NAD+代謝與衰老及其運動適應研究進展

蔣 智，田子林，胡 帥，羅 麗

煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（Nicotinamide Adenine Dinucleotide，NAD＋）是細胞內參與能量代謝的重要輔酶，作為代謝底物和細胞內信號分子，參與細胞物質代謝、能量合成、DNA修復等多種生理活動[1-3]。近年來，衰老過程中NAD＋代謝的改變及其調控備受關注。有學者[4]提出：哺乳動物衰老過程中存在一個“NAD World”的系統調控網絡；細胞和生物體的NAD＋水平決定了衰老的過程和程度；某些特定環節的薄弱造成NAD＋水平下降，最終導致全身NAD＋水平的下降，加速衰老。白藜蘆醇、熱量限制、運動等抗衰老措施的效應被證實與其對NAD＋代謝通路的調控有關。因此，NAD＋被認為可能是抗衰老的潛在靶標。本文主要綜述NAD＋代謝與衰老的關系及其運動適應研究進展，為通過藥物、飲食、運動等措施調控NAD＋代謝，防治衰老相關退行性疾病提供思路。

1 NAD＋可能是抗衰老的潛在靶標

研究證實，多個物種的不同組織存在隨衰老發生的NAD＋降低，這種下降被認為是導致多種衰老相關疾病的重要因素，因此維持NAD＋水平在衰老過程中起著至關重要的作用[5]。有研究證實NAD＋前體物質煙酰胺單核苷酸 （Nicotinamide Mononucleotide，NMN）在細胞和整體水平上顯著逆轉了衰老[6]。與此相似，補充另一NAD＋前體物質煙酰胺核糖（Nicotinamide Riboside，NR）能上調NAD＋水平，逆轉蠕蟲和小鼠的衰老進程[7]。

Sirtuins是一組NAD＋依賴性去乙酰化酶，在哺乳動物內有7種不同的亞型（SIRT1-SIRT7），在氧化應激、能量代謝、細胞凋亡和衰老過程中具有重要作用。最近的研究表明，NAD＋產生的有益效應可能與激活Sirtuins及其相關通路有關，提示NAD＋依賴性酶的再活化可能是改善代謝、延緩衰老的靶點之一[8-11]。例如，Wang等[11]發現CD38基因敲除可通過NAD＋/SIRT1信號通路減輕D-半乳糖誘導的細胞衰老和氧化應激。

白藜蘆醇是具有很強生物活性的天然多酚類化合物，主要來源于花生、葡萄、桑椹等植物。它是腫瘤的化學預防劑，也能降低血小板聚集，預防和治療動脈粥樣硬化、心腦血管疾病等。熱量限制是公認的具有延緩衰老效應的措施。對酵母細胞的研究發現，白藜蘆醇在SIR2（Sirtuins家族最早發現的成員，哺乳動物內的SIRT1-SIRT7是其同源基因）的刺激下能模擬熱量限制的抗衰老效應，增強DNA穩定性，減少DNA損傷，延長酵母細胞壽命[12]。SIRT1是在哺乳動物新陳代謝和衰老方面起關鍵作用的酶。白藜蘆醇的生物學作用與SIRT1密切相關，能激活SIRT1基因的表達，上調SIRT1活性，繼而增強過氧化物酶體增殖物受體γ共激活因子1α（Peroxisome Proliferator-Activated Receptor-γCoactivator-1α，PGC-1α）以及人叉頭框蛋白O活性。此外，自噬可以保護細胞器、細胞和生物體抵抗多種應激樁體，而白藜蘆醇可以通過激活SIRT1誘導自噬[13]。這些結果表明，白藜蘆醇通過調控NAD＋代謝通路發揮抗衰老效應；同時也提示，NAD＋可能是抗衰老的潛在靶標。

對神經退行性疾病等衰老相關疾病的研究進一步提示NAD＋可能是抗衰老的潛在靶標。衰老是導致帕金森病（Parkinson's Disease，PD）、阿爾茨海默病（Alzheimer's Disease，AD）和衰老相關性聽力損失（Age-Related Hearing Loss，ARHL）等常見神經退行性疾病的重要因素。研究證明，補充NAD＋或其前體物質可能是治療神經退行性疾病的潛在策略。PD的發病機制可能與多巴胺能神經元線粒體損傷及線粒體復合物I功能障礙有關[14]。紋狀體預注射NAD＋可改善PD小鼠運動障礙和多巴胺能神經元損傷[15]。利用果蠅或細胞模型的研究表明，補充NMN和煙酰胺（Nicotinamide，NAM）能改善PD表型[16-17]。例如，膳食補充NAM有助于維持健康線粒體池，改善線粒體形態和呼吸功能，減輕PTEN誘導的假定激酶1（PTEN-induced kinas 1，PINK1）突變體果蠅中多巴胺能神經元的功能障礙[11]。AD以β淀粉樣斑塊和細胞內磷酸化Tau蛋白的積聚及進行性認知障礙為特征，最終導致癡呆。在早期AD小鼠模型（APP/PS1轉基因小鼠）中，NAD＋治療可改善小鼠的空間學習記憶能力，減少其皮質和海馬的淀粉樣斑塊沉積[18]。Hou等[8]開發了一種DNA修復缺陷3xTgAD/Polβ+/-小鼠，它加劇了人類AD的主要特征。NR可改善3xTgAD和3xTgAD/Polβ+/-小鼠的Tau病理學癥狀及認知功能，NR處理后3xTgAD/Polβ+/-小鼠DNA損傷減少，腦內SIRT3活性提高。ARHL是導致老年人交流障礙的主要原因，Kim等[9]證明通過藥物調節NAD＋水平是治療ARHL的可行選擇。

除此之外，還有研究揭示了NAD＋對衰老相關疾病的潛在治療價值。在哺乳動物體內，煙堿是NAD＋合成的主要前體物質。在煙酰胺磷酸核糖轉移酶（Nicotinamide Phosphoribosyl Transferase，NAMPT）的作用下，煙堿被轉化為NMN，然后在NAMPT的作用下，NMN進一步轉化為NAD＋[19]。NAMPT是這一反應的限速酶，其含量和活性決定了細胞生成NAD＋的量和速率。肌肉特異性NAMPT敲除小鼠出現NAD＋水平下降，肌細胞壞死、肌肉功能進行性喪失，以及糖代謝異常，而口服補充NR能逆轉其肌肉質量、運動能力的下降[20]。Yang等[21]發現服用NR可預防小鼠衰老相關的卵巢NAD＋含量下降，改善衰老小鼠卵巢線粒體功能，逆轉卵巢衰老。此外，隨著年齡的增長，氧化應激和腦微血管內皮功能障礙損害神經血管耦合，導致認知能力下降。NMN補充能減輕老年腦微血管內皮細胞線粒體氧化應激，改善線粒體生物能，恢復腦微血管功能，改善認知[22]。

2 補充NAD+及其前體物質延緩衰老的機制

2.1 促進DNA修復

衰老時常發生DNA損傷的積累，這可能與DNA修復機制受損有關[23]。因此，維持有效的DNA修復機制可能會延緩衰老及相關疾病的發生發展[24-25]。研究發現，NAD＋代謝對關鍵的DNA修復過程發生影響[26]。補充NAD＋前體物質已被證明在衰老相關疾病中對DNA修復有積極影響[8,27]。例如，NAD＋缺乏與皮膚老化和癌癥有關。NAM可防止紫外線誘導的ATP耗竭，增強細胞能量，增強DNA修復活性；局部使用NAM可減少皮膚老化[27]。此外，NAD＋補充也能通過促進DNA修復和線粒體自噬，改善某些DNA修復缺陷型疾病，如著色性干皮病、共濟失調毛細血管擴張癥和科凱恩綜合征等疾病的衰老表型[28-30]。DNA同源重組修復是電離輻射引起的雙鏈斷裂修復（Double-Strand Break Repair，DSBR）的主要方式。在人類患者的成纖維細胞以及DSBR蛋白共濟失調-毛細血管擴張癥突變（Ataxia-Telangiectasia Mutated，ATM）缺陷小鼠的腦組織中，細胞核和線粒體基因組發生了DNA損傷累積，補充NR可部分通過SIRT1/SIRT6依賴的DSBR改善ATM缺陷神經元的基因組穩定性，增強對電離輻射的耐受性[29]。

2.2 改善線粒體功能

多項研究表明，在一系列與衰老相關疾病中均存在線粒體功能障礙[9,17,21-22]，改善線粒體功能是補充NAD＋及其前體物質延緩衰老的重要機制之一。通過藥物直接調節細胞NAD＋水平可以抑制炎癥反應和氧化應激、維持線粒體功能和促進線粒體生物發生，預防ARHL及其伴隨的有害影響[9]。線粒體功能障礙是肌肉衰老的一個生物標志，而NR通過改善線粒體功能防止肌肉衰老[31]。在PD模型中，通過補充NAD＋前體NR，上調NAD＋顯著改善了患者神經元的線粒體功能[32]。Sirtuins的激活被認為對代謝和衰老相關疾病（如高脂飲食誘導的肥胖、神經退行性疾病等）有益[9-11,17]，這在一定程度上是因為Sirtuins通過去乙酰化線粒體相關蛋白來調節線粒體的活動[33]。

2.3 誘導自噬

自噬是細胞凈化自身多余或受損細胞器，維持蛋白質代謝平衡，清除細胞內廢物和結構重建的重要機制。衰老時細胞自噬能力明顯降低，導致線粒體等細胞器更新緩慢，引發炎癥和細胞死亡，加速衰老。許多研究表明，衰老及相關疾病的發生與自噬功能減退關系密切。

補充NAD＋通過誘導自噬對老年性疾病產生積極影響，從而延緩衰老。利用NAD＋的前體（如NMN和NR）補充NAD＋可以通過激活Sirtuins（包括SIRT1和SIRT3）、增加細胞核和線粒體中的蛋白質脫乙酰化，激活自噬來抑制心臟衰老[34]。氧化應激是老年性黃斑變性（Age-related Macular Degeneration，AMD）的一個重要病理改變,外源性NAD＋通過上調自噬作用抑制H2O2誘導的氧化應激，保護視網膜色素上皮細胞免受聚腺苷二磷酸核糖聚合酶-1介導的壞死性死亡，提示外源性NAD＋可能有治療AMD的潛在價值[35]。

NAD＋可通過SIRT1激活自噬。首先，NAD＋/SIRT1通路可能通過自噬蛋白去乙酰化，上調自噬相關蛋白表達[36]；其次，NAD＋還可能通過激活AMP蛋白激酶（Adenosine 5'-Monophosphate-Activated Protein Kinase，AMPK）誘導自噬[37-39]。NAD＋/SIRT1能激活大鼠原代皮層神經元AMPK，繼而磷酸化結節性硬化復合物2的Ser387位點，從而通過抑制雷帕霉素靶蛋白激活自噬[40]。NR、NAM等NAD＋前體物質也可誘導人成纖維細胞、鼠皮層神經元和3xTg AD小鼠發生自噬/線粒體自噬[41]。

3 運動對體內NAD＋水平的調控

細胞內NAD＋水平不僅受到許多細胞活動的影響，而且還受到運動的調控。例如，在高脂飲食（High Fat Diet，HFD）誘導的肥胖小鼠模型中，6周的運動訓練可以改善其葡萄糖耐量并提高肌肉NAD＋水平[42]。Caldwell等[43]將13～15月齡的CAG140敲入小鼠分為運動組和靜坐組，發現運動組的NAD＋值比靜坐組增加了6倍。對小鼠和人類的研究還表明，運動可以以雙相方式改變循環中的NAD＋，即中等強度運動增加NAD＋水平，而劇烈運動減少NAD＋水平。這表明運動強度是影響人體NAD＋水平和NAD＋/NADH比率的一個重要因素[44]。

有學者研究了運動對NAD＋合成限速酶NAMPT的影響。有氧運動分別使年輕人（35歲以下）和老年人（55歲以上）的骨骼肌NAMPT水平增加約12%和28%，而抗阻訓練使年輕人和老年人的骨骼肌NAMPT水平分別增加約25%和30%，提示運動訓練可以逆轉骨骼肌NAMPT水平隨年齡增長而下降的趨勢[45]。另一項研究證明人體骨骼肌NAMPT因運動而上調，運動員骨骼肌中NAMPT蛋白表達是久坐肥胖者、非肥胖者和2型糖尿病患者的2倍。久坐的非肥胖受試者在經過3周運動訓練后NAMPT蛋白增加了127%。此外，骨骼肌NAMPT蛋白與線粒體含量、最大攝氧量等密切相關。用5-氨基咪唑-4-甲酰胺-核糖核苷激活AMPK，引起NAMPTmRNA水平上升了3.4倍，同時NAMPT蛋白和線粒體含量都增加。運動能誘導人骨骼肌NAMPT表達，可能在運動對線粒體生物發生的調節中起作用，然而這一聯系有待進一步研究證實[46]。

還有研究試圖解析NAMPT表達與運動之間是否存在交互作用。肌組織過表達NAMPT能保護小鼠免于HFD誘導的肥胖，但無法改善胰島素抵抗；運動訓練能誘導肌組織過表達NAMPT的小鼠產生3倍于野生型小鼠的運動耐力，同時線粒體基因表達水平也顯著上升。這表明，骨骼肌NAMPT活性的升高與運動之間存在交互作用，而這種作用表現為運動耐力的提高[47]。

從上述研究可以看出，運動方案，包括運動方式、運動強度、持續時間以及個體NAD＋基礎水平都是影響研究結果的因素。目前在這一領域成果不多，運動調控不同人群NAD＋代謝的作用與機制仍有待于更為深入細致的研究。

4 運動對NAD＋依賴性酶Sirtuins的調控

近年來，運動與Sirtuins之間的關系也倍受關注，其中研究較多的是SIRT1和SIRT3。激活SIRT1和SIRT3可以避免與衰老相關的肌肉減少癥，并進一步幫助個體運動，而體力活動又可以提高SIRT1和SIRT3的表達水平，從而引發一個有益的循環，可以對抗衰老及其相關疾病[48]。運動對人體骨骼肌SIRT1和SIRT3的影響很大程度上取決于運動類型。急性運動激活SIRT1，進而激活線粒體氧化能力；而經過幾次有氧訓練后，久坐個體的SIRT3和PGC-1α升高。雖然運動以不同的方式激活Sirtuins途徑，但都能起到改善線粒體健康的作用[49]。Vargas-Ortiz等[50]先前的一項研究也證實了這一點，即SIRT3通過激活PGC-1α，參與調節線粒體能量穩態。有氧訓練增加了久坐、超重或肥胖青少年的SIRT3和PGC-1α表達水平。Radak等[51]則提到：有規律的運動會使神經退行性疾病患者的腎臟、肝臟和大腦中的SIRT1水平恢復到系統適應狀態，從而使細胞代謝過程正常化，改善神經退行性疾病。此外，對果蠅的研究提示運動訓練可以激活NAD＋/dSIR2/PGC-1α途徑，改善老年果蠅由于HFD或心臟dSIR2基因敲除引起的脂肪中毒性心肌病[52]。

運動對機體代謝的調控與AMPK/SIRT1信號通路有關。AMPK/SIRT1信號通路參與細胞凋亡、細胞自噬、能量代謝和衰老等過程[53]。運動可能通過激活AMPK/SIRT1信號通路抑制細胞凋亡，改善肌肉質量，預防肌少癥[54]。姜黃素（一種天然抗氧化劑）聯合耐力訓練能激活AMPK，提高骨骼肌NAD＋/NADH比值，誘導SIRT1激活，促進PGC-1α脫乙酰化[55]。運動也能調節腦組織AMPK/SIRT1信號通路。有報道游泳運動可以激活衰老大鼠海馬組織AMPK/SIRT1/PGC-1α等信號通路，抑制凋亡和炎癥反應[56]。在另一項有關糖尿病模型大鼠的研究中，有氧運動激活了海馬組織AMPK/SIRT1信號通路，促進了海馬突觸可塑性相關蛋白的表達[57]。

除了SIRT1和SIRT3，還有部分研究報道運動可調節SIRT4水平。12周跑步訓練降低了大鼠腓腸肌SIRT4的含量[58-59]。SIRT4在不同類型的細胞中表達不同，關于運動對SIRT4的調控仍知之甚少，未來針對SIRT4的研究可能需要更多的關注[60-61]。

5 補充NAD＋前體物質對運動能力的影響

運動時需要更高的能量消耗，ATP的周轉率也更高，這很大程度上取決于NAD＋維持的氧化還原平衡，因此良好的NAD＋代謝對肌肉的運動適應至關重要[62]。NAM、NR和NMN等作為NAD＋主要的前體物質，對運動能力的影響近年來也受到研究者們的關注。Frederick等[20]研究發現肌肉特異性NAMPT基因敲除小鼠肌肉內NAD＋水平顯著下降，出現肌細胞壞死、肌肉功能進行性喪失，對其進行NR干預，連續給藥6周（400 mg/kg/d）。結果顯示NR治療恢復了其運動能力，防止了在7個月大的基因敲除小鼠中觀察到的運動不耐受的發展，并在疲勞時逆轉了乳酸酸中毒。對人體的一項研究證明，補充NR提高還原型NAD＋水平，降低氧化應激，并改善老年人的身體機能[63]。內皮細胞中的SIRT1是肌細胞分泌的促血管生成信號的關鍵介質。用NMN治療小鼠，可以促進SIRT1依賴性的毛細血管密度增加，從而改善老年小鼠的血流量并提高耐力，且這一效果可通過運動或增加硫化氫（可模擬熱量限制，調節內皮NAD＋水平）水平來增強。然而敲除內皮細胞中的SIRT1基因，則達不到上述效果，表明SIRT1介導了NMN和運動的積極作用[64]。

從動物和人體實驗的一些結果來看，補充NAD＋前體物質似乎對老年個體或者NAD＋缺乏的個體起到更大的作用。對年輕或健康的個體來說，單獨補充NAD＋前體物質可能不足以改善身體機能，甚至有潛在負面影響。例如，Kourtzidis等[65]將18只健康的幼年大鼠隨機分為對照組和NR組（300 mg/kg/d，連續21 d），干預結束時，兩組均進行遞增游泳性能測試。發現在最后10%負荷時，NR組相比對照組運動能力有下降的趨勢，表明NR補充可能對身體機能有潛在負面影響。

還有研究采用了補充NAD＋前體物質聯合運動訓練的方案。Crisol等[66]證明，NR補充增加了骨骼肌中NAD＋的含量，但是NR的補充本身并沒有提高骨骼肌的有氧運動能力。接受NR補充（400 mg/kg/d）和運動訓練（60 min/d，每周5 d）聯合治療的小鼠與接受NR或單獨運動訓練治療的小鼠相比，其跑步距離和最大功率更佳，即運動表現更好。NR補充和運動訓練結合增加了骨骼肌中煙酰胺單核苷酸腺苷轉移酶3和線粒體復合物蛋白含量，促進了氧化代謝，導致小鼠運動能力的提高。另外，Das等[64]的研究還探索了NMN聯合運動訓練的效果。與單獨使用NMN或運動相比，NMN聯合運動訓練顯著增加了幼鼠四頭肌的毛細血管數量。

年輕骨骼肌和老年骨骼肌對運動和NAM治療的反應似乎存在差異[67]，這可能與不同年齡動物對運動的耐受性和體內NAD＋的基礎水平等因素有關。給予5月齡及28月齡的大鼠飲水補充NAM 5周，運動組大鼠在干預的后4周同時進行中等強度跑臺運動，結果發現，單獨補充NAM沒有改變青年和老年大鼠腓腸肌SIRT1含量，但增強了SIRT1活性，表明外源性補充NAM對衰老骨骼肌可能是有益的。然而，有趣的是，老年大鼠腓腸肌中PGC-1α升高，但年輕大鼠并非如此。此外，NAM聯合運動導致老年大鼠腓腸肌SIRT1水平下降。

一項有趣的研究比較了跑臺運動和NMN注射對肥胖母鼠孕育的子代小鼠代謝功能的影響。該小鼠在離乳后給予高脂飲食，出現肥胖和肝組織甘油三酯蓄積，同時糖耐量下降，肝NAD＋水平和檸檬酸合酶功能降低；分別給予9周跑臺運動或18 d NMN注射，結果發現，2種干預方式都減輕了肥胖，改善了糖耐量，增強了線粒體功能；而NMN在改善肝脂肪分解代謝和合成代謝方面作用更強[68]。這一研究證實了補充NAD＋前體物質對代謝機能的有益影響，同時也表明NAD＋前體物質作為運動模擬劑的潛在價值。

目前關于補充NAD＋前體物質對個體運動能力影響的研究大多以動物為實驗對象，研究結果也并不完全一致，這可能與體內NAD＋基礎水平，NAD＋前體補充形式、劑量等一系列因素有關。鑒于體內NAD＋穩態對人體機能的重要作用及補充NAD＋前體物質的便捷和安全性，未來更多針對人體的研究也應該納入考慮，以尋找補充NAD＋前體物質的最佳方式。

6 總結與展望

人口老齡化已成為一個全球性社會問題。研究證實，生活方式干預，包括運動、健康飲食、熱量限制等，是改善老年人健康、提高生活質量的有效手段。然而，由于疾病等原因，一些群體可能無法通過生活方式干預實現這一目標。因此，研究藥物防治措施具有特殊意義。許多證據表明，補充NAD＋及其前體在許多疾病條件下，對多個器官功能代謝都是有益的，能延緩或預防多種衰老相關疾病，改善個體運動能力。NAD＋前體物質，例如NMN、NR等，使用也是相對方便（可口服）、安全的。目前在補充NAD＋及其前體的抗衰老效應及運動適應研究方面，仍存在一些問題值得探究：例如，在正常衰老和衰老相關疾病條件下，組織細胞的NAD＋水平如何？細胞內NAD＋水平是否能作為衰老的生物學標志物？關于NAD＋及其前體物質抗衰老效應的機制，也有待更深入的研究。此外，運動作為一種行之有效的抗衰老措施，是如何調控NAD＋信號通路的？運動對不同年齡段人群的NAD＋代謝通路影響有何不同？補充NAD＋前體物質改善運動能力的機制如何？補充NAD＋前體物質改善運動能力的最佳劑量、治療時間、補充形式等是怎樣的？這些問題的解決將為通過藥物學或營養學方法及運動等手段調控NAD＋水平，從而延緩、防治衰老相關疾病提供思路。