卡特科上校Adolfo López Mateos专业单位，墨西哥CDMX CP 07738； darrieta@ipn.mx（D.A.-B.）; mpereaf@ipn.mx（M.d.J.P.F.）； jmendezm@ipn.mx（J.V.M.-M.）;hfmendoza@ipn.mx（H.F.M.L.）收到：2020年11月30日;接受：2020年12月14日;发布时间：2020年12月16日 摘要：角质层是几乎所有主要的空中植物器官中都存在的保护性表皮屏障，其组成因植物种类而异。作为苹果皮的一部分，表皮蜡和表皮蜡对供人类食用的新鲜水果的皮肤外观和品质特性具有重要作用。通过酶法获得了两个苹果品种“金冠”和“红冠”中角质的具体组成和结构特征，并通过交叉极化魔角旋转核磁共振（CP-MAS13C NMR）进行了研究。全反射红外光谱（ATR-FTIR）和质谱，并通过专门的显微镜技术（原子力显微镜（AFM），共聚焦激光扫描显微镜（CLMS）和扫描电子显微镜（SEM））进行形态表征。根据CP-MAS 13C NMR和ATR-FTIR分析，两个品种的角质均主要由脂肪族组成，并且它们之间显示出很小的差异。通过质谱分析水解角质分析证实了这一点，其中9,10,18-三羟基-十八烷酸; 10,20-二羟基二十烷酸; 10,16-二羟基十六碳烯酸（10,16-DHPA）; 9,10-环氧-12-十八烯酸;分离出的主要单体是9,10-环氧-18-羟基-12-十八烯酸。所获得的角质中多糖和酚类的含量较低，可能与这种生物复合材料的低弹性行为以及苹果角质表面上存在裂纹有关。这些裂纹在金苹果中的平均深度为1.57 µm±0.57，在红苹果中的平均深度为1.77 µm±0.64。这项工作获得的结果可能有助于更好地理解苹果果实表皮的机械性能主要与角质的特定脂肪族成分有关，并有助于更好地研究微裂纹的形成，而微裂纹是赤褐色形成的重要症状。 关键词：角质；表皮;家蝇CPMAS 13 C NMR;原子力显微镜CLMS；扫描电镜1.介绍墨西哥的苹果产量在2019年接近67.9万吨，高于2018年的54.7万吨[1]。通常，墨西哥的新鲜苹果产量被其消费量所赶超，墨西哥苹果的出口几乎停滞，奇瓦瓦州是主要出口国，主要出口到美国（627吨）和伯利兹（22吨），在最近两年[2]。苹果和其他水果一样，例如橘子，柠檬，葡萄柚，草莓等，都被连续的细胞外角质层覆盖[3-5]。这种表皮可以保护苹果免受环境压力 例如风，温度，化学物质和干旱，不仅附着在树上，而且在储存过程中也是如此。先前的研究表明，表皮对这些阻隔性能的贡献最大。没有它，苹果很容易感染霉菌。物理伤害;尤其是水分损失[6,7]。植物角质层是由角质聚合物制成的基于脂质的复杂生物复合物，并被称为“蜡”的非聚合表皮脂质填充[8]（方案1）。先前的报告显示，家蝇属水果中的蜡成分可能包含烃，醇，醛，脂肪酸，二醇，酯，B-二酮，萜类化合物和酚类化合物。这些表皮蜡的重要性先前已有报道。方案1.水果表皮的示意图组织。 角质素主要由羟基和环氧羟基C16和C18脂肪酸和甘油组成，但其组成因植物种类，发育阶段[3,9,10]，器官和环境胁迫[11,12]而异。角质成分的这种变化影响角质层的结构和性质。例如，角质成分的变化与植物对病原体多角形[Erysiphe polyi] [13]和灰葡萄孢[Botrytis cinerea] [14]的抗性相关。一些化学物质的共价键合可能涉及特定的含环氧基的角质单体[15]，角质组成也与角质层的机械性能有关[16]。实际上，羟基可以增强角质基质的亲水性，从而具有更高的弹性[17]。最后，角质单体组成决定了羟基含量，从而影响通过聚酯键的交联[18,19]。不同的研究表明，苹果表皮中早期存在微裂纹在生长季节，它们会变大，并在季节结束时在表面形成网络[6,20,21]。裂纹的存在使苹果果实容易出现表面紊乱，例如赤褐色或皮肤斑点，从而导致经济损失[22-24]。这些疾病与包括蜡组成在内的不同因素有关[6,24,25]。但是，我们认为，对角质成分的更好了解将为角质层的超微结构和力学性能提供更多的知识。在这项工作中，通过CPMAS 13C NMR，ATR-FTIR和MS获得了来自两个苹果品种的两个角质，分别是“金黄色的美味”和“红色的”。根据这些分析，两种苹果角质素均主要由脂族成分组成，其中主要单体为9,10,18-三羟基十八烷酸； 10,20-二羟基二十烷酸; 10,16-二羟基十六碳烯酸（10,16-DHPA）;9,10-环氧-12-十八烯酸;和9,10-环氧-18-羟基-12-十八烯酸。这些角质中多糖含量低，很容易形成通过CLMS，AFM和SEM观察和分析的微裂纹。 2.结果与讨论 2.1.交叉极化魔术角自旋13 C核磁共振（CPMAS 13C NMR）和衰减全反射傅立叶变换红外光谱（ATR-FTIR）对“金冠”和“红冠”苹果角质的分析根据报道的酶处理方法分离苹果角质[26]，并通过CPMAS 13CNMR和ATR-FTIR进行分析。对于这两个苹果品种（图1 –金色和图1 –红色），主要的共振分配如下[27]：散装亚甲基（20–40 ppm），是最突出的峰。较小的峰归属于氧化的脂肪族碳（55-85 ppm）；芳烃和烯烃（105-155 ppm）；和羰基（173ppm）。除了这些信号组以外，还可以分配那些属于碳水化合物部分的信号（即使在碳原子数为60时为C6，70-75 ppm时为C2,3,5，83 ppm时为C4，105 ppm时为C1）。比例很小。两个角质中均存在56和64 ppm的峰。这些峰归属于环氧环氧长链脂肪酸（参见补充材料S1-S4）。 图1.来自“金冠”和“红冠”苹果的角质的交叉极化魔角旋转核磁共振（CPMAS 13C NMR）光谱。除了分配的碳水化合物峰外，还检测到环氧化合物，因为它们的信号在δ56和64ppm处。 ATR-FTIR光谱学已被用于原位表征分离的角质的功能化学基团及其在表皮水平与外源性化学物质的相互作用[28,29]。 ATR FT-IR分析“金色美味”和“红色美味”苹果角质素（分别为图2，金色和红色）显示3365cm-1左右的宽带与多糖级分和残留的羧酸，以及2918和2849cm-1处的强带，归因于CH2的不对称和对称拉伸振动，并伴随着大约1468、1313和725 cm-1处的相应弯曲振动。2.2.苹果角质碱水解（KOH / MeOH）产品的直接注射电喷雾质谱（DIESI-MS）分析为了完成对“金冠”和“红冠”苹果角质素的研究，通过分析这种重要生物聚合物中存在的主要单体进行了碱水解。在两种情况下，约95％的表皮材料都被水解。碱性的可溶性产品通过负离子模式的直接注射电喷雾电离质谱（DIESI-MS）分析水解（见补充材料S5），通过ms / ms分析鉴定的化合物见表1。 图2.来自“金黄色美味”和“红色美味”苹果的角质的衰减全反射红外光谱（ATR-FTIR）光谱。 [M-H]-精确：精确的分子量，[M-H] -obs：观察到的分子量，％RA：相对面积％。误差[ppm]：所选峰的测量质量与理论质量之间的偏差的绝对值，以[ppm]为单位。 鉴定出的化合物存在于两种角质中，差异很小。在两个角质中鉴定出的主要成分是9,10,18-三羟基十八烷酸； 10,20-二羟基二十烷酸;和10,16-二羟基十六烷酸（10,16-DHPA）。 10,16-DHPA是在不同的角质中鉴定出的最重要的C16链烷酸之一，例如番茄，柑橘角质层和青椒[30]。在“金色美味”（分别为10.2和4.8％）和“红色美味”中，另外两个重要的单体被鉴定为9,10-环氧-12-十八烯酸和9,10-环氧-18-羟基-12-十八烯酸苹果角质（分别为8.26和4.18％）。 这两种环氧化合物，以及9,10,18-三羟基-12-十八碳烯酸和9,10,18-三羟基-十八碳烯酸，也可以在随后的角质中检测到亚油酸的氧化反应后得到。角质素中C16长链酸占主导地位，这很普遍，并且与以前的角质素报道一致[30]。但是，重要的是要强调这些角质苹果中45％的主要单体中的大多数是C18酸。这些C16和C18单体的存在可能是在ATR-FTIR光谱中在1100 cm-1处检测到宽带酯化的原因。质谱分析未在“金冠”和“红冠”苹果角质中检测到芳香族化合物和碳水化合物，这可能是因为它们的含量较低和/或极性较高，这与NMR分析相符。2.3.苹果角质的共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）CLSM已成功用于植物组织的表皮研究，因为在分析过程中，由于完全没有进行样品的预处理或物理切片，因此细胞保持不变[31]。在这项工作中，CLSM分析了从两个苹果品种“黄金美味”和“红色美味”获得的角质。直接分析没有人工染色或物理切片的样品，由于其自身荧光，可以观察到大多数结构。实际上，在AFM和SEM分析中使用了相同的样品，以更好地比较结构。苹果角质的外表面结构可视化为覆盖有微裂纹网络的光滑表面，这与其他研究的发现一致。这些微裂纹似乎是由四个或更多单元格划定的组，这些单元不一定与肋条相对应（在内表面中观察到）（图3）。图3.共焦激光扫描显微镜（CLSM）显微照片来自“金黄色的美味”（（A）外表面和（B）内表面）和“红色”（（C）外表面和（D）内表面）苹果的角质。 从图3可以看出，对两个面的完整分析表明，即使在表面上观察到不同的裂缝，它们似乎也无法完全穿透角质层结构。2.4. 苹果角质层的原子力显微镜（AFM）通过AFM分析了苹果角质的地形（图4）。对于“金黄色美味”苹果角质膜，其外表面的粗糙度值为Ra = 533.5±44.5 nm和Rq =689±45.2 nm，内表面的粗糙度值为Ra = 1844±69.2 nm和Rq = 2310±79.1 nm，表明内表面的粗糙度较高；这是因为在内侧表面以角质构型形成的肋。在“红色美味”苹果角质中，外表面的粗糙度值为Ra= 390±44.5nm和Rq= 486±49.4nm，内表面的粗糙度值为Ra=1237±103nm Rq＝1514±88.3nm。与“黄金美味”角质苹果的尺寸类似，内表面最粗糙。而且，可以从两个苹果的粗糙度测量中观察到品种认为，“金美味”角质苹果的外表面最粗糙，而与内表面相反，“红色美味”角质苹果的粗糙度更高。除了粗糙度差异外，内部和外部之间的形貌差异可以观察到两个品种的面孔（图4）。在外面，像胰岛这样的结构可以观察到裂缝，并且在内表面也可以观察到胰岛。但是，胰岛由类似于壁的加厚肋来界定。在两个角质苹果品种内表面的肋骨上进行的测量表明，“金黄色可口”角质苹果的高度为3.4±0.7 µm，宽度为10.7±2.9μm，对于“红色可口”而言角质苹果，排骨的高度是7.8 ±2.7 µm，宽度为16.4±5.1 µm。通过这些测量，在“红色美味”角质苹果中，肋骨的高度和宽度更大。这些观察结果与CLMS和SEM分析得出的结果一致。通过CLMS和AFM获得的图像显示了两个苹果角质膜外表面的“小岛”或微裂纹中描绘的一组细胞的特定形成。这些果实的生长和成熟过程中会形成这种裂纹[7]。在此过程中，表皮中可能产生拉应力，导致出现裂纹。对于“红色美味”角质苹果，裂纹更清晰，平均深度为1.6±0.6 µm。对于“金黄色的美味”角质苹果，裂纹的平均深度为1.8±0.6µm，并且定义较浅，因为它们的宽度较宽以及在“红色美味”角质苹果中发现的那些。图4. AFM获得的地形图。图（a–c）来自“金”苹果： (a) 外表面的2D图像以及内表面的（b，c）2D和3D图像；图（d–f）是从“红”苹果中获得的：（d）外面的2D图像和（e，f）里面的2D和3D图像。2.5. 苹果角质的扫描电子显微镜（SEM）分析将用于CLSM分析的相同样品溅射涂覆并安装用于SEM分析。在不同的工作条件下，改变加速电压，工作距离和放大倍数，可以捕获图像。使用二次电子模式进一步记录图像。图5A，5E示出苹果角质层表面覆盖有以微裂纹图案为特征的无定形蜡层，该微裂纹图案的长度，深度和分布图案不仅在栽培品种之间，而且在相同水果的各部分之间也具有相当大的变化。根据图5B，F，无定形蜡层的缩放，裂纹在“红色美味”苹果角质中更深且具有更长的长度。但是，它们没有延伸到与CLMS分析一致的内表面。实际上，根据图5C，G，内表面没有微裂纹的迹象。除了内表面的肋骨网络外，还发现了鳞片状的表皮蜡状晶体（扁平的，通常是多边形的）。晶体，具有明显的边缘，以不同的角度附着在表面上，通常像瓷砖一样重叠）和薄片（没有明显边缘，规则或不规则边缘的扁平晶体，垂直附着在表面上）（图5C，G）。这些板和血小板不规则地分散在无定形蜡层的内表面上，并经常密集地集中在微裂纹的开口内（图5D，H）。在苹果品种和角质苹果切片中，它们的宽度（1.1-5.6µm），高度（0.7-3.2 µm），厚度（0.1-0.4 µm）和密度不同。图5.“金色美味”（（A，B）外表面和（C，D）内表面）和“红色”（（E，F）外表面和（G，H）内表面）的角质的SEM显微照片苹果。 Cr：表皮微裂纹。 fl：表皮蜡片。 据报道，在使用SEM分析的苹果角质中存在片状[7,25]。即使大多数作者都认为这些薄片是表皮蜡状晶体，他们中的一些人仍认为它们是由SEM技术产生的伪影，无法用CLMS或其他显微镜仪器观察到[31]。根据我们以前的研究[32,33]，源自番茄和水果角质的单体和低聚物可以形成良好的组织，形成均匀的膜，因此这些薄片的存在可能对应于聚合过程中脂族化合物的血小板。除了这种水果整个生长过程中的生化变化外，这还会影响皮肤。对于苹果而言，角质的机械性能可能与影响表皮粘弹性行为的化学组成有关。番茄（S. lycopersicum）表皮的研究表明，表皮成分的定量变化会影响表皮的弹性/粘弹性行为[34,35]。特别是，与角质网刚性有关的多糖和一些酚类化合物（如类黄酮）起着生化调节剂的作用[35]。与其他水果的角质素有关的多糖和酚类化合物含量较低，可能会影响这些苹果角质素的弹性，当果实在发育和成熟期间膨胀时，会引发聚酯的断裂。为了阐明多糖在角质的机械行为中的作用以及如何影响其粘弹性，需要进行更多的研究。 3.材料和方法 3.1.化学制品三氟乙酸和组织培养水购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。黑曲霉果胶酶（EC 3.2.1.15），黑曲霉纤维素酶（EC 3.2.1.4）和黑曲霉半纤维素酶（EC 3.2.1.4）购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。其他实验室化学品均为试剂级或更高。3.2.酶法分离“金冠”和“红冠”苹果角质通过公开的三步方案从两个苹果品种的皮肤中分离出角质[26]：（i）通过果胶酶处理去皮并随后分离角质层； （ii）用连续的纤维素酶，果胶酶和半纤维素酶处理酶消化细胞壁多糖； （iii）通过依次用甲醇，二氯甲烷和四氢呋喃进行索氏提取进行彻底脱蜡。3.3.苹果角质碱水解向30mg的角质中加入0.4mL的去离子水和2.0mL的1.5N甲醇KOH。该混合物装有回流冷凝器，并在70–75℃下搅拌8或22 h。使用标准程序，用CHCl3-MeOH提取角质素单体[26]。称重干燥的萃取液，溶解在1.0 mL的CHCl3-MeOH（17：3）中，并通过玻璃棉过滤到自动进样瓶中。基于未水解的物质，计算反应产率。碱水解8小时的典型收率为90–95％。 3.4.固态NMR光谱分析使用在配备有固态NMR的Varian Instruments Unityplus 300宽孔光谱仪（美国加利福尼亚州帕洛阿尔托）上进行的标准CPMAS13C NMR实验分析不溶性聚合物。共振频率为74.443 MHz，通常的采集时间为30 ms，两次连续采集之间的延迟时间为2s，交叉极化（CP）接触时间为1.5 ms。通常，将每个30mg样品装入5 mm转子和Doty Scientific（哥伦比亚，SC，美国）的超音速幻角旋转（MAS）探针中，然后在6.00（0.1 kHz和室温）下旋转约10 h。在主要的羰基或脂族碳峰的上场或下场均未观察到旋转边带。用50 Hz的指数线展宽处理所得数据。3.5.ATR-FTIR光谱分析ATR-FTIR光谱是通过配备了砷化铟镓（InGaAs）检测器的FTIR模块IR2（法国龙朱梅的Horiba Jobin Yvon）和与法国Longjumeau的Horiba Jobin Yvon LabRam HR800光谱仪连接的FTIR模块IR2记录的。使用ATR接触物镜，在4000–400 cm-1范围内记录光谱，光谱分辨率为4 cm-1，每次测量32次扫描。 3.6.原子力显微镜分析使用BioScopeCatalyst模型显微镜（布鲁克，圣巴巴拉，美国，美国）以MESP探针（布鲁克，Camarillo，美国，美国）轻拍模式在空中获取图像。最初，手动选择了六个表皮，每个面约8×8 mm2，三个，每个样本获得一张图像80×80 µm2。使用Nanoscope Analysis软件（版本1.8，Bruker，Santa Barbara，CA，美国）对图像进行分析，从而确定粗糙度Ra（表面粗糙度的算术平均值）和Rq（表面粗糙度的均方根）。此外，对位于两个品种内表面的肋骨的高度和宽度进行了测量。 3.7.共聚焦激光扫描显微镜分析对于CLSM分析，将每个样品固定在玻璃片上，并在CLSM（LSM 710 NLO，Carl Zeiss，耶拿，德国）下用物镜EC Plan-Neofluar 10×/ 0.3观察。激光波长激发同时为405、488、561和633 nm。使用的这种捕获模式是一种光谱成像技术，可自动输出多个标记样品的分离通道。该工具检测香蕉皮的自发荧光信号，并与420至720 nm之间的顾客（纤维素）进行实验比较。 Z-stack图像（3D图像）通过ZEN 2010软件（卡尔·蔡司，耶拿，德国）以512×512像素的RGB颜色捕获，并以8位TFF格式存储。3.8.直接进样电喷雾质谱（DIESI-MS）分析使用在负离子模式下运行的电喷雾电离（ESI）接口（BrukerDaltonics，Billerica，MA，美国）在Bruker MicrOTOF-QII系统上进行DIESI-MS分析。将重悬于1 mL甲醇中的10 µL样品溶液用0.25 µm聚四氟乙烯（PTFE）过滤器过滤，并用甲醇1：100稀释。将稀释后的样品直接注入ESI离子源并以阴性模式进行分析。氮气以4L/min（0.4Bar）的流速用作干燥和雾化气体，气体温度为180℃，毛细管电压设置为-4500V。光谱仪通过ESI-TOF校准调校混合校准液（墨西哥墨西哥埃斯托多的Toluca Sigma-Aldrich）。使用正电和负电喷雾电离（ESI +/-）进行MS / MS分析，然后通过Bruker Compass DataAnalysis 4.0（BrukerDaltonics，技术说明008，2004，Billerica，MA，USA）分析获得的片段。建立5 ppm的准确度阈值以确认元素组成。3.9.扫描电子显微镜分析使用导电双面胶带（Plannet Plano）将苹果果实的分离的表皮膜固定在铝制支架上，使用SPI溅射镀膜机在25 mA下用碳（60:40）涂膜1分钟，并在场发射扫描中进行检查电子显微镜（JEOL JSM-7800F，Tokio，Japan）在1.5 kV下使用。针对扫描电子显微镜中的加速电压，对沉积碳涂层厚度约为10 nm的溅射条件进行了优化。4.结论从“金黄色的美味”和“红色的”苹果中获得了角质。根据CPMAS 13C NMR和ATR-FTIR，两种苹果角质素均主要显示脂族结构域。通过这些分析，检测到非常小的多糖区域，而没有酚类化合物的存在。主要单体，特征为9,10,18-三羟基十八烷酸； 10,20-二羟基二十烷酸; 10,16-二羟基十六烷酸（10,16-DHPA）;9,10-环氧-12-十八烯酸;通过DIESI-MS在两个苹果角质中鉴定出了9,10-环氧-18-羟基-12-十八烯酸和9,10-环氧-18-羟基-12-十八碳烯酸，没有单糖或酚类化合物，这与固态NMR和ATR-FTIR一致。角质中多糖和酚类化合物的含量低可能使其在生长和成熟过程中易于形成微裂纹。但是，需要更多的研究来了解这一水平的理化特性，并将其与某些生理病如赤褐色形成联系起来，这会导致经济损失。补充材料：以下内容可在线获得，S1：“金美味”苹果角质的CPMAS 13C NMR光谱，S2：分析“金美味”苹果角质的CPMAS 13C NMR光谱中的“低强度信号” ：“红色美味”苹果角质的CPMAS 13CNMR光谱，S4：“红色美味”苹果角质的CPMAS 13C NMR光谱的分析，S5：DIESI（-）光谱的比较分析水解后的“黄金美味”（上部光谱）和“红色美味”（下部光谱）苹果角质。 作者贡献：M.B.G.-P.和D.A.-B.构思并设计了本文的主要思想，进行了NMR和DIESI-MS实验，分析了实验结果，并撰写了论文。司法部和J.V.M.-M.进行了CLMS和AFM实验，并帮助讨论了结果。 H.F.M.L.进行了SEM实验并帮助讨论了结果。作者阅读并批准了最终手稿。调查，D.A.-B.，M.d.J.P.F.，J.V.M.-M.，H.F.M.L。和M.B.G.-P.；项目管理，D.A.-B。和M.B.G.-P .；监督，D.A.-B。和M.B.G.-P.所有作者均已阅读并同意该手稿的发行版本。资金：这项研究由国家科学技术委员会（CONACyT）资助，以资助项目253570和SIP-IPN资助20201066和20201968。利益冲突：作者声明没有利益冲突。资助者在研究的设计中没有作用。在数据的收集，分析或解释中；在手稿的写作中；或决定发布结果。 参考文献（展示部分文献内容，查看全部看到原网站查看）1. 萨加尔巴《2017-2030年农业计划》。 2019。在线可用：https：//www.gob.mx/cms/uploads/附件/文件/256430/B_sico-Manzana.pdf（2020年11月29日访问）。2. 美国农业部。每年新鲜的落叶水果。 2019。在线提供：http：//www.cafi.org.ar/wp-content/uploads/ 2019/11 / Tons.pdf（2020年11月29日访问）。3. Heredia，A。角质（一种植物屏障生物聚合物）的生物物理和生化特性。Biochim。生物物理学。演员2003，1620，1–7。[CrossRef]4. 体育馆Kolattukudy高等植物中的聚酯。进阶生化。 。生物技术。 2001，71，1–49。 [考研]5. 马丁（Martin，L.B.B.）;罗斯（J.K.C.）剥皮水果的方法不只一种：水果角质层的形成和功能。 J. Exp。 t 2014，65，4639–4651。 [CrossRef] [PubMed]点击：查看更多生物学文章 免费试用文档翻译免责声明：福昕翻译只充当翻译功能，此文内容及相关信息仅为传递更多信息之目的，仅代表作者个人观点，与本网无关，版权归原始网站所有。仅供读者参考，并请自行核实相关内容。若需要浏览原文、下载参考文献等，请自行搜索文中提到的原文网站进行阅读。
2020-12-16 19:31:44
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