第 44 章：心脏老化——从人类到分子（Cardiac Aging: From Humans to Molecules）

引言（INTRODUCTION）

任何试图理解心肌或制定心血管疾病治疗方案的努力，若能同时理解心肌随增龄所经历的变化，都将大有裨益。老化不仅是心血管疾病的首要危险因素，而且随着全球 65 岁以上人口比例持续增长，其重要性还在不断上升。仅在美国，到 2030 年预计将有 7000 万 65 岁以上的人口，约占总人口的 25%。心血管疾病是 65 岁及以上人群的首要死因（占 40%），而全部心血管疾病死亡病例中 80% 发生在该年龄段。充血性心力衰竭、高血压和动脉粥样硬化的患病率均随年龄显著上升，60 岁以上人群中 73% 患有某种形式的心血管疾病。然而，对人类心脏老化的研究受到多重因素困扰，其中最重要的是：必须在将心肌视为心血管"系统"之一部分的同时，设计本质上是还原论性质的临床研究。这一困难导致研究结果难以应用于实际的心血管系统——后者是作为泵的心脏与血管系统后负荷之间的复杂相互作用。此外，随着年龄增长，伴发疾病的数量也在增加；这一事实使早期以尸检为基础的心脏老化基础研究复杂化，因为尸检研究难以将老化的孤立效应与导致死亡的其他共病或损伤分离开来。现代无创心血管影像技术的发展大大推进了对这一区分的探讨——使得诸如巴尔的摩老龄化纵向研究（BLSA）等项目能够招募健康人群并借助反复影像学检查对其进行长期随访；辅以动物和细胞培养模型，使我们得以更深入地洞察老化心肌中发生的复杂变化，并使现代发现速率显著加快。此类研究的结果对于确定心血管疾病的"终生风险"具有重要意义，从而可识别出应在亚临床危险因素的早期阶段接受治疗的患者。许多老年人当前的疾病实际上是随着时间推移而形成的亚临床"基石"所致；然而，我们当前许多危险分层策略评估的是老年人群的短期风险，往往为时已晚，无从改变其病程。跨越整个生命周期并考察亚临床危险因素进展的研究则有助于在更年轻时评估终生风险。例如，大多数当前危险评估算法（如传统 Framingham 评分）评估的是短期风险，几乎从不会得出应为一名 25 岁青年处方降胆固醇药物的结论，尽管他在 60 多岁时极有可能罹患冠心病并可能从中获益。对老化过程和疾病发病机制的研究将使日益精确地预测哪些年轻人将最终罹患疾病成为可能，并可帮助临床医师在病程更早期阶段实施干预。为了描述心脏老化研究的现状，有必要将研究领域划分为宏观与微观两部分，进而详细论述其结构与功能组分。本章即按此框架组织：宏观层面关注整个机体和/或整体心脏相关的问题，包括整体心脏层面（肌壁厚度等）的结构性改变以及静息状态下（收缩/舒张功能、动脉/心室匹配静息心率、心电图等）和运动状态下（收缩/舒张功能、动脉/心室匹配静息心率、有氧能力等）的功能改变；为深入理解这些大规模改变，主要依赖动物模型和细胞培养系统获得的数据。这些方法有助于在细胞和基因水平上理解结构与转录变化（细胞数量、细胞类型、基因/表观遗传调控、细胞外基质等）；此微观层面的功能改变（钙处理、收缩蛋白、肾素-血管紧张素系统、线粒体/氧化应激等）随后提供重要信息，以指导对宏观层面改变机制的理解。

宏观结构与功能改变——大体结构性改变（MACROSCOPIC STRUCTURAL CHANGES）

如表 44.1 和图 44.1 所示，老化伴随显著的心肌厚度增加（参考文献 6），其原因是心肌细胞体积增大（参考文献 7）。此外，心脏的整体形状从椭圆形转变为球形，室间隔的不对称性增厚大于游离壁（参考文献 8）。磁共振成像（MRI）研究已证实这一点，并提示左心室沿长轴缩短，随增龄从"延长的扁长椭球体几何形态转变为更球形的左心室"（参考文献 9）。显然，任何心脏形状的改变都对心脏壁应力和整体收缩效率具有重要意义。纵向三维（3D）影像数据的积累因而将作为重要的资源，用于刻画随时间推移的心脏形状变化，并使我们对心血管系统老化反应的理解更为深入。在左室质量方面，对老化所致改变的理解随着研究者改进排除标准、统计校正和技术方法而经历多次变迁。最初基于尸检的研究提示心脏质量随增龄显著增加（参考文献 10）；通过超声心动图计算左室质量的研究由壁厚测量所佐证。然而，当 Kitzman 等人对无高血压和冠心病的受试者进行尸检并对其测量值按体表面积进行校正时，结果显示这一规律仅适用于女性，男性中随增龄心脏质量实际上无改变（参考文献 8）。类似地，研究无心血管疾病住院患者尸检的研究者发现随增龄心脏质量并无增加；事实上，他们发现男性心脏质量有所下降而女性无改变。Chen 等人（参考文献 11）阐明了左室质量问题的本质：这些研究者纳入既包含血压正常者又包含高血压者的台湾人群，年龄范围跨度大；其最终的统计模型显示，年龄对左室质量的影响较小（仅占总方差的 0.5%），通常被体格、血管负荷（血压等）和主动脉根部大小等因素的作用所掩盖。因此，被研究人群的临床特征在回答这一问题时至关重要。该结论得到了基于 MRI 的 BLSA 健康参与者研究（参考文献 9）以及多项超声心动图研究（参考文献 12、13）的支持。基于这些以及其他研究，目前看来女性中随增龄左室质量并无变化，而男性中左室质量有所下降。表面上这有违于广为承认的心脏壁厚增加；一种解释是，虽然存在整体性的肥厚，但左室质量不增加的原因是心脏的整体形状从椭圆形转变为球形，伴随室间隔较游离壁更为明显的不对称增厚（参考文献 8）。因此，这或许只是心肌的简单再分布而非实际增加。关于传导系统，老化与心脏组织中弹性蛋白和胶原的组成与整体性变化相关。脂肪堆积于窦房结周围，有时造成窦房结与心房组织的部分或完全分离；60 岁以后起搏细胞数量显著下降；至 75 岁时，其数量已不到年轻成人的 10%。心脏骨架左侧常出现不同程度的钙化，可影响房室结、房室分叉以及左、右束支的近端，从而造成显著的房室传导阻滞风险。

宏观结构与功能改变——静息状态下完整机体的心血管功能：心电图改变、收缩功能、舒张功能与动脉压（MACROSCOPIC STRUCTURAL AND FUNCTIONAL CHANGES: Cardiovascular Function at Rest in Intact Organisms）

老化在心脏传导系统中发生多项改变并影响其电学特性。虽然其中多数临床意义较小，因而仅作简要讨论，但 Fleg 和 Lakatta（参考文献 14）所作综述有更详尽描述并示于表 44.2。由于可能与副交感活动下降有关，呼吸所致 R-R 间期变异性程度有所降低（参考文献 15），窦性心动过缓也更为常见（参考文献 15）。P-R 间期（代表房室传导）从男性的 159 毫秒增加至女性的 156–165 毫秒（参考文献 16）。QRS 电轴左偏，可能与左室壁增厚相关，100 岁时 20% 的健康受试者呈现电轴左偏（参考文献 17）。有趣的是，尽管左室厚度增加，但 R 波和 S 波振幅仍随增龄下降，40 岁时已可察觉（参考文献 18）。老化伴随非特异性 ST-T 改变增加，但其与临床心脏病的关系仍存疑问（参考文献 19）。此外，老化伴随房性心律失常、心房颤动、阵发性室上性心动过速和室性心律失常增加（参考文献 14）。关于静息状态下的收缩功能，尽管存在多种老化相关改变可能限制个体功能容量并促使中心动脉硬化继而增加后负荷，但心肌的静息收缩功能在健康老化过程中整体并不改变（参考文献 12）。在血压正常受试者中进行的超声心动图左室缩短分数（参考文献 14）和放射性核素射血分数（参考文献 20、21）的纵向研究反复确认了静息状态下心脏射血分数的稳定性（正常平均值 EF≥65%）。这并不意味着收缩组分没有改变，事实上心脏收缩速度和心脏与血管系统的相互作用发生多种改变（图 44.1）；然而这些个体改变的综合效应相互抵消，使净收缩功能保持不变。在舒张功能方面，尽管收缩功能得以维持，但心动周期的舒张期发生多项改变（图 44.1）。正常舒张充盈可分为被动充盈（在经二尖瓣血流的超声心动图上表现为"E 波"）和主动充盈（表现为"A 波"，由心房收缩产生）（图 44.2A）两个时相。年长健康个体的心室充盈较年轻者更慢，舒张早期被动充盈占总舒张充盈的比例较低（参考文献 6、22、23），主要原因为等容舒张时间延长。随着大部分心室充盈后移至舒张晚期并伴有显著的房性增大，心房对总舒张末容积（EDV）的贡献比例增加，E/A 比值下降（图 44.2B）。由于心脏是一个三维器官，研究者日益将其研究拓展到三维空间中的心脏舒张变化评估；尽管越来越多地通过三维超声心动图和心脏 MRI 实现，Bonow 等人（参考文献 24）借助放射性核素血管造影观察到心室区域性非同步性增加。如后文所述，这些改变在受试者运动时具有更显著的意义（图 44.2）。值得注意者，这些改变中的一部分——例如舒张早期左室充盈率下降——似乎是对收缩期改变（即收缩期延长）的适应性反应，以维持收缩功能的一致性。导致这种适应性减缓的微观和分子改变同样导致舒张减缓（详见下文肌球蛋白重链同工酶部分），并使舒张晚期充盈比例增加。静息左室舒张末容积得以维持甚至有所增加，但心房对左室充盈贡献的增大代表了早、晚期舒张充盈相对重要性的反转，是对较厚且可能更僵硬（详见下文）的老化左室中早期舒张充盈减少的有用适应（参考文献 14）。关于静息状态下的顺应性和舒张功能，左室的被动特性以及收缩期储存并在舒张期解旋过程中释放的弹性能量是当前老化相关心功能研究的热点。这些研究利用了源自材料科学的多种技术以及对三维空间中心脏运动的更好理解，描绘出更准确但明显更复杂的心脏图像。心肌硬度增加是老化过程中常被提及的改变。在离体大鼠心脏中，老化并不引起被动硬度增加（参考文献 25、26）；然而这或许代表与完整机体老化心脏不同的系统，且多项人体和整体动物研究为老化相关的硬度增加假说提供了支持。事实上，通过对胸痛患者进行导管测压（参考文献 27）、对大鼠进行有创同步压力和容积监测（参考文献 2）以及通过心导管与超声心动图同步测量血压正常受试者的压力-容积关系（参考文献 28）已证实老化相关的心脏硬化。这些差异的原因尚不完全清楚，但可能与心脏和血管系统之间随时间推移的相互作用有关。已知中心动脉随增龄硬化并发生多项生化改变，这可能在即使测量时通过药物或其他干预降低中心动脉压力的情况下仍将心脏推向硬化表型。使用离体心脏模型的研究忽略了这一重要相互作用，可能提供证据表明心脏在未暴露于老化血管系统时并不独立硬化。另一个日益重要的概念是收缩期储存弹性能量——左室通过扭转和收缩将血液射出（参考文献 29）；该能量在舒张早期作为心肌弹性特性的函数释放，可通过二尖瓣环速度（MAV）测量和心脏 MRI 评估（参考文献 30）。尽管动物研究提示老化伴随心肌舒张的延长（参考文献 31），但人体研究结果存在矛盾（参考文献 2、32）。总体而言，老化中存在舒张期改变，但其意义在系统承受应激和增加负荷时最为显著。动脉压力方面，血压虽是更直接的血管因素结果，但作为心脏后负荷的重要指标，与老化相关心脏改变的讨论高度相关。动脉压由外周血管阻力（PVR）和中心动脉顺应性之间的相互作用决定。收缩压随老化上升，其原因是中心动脉硬度增加。舒张压则随 PVR 增加而上升，但因动脉硬度增加而下降，导致舒张压在 50 岁前升高，50 至 60 岁间趋于平稳，60 岁后下降（参考文献 32）。因此，脉压（收缩压减舒张压）随老化增加。重要的是，静息状态下有效动脉弹性（Ea）与心室弹性（ELV）之间的耦合关系并无改变（参考文献 33）。表征总体顺应性的方式之一是将每搏量（SV）除以脉压（PP），即 SV/PP；另一种方式是用每搏量除以收缩末压（ESP），即 SV/ESP 计算有效动脉弹性。本文所用的心脏硬度指的是心动周期中时间依赖性弹性——源于"主动"收缩与"被动"结构特性的综合效应及其相互作用。该参数对心血管老化研究极为重要，因而值得通过 Sunagawa 等人（参考文献 34）所建立并由 Kass 等人（参考文献 27）所突出的模型作进一步讨论（图 44.3）。将心血管系统简化为可管理模型的常见副产品是对单一组分的过度关注而非对其功能以及与整个系统的相互作用进行考量。Ea/ELV 比值是动脉-心室耦合的指数，与射血分数的倒数相关，并提供对复杂心血管系统更为精确的测量。有效 Ea 是一个稳态动脉参数，通过整合外周血管阻力、总体血管顺应性、特征阻抗以及收缩和舒张时间间期来表征动脉系统的功能特性（由收缩末压与每搏量之间的关系所刻画）。ELV（左室收缩末弹性）代表心肌性能，由收缩末压与收缩末容积之间的关系所定义。Ea 的多数组分（如 SBP、脉压）随年龄改变，而 Ea/ELV 比值得以维持，提示心脏肌肉本身发生重要的适应性改变。

宏观结构与功能改变——运动相关功能改变（MACROSCOPIC STRUCTURAL AND FUNCTIONAL CHANGES: Exercise-Associated Functional Changes in Intact Organisms）

正是在运动时，老化的效应最为显著。从 20–30 岁开始，最大耗氧量（VO2max）即呈进行性下降，约每十年下降 10%（参考文献 36、37）（图 44.4A）。更重要的是，该下降的速率随增龄而逐渐加快（图 44.4B）。这些改变的意义及对其背后因素的理解可通过复习 Fick 方程而得到阐明：VO2 max = CO × (CaO2 − CvO2)，其中 CO = 心输出量，CaO2 = 动脉氧含量，CvO2 = 静脉氧含量。横断面数据显示，VO2max 在 20 至 80 岁之间总体平均下降 50%。运动时最大心输出量（CO）以及心脏指数已知随老化下降 25%，根据定义这必然源自每搏量（SV）或心率（hr）的改变。这一改变的大部分源于心率加速能力的损害。虽然运动时 LV-EDV 略有增加，但整体上每搏量得以维持。VO2max 其余 25% 的改变则归因于 CaO2-CvO2 项的改变——反映了氧提取效率和平衡的改变（决定因素包括向工作肌的血液再分配、肌量、线粒体密度、线粒体呼吸效率）。心脏储备的下降是多因素相互作用的结果，包括血管后负荷增加、动脉-心室负荷失匹配、心肌内在收缩力下降、自体神经调节受损以及体力活动减少。在动脉-心室负荷匹配方面，血管硬化的慢性效应在心脏老化中扮演重要角色。否则正常的动脉随增龄扩张并硬化，以惯性、反射性脉搏波、动脉顺应性和阻力等形式施加增加的负荷（参考文献 38 综述）。这一增加的负荷对心脏与血管系统之间的关系（以 Ea/ELV 比值代表）具有显著影响，且在动力性运动时显著增加（图 44.5A-C）。虽然静息 Ea/ELV 比值通过两个变量的平行增加得以保持（如上所述），但运动需要射血分数（EF）的增加，而老化心脏可能难以提供。为增加 EF，左室收缩末弹性（ELV）必须以大于 Ea 的幅度增加。然而随增龄，ELV 在男性中未能按比例随 Ea 增加而增加，因此在老年受试者承受急性增加的工作负荷（即运动）时出现 LVEF 储备不足。值得关注的是，在健康老年 BLSA 志愿者中通过急性输注硝普钠降低后负荷可在静息和运动时增强 LVEF，进一步证明血管特性的重要性（参考文献 39）。关于运动时舒张功能，正常运动诱导 SV 和心率增加以提高整体 CO（表 44.3）。心率增加是加快等容舒张速率并产生有助于心室充盈的"抽吸"效应的因素之一；另一因素是心肌舒张增强。然而，由于舒张减缓、心脏形状改变、β-肾上腺素能反应性降低以及舒张模式的改变（参考文献 9、30、40），这些反应在老化时减弱。出人意料的是，尽管充盈速率下降（图 44.2C）并后移至舒张晚期，舒张末容积实际上仍保持不变或随运动略有增加，主要是由于较慢的心率允许更长的充盈时间（表 44.3）。总体而言，这些早期舒张充盈的减少可被视为部分地由降低心率的肾上腺素能信号改变所代偿；然而另一方面，β-肾上腺素能信号降低导致左室收缩力下降。这些代偿合计不足以维持心脏在最大运动下的功能储备（图 44.2C）。关于肾上腺素能反应性，尽管最大心率降低有利于增加舒张充盈时间，但同时有多种与肾上腺素能系统相关的变化降低了心脏容量（表 44.1）。事实上，心脏无法动员足够的功能储备并提高其舒张充盈效率，在很大程度上是由于心血管系统的交感调节不足。确实，心率、左室收缩力和动脉后负荷的自主调节有效性下降（参考文献 2）均与老化过程中突触后 β-肾上腺素能信号效率下降相关。该假说获得图 44.6 所示数据的强力支持——老化伴随静息状态下 β-肾上腺素能激动剂输注心血管反应性的降低，以及较年轻 β 阻滞受试者的血流动力学表现与较年长未阻滞个体的相似性（参考文献 2）。多项小规模研究（参考文献 2）进一步提供支持该效应的证据：显著的 β 阻滞诱导的左室扩张仅发生于较年轻受试者中；急性 β-肾上腺素能阻滞下运动时心率下降在年轻受试者中更为显著；左室早期舒张充盈率的年龄相关缺陷——无论静息或运动——亦在年轻受试者中更为显著（参考文献 2）。这些改变的机制尚未完全清楚，尽管肾上腺素能系统发生多种扰动，包括心肌毒蕈碱受体密度和功能下降（可能在老化所致的压力反射活动下降中发挥作用）；此外，肾上腺素能信号效率的下降发生于神经递质水平升高的背景下。任何偏离仰卧基线的扰动下，血浆去甲肾上腺素（NE）和肾上腺素水平在老年人中比年轻健康人增加更为显著（参考文献 42）。循环 NE 的水平依赖于组织（包括心脏）（参考文献 43）由于神经末梢在急性运动时 NE 再摄取缺陷以及血浆清除减少导致的溢出增加。在长时间运动时，该神经递质再摄取的减弱亦可能与神经递质的耗竭以及释放和溢出减少相关。

微观结构与功能改变——大体形态、基因、转录与表观遗传调控（MICROSCOPIC STRUCTURAL AND FUNCTIONAL CHANGES IN ISOLATED CARDIAC MUSCLE AND CELL-CULTURE SYSTEMS: Cardiac Structural and Genetic Changes on a Microscopic Level）

研究者主要利用啮齿类整体动物、离体心脏、离体心肌细胞以及细胞培养系统，在微观水平上研究心肌老化。虽然其中一些研究关注功能和急性功能储备，另一些则关注决定老化短程和长程效应的分子和细胞生物学。一条假设属于急性显著通路的标记物可能在慢性中作用迥异，反之亦然——这一事实在不同模型间明显差异以及分子发现应用于生理结果方面构成复杂性。关于老化一般机制的理论众多，目前最为广泛接受的是自由基假说（参考文献 43）（强调氧化应激的重要性）和"端粒时钟"（参考文献 44）。然而广泛的研究已揭示，老化是多条复杂通路共同作用的产物，这些系统间的相互作用决定个体的"生物学年龄"。表 44.1 的最右列概述了最重要的发现，更详细的描述见下文。关于大体形态和细胞构成，心脏由心肌细胞、成纤维细胞、内皮细胞、平滑肌细胞和免疫细胞组成（参考文献 44）。虽然不同物种间精确数量存在差异，成年哺乳动物心脏在数量上心肌细胞约占 25%、非心肌细胞约占 75%，但在总体积上心肌细胞约占 75%、非心肌细胞约占 25%（参考文献 44、45）。进入老年后，由于坏死和凋亡（以坏死为主），心肌细胞总数有所下降（图 44.1，表 44.1）。随着心肌细胞数量下降，残余心肌细胞和成纤维细胞受到更大的牵张，这被认为启动了生长因子信号（如血管紧张素 II [ANGII]/转化生长因子-β [TGF-β]），从而调节细胞生长、改变细胞内基质生成并诱导凋亡（参考文献 46）。同时还观察到单个心肌细胞体积增加（肥厚）（参考文献 7）以及细胞外基质（ECM）的局灶性增殖。老化正是这种细胞降解与再生平衡持续变化以及伴随细胞结构改变的产物。关于转录组分析，由 AGEMAP 研究（参考文献 47）等研究者进行的全基因组转录组分析以及其他研究（参考文献 48）提供了大量产生假说的数据（有时存在矛盾）关于老化相关心脏发育的转录改变。研究者对改变规模的估计存在分歧，从某项研究鉴定的 43 个基因转录本（参考文献 48）到另一研究中 10% 的全部转录本（参考文献 49）。对于具体哪些转录本发生改变也存在分歧。这些差异的原因可能很大程度上与样本选择（离体心肌细胞 vs. 全组织）以及物种/品系依赖的转录丰度差异相关。尽管存在这些复杂性，关注相关改变模式仍然具有启发性。研究者一致涉及的基因包括炎症反应、线粒体死亡信号、线粒体功能下降、与心肌肥厚相关的细胞骨架和结构蛋白、生存与生长等通路。编码热休克蛋白的基因转录本在心脏中也一致显示表达增加，同时从脂肪酸代谢向碳水化合物代谢的总体偏移呈现——类似于运动应激下所发生的变化（例如肉碱棕榈酰转移酶 1 和 2、肉碱乙酰转移酶和三酰甘油水解酶减少，磷酸果糖激酶和丙酮酸脱氢酶激酶同工酶 4 诱导）。重要的是，许多跨研究观察到的改变与细胞应激和细胞死亡均相关，特别是那些与线粒体功能障碍以及细胞增殖、老化和死亡调节因子相关的改变。与这些转录改变相一致，一项最近的蛋白质组学研究在老化左室中鉴定出 117 种差异表达蛋白，其中许多可能在老化相关改变的进展中发挥某种作用。例如老化相关氧化应激已显示可增加转录因子核因子-κB（NF-κB）的核结合活性并降低 SP1（详见下文）（参考文献 50）。此外，老化小鼠研究显示钙调磷酸酶-活化 T 细胞核因子（NFAT）通路随增龄激活增加，进而与多种转录因子相互作用启动肥厚基因的转录（参考文献 51）。关于表观遗传调控，尽管多种遗传和环境因素已被研究作为心脏老化的介质，研究者日益深入认识到表观遗传调控的重要性。表观遗传涉及不改变潜在 DNA 序列的基因表达和表型的可遗传改变——包括 DNA 或组蛋白的化学和结构修饰，以及 microRNA（miR）对转录或 RNA 稳定性的调节（miR 将在"收缩蛋白"一节中讨论）。其中一种已知的修饰涉及 DNA 甲基化：甲基化涉及将甲基添加到胞嘧啶氨基酸上，通过改变转录因子和其他结合因子与 DNA 序列的结合亲和力而影响基因转录（参考文献 52）。序列特异性甲基化 CpG 结合蛋白（MBP）也可作为转录抑制因子，而序列非依赖性 MBP 可将蛋白复合物招募至甲基化位点以促进染色质重塑（参考文献 52）。高甲基化水平通常与基因功能受抑相关。

微观结构与功能改变——心肌细胞更新、增殖与凋亡（MICROSCOPIC STRUCTURAL AND FUNCTIONAL CHANGES: Cardiac Myocyte Turnover）

传统观点认为心肌细胞终末分化并在发育早期退出细胞周期。然而碳定年方法已证实心肌细胞在一生中持续合成并维持心脏低水平的细胞更新（参考文献 53）。这一低水平更新提出了一个问题：为何心肌细胞在成熟过程中似乎丧失其复制潜力并表现出"老化"（参考文献 54）。小鼠心肌细胞从高度增殖表型向主要静止表型的转变依赖于视网膜母细胞瘤蛋白（Rb）（参考文献 55），其作用方式类似于接触抑制。Rb 敲低可在早期后增殖细胞中恢复增殖，而在成年细胞中同时敲除 Rb 和相关家族成员 p130 导致 DNA 合成细胞增加 100 倍（参考文献 55）。调控 G1 检查点的因子（如 cyclin D 蛋白）的操控足以驱动成年心脏中的 DNA 合成（参考文献 55）。然而，心肌细胞内的细胞复制潜力水平可能不足以成为心肌修复中的显著因素。新细胞可来源于骨髓中存在的内皮前体细胞（EPC）或来自包括脂肪组织和心脏本身在内的其他位置的前体细胞（PC）。然而该领域仍存争议：一些研究者认为心肌细胞的更新速率随老化从 25 岁时的每年 1% 逐渐下降至 75 岁时的每年 0.45%（参考文献 53）。而 Anversa 及其同事（参考文献 56）发现主要来自心脏驻留干细胞的心肌细胞再生随老化增加且在心脏中极其重要。然而这些新生成的细胞似乎快速退化为它们所替代的细胞。同一研究组还认为坏死性细胞破坏随增龄进展，直到心脏无法跟上干细胞替代所需的速度，从而导致细胞数量下降（图 44.7）（参考文献 56）。最后一点引起极大兴趣并已在多项研究中得到证实。在老化人类心脏中新生成细胞的端粒似乎快速缩短至与其替代的老化心肌细胞相似的长度。这一"老化记忆"的原因可能是端粒酶活性下降、活性氧或端粒相关蛋白丢失（参考文献 56、57）。如要实现老化心脏中 EPC 动员的前景，必须解决端粒缩短和细胞"记忆"问题。此外，DNA 端粒中存在"内部时钟"。端粒通常作为染色体末端的保护帽，保护其免于 DNA 损伤修复系统的作用以及 p16INK4a 通路的激活并最终走向老化或凋亡（参考文献 44）。然而，由于 DNA 聚合酶无法完全复制 DNA 链的 3' 端，每次细胞分裂端粒损失 30–150 个碱基对。当端粒变得"过短"时，细胞不能再分裂，进入老化状态并最终死亡。端粒可被端粒酶延长，对端粒酶和 IGF-1 的进一步研究可能提供一定见解。已知端粒酶由两个主要组分组成：端粒酶 RNA 组分（TERC）和端粒酶逆转录酶（TERT），第三个组分（dyskerin）有助于稳定该复合物。端粒酶活性的激动可能对稳定细胞构成有益。胰岛素样生长因子（IGF-1）作为心脏老化的调节因子也颇具前景。IGF-1/IGF-1R 通路的激活可保持端粒长度并促进心脏祖细胞的生长和存活（参考文献 58）。将 IGF-1 注射入受损心肌可促进心脏干细胞的迁移和归巢并促进新生血管形成（参考文献 59）。关于凋亡，老化心脏通过坏死和凋亡丧失多达 30% 的心肌细胞。虽然坏死是一个相当多样的过程并在本书多个章节中讨论，凋亡是一个进化上保守、能量依赖且高度调控的系统，值得专门讨论。心脏中研究最广泛的凋亡形式依赖于 caspase，并由导致 caspase 激活和凋亡体形成的内源性和外源性通路所触发。内源性通路由线粒体和内质网通过释放凋亡诱导因子（AIF）、核酸内切酶 G（Endo G）、Smac/Diablo 和细胞色素 C 等肽类因子而启动。该通路随后由 B 细胞白血病/淋巴瘤-2（Bcl-2）家族蛋白所调控——后者可为抗凋亡（Bcl-2）或促凋亡（Bax、Bid）（参考文献 60）。外源性通路通过 Fas L、TNF-α 或 TRAIL 等死亡受体与配体结合而被激活，导致 caspase-8/10 激活，通常需要在线粒体水平通过 BH3（Bcl-2 同源结构域 3）的切割进行信号放大（参考文献 61）。老化心脏的凋亡可能源于对应激反应中基因表达的改变——可上调某些促凋亡基因——或 DNA 突变的随机累积以及蛋白错误诱发内质网应激从而激活 caspase 级联反应。支持第一种可能性的研究已显示 IGF-1 和 TNF-α 在老化过程中的重要性（参考文献 62、63）。另者，多种应激通路（包括端粒和 p53 介导的 DNA 损伤信号）已被证实通过调节线粒体功能和基因表达在老化过程中发挥作用（参考文献 51）。这些应激通路将在下文线粒体部分中讨论。Caspase 非依赖性凋亡亦可发生。其作为对饥饿的存活反应而广为人知——释放氨基酸和游离脂肪酸——但在非饥饿细胞中，它亦是长寿命蛋白和细胞器降解的机制。其通常通过线粒体以及 AIF 和 Endo G 或高温需求蛋白 A2（HtrA2/Omi）从线粒体内膜释放而发生。这些分子随后转位至细胞核诱导 DNA 片段化。AIF 因其在氧化应激、缺血-再灌注和心力衰竭中激活而尤其值得关注。矛盾的是，一种早衰小鼠模型（Harlequin 小鼠品系）在 AIF 基因中包含一个前病毒插入，使其在所有组织中降低 90%（参考文献 64）。这导致应激性心脏病风险增加以及 ROS 水平升高。

微观结构与功能改变——收缩蛋白与细胞外基质（MICROSCOPIC STRUCTURAL AND FUNCTIONAL CHANGES: Contractile Protein Changes and Extracellular Matrix）

在老化大鼠心脏中存在心肌肌球蛋白重链（MHC）由 α 向主要 β 的表达偏移（参考文献 65 综述；表 44.1）。这代表从"快速"ATPase MHC（α）转变为"慢速"ATPase（β），与老化中啮齿类心肌细胞收缩速度降低的其他改变相一致，这一现象在人类中亦可观察到。已知甲状腺激素受体的结合似乎控制了这一改变，6 至 24 月龄大鼠的甲状腺激素受体蛋白水平下降 50%（表 44.1）。然而尽管经过深入研究，对 T3 信号和其他线索诱导的肌纤维类型转换的精确调控机制仍不清楚。Van Rooij 等人（参考文献 66）最近鉴定出由三个肌球蛋白基因（Myh6、Myh7、Myh7b）内含子 DNA 编码的 microRNA（miRNA）（图 44.8）。Myh7/miR-208b 和 Myh7b/miR-499 通过激活慢肌纤维基因程序并抑制快肌纤维基因程序——经一组转录因子——在肌纤维身份决定中扮演冗余角色。重要的是，T3-受体相关蛋白-1（Thrap1）作为 T3 信号的正向和负向调节因子，是 miR-208 的靶点，提示其可能介导该 miRNA 在心脏中的功能。这为收缩蛋白控制机制提供了重要洞察，也提示临床干预的潜在途径。在细胞外基质方面，心脏的细胞被组织在主要由纤维状和网络状胶原、弹性纤维、形成的 β-弹性蛋白、水化蛋白聚糖以及诸如纤连蛋白和层粘连蛋白等粘附蛋白所组成的细胞外基质中（表 44.1 和图 44.9），后者将心肌细胞与胶原网络连接。心脏的被动硬度是所存在基质蛋白比例（例如相对僵硬的 I 型胶原与较柔软的 III 型胶原）（参考文献 67）、这些组分的交联（例如胶原被晚期糖基化终产物的非酶促交联）（参考文献 68）以及影响细胞外基质重塑速率的多种因素等的综合体现。大量动物和人体研究提示老化与纤维化性心肌重塑相关，传统定义为胶原浓度或胶原容积分数显著升高超过正常值（参考文献 69）。这涉及多项改变：年轻大鼠左室胶原含量占总蛋白的 5.5%，进入老化时增至 12%；这些胶原常呈局灶性分布，常位于冠状血管附近。还存在胶原交联增加以及肌内膜和肌束膜纤维增厚（参考文献 70–72）。最后，淀粉样蛋白和脂褐素水平的增加早已被认知。最近的研究（参考文献 73）提示脂褐素是一种由高度氧化和交联的蛋白和脂质以及重金属组成的不均一不可溶物质。脂褐素在细胞核周区域累积，在特定波长下发荧光，并被认为代表受损细胞器（如线粒体和溶酶体）的物质。脂褐素在老化大鼠的心脏和其他器官中累积，已知可降低蛋白酶体和溶酶体降解（参考文献 51）。许多学者将增加的纤维化与心脏主动和被动硬度的增加相关联（参考文献 25），尽管纤维化对主动 vs. 被动心脏硬度相对重要性仍存争议。纤维化重塑与基质金属蛋白酶激活及增强的基质降解相关，后者可导致心肌细胞滑移、心室壁肌肉层数减少以及随后的左室扩张（参考文献 25）。

微观结构与功能改变——钙处理与离子通道（MICROSCOPIC STRUCTURAL AND FUNCTIONAL CHANGES: Calcium Handling）

对单个心肌细胞而言，钙电化学梯度的维持是一个复杂的过程，如图 44.10 和表 44.1 最左列所示。随增龄，多种改变减慢了控制心脏整体搏动的细胞反应（更多细节见参考文献 74、75）。动作电位、细胞内钙的瞬时增加和收缩速率均延长，因此延长了心脏的收缩期和舒张期（参考文献 74、76）（图 44.11），与老化个体运动时所见较低相对心率相一致。这是由于多种离子流的改变（表 44.4）所致，包括 L 型钙通道失活减慢和向外的钾电流减少——所有这些改变均延长动作电位。随增龄出现 SERCA2 蛋白水平的下调、磷酸化受磷蛋白的降低以及钠/钙交换体水平约 50% 的增加（参考文献 65 综述）。在啮齿类中使用基因治疗或运动训练以提高 SERCA2 水平的研究显示老化所致的舒张受损和钙螯合可通过这些干预减轻。最后，L 型钙电流代偿性增加，伴随个体 L 型钙通道数量和活性的明显增加，从而延长动作电位、减缓 L 型通道失活、减少向外钾电流——所有这些都延长动作电位。在慢性应激与突触后儿茶酚胺反应方面，由于老化心脏发生的多项改变，老年个体持续处于"边缘状态"，面临足够的应激下失代偿的风险。储备心肌细胞功能——由肾上腺素能刺激调节——受损，可导致收缩和舒张功能下降、心律失常、钙稳态失调以及细胞死亡。肾上腺素能信号的下降已在多个层面被观察到。在离体左室肌肉和个体大鼠心室心肌细胞中的研究以及人体中的近期研究均提示老化伴随 β-肾上腺素能受体（β-AR）刺激所致收缩反应的下降。大鼠心脏中的一些研究显示 β1-AR 密度在 β2-AR 无变化的情况下选择性下降，而其他研究显示 β1-AR 和 β2-AR 在老化大鼠心室心肌细胞和心肌中均非选择性下降约 30%（参考文献 65）。β-AR 亚型（即 β1 vs. β2 vs. β3）信号的有效性尚未在人体中进行研究。啮齿类模型中的研究已阐明 β-肾上腺素能信号级联中的其他老化相关缺陷。虽然 β1-AR 刺激仅与 Gs 介导的信号级联偶联，β2-AR 则同时与 Gs 和百日咳毒素（PTX）敏感性抑制性 G 蛋白（Gi）偶联，且 β2-AR 与 Gi 的偶联在功能上对抗 Gs 介导的收缩反应（参考文献 77）。老化大鼠离体左室肌肉和个体心室心肌细胞中 β1-AR 和 β2-AR 刺激所致收缩反应均下降（参考文献 78）。这是由于 β-AR 刺激未能以与年轻成年心脏细胞相同的程度增加细胞内钙瞬变（参考文献 78）。与年轻成年心脏相比，老年心脏中 β-AR 刺激后钙瞬变的增加减弱，归因于 β1-AR 和 β2-AR 刺激中任一者增加 L 型肌膜钙通道可用性的能力下降，因此在动作电位期间通过这些通道的钙内流增加较少。大量记录完善的老化相关心肌细胞对 β1-AR 刺激突触后反应的下降似乎源于分子和生化受体偶联以及受体后机制的多种改变。然而该信号通路随增龄的主要限制性修饰似乎发生在 β-肾上腺素能受体通过 Gs 蛋白与腺苷酸环化酶的偶联水平（参考文献 79），以及腺苷酸环化酶蛋白本身的变化，导致充分增加细胞 cAMP 以驱动关键蛋白磷酸化（参考文献 80）——为改变蛋白功能并增强心肌收缩力所必需——的能力下降。心脏腺苷酸环化酶对 β-AR 两种亚型刺激以及对 NaF（G 蛋白激活剂）或 forskolin（以 G 蛋白敏感性方式激活腺苷酸环化酶）的反应均随老化显著下降。此外，心脏催化亚基数量和/或激活催化亚基的能力随老化明确下降（参考文献 81），这似乎是老化相关最大 β-AR 刺激腺苷酸环化酶激活下降的机制之一。这是前述老化相关的心肌细胞收缩和舒张减缓适应（即所谓的"年轻化"适应）的代价——也见于长期暴露于动脉压力负荷下的年轻动物。为实现这种减缓，涉及细胞离子稳态的每类蛋白的数量和比例、其所在膜的脂质环境（例如 PUFA 的类型和数量）以及产生 ROS 和 ROS 衍生烯烃的阈值要求均随老化而改变，导致包括老年心脏内急性钙超载阈值降低在内的多种改变。

微观结构与功能改变——慢性应激：肾素-血管紧张素-醛固酮系统与线粒体/氧化应激（MICROSCOPIC STRUCTURAL AND FUNCTIONAL CHANGES: Chronic Stress: Renin-Angiotensin-Aldosterone-System and Mitochondrial Changes and Oxidative Stress）

老化相关心肌重塑的机制尚未完全明了（表 44.5），尽管已发现多条线索（参考文献 41、65 综述）：(1) 有大量证据支持肾素-血管紧张素系统（RAS）的中心作用。(2) 氧化应激增加已涉及老化相关重塑。(3) 老化已在多项研究中与活性氧（ROS）产生增加相关联。(4) RAS 激活本身可刺激 ROS 产生。(5) NADPH 氧化酶似乎是连接这些过程的重要环节（参考文献 65）。该系统与血管壁中揭示的系统非常相似，并提供图表说明相关通路中可能发生的情况（图 44.12）。如上所述，RAS 信号的一个重要刺激被认为是由于老化血管施加的负荷增加（参考文献 46）和心肌细胞总数下降所致的心肌细胞和成纤维细胞的牵张。这启动了生长因子信号（如血管紧张素 II/TGF-β），已显示其在体外可促进细胞生长和基质生成并增加凋亡（参考文献 82）。此时需注意此处重要的 ANGII 可能并非来源于循环储备，而是主要由成纤维细胞以及心肌细胞以自分泌/旁分泌方式在牵张反应中释放（参考文献 83）。如图 44.12 所示，ANGII 与血管紧张素 I（AT1）和血管紧张素 II（AT2）受体结合，激活影响多种转录重要因子的复杂信号转导级联反应（参考文献 84）。无论是直接或通过 AT1，其还可激活 NADPH 氧化酶复合物引起 ROS 生成。NADPH 氧化酶家族成员由一组不同的激动剂激活，包括血管紧张素 II、醛固酮、内皮素 I、细胞因子、生长因子（如 TGF-β）以及机械力（参考文献 85）。在一项考察雄性大鼠老化相关血压升高、动脉重塑和心肌纤维化的研究中，已确定这些效应主要源于心肌 NADPH 氧化酶活性的增加，具体为 NOX2 亚型（参考文献 85）。此外，这些改变伴随基质金属蛋白酶-2（MMP-2）的激活以及 TGF-β 和结缔组织生长因子（CTGF）表达的增加。ANGII 通路的复杂性因图中未表示的多条正负反馈环路而增加。理解这些众多通路的相对重要性将成为心脏老化研究的重要组成，并为血管壁中的相似信号改变提供重要联系。在线粒体改变和氧化应激方面，老化伴随重要的线粒体改变。比较 7 月龄和 24 月龄大鼠（24 月龄大鼠被视为老化或"衰老"）显示线粒体含量相同，但老年大鼠心肌纤维的偶联呼吸速率较低（参考文献 86）。这发生在线粒体氧化应激增加的背景下，包括 DNA 点突变、线粒体氧化损伤以及多种线粒体超微结构改变（包括嵴断裂和空泡化）（参考文献 87）。这些结构改变可能与线粒体功能的多种改变相关——后者似乎引起 ROS 处理的缺陷。线粒体 ROS 产生随增龄增加（参考文献 87），作为电子传递和氧化磷酸化的副产物。在较年轻受试者中，线粒体在心脏保护和钙稳态中扮演重要角色——作为钙池和钙依赖代谢调节因子。老化相关的线粒体功能改变降低了这种心脏保护效应并增加了细胞对缺血应激的敏感性（参考文献 65）。大量研究（参考文献 65、74、88）已表明缺血后再灌注产生 ROS，且外源应用 ROS 于浸泡细胞的溶液中可引起钙超载、挛缩和 ATP 耗竭。线粒体生成的 ROS 在线粒体通透性转换（MPT）的发生中也扮演角色，老化细胞显示出显著较低的 ROS 诱发 ROS 释放和 MPT 发生的阈值（参考文献 74）。MPT 指的是一种现象，其中线粒体膜通透性增加是由于某些"MPT 孔"（MPTP）的开放所致。MPT 在涉及缺血（例如卒中、心肌梗死等）的多种病理条件下被诱导，并可能在正常钙调控中以低电导状态存在时具有一定作用（参考文献 89）。最初在离体肝线粒体中观察到，MPTP 是一种蛋白性孔或巨型通道，非选择性且高电导；其存在于线粒体内膜，可通透离子和高达 1500 道尔顿的溶质。在凋亡条件下，MPT 导致线粒体膜电位崩溃，进而使质子动力势和产生 ATP 的能力丧失。MPT 最终导致线粒体内容物释放入细胞并以正反馈方式产生更多 ROS。已显示多种因子或条件可在离体线粒体中引起孔开放，最显著的是高钙负荷和多种引起氧化应激的处理，而通过环孢素 A、bongkrekic acid 阻断 MPTP 可抑制凋亡（参考文献 90）。

微观结构与功能改变——多不饱和脂肪酸与心脏老化未来方向（MICROSCOPIC STRUCTURAL AND FUNCTIONAL CHANGES: Polyunsaturated Fatty Acids）

ROS 一旦生成即在整个细胞中产生多种有害效应。膜多不饱和脂肪酸（PUFA）经历脂质过氧化，产生醛类、烯醛和羟基烯醛如 4-羟基-2-壬烯醛（HNE）。HNE 与蛋白巯基反应引起蛋白构象改变和进一步损伤（参考文献 65）。随增龄进展，心脏细胞中发生多种构成性改变，对心血管功能产生实质性影响，降低细胞耐受和适应应激（如缺血再灌注）的能力。其中值得注意的改变包括细胞膜中 ω-3:ω-6 PUFA 含量比的相对降低、细胞 ROS 产生的增强以及调控钙动员的蛋白改变——特别是 SERCA2 和钠钙交换蛋白的表达或功能下降。这些改变导致兴奋-收缩偶联和细胞内钙区隔化的紊乱，进而引发自发性钙振荡和心律失常（图 44.10）。这些以及其他改变导致线粒体功能障碍，进而可能损害能量代谢（伴随 ATP 产生减少）同时增加 ROS 产生。ROS 的过度产生以及清除多余 ROS 的能力不足导致损伤性脂质过氧化以及相对更具扩散性但仍具效力的反应性中间体如 HNE——其影响广泛的蛋白靶点并放大钙调控失常和线粒体异常。最后，异常的钙处理和 ROS 积聚可诱发 MPT，其释放的内容物激活导致细胞死亡的事件序列。最近的研究已表明这些老化效应可被不良饮食习惯加重，但可通过以 ω-3 PUFA 替代 ω-6 PUFA 的饮食加以改善。其他有前景的途径包括基因治疗以恢复钙调控蛋白的表达以及抗氧化剂的有效应用。

结论（CONCLUSION）

老化在心肌的结构和功能方面引起多项改变。在结构上，心脏的室壁增厚并呈现更为球形的形状。然而其质量变化很小。在功能方面，静息状态下发生多种改变。虽然收缩功能通过多种适应性机制得到维持，但舒张期的心脏舒张显著减缓并日益依赖于心房收缩的贡献。心脏硬化使这一问题更为严重。然而，运动暴露了最显著的心脏功能改变。老化所致最大有氧能力下降的解释可能是复杂的，但至少部分源于多种老化相关改变——例如减缓的心动周期和舒张期改变——这些改变在静息状态下维持收缩功能，但在面对显著增加的工作负荷时则不足以应对。研究者日益利用细胞培养系统来研究老化心脏中更为微观的改变。这使得细胞内信号转导级联的研究以及关于心脏驻留干细胞和其他祖细胞在心脏中维持随增龄衰减但仍显著的心肌细胞更新（先前未预期）中的作用获得了更深入的认识。作为这些观察的基础，大多数老化理论聚焦于 ROS、RAS 和线粒体功能障碍的作用。这些因素构成了钙处理、细胞外基质改变等信号的潜在通路。对这些改变的深入研究可能提供对老化更深入的理解以及延长寿命并提高生活质量的方法。

本章个人批注

本章是 Hill/Olson 主编 Muscle 中关于心脏老化最综合性的综述之一，作者 Strait 与 Lakatta 来自 NIH 国家老龄研究所的 Lakatta 实验室，长期主导 BLSA 项目，因此行文带有强烈的"临床-动物-细胞多层级互相印证"风格。读本章时印象最深的有三点：其一，老化研究的方法学敏感性——同一问题（LV mass 是否随老化增加）因样本选择（尸检 vs. 超声心动图 vs. MRI）、校正方式（是否校正体表面积）以及人群（共病 vs. 健康）不同而得出方向相反的结论，作者对此给予充分的元-方法学反思，这一点在心血管领域其他综述中并不常见。其二，"适应性减缓"作为统一框架——许多看似不利的改变（AP 延长、心肌细胞肥大、ECM 纤维化、心房对充盈贡献增加、Ea/ELV 比值保持等）实际上是维持静息收缩功能（EF）的"代价"，但该代价在运动应激下立即暴露为储备不足。这一框架与第 35 章（病理性肥厚）和第 37 章（HF 病理生理）的"代偿-失代偿"叙事高度呼应，构成全书关于心肌如何在不同时间尺度上适应与失适应的统一主线。其三，分子层面的多重并置（自由基假说 + 端粒时钟 + 表观遗传 + 自噬-蛋白酶体 + β-AR 偶联下降 + RAAS 激活 + 线粒体 MPT）显示老化是一种多通路同步劣化的"汇聚表型"而非单一线性因果链，这恰恰解释了为什么单一干预（如某抗氧化剂或某 RAAS 阻滞剂）在临床试验中难以取得突破。本章与第 7 章（Ca²⁺ 调控）、第 9 章（RTK）、第 16 章（线粒体生物合成）、第 22 章（细胞内信号）、第 23 章（氧化应激）、第 35 章（肥厚）、第 39 章（再生）、第 41 章（心律失常分子机制）均形成事实上的交叉引用——读者读完前面章节再读本章，会发现许多"零散发现"其实汇聚到老化这一终极表型之中。本章对未来方向的论述偏简略，主要停留在 ω-3 PUFA 饮食、基因治疗、抗氧化剂等老话题，未涉及近来热门的老化细胞（senolytics）、NAD⁺ 补充、mTOR 抑制（雷帕霉素）等方向——这反映 2012 年初版的时代局限。

与上下章的衔接（一段话）

Hill/Olson 主编 Muscle 的第二部分"心脏肌肉"在第 43、44 两章将全书推向最终的综合维度：第 43 章聚焦"罕见病—蛋白错误折叠与浸润"作为心力衰竭的隐匿病因，第 44 章则将视角放大到"最常见病因—老化本身"。两章互补地呈现了从分子（错误折叠/聚集、端粒、凋亡）到宏观（限制型心肌病、心脏几何形态改变、Ea/ELV 失匹配）的统一逻辑。第 44 章作为第二部分乃至全书的收官章节，承担着将前 43 章的所有分子知识（钙处理、收缩蛋白、ECM、RAAS、β-AR、线粒体、microRNA、表观遗传等）综合为"为什么老年心脏易衰"这一终极问题的角色。第 45 章（Adrenergic Receptor Polymorphisms in Heart Failure）紧接其后，承接第 44 章关于 β-AR 偶联效率下降的讨论，将老化相关 β-AR 信号衰减进一步细化为受体多态性的遗传学维度，从而把第 44 章的"老年性 β-AR 缺陷"与遗传变异学对接，开启第二部分尾声对临床转化议题（个体化药物反应）的讨论。