老化篇（5）：自由基是導致老化的萬惡之首？且聽「毒物激效反應」怎麼説

文： 張國柱（Chang，Kuo-Chu）

         台大生理退休

 

日期：2022/10/01

 

生物科學家提出甚多的理論用以解釋有機體的老化現象，其中「1956年由 Denham Harman 所引進的老化自由基理論（Free Radical Theory of Aging，FRTA)」最廣為人知。FRTA 認為活性氧物種（Reactive Oxygen Species，ROS）的增加是導致生物體老化最主要的原因。由於粒線體與能量壓力（Energy Stress）有關，是細胞產生 ROS 最主要的所在，因此粒線體的失能被聯想到老化進程（Aging Process）是最自然不過的了。因此 Harman 便在1972年將他最初的 FRTA 理論延伸到粒線體老化自由基理論（Mitochondrial Free Radical Theory of Aging， MFRTA）。

 

然而自由基真的只有百害而無一益？補充外給抗氧化劑（Antioxidants）真的可以延年益壽、維護健康？這些問題的答案並非顯而易見。有趣的是近年來有些學者提出「粒線體的 ROS（Mitochondrial ROS，mtROS）不僅不是導致有機體老化的元兇，相反地，mtROS 卻是對抗老化、延年益壽、維護健康的必要，這就是粒線體興奮效應（Mitohormesis）理論。」粒線體興奮效應理論與粒線體老化自由基理論似乎相互矛盾，令人感到困惑。本文將簡要介紹這兩者之間的差異，並介紹粒線體興奮效應與延緩老化、維護健康之相關防衛機制，提供各位同好參考。

 

ROS 與氧化壓力（Oxidative Stress）

生物體的自由基主要來自（1）粒線體，（2）黃嘌呤氧化酶（Xanthine Oxidase），（3）烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶（NADPH Oxidase）。ROS 的生成若超出生理程度便會造成細胞的損壞，謂之氧化壓力。由於 ROS 是粒線體進行氧化磷酸化產出 ATP 的過程中，不可避免的副產物，約佔細胞內所有 ROS 的百分之九十，因此粒線體的失能，意味著氧化壓力的增加，便有導致不同疾病的聯想，如糖尿病、癌病變和退化性神經失序（如阿滋海默病、巴金森氏症）。此外增加 ROS 的生成能夠造成細胞損壞的累積，與細胞因衰老而失能，有相當密切的關聯性，最終造成細胞或有機體的死亡。

 

粒線體老化自由基理論：ROS 暴露與死亡率呈線性關係（Linear Relationship）

FRTA 觀念的形成與代謝率（Metabolic Rate）有關。Harman 指出：提高代謝率可生成更多的ROS，增加氧化壓力，對細胞或有機體所累積的傷害就愈大，進而縮短真核生物（Eukaryotes）的壽命。實驗證明：在營養不缺乏的情況下，限制飲食熱量的攝取（Calorie Restriction，CR），能夠促進多種物種和有機體的健康與壽命的延長。可能的解釋是：CR 可透過降低代謝率來減少 ROS 的生成，繼而降低氧化壓力，減少氧化傷害，達成延緩細胞或有機體的衰老和壽命的延長。因此 FRTA 主張：「ROS 暴露與氧化壓力的變化呈線性關係，ROS 暴露亦與死亡率呈線性關係。」

 

毒物激效反應（Hormesis）：ROS 暴露與死亡率呈非線性關係（Non-linear Relationship）

然而證據顯示：低劑量的 ROS 能夠誘發細胞的保護作用，降低死亡率；高劑量的 ROS 則對細胞有毒害作用，增加致死率。此兩相性（Biphasic）、非線性的劑量–效應曲線（Dose–Response Curve），稱為毒物激效反應（Hormesis）。由於線蟲（C. elegans）和 果蠅（Drosophila）的研究資料指出：CR 總是伴隨著代謝率的增加，而代謝率的增加必然連結到粒線體代謝活性的增強。因此增加 mtROS 的生成在參與壽命延長的過程中，扮演非常重要的角色。mtROS 可誘發細胞適應性的防衛機制，降低總體 ROS 的程度，提升整體生物對抗氧化壓力的能力，延長壽命。由於 ROS 暴露與死亡率所呈現的非線性相關係來自於粒線體，故又稱為粒線體興奮效應（Mitohormesis）。

 

粒線體興奮效應與 mtROS 的適應性防衞機制

胰島素/IGF-1之受體稱為 DAF-2。實驗証明：阻斷 DAF-2 可延長線蟲的壽命。 daf-2 基因的突變能夠降低 ROS 的生成，導致 DAF-2 的減少可實質地降低 ROS 濃度的結論，這與外給抗氧化劑對 ROS 的影響有所差異。利用 RNAi 的技術抑制 daf-2 基因，一開始可觀察到瞬間 ROS 的增加，是為急性反應；此時 mtROS 可誘發內生性 ROS 防衞機制，降低 ROS 的水平、對抗氧化壓力，隨後在穩定狀態下持續維持低濃度的 ROS。然而外給抗氧化劑自始至終僅呈現穩定狀態，缺乏 mtROS 所誘發的防衞機制，最終 ROS 濃度雖然降低了，卻仍高於粒線體興奮效應所誘降之 ROS 濃度甚多。粒線體興奮效應所呈現的低階 ROS 有能力活化轉錄因子（如 FOX 或HSF-1)，調控壓力防衛基因表現，產生抗氧化酶、解毒酵素、熱休克蛋白，維持蛋白質恆定，形成對抗壓力的適應性機制，確保細胞和有機體的健康與壽命的延長。

 

葡萄糖限制（Glucose Restriction）

葡萄糖限制是熱量限制的一種，可啓動數種訊息傳遞路徑，不僅可以降低 ROS，亦可促進壽命的延長。葡萄糖限制可活化 AMP 所觸發的蛋白激酶（AMP activated protein kinase，AMPK）。AMPK 是細胞內能量代謝的主要調控者，在能量缺乏時可被代謝壓力所激活，提升能量生產的程序，就像增加粒線體的生成過程（Mitochondrial Biogenesis）一般。AMPK 可偵測 AMP/ATP 或 ADP/ATP 比值之變化，當 AMP/ATP 或 ADP/ATP 比值增加時可活化 AMPK 訊息傳遞路徑，促進葡萄糖和脂質的代謝，增強氧化磷酸化，提升 mtROS 的濃度。此時的 ROS 可誘發內生性 ROS 防衞機制，繼而降低 ROS 的水平、對抗氧化壓力，增進代謝健康，延長壽命。

 

AMPK 亦可抑制 mTOR 蛋白，達到延緩生物體衰老和老化相關疾病的誘發。mTOR 是PI3K/Akt 訊息傳遞路徑的激活蛋白，包含兩種功能迴異的多蛋白複合體，TORC1 和 TORC2；其中與營養、荷爾蒙、能量和氧化壓力有關的是TORC1。 AMPK 可抑制 mTOR/TORC1 蛋白的活性，促進氧化磷酸化的進行，增加 mtROS，達到適應性的粒線體興奮效應，對抗氧化壓力，促進有機體的健康和壽命的延長。因此 AMPK 不僅可充當代謝的調控者，在 ROS 訊息傳遞和粒線體適應性防衛機制方面也都扮演重要的角色。綜合上述：葡萄糖限制可活化 AMPK，促使粒線體進行氧化磷酸化，增加 mtROS 的生成，誘發 ROS 的適應性防衛機制，導致壽命的延長。

 

體能活動（Physical Activity）

身體缺乏體能活動可觸發各種不同的疾病，如肥胖、心血管疾病、糖尿病和癌症。相反地，規律的體能活動毫無疑問地可以預防上述疾病的發生，並可延緩退化性神經病症（如阿滋海默病）和老化。運動不僅可以強化粒線體的生成過程和氧化代謝，並可增加 mtROS 的產生，誘發粒線體興奮效應。體能運動可消耗大量的 ATP，增加 AMP 的累積，提高 AMP/ATP 的比值，誘導 AMPK 以活化 PGC-1，透過 NRF2 的活化和抗氧化酶的產生，對抗氧化壓力，促進長壽與健康。然而補充外給抗氧化劑卻可抑制 mtROS 所誘發的粒線體適應性防衞機制，阻斷體能運動所帶來的健康效果。因此對健康的運動員而言，並不建議外給抗氧化劑的補充。此外運動過度或高度耗能訓練（如馬拉松運動）可以導致粒線體適應性程序的喪失，結果趨向毒物興奮效應的另一極端，累積大量的自由基，傷害身體健康，並增加罹患心血管疾病的風險。

 

結語

自由基確實是一種有毒的物質，對正常細胞的傷害很大，但是自由基也是免疫細胞對抗細菌、病毒的一種利器。ROS 是自由基的一種，但 ROS 濃度的高低對細胞的抗壓性（Stress Resistance）與壽命的影響，卻大不相同。低劑量的 ROS 能夠誘發細胞的保護作用，降低死亡率；高劑量的 ROS 對細胞有毒害作用，增加致死率。粒線體興奮效應具有兩相性，其中適量增加的 mtROS 能夠誘導細胞達到適應性的防衛作用，在穩定狀態下，持續保持低階的 ROS，活化轉錄因子（如 FOX 或 HSF-1)，調控壓力防衛基因表現，產生抗氧化酶、解毒酵素、熱休克蛋白，維持蛋白質恆定，增進健康、延長壽命，這是粒線體老化自由基理論所欠缺的機制。實驗數據顯示：體能運動和熱量限制/葡萄糖限制至少擁有共同的粒線體代謝來源，也就是能量不足所導致 AMP/ATP 比值的增加可激活 AMPK 訊息傳遞路徑，誘發粒線體的適應性防衛機制，最終達到提升細胞的抗壓性、強化抗氧化的防衛能力和延長有機體壽命的效益。然而外給抗氧化的補充劑缺乏細胞對抗壓力的適應性防衛機制，反而能夠阻斷體能運動所帶來的健康效果。值得注意的是，對人類而言，過度補充抗氧化劑，並無法為健康帶來好處，甚至有危害生命之險。