综述：探索红细胞生成：通过疟疾和微重力的视角审视衰老

《TRENDS IN Parasitology》：Exploring erythropoiesis: aging through the lens of malaria and microgravity

本综述深入探讨了衰老过程中红细胞生成（Erythropoiesis）的调控机制及其与贫血（Anemia）的关联，创新性地引入疟疾（Malaria）和微重力（Microgravity）作为研究衰老红细胞（RBCs）的模型。文章系统阐述了年龄相关的造血干细胞（HSCs）功能衰退、促炎细胞因子（如IL-6, TNF）失衡、铁代谢关键调节因子铁调素（Hepcidin）上调以及氧化应激（Oxidative stress）等核心机制，并探讨了当前疗法如促红细胞生成素（EPO）和新兴的缺氧诱导因子脯氨酰羟化酶抑制剂（HIF-PHIs）的局限。通过比较模型揭示的加速衰老表型，为理解老年贫血（Anemia in the elderly）的病理生理和开发新疗法提供了独特视角。

　　

红细胞生成与贯穿生命周期的贫血

红细胞（RBCs），或称 erythrocytes，是人体内最丰富的细胞类型，负责产生和维持正常的血红蛋白（Hb）水平，向器官和组织输送氧气，并将二氧化碳运输至肺部。健康人体每秒通过红细胞生成过程产生约200万个红细胞。这一过程受到多层次严格调控，包括关键分子的外在作用（如促红细胞生成素EPO、白介素-3 (IL-3)）、红细胞生成基因（如GATA1、KLF1）的转录调控（通过JAK2/STAT5、PI3K/AKT等信号通路）以及铁调素（Hepcidin）调控的铁稳态。这些因子的协同作用调节红系增殖和分化，确保红细胞稳态。

红细胞生成受损的一个常见表现是贫血，即红细胞减少导致外周组织氧气供应不足。在老年人中，贫血与疲劳、头晕和功能障碍相关，并增加心血管疾病和认知功能障碍的风险。贫血在衰老过程中日益普遍，全球65岁及以上人群的患病率估计为17%，通常源于营养缺乏、慢性疾病或不明原因。

稳态下的红细胞生成

红细胞生成始于骨髓（BM），结束于血流中。多能造血干细胞（HSCs）经历连续的成熟过程以产生红细胞。该过程可分为三个阶段：红系祖细胞定向、终末红系细胞分化以及网织红细胞成熟。

红细胞生成的三个阶段

第一阶段涉及HSC分化为定向的红系祖细胞，依次形成红系爆式集落形成单位（BFU-E）和红系集落形成单位（CFU-E）。EPO是此阶段的关键介质，它结合促红细胞生成素受体（EPOR），激活EPOR-JAK2复合物，导致JAK2磷酸化并激活转录因子STAT5。EPOR也激活PI3K/AKT和MAPK/ERK1/2通路，最终激活GATA1和KLF1，刺激细胞存活、增殖和分化。

第二阶段，CFU-E细胞逐步分化为早幼红细胞（ProE）、嗜碱性幼红细胞（BasoE）、多染性幼红细胞（PolyE）和正染性幼红细胞（OrthoE）。这些发育中的幼红细胞经历细胞体积减小、Hb积累、核固缩和去核。此阶段发生在由中央巨噬细胞和周围幼红细胞组成的红系岛中，巨噬细胞通过提供铁、介导粘附分子相互作用、分泌可溶性因子以及吞噬去核过程中挤出的细胞核来支持幼红细胞发育。去核标志着第三阶段的开始，产生保留RNA、富含细胞器和Hb的网织红细胞。随着网织红细胞成熟，它们进入血流，失去细胞器，获得双凹形状，通过细胞外囊泡介导的膜蛋白移除，细胞面积和体积减小，最终成为完全成熟的红细胞。

除GATA1和KLF1外，转录因子GFI1B参与红系增殖和分化，而Nrf2在造血干祖细胞（HSPCs）和幼红细胞中高表达，通过上调铁回收（如HMOX1、FPN1）和血红素合成（如ABCB6、FECH）相关基因来调节红细胞生成过程中的铁稳态。

年龄相关的红细胞生成变化

衰老过程中一个显著的生理变化是骨髓细胞性下降，造血细胞在骨髓中的比例从出生时的90%降至70岁时的约30%。这种下降可能与HSC耗竭有关，其特征是随着年龄增长，干细胞数量和功能（即自我更新能力）逐渐下降。HSC耗竭的因素包括：DNA修复机制缺陷导致的DNA损伤积累、年龄相关的端粒缩短、以及对生理应激（如感染和贫血）的反复干细胞激活导致的活性氧（ROS）和促炎细胞因子产生及后续DNA损伤。这种耗竭可能降低了HSC对随年龄增长而下降的EPO的反应性，从而可能削弱EPO诱导的红系定向。

在机制层面，衰老的HSPCs表现出RUNX3表达减少，该基因对红系编程以及KLF1、GATA1、GFI1B和EPOR表达的调控至关重要。RUNX3及随后EPOR表达的减少可能导致了上述HSC反应性降低。相比之下，Nrf2似乎在衰老过程中对抗氧化损伤具有保护作用，诱导抗氧化基因（NQO1、SOD1、CAT、HMOX1、SESN2）的表达，从而减少ROS的产生。Nrf2缺失与小鼠无效红细胞生成相关，突变体表现出年龄依赖性低再生性贫血。

生理上，肾脏响应缺氧产生EPO的能力随年龄下降。铁代谢也发生改变：例如，老年人常出现肠道铁吸收减少，可能与低胃酸症患病率增加和质子泵抑制剂的广泛使用有关。此外，组织中铁隔离随年龄增加，这可能与慢性炎症相关的铁调素水平升高有关。

年龄相关性贫血

贫血（女性Hb <12 g/dl，男性Hb <13 g/dl）在老年人中日益普遍。老年人中最常见的贫血类型包括慢性病性贫血（ACD）——老年贫血的主要原因，涵盖慢性肾脏病（CKD）和慢性炎症——以及不明原因贫血（UA）。无论其起源如何，贫血显著增加老年人的发病率和死亡率。

在老年人中，贫血通过降低血液携氧能力，导致外周血管阻力降低、静脉回流量增加和心输出量升高，从而增加心血管疾病风险。这些代偿性变化可导致左心室肥厚、心动过速，并可能加重冠心病患者的心肌缺血。贫血还与残疾相关：损害活动能力、平衡、行走速度和肌肉力量，增加跌倒和骨折风险。它还与情绪低落、抑郁症状以及整体健康和生活质量受损相关。老年贫血患者认知障碍风险增加。

慢性肾脏病

CKD以肾功能进行性下降、蛋白尿、电解质失衡、贫血、心血管并发症和毒素积累为特征。由于高血压、糖尿病和肥胖等风险因素随年龄增长，CKD在老年人中非常普遍。

CKD中的肾功能下降导致EPO产生减少和对缺氧的EPO合成设定点降低，促成贫血。当肾功能低于40 ml/min时，对贫血的EPO反应进一步减弱。CKD还与慢性炎症状态相关，促炎细胞因子（如IL-1、TNF）产生和滞留增加，通过抑制其基因表达来抑制缺氧诱导的EPO合成。CKD进展及其伴随的炎症可通过缩短红细胞寿命和增加红细胞清除进一步导致贫血。CKD中ROS产生与解毒之间的不平衡导致氧化应激增加，促进红细胞凋亡（Eryptosis）并加剧肾功能障碍，从而加速疾病进展并恶化贫血。同时，由于炎症反应增强和肾脏清除减少，铁调素水平升高，降低了红细胞生成可用的铁。

慢性炎症

衰老过程中，炎症衰老（Inflammaging）被认为源于细胞和免疫细胞衰老、肠道微生物群改变以及合并症的存在。慢性炎症期间，释放的促炎细胞因子（如IL-6、TNF、干扰素γ (IFN-γ)）可直接影响红细胞生成并导致贫血。例如，IL-6通过降低SLC4a1表达来降低线粒体膜电位并损害红系发育和成熟；IFN-γ诱导一氧化氮介导的红系祖细胞凋亡。IL-6和IFN-γ均激活STAT3，抑制红系细胞中γ-珠蛋白基因表达，损害Hb产生。此外，TNF下调GATA1，导致Hb合成和EPOR表达减少。

IL-6与其受体结合，激活酪氨酸激酶JAK2，进而磷酸化并诱导转录因子STAT3核转位，导致肝细胞中铁调素转录增加。铁调素随后降解金属转运蛋白DMT1（通常促进肠道铁吸收），并诱导铁转运蛋白（Ferroportin）内吞和降解，阻止巨噬细胞释放铁，减少用于红细胞合成的铁可用性。

不明原因贫血

UA（或称“衰老性贫血”）约占老年贫血病例的三分之一。这种贫血发生在没有明确病因的情况下，通常较轻，Hb水平低于正常范围约1 g/dl；其特征是网织红细胞计数低。UA是一种排除性诊断，被认为是多因素 condition。

氧化应激是一个可能的促成因素，与衰老过程中谷胱甘肽（GSH）和谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）活性降低有关，这影响了抗氧化防御系统。这可能是由于上述年龄相关的Nrf2表达下降和随后升高的ROS水平，最终损害HSC自我更新。氧化应激还增加红细胞内钙水平，引发红细胞凋亡。

动脉僵硬——动脉响应血压波动收缩和舒张能力降低——是UA的一个 proposed 机制。动脉僵硬可能导致压力感受器敏感性降低，减少血管加压素等血容量调节激素的分泌。同时，它可能损害肾血流，限制调节激素的输送，并减少肾脏中产生EPO细胞的灌注。这些因素共同可能导致UA中EPO合成减少和循环EPO水平降低。

CKD贫血、慢性炎症性贫血和UA共享几个特征，如红细胞生成和铁代谢紊乱，因此可能受益于有时重叠的治疗方法。

红细胞生成在衰老中的比较模型

鉴于老年人群贫血相关的功能衰退和不良健康结局，以及其治疗面临的挑战，开发更有效的方法来理解其机制至关重要。疟疾和微重力这两个非常规范式可作为研究年龄相关红细胞和红细胞生成变化的有价值模型。

疟疾对红细胞的影响

疟疾是由疟原虫引起的传染病。它引发强烈的炎症反应，其特征是促炎细胞因子（如IL-6、TNF）升高和氧化应激加剧。疟疾寄生虫诱导红细胞形态变化，受感染的红细胞对血管内皮细胞的粘附性增加。

疟疾感染可以以类似于正常衰老的方式损害红细胞生成。间日疟原虫（P. vivax）和恶性疟原虫（P. falciparum）可以浸润人骨髓，破坏红细胞生成，导致幼红细胞增殖和成熟减少，并表现出发育异常特征。这些异常可能源于寄生虫副产品（如疟色素 hemozoin）对幼红细胞的毒性作用以及铁利用受损。

P. vivax 感染多染性幼红细胞（PolyE）、正染性幼红细胞（OrthoE）和未成熟网织红细胞，尤其偏爱未成熟网织红细胞。寄生虫下调参与红系成熟的关键基因和转录因子，包括GATA1（被疟色素抑制）、NFE、TAL1和ARID3A。机制上，P. vivax 似乎降低了红细胞生成过程中血红素生物合成相关酶（如ALAS1和ALAS2）的表达，同时上调TNF和TNF受体基因。随后GATA1的抑制损害红细胞生成并激活补体途径，导致幼红细胞凋亡。

P. falciparum 可以感染红系分化所有阶段的幼红细胞，并通过改变红系发育和成熟相关基因的表达来破坏红细胞生成。受感染的幼红细胞表现出阶段特异性转录变化。在ProE和BasoE中，P. falciparum 上调GDF15，这是一种红细胞生成的负调控因子，抑制细胞增殖，促进凋亡，并损害红系祖细胞成熟；它还下调与戴-布贫血（Diamond-Blackfan anemia）相关的RPS19和RPL28基因。在PolyE中，P. falciparum 上调凋亡相关基因，同时下调细胞周期进程和分裂相关基因（E2F靶点、G2-M检查点、有丝分裂纺锤体）。在PolyE和OrthoE中，寄生虫下调去核（如MXI1）、血红素代谢（如FECH）和ROS管理所必需的基因。此外，P. falciparum 上调血红素加氧酶1，表明感染期间氧化应激增加。

P. vivax 对未成熟网织红细胞（Heilmeyer stages 0, I, II, III）表现出严格的嗜性，这些细胞表达转铁蛋白受体CD71和氨基酸转运蛋白CD98，两者对P. vivax入侵至关重要。感染后，受感染的网织红细胞在3至6小时内迅速丧失表面CD71，而在健康网织红细胞中，此过程需要48小时。类似地，寄生虫在入侵后迅速下调网织红细胞表面的CD98。CD71和CD98的加速丢失表明P. vivax可能加速了网织红细胞向成熟红细胞的成熟。

P. vivax 和 P. falciparum 感染的红细胞仅存活约48小时，晚期寄生虫裂解宿主红细胞以释放子代裂殖子进行下一轮入侵。这种破裂过程类似于健康红细胞中的溶血。与正常红细胞约120天的寿命相比，疟疾感染极大地缩短了受感染红细胞的寿命，导致过早细胞丢失，并促成感染者贫血。

衰老的红细胞显示细胞刚性增加，这与膜胆固醇含量升高和胆固醇与磷脂比例升高有关。年龄相关的晚期糖基化终末产物积累也导致红细胞刚性增加。相比之下，P. falciparum 感染的红细胞表现出与细胞内环磷酸腺苷（cAMP）增加相关的刚性，cAMP触发细胞骨架蛋白磷酸化。此外，衰老的成熟红细胞丢失关键膜蛋白，如带3蛋白、血型糖蛋白C和Stomatin，导致变形能力降低。类似地，P. falciparum 感染的红细胞由于寄生虫蛋白与红细胞细胞骨架相互作用而表现出变形能力降低。

而且，随着红细胞衰老，它们失去膜唾液酸，降低了表面电荷密度，增加了对组织的粘附。类似地，P. falciparum 感染的红细胞发生细胞粘附，这是由于寄生虫衍生的蛋白质，如表面结节中的PfEMP1，与内皮受体（如ICAM-1和VCAM）结合，促进其在微血管中的隔离。

在衰老红细胞中，渗透稳定性的下降可能源于平均红细胞血红蛋白浓度降低，以及Na⁺/K⁺-ATP酶活性降低和氧化应激加剧。在P. vivax感染的网织红细胞中，感染诱导网织红细胞膜中形成新的渗透途径（NPPs），增加了膜通透性和脆性。此外，受感染的网织红细胞释放细胞外囊泡，减少了膜表面积，进一步损害了它们承受渗透应激的能力。这些变化与衰老红细胞的表型非常相似。

相反，P. falciparum感染红细胞的渗透不稳定性源于血红蛋白消耗，从而降低了细胞内胶体渗透压。与P. vivax类似，P. falciparum也激活NPPs，增加膜对离子和水的通透性。然而，与P. vivax不同，P. falciparum形成表面结节，减少了膜表面积，进一步降低了临界溶血体积，并有助于细胞粘附。作为与衰老红细胞的另一个相似之处，P. falciparum改变Na⁺/K⁺-ATP酶活性，进一步损害成熟红细胞的渗透稳定性。

P. vivax 和 P. falciparum 感染均引发炎症反应。在血期感染期间，免疫系统产生促炎细胞因子（如IL-1β、IL-6、IFN-γ、TNF）。这些细胞因子有助于控制寄生虫增殖并促进寄生虫清除，但高水平与严重表现（如脑型疟疾）相关。

疟疾中的炎症反应类似于老年人群中观察到的炎症衰老现象，这些促炎细胞因子通过上调铁调素来影响感染患者的血液系统。如前所述，铁调素水平在炎症和感染期间升高，导致铁在巨噬细胞中隔离，胃肠道铁吸收减少，循环铁水平降低，所有这些都可能促成疟疾诱导的红细胞生成受损。

在正常衰老中，贫血与心血管状况相关，如动脉僵硬和高血压。类似地，疟疾通过内皮激活和炎症诱导血管变化，导致血管功能障碍，引起动脉僵硬增加和高血压。长期的、由炎症细胞因子和寄生虫隔离驱动的内皮激活，通过增加血管通透性和促进内皮功能障碍来损害血管完整性。

疟疾和衰老的共同特征突出了潜在的治疗靶点——如细胞因子、铁调素和血管功能障碍——以改善老年贫血中的红细胞生成。

微重力对红细胞的影响

在太空旅行中，微重力影响人体生理的多个方面。太空飞行还被证明会改变基因表达和端粒长度，影响微生物组组成，并引发炎症。有趣的是，太空中经历的许多生理变化类似于正常衰老，包括肌肉减少症、骨质疏松症、认知能力下降和褪黑激素分泌减少。

宇航员在太空飞行期间和返回地球后表现出红细胞计数减少、Hb水平降低和血细胞比容下降——这种情况被称为“太空贫血”。这种情况似乎源于影响红细胞生成和红细胞特性的变化，并与衰老中的UA有显著相似之处。例如，在微重力条件下，EPO基因表达下调，血清EPO水平下降，网织红细胞计数减少。EPOR也下调，红系祖细胞凋亡增加，进一步导致红细胞生成受损。

关键转录因子和红细胞生成基因因微重力而下调，包括MBD2、ACVR1B、KLF1和MYB。珠蛋白生产也因参与成人珠蛋白合成的miRNA和基因（HBA1、HBA2、HBB、KLF1）下调而受到影响。暴露于微重力条件的HSC表现出增殖和分化潜力减弱——这是衰老的标志——这也可能导致缺陷的红细胞生成。太空飞行进一步加速了HSPC衰老的特征。

暴露于微重力的红细胞经历与衰老相似的形态变化，包括球形红细胞和棘形红细胞的形成，这主要是由氧化应激驱动的。ROS水平升高 coupled with 总抗氧化能力下降，损害了红细胞的抗氧化防御系统，使其抵抗氧化应激的效果降低。

此外，长时间暴露于微重力导致细胞膜中磷脂酰胆碱升高，进而增加红细胞膜刚性。这种环境还导致丙二醛水平升高和谷胱甘肽水平降低，加剧氧化损伤。微重力诱导的氧化应激还可能造成HSC DNA损伤并促进红细胞凋亡，进一步促成太空贫血的发展，同时上调红细胞中的鞘磷脂水平，从而促进炎症。这些变化显著影响红细胞的变形能力，改变细胞形状、大小、粘度和膜刚性。

太空飞行与持续性、低度炎症状态相关，其特征是促炎细胞因子增加和抗炎细胞因子减少，与炎症衰老过程非常相似。在微重力条件下，细胞因子（如IL-6、IL-1a、IL-1β）水平升高可通过直接损害红系前体细胞而导致贫血。某些促炎细胞因子，包括IL-1a和IL-1β，也抑制EPO基因表达，进一步抑制红细胞生成。

持续的炎症状态和暴露于微重力都会导致铁调素水平升高。过量的铁调素通过促进铁储存、减少红细胞可用的铁、降低循环铁水平、降低转铁蛋白饱和度以及增加铁蛋白水平（后者也是炎症的标志物）来破坏铁代谢。因此，红系前体细胞铁利用受损可能进一步导致贫血。

太空环境诱导动脉僵硬，其速度比正常条件下衰老观察到的要快。事实上，太空6个月大约相当于地球上20年的血管衰老。动脉僵硬是UA的一个可能诱因，在太空贫血的背景下，可能是由于血容量调节激素减少、肾血流受损和EPO合成减少所致。

微重力还 disrupts 肾功能，导致肾单位重塑。这种组织结构损伤可能损害位于内皮细胞附近的周细胞——产生EPO的细胞。此外，血管损伤导致的肾灌注减少可能限制血流至周细胞。这些因素共同可能导致肾脏EPO合成减少和太空飞行特征性的低EPO水平。

通过共享衰老的关键特征，微重力提供了一个受控的、加速的模型来研究衰老相关贫血的机制，并测试针对氧化应激、炎症和血管功能障碍的干预措施。

结论与未来方向

在理解衰老和红细胞生成方面已经取得了显著进展，但关键问题仍然存在。本文概述了两种新颖的范式——疟疾和微重力——它们为了解衰老和疾病如何影响网织红细胞和成熟红细胞的形态和行为提供了见解。

未来的研究应探索P. falciparum和微重力如何加速网织红细胞上CD71和CD98的丢失，以及P. vivax加速CD98丢失的速率。这可以澄清网织红细胞成熟增加是否促成老年人贫血。研究还应检查疟原虫是否感染HSC或影响EPO分泌，以及幼红细胞在微重力下是否表现出发育异常特征。解决这些问题将加强这些模型与衰老之间的平行关系，并增强我们对老年人贫血的理解。

一个有趣的概念是使用随机定位机或3-D回转器研究微重力下的P. falciparum感染。了解它们对幼红细胞和红细胞的 combined 影响可能比单独任一因素更能模拟衰老。这项研究可以为造血衰老提供独特的见解，同时绕过人类受试者研究的伦理和逻辑挑战。此外，这些模型中的加速效应使研究人员能够克服衰老研究的自然时间限制。

衰老、疟疾和微重力的交汇为治疗衰老性贫血开辟了新的可能性。潜在策略包括针对氧化应激的疗法、调节细胞因子平衡或阻断铁调素活性（例如使用Spiegelmers）。改善内皮功能的干预措施也可能有助于恢复UA中受损的EPO分泌。对这些途径的进一步探索可能会产生新的治疗选择。

总之，利用疟疾和微重力作为衰老模型，为加深我们对衰老红细胞的理解、应对贫血的挑战以及改善老年人群的血液健康提供了无与伦比的机会。