【综述】Cell重磅！健康的八大核心标志
翻译 By 杨萍 平佳乐 张亦欣 车姗姗 张彬如今，随着生活节奏加快，越来越多的人加入了“养生”热潮，而主动健康也成为当前热议的话题之一。健康的定义不再也不应仅仅局限于不患有疾病的状态，一个人的健康与否与其年龄和所处环境等息息相关，其中衰老是影响人体健康状态最为重要的因素之一，但究竟如何定义却一直缺少一个综合全面的评判标准，众说纷纭。2020年12月18日，来自西班牙奥维耶多大学的Carlos López-Otín教授和来自法国Gustave Roussy研究所的Guido Kroemer教授于Cell杂志在线发表了综述长文《Hallmarks of health》，系统总结了与健康状态密切联系的8大标志，并详细说明了机体从微观到宏观各个层次的特点是如何“牵一发而动全身”地影响我们的身体健康的，为了解、探索健康的奥秘提供了指南。
本文作者Carlos López-Otín（左）和Guido Kroemer（右）（图源自网络）概述健康通常被定义为非病理状态，在此，作者尝试将健康定义为维持生理机能的组织性和动态性特征。健康的生物学因素或标志包括空间区域特征（屏障的完整性和对局部扰动的遏制）、体内稳态的维持（再循环和更替、环路的整合、节律振荡）和适当的应激反应（稳态韧性、本能调控、修复和再生）。对这些相互关联特征的任何破坏都具有广泛的致病性，将导致系统急性或进行性失稳，并伴有大量健康指标的丢失。介绍病理学和病理生理学通常侧重于鉴别病因和阐明从健康到疾病转变的致病机制，而生物技术和药理学更多的是寻求补救措施来延缓或逆转这一转变。因此，在生物医学研究中，健康通常被被动地定义为没有疾病。鉴于导致疾病的条件和途径具有极强的多样性，将健康片面地定义为不存在任何类型的病理状态是与实际情况不符的。健康的另一种（描述性的）定义应当考虑到生理和心理健康的标志，以及所有器官可通过特定医学检查衡量的功能正常。在这里，本文将尝试用积极的词汇来定义健康，同时列举健康潜在的生物学原因或“标志”。《Cell》曾发表过描述癌症和衰老标志的里程碑式论文，文章总结了恶性细胞的特性（DOI: 10.1016/S0092-8674(00)81683-9），恶性细胞与非恶性环境的相互作用（DOI: 10.1016/j.cell.2011.02.013），并解释了生命有机体随时间退化的分子和细胞途径（DOI: 10.1016/j.cell.2013.05.039）。当试图确定并分类健康的分子和细胞标志时，本文得出结论，这些标志不是简单地对立于癌症（作为一种典型的部分年龄无关疾病）或衰老（作为一个必然依赖于时间的过程）的，因此必须以完全不同的方式来构思。在本文看来，健康的标志存在于生物体的所有组织中，因此并不局限于一个特定类的分子（如DNA、RNA、蛋白质和代谢物）、细胞器（如细胞核、线粒体和溶酶体）、细胞类型（如薄壁组织的、辅助/基质，炎症/免疫细胞）、构成器官的最小功能单位（如绒毛和小肠隐窝、肝小叶、胰腺腺泡和胰岛、甲状腺滤泡、肾单位）、在解剖边界内的整个器官、器官系统（如心血管或神经系统和胃肠道、呼吸道或泌尿生殖器的神经束）、系统环路（如内分泌、神经、免疫连接）或宏生物群（整合了宿主和微生物群）。“组织性的”健康反映了一系列动态特征，这些特征在上述微观和宏观层面上，维持着非疾病和衰弱导致不稳定状态下的平衡。类似于之前癌症和衰老标志的文章，本文建议“健康的标志”不是单纯的活力指标，而是以“起因”的形式参与体内健康标志平衡的维护。因此，理想状态下，健康的每一个标志都应满足以下要求：（1）应与健康状态相关；（2）对其在实验中或现实生活中的扰动应该具有极大的致病性；（3）对其实验性或医疗性的维护或治疗应具有广泛的有益健康的活性。这一套理想标准，尤其是第三条，在不同程度上符合本文提到的8个标志（图1）。由于这个原因，并不是所有的标志都能通过改善健康的干预措施得到完全维持，这一局限性被健康特征之间深远的相互关联所缓和，这表明，实验性的对某一标志的恢复可能会影响到其他标志。
图1. 健康的标志本综述中提出的8个健康标志：屏障的完整性、对局部扰动的遏制、再循环和更替、环路的整合、节律振荡、稳态韧性、激效调节以及修复和再生，这些特征可分为三类：空间区域特征、体内稳态的维持和适当的应激反应。
标志1：屏障的完整性
所有的生物都必须通过建立选择性的屏障来保护自己不受环境的影响，从而保持自身的独立（作为内部与外部世界的边界）和减少熵（这需要划分）。生物亚细胞、细胞和超细胞结构间存在的屏障保证了它们的界限，使得重要的电生理梯度和化学梯度得以建立，还能促进气体交换和物质渗透中的渗透作用，促进新陈代谢循环的补充，加强各部分间的沟通和协调，以及解毒作用。在这里，本文通过列举细胞器（线粒体和细胞核）、细胞膜、内部屏障（血脑屏障）和外部屏障（肠道、呼吸和皮肤）水平上有限数量的具有代表性的例子，来说明选择性屏障完整性对维持健康的重要性（图2A）。
图2. 屏障完整性的破坏和局部干扰对健康的影响(A) 在细胞和机体水平改变屏障的后果，肉眼可见的屏障损伤（表皮、血囊泡、脑膜、腹膜、胸膜、心包等）不在此列出。(B) 局部扰动的抑制机制及其过度激活的后果。（LMP，溶酶体膜透化作用；MMP，线粒体膜透化作用。）
线粒体膜的完整性为了维持氧化磷酸化的电化学梯度，线粒体内膜必须保持接近不渗透的状态，但同时必须促进离子和代谢物的转运。这一过程通过一个特定的脂质双分子层实现，其含有无胆固醇、含有特定的通道和转运蛋白以及逆转运蛋白，与此同时，线粒体通透性会瞬态转换，转换过程伴随活性氧（ROS）的产生而发生并促进<1,500 Da分子的运输。线粒体外膜必须保留潜在的危险分子，如细胞色素C和凋亡诱导因子。激活凋亡小体（一种胞质半胱天冬酶激活复合物）的细胞色素C和凋亡诱导因子，当凋亡诱导因子转移到胞质和细胞核时，会激活不依赖半胱天冬酶的细胞死亡途径。线粒体膜透化（MMP）可对外膜（MOMP）和内膜（MIMP）产生不同的影响，是细胞凋亡内在途径和许多坏死细胞的中心协调事件（如神经元兴奋性中毒和缺血再灌注损伤）。凋亡被认为与BCL2家族的促凋亡蛋白（如BAX）介导的优先MOMP有关，而坏死被认为与通透性转换孔（PTP）打开引发的MIMP有关，这种转换孔可能涉及ATP合酶体和调节蛋白环亲素D/PPIF的多个部分。MOMP和MIMP是一种应激性的致死事件，可由多种刺激引发，包括离子缺乏、生物能量或氧化还原失衡、暴露于毒素，以及除线粒体以外的细胞器中损伤感知途径的激活。不可逆的PTP开放伴随着电化学梯度的丢失、刺激线粒体自噬（去极化线粒体的自噬清除）、以及损害生物能量和氧化还原代谢。充分的MOMP可引起细胞凋亡蛋白的释放，而不完全的MOMP可引起不致命的半胱天冬酶活化，导致DNA损伤和基因组不稳定。MIMP和MOMP的结合促进线粒体DNA（通常局限于基质）的突出或释放，导致细胞内环形GMP-AMP合酶（cGAS）的激活：干扰素基因刺激因子（STING）通路，引发促炎反应并可能导致细胞衰老。敲除MOMP诱导物BAX可以保护中风、心脏病、神经退行性变和其他有害细胞死亡疾病的小鼠模型。敲除MIMP促进剂PPIF可减轻多器官缺血再灌注损伤的严重程度，减轻草酸诱导的急性肾损伤、高糖诱导的认知功能下降、肝骨病、骨质疏松症、肌病和急性胰腺炎，促进了针对环亲素D/PPIF和其他PTP成分抑制剂的开发。总之，避免过多的MMP对维持细胞和机体健康是至关重要的。一个类似但不太明确的因素可能是避免溶酶体的膜透化（LMP），在溶酶体储存疾病中，LMP构成疾病起始事件，但也可能在由α-突触核蛋白聚集物或脑损伤引起的神经退行性病变中发挥作用。
核被膜的完整性核膜中含有小孔，与其他细胞内膜或质膜不同，能够使分子能够有选择性地穿过核膜。这些孔允许代谢物和30-60 kDa大小的蛋白质自由扩散，同时积极地导入或输出较大的蛋白质，促进从DNA转录的RNA的输出，并将DNA保留在细胞核中。破坏参与核质运输的核孔复合体，将会导致衰老和多种疾病，特别是神经退行性疾病。核膜的另一个特点是，在每次有丝分裂过程中，染色体压缩时，核膜会周期性地解体。基因组DNA的泄漏可能是由于异常的有丝分裂或在间期核膜突出的结果。如果细胞核DNA与细胞质接触，可导致其与入侵病原体的DNA混淆，这会被细胞质模式识别受体感知，启动cGAS/STING通路并激活促炎和促衰老通路。因此，影响核孔或核纤层成分的突变会产生一种加速衰老的表型，这种表型源于基因组和表观基因组不稳定性的增加、增殖和再生能力的降低以及炎症的增加。
质膜完整性质膜的屏障功能对于维持细胞活力以及避免细胞内物质溢出到胞外空间至关重要，而细胞内物质的溢出会导致强烈的炎症反应。当离子稳态失败时（例如，在生物能量异常的情况下或细胞暴露于抑制离子泵的毒素时）或成孔蛋白激活时，将发生质膜破裂。例如，造孔蛋白Gasdermin E在终末期凋亡过程中通过半胱天冬酶-3水解激活，介导凋亡后坏死，而Gasdermin D在炎症诱发的细胞死亡（焦亡）情况下被炎症半胱天冬酶激活。另一个例子是，混合谱系激酶例如受体相互作用蛋白3（RIP3）可以激活伪激酶（MLKL），使质膜在坏死时通透。虽然这些途径（凋亡、焦亡和坏死）可能对清除感染或恶性细胞很重要，但在不必要的细胞丢失中它们也起了主要作用。值得注意的是，在非酒精性脂肪性肝炎、顺铂诱导的急性肾损伤和细菌脂多糖诱导的弥散性血管内凝血模型中，细胞焦亡的级联保护作用被干扰。同样，抑制坏死性凋亡在中风、急性肾损伤和心脏缺血/再灌注模型具有广泛的改善健康的作用，这表明抑制坏死性凋亡对抑制炎症和退行性疾病有效。
血脑屏障的完整性血脑屏障（BBB）由被称为神经血管单元的多种细胞类型维持，包括脑微血管内皮细胞（BMVECs）、周细胞、星形胶质细胞、胶质细胞、神经元和细胞外基质（ECM）。BMVECs形成复杂的紧密连接，把胞吞作用作为允许分子通过毛细血管壁从血流中进出CNS的唯一机制。此外，BMVECs表达多种多功能外排泵，可主动阻止许多亲脂性小分子被动扩散通过BBB，并将脑间质液中的代谢废物和β淀粉样蛋白泵入血液。在一个复杂的自放大系统中，异常内皮细胞和/或星形胶质细胞信号可以导致BBB的功能障碍，导致血液神经毒素蛋白或铁的积累，导致神经退行性变相关蛋白清除的减少。这个系统受到遗传风险因素（例如，E4等位基因的APOE基因年代老年痴呆症）、环境和生活方式因素、动脉高血压的影响。
肠道屏障的完整性肠屏障由黏液、上皮层和上皮-间充质屏障组成。黏液由杯状细胞产生，它是抗菌肽和免疫球蛋白a（IgA）的储存库，也是阻挡粘膜病原体感染的第一个屏障。肠上皮构成另一种屏障，由多种不同的特化的细胞类型构成，这些细胞来自于隐窝中的干细胞：肠上皮细胞（用于营养物质的跨上皮运输）、杯状细胞（用于生产粘液）、潘氏细胞（用于生产抗菌肽）、M细胞（在腔内采集抗原）、化学感觉簇细胞和肠内分泌细胞。所有这些细胞都通过紧密连接连接在顶端和基底外侧腔室之间，形成选择性半渗透性的屏障，使溶质的细胞外转运得以发生。另一个边界，内皮间充质屏障（不仅存在于肠道，而且在任何其他上皮细胞）在上皮细胞向免疫细胞通信转变的过程中扮演着重要的角色，它们或聚集于肠道相关淋巴组织，或散布于肠固有层和其覆盖上皮，产生抗病原体防御和上皮修复的必要因子。肠道微生物群的集体性失衡或偏差（失调）会损害肠道屏障的功能（肠漏），反之亦然，这两种现象都与多种病理密切相关，包括炎症性肠病、乳糜泻，I型糖尿病（肠漏可能触发免疫介导的胰岛β细胞的破坏），II型糖尿病（高血糖损害肠道上皮细胞的紧密连接），川崎病（其中促炎细胞因子白细胞介素[IL]-1β引起肠道渗漏，从而增强心血管炎症）。饮食成分对肠道微生物群有重大影响，直接影响全身生理、肠道内稳态和总体健康。缺乏膳食纤维的肠道微生物会侵蚀结肠黏液屏障，从而增强对细菌性结肠炎的易感性，也会损害一般免疫功能。漏肠综合征使细菌及其产物通过门静脉循环到达肝脏，造成局部损伤，从而导致高发的非酒精性脂肪肝疾病（NAFLD）或全身炎症和感染。虽然有大量证据表明肠道渗漏是人类疾病的原因之一，阻断后可以防止发病或减弱致病程度，但仅仅通过恢复肠道屏障功能，并不能治愈此类疾病。然而，修复肠道屏障功能对于其他有效的治疗措施可能是必不可少的。
呼吸道的屏障功能呼吸道黏膜由纤毛细胞、粘液分泌细胞和未分化的基底细胞组成，将气道和实质从鼻腔分离到肺泡，其中约1 μm厚的肺泡毛细血管屏障由肺泡上皮细胞和内皮细胞组成，允许气体交换，并确保气道表面液体的厚度和成分。急性呼吸窘迫综合征的主要特征是渗出增加、肺泡和间质液体清除受损。粘液纤毛的缺陷、分泌的抗菌物质和细胞间连接以及局部微生物群的变化，涉及从遗传性囊性纤维化和纤毛运动障碍到急性肺炎和吸烟引起的慢性阻塞性肺疾病等一系列广泛的病理状态。
皮肤完整性皮肤是人体最大的器官，覆盖整个外表面，具有重要的作用，对保持健康十分关键。皮肤构成了多层的解剖学屏障，防止微生物病原体、物理或化学损伤和过度失水，同时确保热调节和选择性吸收特定的紫外线波长，用于维生素D合成。这一高度适应性的器官在感官感知和免疫监测中也发挥着关键作用，并承载着多种细菌物种，这些细菌通过增强屏障功能的多个方面为健康提供益处。然而，皮表微生物也可以造成损害和促进各种皮肤病理状态。复杂分子网络的不同调控和结构成分有助于皮肤结构的建立和维护，也会导致严重的病理状态。这些结构包括微小RNA（miRNAs）、聚丝蛋白、胶原蛋白和蛋白水解酶。除了这些起源于皮肤的皮肤病外，老化和大多数系统性疾病也会导致皮肤形态和功能的特征性改变。总之，障碍的完整性是健康的共同标志（图2）。有多个例子表明，维持屏障功能对健康具有广泛积极的促进作用，而这些内部或外部屏障的透化作用在本质上是致病的（表1）。表1. 跨组织各层次的健康标志：病理偏差的例子标志层次现象病理偏差(例子)结果(例子)完整的屏障细胞器线粒体的完整性线粒体膜透化作用细胞应激和死亡，基因组不稳定性，炎症，衰老溶酶体的完整性溶酶体膜透化作用细胞死亡,神经衰弱核被膜的完整性核泄漏DNA进入细胞质基因组不稳定性，炎症，衰老细胞质膜完整性由生物能缺陷或离子稳态引起的破裂，成孔蛋白的激活急性和慢性疾病中的细胞死亡、细胞成分渗漏和炎症(肝、心、脑、肾等)超细胞单位由神经血管单位维持的血脑屏障未能排除血液中产生的神经毒性因子和清除局部产生的神经变性相关蛋白急性和慢性神经系统疾病，包括脑炎、多发性硬化症、阿尔茨海默病等。器官皮肤屏障增强的渗透性、脱屑感染、炎症、脱水器官系统呼吸道的屏障功能气体交换减少，粘液纤毛器缺陷，分泌抗菌物质和细胞间连接急性呼吸窘迫综合征、肺炎、囊性纤维化、慢性阻塞性肺疾病等。系统环路内皮屏障血浆蛋白渗漏和白细胞外渗增强水肿、炎症、弥散性细胞内凝血、动脉硬化等。宏生物群肠屏障肠漏症和生态失调炎症性肠病，乳糜泻，糖尿病川崎病、非酒精性脂肪肝等。局部扰动的遏制分子类阮病毒神精蛋白不能包含蛋白质聚集物神经退行性疾病细胞器渗透性溶酶体的修复溶酶体水解酶漏入细胞质细胞损失细胞质膜有限损伤的修复无法通过机械损伤或成孔蛋白的激活来维持细胞活力细胞损失中性粒细胞胞外陷阱无法控制入侵的病原体过度时，全身炎症超细胞单位功能失调的细胞从上皮细胞中挤出无法挤出功能不良的细胞上皮完整性受损，炎症，癌前细胞持续存在异物肉芽肿过度的肉芽肿形成肉芽肿性炎症去除衰老细胞巨噬细胞、NK细胞和T细胞无法清除衰老细胞组织老化,炎症器官皮肤基底层细胞代偿性增生无法替代凋亡或脱落的细胞皮肤屏障功能丧失创伤修复裂口无法修复或伤口愈合过度慢性溃疡或纤维化和瘢痕疙瘩器官系统电生理扰动的遏制局部电生理扰动的无限制扩散癫痫、心律失常系统环路自限性炎症未能在空间上限制和解决炎症慢性炎症，炎症，自身炎症综合症宏生物群先天和后天免疫反应包括抗癌免疫监测未能消除传染因子和(前)恶性细胞急性致命或慢性传染病癌症再循环和更替分子泛素-蛋白酶体系统，细胞分泌，靶向自噬不能消除错误折叠和聚集的蛋白质蛋白质疾病，如阿尔茨海默病、帕金森病或亨廷顿病、肌萎缩性侧索硬化症和额颞叶痴呆细胞器一般的或器官特异性的自噬机能失调的细胞器的积累加速衰老，器官功能障碍，炎症，癌症细胞细胞死亡，移除和替换缺乏细胞死亡和泡沫化和枯竭的干细胞池功能失调、突变和衰老细胞的积累，以及自身免疫环路的整合分子蛋白质的多效功能蛋白质编码基因的突变单基因疾病，如囊性纤维化编码和非编码RNA表观遗传不稳定性细胞身份的丧失细胞器细胞器内蛋白连接点细胞器生物发生和应激反应协调失败细胞死亡，肌病，神经病变，代谢综合征细胞内外通信未能将细胞应激传递给免疫细胞和远端器官未能消除应激细胞外内通信旁分泌和(神经)内分泌信号整合不足细胞功能不协调超细胞单位细胞实质和支持细胞之间的合作缺乏营养和机械支持受损的单位(肠绒毛及隐窝、肝小叶、胰腺腺泡、甲状腺滤泡、肾单位等)器官及器官系统所有器官参与局部和系统的神经内分泌环路器官间内分泌和代谢协调失灵(神经)食欲、神经营养回路和全身代谢失调宏生物群肠道微生物及其产物的系统性影响肠道微生物群的变化会影响新陈代谢，引发炎症，影响癌症免疫监测肥胖，心脏代谢紊乱，癌症，精神疾病节奏振荡分子基因表达的昼夜振荡，激素的脉动分泌不能维持机体内稳态应激反应失调，内分泌疾病，高血压细胞器线粒体生物发生和功能的节律性线粒体数量、形态和活性的改变，对缺氧和氧化应激的反应缺陷线粒体节律紊乱引起的代谢、心血管和神经退行性疾病细胞干细胞的调控DNA损伤的积累，干细胞更新和分化的失败与干细胞缺乏，衰老有关的疾病超细胞单位时间依赖性的组织稳态和修复失去组织稳态，缺乏组织修复能力缺乏组织更新，致癌器官视交叉上核主时钟的功能主时钟基因突变遗传的睡眠障碍(家族性睡眠期障碍，家族性睡眠期障碍器官系统协调的周边时钟节律器官对外界/内部信号反应的协调性衰竭器官内稳态丧失系统环路内分泌信号，对明暗周期的反应，进食和运动对外部和内部压力反应的系统性缺陷代谢的改变,肥胖宏生物群免疫反应和微生物群组成的时间控制免疫反应的过度激活或缺乏，免疫和炎症反应的时间平衡丧失，生态失调多种疾病(癌症、抑郁症、糖尿病、加速衰老等)稳态弹性分子遗传因素与弹性有关与弹性缺陷相关的变异应激和不良事件的病理反应细胞器器官对压力因素的弹性在应激反应中丧失器官完整性和功能衰竭代谢障碍细胞细胞对急性/慢性压力的弹性细胞死亡失调，细胞可塑性降低过度的细胞损失超细胞单位组织对压力条件的弹性丧失组织的弹性和可塑性组织损伤、老化器官大脑调节对压力的反应对压力的不正常的生理心理反应重性抑郁症，焦虑发生器官系统器官系统介导控制急性/慢性应激器官系统对压力的适应性反应丧失胃肠和心血管病理状态系统环路HPA轴和交感神经系统介导的弹性在应激条件下缺乏体内平衡恢复力神经损伤，高血压，心血管疾病宏生物群压力条件下的微生物弹性和免疫反应生态失调，免疫系统对应激因素缺乏反应免疫抑制，代谢性疾病，精神疾病，加速衰老荷尔蒙调节分子荷尔蒙，低水平的ROS和其他氧化剂未能引起对毒素和其他应激源的预处理保护反应缺乏有益的应激反应，神经毒性和心脏毒性细胞器mitohormesis线粒体代偿对未来应激源的适应失败衰老和年龄相关的病理，丧失心脏预处理对心肌损伤的作用细胞激发作用增强干细胞功能丧失适当的组织更新与干细胞缺乏和衰老有关的疾病超细胞结构组织特异性激能诱导对压力适应性反应的组织特异性失败组织障碍器官刺激预防脑损伤神经毒性神经损伤细胞死亡神经失调器官系统器官系统的刺激调节在器官系统中作用的激敏反应的丧失器官系统缺陷主要影响神经系统、心血管系统、呼吸系统或胃肠道系统系统环路由代谢、神经、内分泌和免疫途径诱导的激效作用在系统水平上没有适当的预处理反应心脏代谢，神经退行性，荷尔蒙和免疫紊乱宏生物群微生物群的刺激调节和免疫反应对机体有益的整体激效反应的丧失衰老和与年龄相关的疾病修复和再生分子DDR成分，蛋白酶抑制因子，重编程因子基因组/表观基因组损伤，蛋白酶抑制的丧失，缺陷修复突变和功能障碍细胞的积累，癌症，神经退化细胞器UPR mitoUPR ELDR细胞器功能障碍，代谢改变代谢疾病细胞干细胞，多功能细胞老年性疾病，黄斑变性，心肌梗塞，帕金森病重新编程和分化或转分化的细胞在许多疾病治疗中的前景应用超细胞单位组织修复与再生组织功能障碍伤口愈合不良神经退行性，皮肤，心血管和视网膜疾病器官器官再生机能丧失特定器官的功能丧失或缺乏器官特异性疾病器官系统器官系统再生器官系统的功能缺陷影响不同器官系统的多种疾病系统环路修复和再生的系统机制涉及修复和再生的系统机制失效神经退行性，心血管和眼部疾病宏生物群全身功能维护整个有机体的整体功能维护生态失调，内分泌，神经，心脏代谢和免疫改变衰老和与年龄相关的病理DDR，DNA损伤反应；ELDR，内溶酶体损伤反应；HPA，下丘脑-垂体-肾上腺；ROS，活性氧；UPR，非折叠蛋白反应。
标志2：对局部扰动的遏制
人类有机体不断地受到无痛的或明显的局部扰动，这些扰动可能源于在不完全和不对称的细胞分裂过程中发生在内部的“意外”，这可能由于DNA修复失败、（表观）遗传细胞身份的丢失、功能失调的细胞器或蛋白质的积累等。此外，外部因素包括侵入的病原体、机械、化学或物理创伤，这些因素经常引起局部扰动并破坏屏障。在所有这些情况下，为了维持健康状态，必须限制扰动，避免其扩散到可能导致功能单元永久丧失或超过有机体修复损伤能力的水平。这种情况若发生则会导致疾病，并最终因全身性炎症、无法控制的感染或恶性疾病而死亡（图2B）。
屏障修复在细胞内，核膜破裂之后可能会进行自我修复。这引起BANF1和lamin A的突变，从而分别导致Néstor-Guillermo和Hutchinson-Gilford早衰综合症，这解释了为什么这两个综合症主要影响受机械压力的器官。有限的溶酶体损伤和局灶性质膜透化作用，可通过涉及转运所需的内体分选复合物的过程进行修复（ESCRT）。因此，在肾脏移植的背景下，ESCRT-III复合物可防止因坏死性凋亡（涉及质膜透化）而导致过度的细胞死亡。在组织规模上，肠道或呼吸道中单个上皮细胞的丧失使相邻上皮细胞的间隙立即闭合，而从皮肤上层去除角化细胞则触发了细胞的快速代偿性增殖，并伴有杀菌液体的渗出。在超细胞水平，局部创伤（如割伤、冻伤或烧伤）造成的伤口快速愈合，旨在修复伤口，从而激活一系列逐步反应，包括局部炎症、中性粒细胞和巨噬细胞的快速募集、毛细血管新生、纤维细胞和上皮细胞的代偿性增殖。老年人伤口愈合能力下降，这增加了他们对慢性和全身性并发症的敏感性。伤口过度愈合会通过局部过度生成转化生长因子-β导致纤维化和瘢痕。
异物划分异物包括侵入的病原体在内的异物侵入皮肤或粘膜屏障，引起多种反应，使它们与周围组织隔离并限制其进程，尤其是不能通过吞噬作用将其清除时。最快的机制之一是细胞外陷阱，其中嗜中性粒细胞和其他免疫细胞通过挤压DNA和抗菌蛋白来形成细胞外网，这种现象对于局部控制入侵的病原体很有用，但如果在系统水平发生，则可能是致病性的。局部血管收缩和血栓形成不仅可用于止血，而且还可帮助防止入侵病原体的传播和毒素的扩散。包囊作用是一个较慢的过程，其中外来物体被成纤维细胞和胶原蛋白包裹，通过产生异物反应将其与健康组织隔离。这是在碎片和侵入性寄生虫的背景下发生的，还在肿瘤抑制期间发生。如果不是局部限制导致肉芽肿的形成，则系统性肉芽肿性炎症可能会引起一系列感染性疾病、结节病、克罗恩氏病和类风湿性关节炎，这反应了炎症反应异常。
自我限制的炎症在生理环境中，炎症在空间和时间上受到多种机制的限制。通过炎性介质的局部作用来确保空间限制，从而避免了通常由疾病引起的细胞因子风暴继发的系统性反应，这种反应通常引起发烧且影响系统性回路，并随后在疾病行为的背景下重新分配资源。例如，当IL-1β蛋白水解成熟所需的炎性小体的成分和调节剂发生突变并变得对激活异常敏感（或对灭活不敏感）时，全身性炎症通常会引起局部非全身性炎症反应，导致反复发热。消除其主要病因（例如，去除病原体或伤口愈合）以及局部起作用的多个负反馈回路（由于炎症细胞和因子的衰变或产生抗炎介质）或全身性负反馈回路（例如糖皮质激素）而促进炎症的时间限制或消退。同时，机体也需要炎症反应，以避免最终导致器官出现永久性功能障碍的组织损伤和纤维化，例如皮肤瘢痕、肺气肿和肝纤维化、肝硬化、肾小球硬化或脑神经胶质增生。全身性慢性炎症可能是由于未能去除病原体而导致的，无论是传染性的（例如，在疟疾或结核病中）还是非传染性的（例如，痛风中的尿酸盐晶体），这种炎症非常普遍，并且会导致衰老（“发炎”）。目前包括阿司匹林和促炎细胞因子抑制剂在内的抗炎药被用于治疗慢性炎症疾病，并且可能具有相对广泛的改善健康的作用，例如IL-1β抑制可改善动脉硬化并预防心力衰竭，同时还可降低肺癌的发生率。
先天性和后天性免疫反应最原始的先天性免疫反应发生在细胞水平，从而使细胞能够通过激活“整合性应激反应”（ISR）来减少编码病毒蛋白的mRNA的翻译，这种反应包括真核生物的因子α（eIF2a）被一系列应激反应激酶磷酸化，然后通过其自噬机制检测、分离和破坏细胞内病原体。被感染细胞分泌的1型干扰素（IFN）通过诱发IFN反应基因的诱导以及刺激ISR以旁分泌的方式作用于邻近细胞。先天性免疫效应因子被微生物相关的分子模式（MAMP）快速激活，该模式由不同的病毒、细菌、真菌和寄生虫产生。在组织损伤的部位，这种先天的效应物也被危险相关分子模式（DAMP）触发，这些模式通常是内源性代谢产物和高度丰富的蛋白质，它们被隐藏在细胞内，但暴露在细胞表面或挤出到细胞外表面。有趣的是，DAMP钙网蛋白的暴露（触发巨噬细胞和树突状细胞吞噬应激细胞）和DAMP ATP的分泌（作用于嘌呤受体以吸引和激活移动免疫效应子）分别依赖于ISR和自噬。DAMPs和MAMPs在大多数由髓样细胞表达的病原体识别受体（PRRs）的重叠集合上起作用，充当佐剂，导致在损伤附近形成第三淋巴器官或促进抗原物质向包括淋巴结在内的第二淋巴器官的运输。此类淋巴器官为T和B淋巴细胞激发免疫反应提供了适当的环境。在理想的情况下，这些反应非常快，当存在免疫记忆可以成功防御抗原相关微生物时，致病原体在扩散到体内之前就被中和了。由于传染原的致病性或由于遗传或获得性免疫缺陷而未能建立快速有效的免疫反应，会导致全身性感染并可能危及生命。此外，若未能在局部水平上抑制炎症-免疫反应会导致全身性自身炎症或自身免疫性疾病。
抗癌免疫监视如果免疫监测失败，由遗传和表观遗传变化积累引起的细胞致癌转化会导致癌症。根据三个E假说，新生癌细胞通常被免疫效应物清除，在阴燃病灶中建立增殖与免疫清除之间的平衡状态，最终逃离免疫监视，局部浸润组织，并向远处扩散。如果这些遏制的免疫学机制通常在肿瘤内第三级淋巴样结构的背景下引发细胞毒性T淋巴细胞的应答，则它们是成功的。相比之下，类似于伤口愈合和纤维化包裹的遏制反应，免疫检测的适应性不良，因为它们有利于癌细胞的增殖并防止来自肿瘤的淋巴细胞进入。癌细胞在敌对的肿瘤微环境中进行遗传或表观遗传选择，以主动抑制抗癌免疫反应，或者相反，去除佐剂信号（DAMP）和“隐藏”肿瘤相关抗原。抗癌免疫疗法部分由于这个原因，即使在初步成功之后，在晚期给药时通常也会失败。相反，免疫监视的预防性刺激可以减少癌症的发生。
其他扰动的遏制许多神经毒性蛋白质的作用类似于朊病毒（蛋白质感染性粒子），并且通过错误折叠的三维结构迫使临近的蛋白质分子形成相似结构。在特定区域内不能存在此类蛋白质，否则会导致疾病传播。癫痫和心律不齐是另一种扰动遏制性疾病的示例，在这类疾病中，局部电生理扰动在空间上或暂时性无节制地扩散是致病性的，可以通过消除病灶或抑制兴奋性回路进行治疗。此外，基因操纵导致神经元系统兴奋性降低，可以延长线虫和小鼠的寿命。总之，机体可以通过多种机制遏制物理或化学损伤和炎症，消除病原体、新生癌症和衰老细胞，或遏制其他干扰。如果不能隔离这些病变，在空间上限制它们，随着时间解决它们，就会导致系统性疾病（表1）。矛盾的是，不能限制遏制效应也是致病性的，这意味着过度的伤口愈合或异物反应，以及过度或持续的炎症和免疫反应，与人类健康是对立的（图2B）。改善伤口愈合、限制炎症、增强对感染因子的免疫反应、改善免疫监测、防止衰老蔓延等措施对健康有着广泛且积极的影响。
标志3：再循环和更替
即使在近乎完美的空间分隔的情况下，由于屏障功能的存在和适当调整的遏制机制，构成有机体的每个亚细胞、细胞和超细胞单位都会经历内源性损伤引起的修饰（如蛋白质、脂类和核酸的氧化修饰，或大分子自发变性和降解，失去其天然构象）或外源性压力（导致损伤加速）。因此，为了避免退化，大多数细胞成分和大多数细胞类型都必须不断地被循环，这意味着它们必须经过主动破坏，然后正确地进行更替（图3）。
细胞死亡、移除和替换位于皮肤表面的角质形成细胞在经过终末分化和角化的同时，被基底层的增殖细胞替换，而这些细胞向上移动。黏膜表面的细胞可以经历活细胞分层或凋亡介导的挤压，其中临近细胞利用肌动蛋白-肌球蛋白细胞骨架产生收缩环，当凋亡细胞在管腔中被排出时，收缩环闭合。当它们死亡时，包含在内脏中的细胞必须通过吞噬作用被清除，这一过程被称为胞葬作用。为此，死亡细胞必须发出可溶性的“find-me”信号来吸引吞噬细胞，膜结合的“eat-me”信号促进吞噬细胞识别和吞噬，以及避免不必要的过度反应的抗炎信号。清除缺陷会导致死亡细胞的堆积，它们的内容物溢出到组织、炎症和自身免疫反应中。肿瘤细胞倾向于下调“eat-me”信号，上调其表面的“don not eat-me”信号（如CD47），以逃避吞噬作用（通过吞噬作用程序性死亡）。因此，中和“don not eat-me”信号的抗体可能成为临床上有用的抗癌药物。此外，在动脉粥样硬化形成过程中CD47上调，阻断CD47可防止小鼠动脉硬化，这再次说明了胞葬作用对健康的促进作用。细胞更替的难点在于如何使细胞损失、清除和增殖保持平衡（图3）。为了替换死亡细胞，干细胞池必须保持其大小、基因组完整性和表观遗传特性，这三个特征往往随着年龄的增长而消失。不同细胞克隆之间的细胞竞争对于维持组织内稳态和某些疾病（如癌症）也很重要。（表观）遗传学上改变细胞的扩张，如在克隆造血过程中，随着衰老，容易引发炎症和恶性疾病。在不同的细胞类型和组织的更换率有很大的不同：中性粒细胞和肠细胞的更换速度很快，中枢神经系统中的神经元非常慢，而在新生儿期之后，心肌细胞的更换速度更慢。这似乎可以解释化疗或全身放疗的短期毒性的特异性，以及中枢神经系统和心脏是在化疗后和衰老过程中表现出最普遍的缓慢退化表型的器官之一。有两种常见的治疗策略来改善细胞的更替。第一种情况，分化的体细胞被重编程到多潜能状态，例如通过Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc因子的瞬时和循环表达减少了年龄相关表型的出现，并提高了小鼠对毒素诱导的I型糖尿病或肌肉损伤的抵抗能力，这可能是因为有利于替换受损或死亡的细胞。第二种情况，衰老细胞优先诱导凋亡细胞死亡，这些衰老细胞在衰老组织中积累，需要由代偿性增殖产生的非衰老功能性细胞替代。这种“抗衰老”治疗可以通过在诱导启动子（如p16Ink4）的控制下表达“自杀基因”来实现，从而减少小鼠的衰老迹象。此外，能够克服衰老细胞固有的凋亡抗性的“抗衰老药物”（如BCL2拮抗剂navitoclax）可以对抗小鼠衰老，也可以预防高脂饮食诱发的糖尿病。其他的抗衰老药（如达沙替尼加槲皮素）对动脉硬化、心脏损害、神经退行性变、肝脂肪变性和II型糖尿病的小鼠以及特发性肺纤维化人类模型具有广泛的治疗效果和改善健康的作用。
图3. 组织和细胞中的再循环和更替机制生物体不同成分的适当再循环和更替对维持健康状态至关重要。整个细胞的更替涉及到一个调节细胞死亡/胞葬作用/替换的三元调控机制，可实现治疗的目的。此外，细胞质的更替，主要是自噬，以及其他再循环机制，包括伴侣和蛋白水解系统，是维持和促进健康所必需的。（Mitoch.，线粒体；prot.，蛋白质；resp.，响应。）
自噬在增殖细胞中，每一个分裂周期都会导致细胞质稀释一倍，促进其更新。因此，特别是在不分裂或增殖缓慢的细胞中，细胞质必须通过交替机制进行更换，包括大自噬（通常称为“自噬”），一种将大蛋白质聚集物和整个细胞器隔离在双膜囊泡（自噬体）中的机制，自噬体随后与溶酶体融合在低pH条件下用水解酶消化管腔的内容物（图3）。自噬可以发生在广义模式，特别是在激活能量传感器或营养激素减少后对饥饿作出反应时发生，但也可能以选择性的方式发生，以具有消除信号的物质为要清除的目标，例如泛素化和/或特异性自噬结合的受体。自噬在较低的基线水平下发生，通过敲除特定的自噬基因（ATGs）而破坏它，导致包涵体（由错误折叠的蛋白质聚集物组成）的积累和细胞器的退化，尤其是线粒体，它往往会降低氧化磷酸化的效率并过度产生ROS。因此，自噬的基因抑制导致ATG基因消融的大多数细胞类型的功能障碍和死亡。在小鼠中诱导性敲除Atg7后，所检查的器官都会发生退行性变化，动物在2-3个月内死于全身性神经性变。基线自噬在短暂抑制后的恢复将部分恢复这种早衰表型，这也揭示了癌症发病率的显著增加，支持了自噬是肿瘤抑制的观点。人类有多种遗传性疾病，它们大多不涉及自噬的核心机制，而是与调节因子和自噬受体相关，引起诱导癌症、器官特异性疾病（通常是神经发育和神经退行性疾病），或多器官综合征（通常具有炎症成分）过程的部分缺陷。此外，肥胖及其潜在的营养物质和营养激素过剩可能会加速衰老和与年龄相关疾病的早期表型，至少部分原因是自噬的抑制。自噬可能被认为是最重要的细胞质再循环机制，解释了为什么通过基因操纵、热量限制、禁食周期、生酮饮食、胰岛素/IGF1信号的抑制或营养传感器的药理学操作（例如，雷帕霉素类似物或亚精胺）直接刺激自噬延长生物体模型的寿命。除了对小鼠的常见抗衰老作用，药物自噬增强对主要疾病的时效性表现出广泛影响，包括遗传性线粒体疾病、代谢综合征、动脉硬化、肝脂肪变性，高血压诱导的心性代偿失调，以及许多神经退行性疾病。事实上，自噬可以保护细胞免于过早死亡，减少炎症，并改善抗癌免疫监测。从机制上讲，细胞保护是通过自噬隔离受损的线粒体，清除错误折叠蛋白质的潜在毒性聚集物，以及破坏包括RIP3在内的前坏死蛋白来实现。炎症减少是因为自噬阻止了受损线粒体的DNA释放，隔离微核，减少了炎症小体成分的丰富度，并阻断了cGAS/STING通路。由于免疫原性癌细胞死亡的有利影响，以及改善T细胞更新，防止肿瘤浸润性T淋巴细胞衰竭，免疫检测得到加强。线粒体自噬是线粒体特异性自噬通路中最突出的一种，因为线粒体自噬中的遗传缺陷与帕金森病等神经退行性疾病有关。此外，线粒体自噬被烟酰胺核苷二核苷酸（NAD+）前体激活，在血管老化和扩张型心肌病的啮齿类动物模型中具有改善健康的广泛作用，并降低患者与年龄相关炎症细胞因子的升高。
影响蛋白质的其他再循环机制由于翻译后修饰而发生错误折叠或失去功能的细胞内蛋白质可以被通过依赖于其结构和亚细胞定位的机制破坏。一些与衰老相关的神经退行性疾病，包括阿尔茨海默氏症、帕金森氏症或亨廷顿氏病、肌萎缩性侧索硬化症和额颞叶痴呆症，都是以异常加工和错误折叠的蛋白质（如淀粉样蛋白-β、α-突触核蛋白、突变型亨廷顿蛋白、tau蛋白和TDP-43）积累为特征的“蛋白质病变”。这些蛋白质的更换涉及多种机制。在神经元和神经胶质细胞内，神经毒性蛋白质的清除主要是通过泛素-蛋白酶体系统（UPS）（也可参见标志 8）或自噬来完成的，但是这些蛋白质也可以通过一个涉及自噬机制的过程被外泌体释放到胞外。淋巴系统和血脑屏障（BBB）从间质和脑脊液中挤出神经毒性蛋白，它们也可能被蛋白酶降解或被小胶质细胞和星形胶质细胞吞噬（图3）。所有这些机制的退化都被认为是与衰老相关的神经退行性疾病的发病机制有关，而它们的修复正在作为一种可能的治疗策略被探索。在合成过程中，机体不同成分的平衡转换是维持健康状态所必需的（图3；表1）。人工刺激再循环可以延长生物时间，减少熵值，从而延缓衰老和避免与年龄相关的疾病。
标志4：环路的整合
生物体是以一种有助于组织各阶层内部和各阶层之间环路的整合的方式构建的，赋予他们随着时间的推移保持整个系统稳定的能力（图4）。
胞内环路每个分子、分子复合体或细胞器都可以参与几个功能环路。例如，代谢物在合成代谢或分解代谢反应中传递的信息超出了它们的含义。细胞内代谢物充当第二信使，例如激活能量传感器AMP-依赖性激酶AMP或乙酰辅酶A，它影响代谢酶、自噬相关蛋白质和组蛋白的乙酰化。类似地，与先前的假设（如单基因—单蛋白—单功能假说）形成鲜明对比的是，每种蛋白质都有多种功能。因此，酶通常受到除底物及其产物之外的其他因素的调节，例如，离子通道如囊性纤维化跨膜受体（CFTR）可能具有影响蛋白质稳态的骨架功能；模式识别受体从病原体和宿主内在危险信号中获取信息。细胞内蛋白质经历多种翻译后修饰，就像组合密码一样，影响其亚细胞定位、稳定性、活性和物理相互作用，从而将它们连接到多个调节系统。基因的转录受表观遗传修饰因子和转录因子的复杂相互作用的影响，每种修饰因子都受翻译后修饰和变构调节因子的影响。编码和非编码RNA在稳定性方面相互影响，从而形成了一个可以抑制随机波动和提高生物过程的坚固性的网络。中央细胞器通过确定的微观解剖结构相互连接，例如连接内质网（ER）和线粒体外膜的线粒体相关膜（MAMs），协调脂质代谢或传递Ca2+信号，刺激呼吸或打开PTP。所有这些特征都能使细胞应对波动的和常处于恶劣状态的内部或外部条件。
细胞内-外交流细胞内应激可以传递到细胞外空间，以促进系统适应性反应。在细胞死亡的极端情况下，细胞改变其表面的性质，释放出一系列不同的DAMPs。这些细胞表面变化和DAMPs的确切性质取决于死前应激通路和细胞死亡模式的激活，从而产生一种组合密码来决定尸体的命运，被一种或另一种吞噬细胞类型吞噬以及功能后果（炎症或其抑制、免疫或耐受性）。亚致死应激也会被传达。因此，DNA损伤通常导致IFN的产生，但同时也促进了T细胞和自然杀伤细胞（NK）的识别，这是分别由于MHC-Ⅰ类分子和NK激活配体的上调所致。同样，线粒体应激和内质网应激也会传递到外界。例如，肌肉中的线粒体应激导致生长分化因子15（GDF15）和成纤维细胞生长因子21（FGF21）分泌到体循环中，从而调节脂肪细胞的进食行为和脂质代谢。饥饿诱导的自噬导致酰基辅酶A结合蛋白（ACBP）释放到细胞外空间，从而激活抑制自噬的反馈机制，并刺激食欲以增加对营养物质的吸收。
细胞外-内交流在我们的感觉器官中起作用的特殊细胞（如视网膜中的感光细胞或内耳中的毛细胞）接收特定的输入（如光或声音）。然而，即使是非特化细胞也必须不断地整合来自外界的信息。这些信息可能是物理信息，例如温度、剪切应力、动脉血管张力和变形，或者是化学信息，如pH值、氧气和二氧化碳分压、渗透压以及作用于营养转运体和特定受体的细胞外代谢物的变化。此外，细胞通过直接连接（包括缝隙连接和微通道）接收细胞间接触依赖性的输入信号，以及以多种胺、肽、蛋白质、二十烷类和类固醇等形式的神经内分泌的输入。这些介质的半衰期很短，而且结合蛋白的存在限制了它们的生物利用率，因此可以产生局部梯度，确保是局部或旁分泌而不是全身的内分泌效应。此外，许多细胞与植物神经系统的突触终末相连，确保它们以空间定义的方式接受指令。
器官的功能单位器官由薄壁细胞（特异性）和结缔组织或支持细胞（非特异性）组成。巨噬细胞和成纤维细胞这两种细胞类型是在大多数人体组织中发现的，它们参与细胞与细胞之间的直接接触，和生长因子的交换，以建立一个稳定而强健的环路，其中包括在环境扰动情况下增加弹性的反馈机制。这种依赖性接触和基于细胞因子的环路似乎也有助于器官最小功能单位的功能组织，其特征是将非薄壁细胞和薄壁细胞并列的立体几何结构，薄壁细胞通常来自一个共同的干细胞群。每一个功能单元都像一个微生态系统一样，不断适应不断变化的外部信息。
图4. 环路的整合和节律振荡维持一个健康的生物体涉及到不同环路（从细胞到组织、器官和器官系统）之间的成功串扰，它们与由中枢和外周时钟决定的节律振荡（昼夜节律、超昼夜的或次昼夜的）同步，以及它们与亚细胞区室（分子和细胞器）到宏生物体水平（微生物群和人体生物体之间的对话）稳态整合。
细胞衰老及其清除遗传毒性剂，炎性因子和代谢信号可诱导细胞衰老，包括细胞周期近乎不可逆转的停滞以及衰老相关分泌表型（SASP）的获得。该表型可能动员免疫效应物并触发炎症，从而引起细胞衰老的扩散。尽管在局部损伤后形成的衰老细胞在刺激伤口愈合和抑制肿瘤方面可能具有积极作用，但它们在组织和全身水平的积累分别驱动器官功能障碍和衰老。随着年龄的增长，影响细胞增殖的细胞本身的损伤使细胞衰老，这与巨噬细胞对衰老细胞清除的减少相吻合。
器官、管道和系统回路激素、细胞因子、生长因子、危险信号分子和免疫球蛋白连接全身不同的器官。大多数细胞类型都能分泌多种细胞因子和神经内分泌因子，因为它们为这些细胞外介质配备了几十个或数百个不同的受体，这意味着传统的内分泌与非内分泌器官和细胞类型的分离已经失去了界限。此外，大多数细胞类型表达神经递质受体，这意味着它们可以对自主神经系统的输入信号做出反应，并参与多种神经内分泌环路和应激反应，就像胃、小肠、大肠、肝脏、或者骨骼肌一样，承担着调节食欲、行为和全身代谢的内分泌功能。结肠可以产生皮质类固醇或髓样细胞可以产生儿茶酚胺的现象表明，机体中存在大量未经探索的环路，多个器官可通过这些环路产生局部和全身应激激素反应。
宏生物体多细胞生物是由宿主和生活在其中的细菌、古细菌、真菌、噬菌体、病毒和寄生虫组成的生物体。肠道菌群影响营养物质的消化和吸收、维生素的局部合成、肠道蠕动、病原体的清除、外源物质的清除、炎症和结肠癌的发生。此外，它通过干扰神经内分泌回路，通过确定炎症和免疫系统的张力，或通过塑造免疫系统来预防明显的炎症、自身免疫、过敏和癌细胞发生，从而发挥远程效应。主要疾病，包括肥胖、心脏代谢紊乱、癌症和精神疾病，都与肠道菌群组成的变化有关。相反，通过从健康的年轻小鼠身上移植粪便微生物菌群（FMT）可以延长小鼠的健康和寿命，强调微生物菌群既可以是疾病的根源，也可以是健康的根源。总而言之，无数的通讯系统整合了从亚细胞结构到器官系统以及人体与微生物群相交的独特构件的功能（图4）。这些元素中的大多数在多个水平上进行通讯交流，同时发挥多种功能，从而促进了信息整合。因此，简化的线性路径（元素1→元素2→元素3，等等）的心理表征应被多维网络取代，在多维网络中，每个元素都整合在许多交织的环路中。生物体的每个亚细胞、细胞和超细胞结构单元的多功能性最终导致了节律性振荡、稳态回路、激素应激反应和修复途径的成功整合（请参见即将出现的标志5-8），从而增强了系统的稳定性。健康状况取决于多个回路的永久成功整合。这种观点的另一面是，没有“局限性”疾病，这意味着，例如，精神状态通常与躯体紊乱有关（反之亦然），任何主要病理都会改变肠道菌群（反之亦然）。确实，有充分的证据表明，难治性抑郁症和精神分裂症等常见精神疾病与代谢综合征有关，因此死亡率较高。此外，精神或代谢性疾病以及癌症与肠道菌群的变化也有关（表1）。环路的集成可能由于多种干扰而丢失，包括基本元素的稀疏性（例如，由于遗传缺陷、特定感官、神经或内分泌细胞类型的丧失或营养不良的发展），通讯系统的缺陷（例如，由于去神经支配或神经内分泌失调），或信号系统的饱和（例如，由于糖尿病中的葡萄糖等代谢产物过多或使炎症反应的正常局部协调瘫痪的细胞因子风暴），都与机体健康相矛盾。除了无法阻止不可逆转的健康损失外，还不可能恢复环路，因为这种情况发生在老年相关性肌肉萎缩，癌症相关的恶病质，败血性休克或重要器官衰竭。因此，重建集成环路是一项艰巨的任务，需要及时且相当复杂的干预措施，如酶和激素替代策略、过量细胞因子的系统中和、器官和干细胞移植（FMT）等。
标志物5：节律振荡
分子和细胞事件（例如在胚胎发育或再生中）的精确顺序、时间控制以及时间本身对生命至关重要。另外，超昼夜、昼夜周期和红外振荡为生理功能提供节律性，并有助于维持机体内稳态。超昼夜节律（周期短于24小时）可通过以下被例证：重要器官的功能（例如脑电活动、心率、呼吸和蠕动），约90分钟的皮质醇和ACTH脉冲式分泌作为应激反应的一部分，DNA损伤后肿瘤抑制物TP53激活的约5小时振荡模式，或具有固定的阶段和序列检查点的细胞周期。月经周期或生物学参数的季节性变化说明了红外线节律（周期远高于1天）。然而，研究得最好的节律振荡是进化保守的生物钟（图4）。
昼夜节律的机制昼夜节律同步系统的核心组件是一个主时钟，它由下丘脑的上视神经上核（SCN）的20,000个神经元组成。SCN通过感受神经的视网膜细胞接收有关环境明暗提示的信息，然后通过自主神经支配和内分泌信号、体温和食物摄入等系统信号的调节，将昼夜节律赋予我们身体几乎每一个细胞中的外周生物钟。组织特异性突变小鼠的最新研究已经修改了昼夜节律的这种分层模型，由外围时钟网络代替。驱动这些昼夜节律振荡的分子机制依赖于复杂的跨转录-翻译反馈环路，它们的相互作用导致时钟控制基因的节律性表达并导致随后的细胞蛋白质组振荡。主要的昼夜节律反馈回路由一系列核心时钟元件组成，例如转录因子BMAL1和CLOCK，它们可反式激活编码隐花色素蛋白（CRY1和CRY2）的基因，以及转录阻遏物PER1至PER3，后者反过来又抑制了BMAL1和CLOCK的表达。核心时钟基因的突变破坏了昼夜节律并导致遗传性睡眠障碍。超过一半的人类基因在至少一个身体组织或器官中的表达模式中表现出昼夜节律振荡。大约在转录上的改变会影响主要的稳态机制，这些机制集中在干细胞调节、线粒体功能、免疫反应和微生物群控制上。
干细胞调控通过干细胞功能的影响，昼夜节律会影响多种过程，例如造血细胞迁移、骨骼重塑、脂肪生成、毛发周期、肌生成和神经发生。当基因组损伤的可能性降低时，干细胞中的生物钟可能会优先通过夜间进入细胞周期的S期，从而有助于减少白天由紫外线引起的DNA损伤。干细胞中昼夜节律振荡的鉴定可能为他们的生物学作用提供新的机制见解，但也有助于优化干细胞治疗方法。因此，通过适当的时间从供体中提取这些细胞并随后将其注入患者体内，可以使造血干细胞移植更加有效。
线粒体功能线粒体是多种代谢途径的核心，这些代谢途径与生物钟有着密切的双向关系。线粒体生物发生的昼夜节律性主要是由PGC1α（该过程的主要调节剂）与核心时钟组件BMAL1之间的相互影响引起的。PGC1α控制BMAL的表达，Pgc1α突变小鼠在运动活动、体温和代谢率的昼夜节律性振荡中发生变化。同样，小鼠Bmal1基因的破坏降低了PGC1α的水平，消除了线粒体结构的昼夜变化，并导致这些细胞器的数量和形态发生了改变。其他参与线粒体分裂（FIS1）和融合（DRP1）的蛋白质也处于昼夜节律的控制之下。脂肪酸氧化酶和电子转移黄素蛋白的活性分别是β-氧化和氧化磷酸化所需的，也遵循昼夜节律波动。缺氧诱导因子1α（HIF1α）的表达是昼夜的，在BMAL耗竭时，它的水平会升高，以响应缺氧。氧化还原稳态涉及的几种酶，例如线粒体超氧化物歧化酶2（SOD2）和某些过氧化还原酶，在小鼠肝脏中均具有昼夜活动性。相应的，氧化还原状态影响主时钟的节律功能，HIF1α等因子与时钟基因启动子结合并促进对缺氧的适应。依赖NAD+的SIRT1使PER2脱乙酰，降低其活性，并改变核心时钟机制的昼夜节律。烟酰胺磷酸核糖基转移酶（NAMPT）（NAD+生物合成中的限速酶）的昼夜节律振荡影响线粒体中NAD+依赖的代谢反应，并建立了一种反馈机制来调节SIRT1的活性并进而调控母体时钟基因。因此，分子钟调节线粒体氧化节律与空腹进食周期相联系，以最大限度地提高静息期的能量生产。SIRT1还有助于线粒体的生物钟调控，该过程主要发生在明暗周期的活跃阶段。
免疫应答生物钟在正常条件下和对炎症挑战的应答中赋予免疫力节律性。这些昼夜节律的振荡驱动免疫细胞的适当运输，影响对微生物感染的敏感性，确定模式识别受体的时间表达及其信号传导途径的成分，并确定趋化因子、细胞因子、补体蛋白、凝血因子、颗粒酶和穿孔素的合成和分泌时间。这种生物钟介导的免疫功能调节可能是预测环境变化的策略的一部分，并为一天中的每个时间提供最佳保护。免疫反应的节奏性也可能会导致相互不兼容的程序（耐受性与免疫性）的暂时分离，或避免可能引起免疫反应病理性过度激活的协同交互作用。缺乏核心时钟蛋白的突变小鼠失去了免疫和炎症反应之间的时间平衡，并发展成严重的疾病。
肠道菌群控制肠道菌群的组成表现出昼夜变化，并被宿主昼夜节律所控制。相反，肠道菌群会影响肠道振荡器的生物学功能。细菌与宿主之间这种双向通讯的中断会导致营养不良，并导致溃疡性结肠炎和代谢紊乱。大脑和肠道微生物群体通过多种通讯系统相连，包括迷走神经、激素、免疫因子、神经递质和微生物代谢产物，例如胆汁酸和短链脂肪酸。与基因多态性，环境因素，饮食变化，肠胃紊乱或衰老相关的通讯轴变化可能会导致神经和精神疾病的发展，例如帕金森氏病、阿尔茨海默氏病、焦虑症、重性抑郁症和自闭症谱系障碍。由于轮班工作、睡眠-觉醒模式不规则、睡眠质量差、频繁跨时区旅行、社交时差和食物摄入时间的变化导致的昼夜节律变化与各种人类疾病的风险增加相关，从癌症、抑郁症到糖尿病和生物失调（表1）。心肌梗塞在早上更频繁地发生，并且临床预后较差，因为白天的缺血耐受性降低。诸如癌症、炎性过程、精神病、糖尿病、哮喘或过敏之类的疾病通常会在症状和对药物的反应中出现每天波动。不健康的饮食习惯和进食时间表会扰乱进食周期与昼夜节律周期的一致性，并引起代谢紊乱。营养干预措施（例如限时喂养、间歇性禁食和生酮饮食）主要通过mTOR通路调节振荡基因的表达，部分通过恢复中心心脏起搏器和外周起搏器之间的时间协调来改善代谢健康。在这种情况下，直接对生物钟给药的时间药理学方法或时间疗法和时间疗法策略可能有助于预测或改善生理周期中的功能障碍。
图5. 对应激的应答(A) 健康受到多种应激源的持续威胁。为了达到生物稳定性，生物体会采用不同的策略，例如稳态恢复、毒物刺激作用、修复，以及尽可能再生受损组织和器官。(B) 稳态与疾病放大效应。负反馈回路可校正干扰（输入）的影响，而正反馈回路导致疾病放大。(C) 激素调节。对不致死应激的响应，可以恢复原状。理想情况下，这种响应会导致应激抵抗力（兴奋）增加，从而使系统获得“记忆”。
标志6：稳态韧性
稳态环路将无数的生物学参数（例如血液pH值、血清渗透压、动脉血氧和二氧化碳、血糖、血压、体温、体重或激素浓度）维持在接近恒定的水平，除非调节器的设定值发生改变，则会导致慢性疾病。由于缺乏或过度生产特定激素而变得失调的内分泌反馈环路说明了稳态调节的基本重要性。术语“动态力学”描述了这样一个事实，即平衡不依赖于唯一状态的静态维持，而是必须通过系统组件之间的自适应相互作用来演化。“动态空间”界定了生物系统的缓冲能力（弹性），并因此通过损害控制、适当的应激反应、生物噪声的减少和不断的重塑来保持生存和维持健康的能力。稳态韧性涉及基因、神经、代谢、免疫和微生物组的机制（图5A和5B）。
神经机制弹性在很大程度上是由多个大脑环路功能的适应性变化所介导的，这些变化调节着对压力的心理生物学反应（“战斗和飞行”与“休息和消化”）。这些变化涉及无数的神经递质、神经肽、激素、受体及其相关信号通路的参与，它们共同协调了对急性或慢性应激源的自我平衡反应。交感性肾上腺髓质（SAM）和下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴构成神经内分泌对应激反应的两个主要分支，最终产生范式“压力激素”儿茶酚胺（肾上腺素和去甲肾上腺素）和糖皮质激素（GCs）。在通过SAM轴的瞬时（但短暂）反应之后，HPA轴的延迟激活启动下丘脑神经元促肾上腺皮质激素释放激素（CRH）、垂体促肾上腺皮质激素（ACTH）和肾上腺皮质激素（GCs）的级联式生物合成。如果SAM的反应能力有限，则会促进体内平衡的恢复过程，但如果系统过度活跃，则会引发心血管疾病和心理健康问题。GCs的急性作用是保护性的，并引起适应性反应，而长期暴露于高水平的GCs会引起许多病理状况，例如神经损伤、高血压、心血管疾病、免疫抑制和营养不良。BDNF等神经营养因子与GCs密切配合，也是应激恢复神经环路的一部分。慢性应激源会降低海马中BDNF的表达，并引起类似抑郁的效应，而抗抑郁药和体育锻炼可以逆转这种效应。5-羟色胺参与调节情绪和情绪的环路，并可能导致产生焦虑或抗焦虑作用。急性应激源会增加这种神经递质的大脑更新并引起抑郁。多巴胺信号双向调节奖赏和厌恶，有助于消除恐惧，并在应激易感性和适应力中起关键作用。神经肽NPY在应激条件下具有抗焦虑作用，并抵消了CRH在不同大脑区域的焦虑作用。促进恢复力的神经生物学机制涉及所有这些神经回路的物理和分子适应。应激诱导的GC释放会减少海马体神经发生。长时间的压力会导致脑部结构萎缩、神经胶质细胞丢失以及树突状根尖广泛收缩，从而妨碍适应性、可塑性并损害弹性。值得注意的是，使用血清素再摄取抑制剂会增加海马体的体积，而锂处理则会增加灰质的体积。从机理上讲，转录因子，表观遗传调节剂和分子伴侣是大脑环路中适应性反应的基本介质。
遗传因子对生物学和情感因素的全基因组关联研究（GWAS）分析和趋势分析表明，遗传因素对弹性的遗传力有中等影响。已在编码神经营养因子或去甲肾上腺素应激反应调节剂的基因中已经鉴定了抗逆变体。相反，由于COMT（儿茶酚-O甲基转移酶）、BDNF（脑源性神经营养因子）、SLC6A4（5-羟色胺转运蛋白）和NPY（神经肽Y）中存在变异会导致恢复力不足，从而增加了精神疾病的风险。同样，对影响糖皮质激素受体反应的应激相关基因FKBP5的研究已经确定了儿童创伤背景下的特定遗传环境相互作用。值得注意的是，相同的遗传多态性会增加对不良事件发生病理反应的风险，也可能在有利的环境中提供实质性的益处，这可能说明了拮抗多效性。
激素和代谢稳态恢复力不仅由大脑控制，而且还涉及内分泌和代谢回路。在急性应激（如损伤）下，儿茶酚胺通过激活棕色脂肪组织（BAT）中的线粒体解偶联蛋白而短暂增加产热。相比之下，慢性应激会诱发不依赖BAT的适应机制或可能导致能量缺乏。在这种情况下，气相色谱通过激活糖异生和糖原分解，蛋白水解和脂解作用来促进大分子的动员，因为它们促进了代谢从合成代谢反应到分解 代谢反应的代谢转换，从而为应对应激反应提供了能源和基础（葡萄糖、氨基酸和脂肪酸）。此外，GCs还可以提高血压，抑制免疫反应并影响线粒体的生理。GC的代谢作用受瘦素和胃泌素等其他激素的调节。瘦素主要由脂肪细胞产生，抑制食欲，并告知大脑能量储备状况。胃泌素由胃肠道细胞产生，作用于下丘脑以刺激食欲，但也介导神经保护作用。在代谢控制中具有重要功能的其他下丘脑激素包括催产素（可保护心肌细胞）和精氨酸加压素（一种抗利尿肽）。生长抑素通过减少慢性应激条件下的CRH释放来增强恢复力。性激素对稳态恢复力有很强的影响，并解释了对慢性应激反应的性二态性。值得注意的是，患有应激性神经精神疾病的患者表现出代谢表型，与代谢综合征基本重叠。
免疫系统先天免疫系统和适应性免疫系统都是稳态复原反应的关键组成部分。长期处于应激中会促进体内广泛的免疫变化，许多研究都认为应激脆弱性和情感障碍的发展都与免疫变化有关。并且使用抗炎药物可能会引起抗抑郁作用，而接受抗抑郁治疗的患者会表现出典型的促炎细胞因子（如IL-1β和IL-6）的水平降低。交感神经系统和副交感神经系统分别诱导和抑制炎性细胞因子的产生。诱导小鼠的疼痛应激后，脆弱性动物表现出比弹性复原小鼠更高的IL-6水平，而IL-6的基因敲除或抗体介导的中和则可以促进弹性复原表型的表现。高强度应激诱导的促炎细胞因子会刺激HPA轴（因此产生GCs），但同时会干扰糖皮质激素受体（GRS）的功能，由此产生的糖皮质激素耐药性进而干扰了HPA/GR介导的细胞因子合成下调，从而中断了体内稳态的反馈回路并造成了恶性循环。有趣的是，促炎细胞因子也能诱导抑郁症患者的GC抵抗，暗示炎症和GC信号在同一过程中起作用，并造成累积损害。表观遗传机制也有助于调节对应激的免疫反应，在暴露于社会挫败应激的小鼠单核细胞中，几种miRNAs如miR-25-3p（属miR-106b-25簇）被诱导产生，而在外周白细胞中选择性地消除这一簇，则可以促进对这种类型应激的行为复原。有几项研究评估了有关适应性免疫系统在正常和病理应激反应中B淋巴细胞和T淋巴细胞的数量和功能，发现重度抑郁障碍（fLMDD）患者表现为T细胞淋巴细胞减少，表明这些细胞具有神经保护或防御作用。在施加慢性低强度应激之前，用髓鞘碱性蛋白对大鼠进行免疫诱导可以促进自身反应性T细胞的生成，并减少了与抑郁相关的行为。T细胞向中枢神经系统的募集与应激适应力呈正相关。此外，据报道，来自慢性长期应激小鼠的淋巴细胞降低了促炎细胞因子的水平，并赋予空白对照小鼠行为复原的能力及抗抑郁作用。
肠道菌群通过产生生物活性代谢物来维持稳定的肠道菌群，这对宿主免疫系统的稳定性和认知/情感平衡至关重要，进而产生“微生物群-肠-脑轴”。肠道微生物在个体之间具有高度的差异性。然而，一旦在儿童时期建立良好的细菌多样性和功能，它就可以表现出很强的恢复力，这意味着它的组成和活性保持基本稳定。健康微生物群的复原力可防止各种与营养不良相关的疾病，如炎症性肠病、代谢综合征、心血管功能障碍、抑郁症、哮喘、类风湿关节炎、结肠癌和自闭症谱系障碍。口服摄入各种益生元，益生菌及衍生物可以增强肠道菌群的复原力，尽管对于大多数当前可用的产品，尚无明确的证据来支持其对人类健康的有益影响。FMT已成功治疗艰难梭菌反复感染，促使其在与肠道营养不良有关的其他致病条件下进行评估，其可能影响从行为到衰老的多种表型，例如，将MDD患者产生的微生物转移到无菌小鼠身上会使他们产生抑郁样行为，在代谢综合征和癌症患者免疫治疗反应性方面也有类似的发现，因此进一步研究一些菌种及其代谢物发挥以上作用的机制是必要的。综上所述，局部、器官和全身通信系统的构建方式：它们可以通过快速适应和反馈调节来对体内变化做出响应，这主要是由于负反馈回路的激活而产生了稳态复原力。由于过度应激或复原能力减弱，这种复原力机制的丧失最终导致衰老和疾病（表1）。由此说明增强稳态复原力的干预措施是促进身体健康的有效战略手段。
标志7：激素调节
激素的功能依赖于以下生物过程，即低剂量的毒素会引起保护性反应，防止生物体在接触更高剂量的相同毒素时受到伤害。现在，“激素”一词被广泛用于描述一种情况，即低剂量的应激源通过激素的作用，诱导细胞和生物体产生适应性反应，进而维持稳态并增加生物可塑性（图5A和5C）。
有丝分裂这一术语定义了轻度和短暂的线粒体应激在细胞、组织或生物体中诱导有益反应的情况，例如在运动、热量限制、间歇性禁食和素食用餐的情况下，这些化学物质通过呼吸链产生ROS。线粒体ROS（mtROS）含量低会降低大鼠心室肌细胞缺氧/复氧损伤的敏感性，并在缺血/再灌注模型中诱导产生较强的保护作用。mtROS也可能有助于解释所谓的“心脏预处理”效应，即在冠状动脉长时间闭塞前短暂的缺血（例如运动）可以起到心脏保护作用，因为它们减少了随后的心肌病变的大小或心室颤动的风险。心脏预处理效应还包括激活促生存激酶、提高线粒体保留钙的能力以及诱导心肌热休克蛋白。低水平的mtROS通过促进包括BCL2和SOD2在内的保护基因的表达来激活应激神经元的激素反应。这种适应性反应可以保护神经元免受更严重的氧化应激，并减少氧化和缺血损伤的风险。试图揭示抗氧化剂促进健康的临床试验的失败，可能可以通过ROS与引发有益的类激素反应的广泛相关性来解释。但在临床常规中广泛使用的几种化合物（用于糖尿病的二甲双胍和用于降低胆固醇的他汀类药物）可适度提高mtROS水平。在ROS的下游，可以激活多种转录因子以触发有效的细胞保护机制、改变长期代谢和增强抗逆性。小鼠线粒体SOD的短暂敲除可引起有丝分裂反应，这取决于NRF2抗氧化剂和PPARγ/PGC-1α线粒体信号通路的激活。同样，内源性代谢物N-乙酰-L-酪氨酸（NAT）触发有丝分裂反应不仅涉及线粒体ROS的产生，而且能够激活FoxO，而FoxO反过来激活抗氧化基因和KEAP1，以引起细胞保护反应。NAT还可以抑制肿瘤生长，其可能是通过KEAP1来激活。未来阐明线粒体激活途径可能会促进延长寿命和健康跨度研究的战略性发展（表1）。
健康寿命健康寿命，也就是一个人处于相当良好的健康状态的时间长度，可能会受到激素的影响，如在适当的饮食和身体活动的情况下。这些基于激素的干预措施也提供了适度但显著的保护，以防止脑血管突发意外、心肌梗死和神经退化。这种有益的作用可能依赖于通过诱导ROS，热休克蛋白，沉默调节蛋白和硫氧化蛋白进行直接的短程细胞保护。它们也有可能通过代谢途径、神经回路、内分泌信号和免疫反应，如促炎M1向M2表型的极化，从而促进保护性、修复性和抗炎反应。值得注意的是，干细胞对低剂量的电离辐射、缺氧和化合物表现出兴奋反应，这可能有助于提高它们在修复心血管或神经损伤方面的治疗潜力。激素这一概念也可能提供一个新的预评估和开发新临床药物的框架，以对抗神经退行性疾病或改善生物性能和人类健康。低剂量的化学致癌物可能会保护其免受之后暴露于高剂量的遗传毒性和细胞毒性环境中造成的损伤，同样，抗肿瘤药物也可能在培养的癌细胞中引起类似激素的剂量反应。因此，激素理论可以指导剂量发现研究，并帮助优化给药时间，以最大限度地发挥有益作用。
寿限昆虫模型的开创性实验表明，暴露于低慢性电离辐射增加了寿限，同样，低剂量辐照小鼠的寿限增加了约20％，同时还具有健康衰老的特征，例如体重维持，肌肉力量以及毛皮的数量和质量。低剂量电离辐射的人成纤维细胞在基因组稳定性和复制寿命增加方面表现出应激反应。此外有独立的报告表明，接触低剂量辐射的人类癌症发病率降低，寿限延长，但很难找到支持这一论点的大规模流行病学证据。这些基于辐射诱导的激素的发现发展了一系列延长寿限的化合物，例如合成化学激素和富含蔬菜、水果、香料和种子的膳食植物化学物质。这种特殊形式的激素被称为异种激素，以强调动植物物种之间的互惠关系。异种激素包括多种植物化学物质，如黄酮类化合物、有机硫化合物、二氟乙烯和二苯乙烯衍生物。这些植物化学物质在高水平下表现出直接的自由基清除特性，但在饮食中处于低浓度水平时，它们具有促氧化和亲电特性，通过KEAP1-NRF2信号通路诱导适应性细胞应激反应机制。此外，许多异种激素诱导自噬，通过去除受损的细胞器和大分子结构，维持体内平衡，促进健康寿命。在用热量限制模拟治疗后，也检测到了刺激反应模式，这些模拟证明了通过诱导自噬可能产生的保护作用。低强度饮食干预通过ER激素改善蛋白质稳态和延长寿限。这一过程涉及ER（UPR-ER）未折叠蛋白反应（UPR）的IRE-1-XBP-1分支的活性，并导致ER相关的错误折叠蛋白降解增加。在衰老的模式生物中，刺激反应经常减少，如各种应激源的预处理减少了年轻成年小鼠和大鼠缺血引起的心脏损伤，但这种保护在老年啮齿动物中丢失，而且还发现了与年龄有关的UPR-ER下降，此外，老年糖尿病患者对持久性有机污染物的致敏反应减弱。这些发现与激素预处理途径随着时间的推移而衰减，从而侵蚀了衰老生物适应内源性和外源性应激能力的观点是一致的。总之，对低剂量的广泛的化学、物理、药理学和营养应激源的激素反应可以保护免受后续威胁。激素反应在进化上是保守的，这在动物模型中得到了广泛的研究，但它们如何应用于人类病理生理学中仍然未知。可惜的是，除非在临床试验中明确定义和分析可量化的终点，否则由于低暴露于任何一种应激源中所引起的不适效应是中等的，并且可能难以评估。
标志8：修复和再生
生物健康不断受到内在和外在损坏的多种来源的威胁，这种损坏必须修复，并且在可能的情况下，必须重新生成丢失的功能元素以实现完全恢复（重新组合）。与周转（见标志3）相反，在没有特定刺激的情况下发生的，修复和再生则是响应于对系统造成的确切损害类型而以特定方式发生的应激响应。因此，细胞已经发展出复杂的信号网络，可以系统地感知身体的各个阶层中特定类型的损伤并对之做出反应（图5A）（表1）。
DNA损伤和修复DNA的完整性和稳定性不断受到外源化学、物理和生物因素以及内源性威胁的挑战，如DNA复制错误或自发的水解和氧化反应。这种遗传毒性应激导致DNA的各种改变，包括点突变、插入和缺失、易位、染色体非整倍体、端粒消耗，加合物形成、DNA-蛋白质交联、以及逆转录病毒或转座子整合引起的基因中断，这些基因组病变可能是许多慢性疾病以及生理和病理老化的起源。细胞拥有组成性和诱导性DNA修复系统的密集网络——共符合DNA损伤反应（DDR），以处理对核和线粒体基因组造成损伤的多样性。DDR基因的突变导致许多遗传性疾病的发生，这些疾病通常与加速衰老和癌症有关，进而支持了DNA修复与健康相关性的观点。DDR机制也直接牵涉到如何确定具有不可逆转基因组损伤细胞的命运。DDR效应物，如TP53，可驱动细胞衰老或凋亡，并有助于体内稳态的维持。免疫效应物通过诱导细胞膜上MHC I类分子的过表达来参与DNA损伤细胞的消除过程，从而促进细胞毒性T细胞对其的清理过程。DNA损伤也增加了NK细胞配体的表达，有利于去除受损细胞。DDR期间积累的胞质DNA参与cGAS / STING途径并刺激可能促进组织动态平衡的局部反应。但是，干扰素的失控和过度释放会导致不受控制的炎症和组织损伤，从而导致自身免疫性疾病或病理性适应不良，应对诸如心肌梗塞等应激性疾病。总之，细胞通过激活维持微环境和全身动态平衡的一系列综合机制来对DNA损伤作出反应。
蛋白质损伤和蛋白质平衡蛋白质会累积多种损伤，包括高级糖基化终产物的形成，Asn和Gln残基的脱酰胺，异常的二硫键交联，氨基或羧基末端的截短，内部裂解，羰基化以及形成不合适的聚集体。蛋白质聚集通常发生在神经退行性疾病中，如阿尔茨海默病、帕金森病或亨廷顿病，以及其他年龄相关疾病。因此，细胞使用一系列复杂和耗能的手段来维持蛋白质的稳态（“蛋白质稳态”），并确保蛋白质的合成、折叠、修饰、筛选、定位、浓度和转移是最优的。蛋白稳态涉及一系列因子，这些因子要么确保错误折叠的蛋白质的再折叠和稳定，要么针对它们进行降解。蛋白质（再）折叠和稳定性由大量胞质和细胞器特异性分子伴侣介导，包括热休克蛋白。药物诱导热休克反应和分子伴侣在几种疾病模型中过度表达可以表现出保护活性，如在亨廷顿疾病中，伴侣蛋白TRIC片段的传递增强了蛋白质稳态，并改善了细胞表型。参与蛋白质质量控制的两个主要蛋白水解系统是泛素-蛋白酶体系统和自噬-溶酶体系统。这两种系统发生缺陷都会导致蛋白质稳态崩溃并加速年龄相关疾病的发生，而增强蛋白质稳态的遗传或药理学干预则会改善动物模型中与年龄相关的表型。值得注意的是，抑制去泛素酶、上调蛋白酶体亚基和使用自噬诱导剂可促进小鼠的健康和寿命。
ER应激反应核糖体合成后，大多数分泌或膜蛋白进入ER，并在此处折叠并组装。为了评估蛋白质折叠中的保真度，并避免未折叠蛋白在ER腔中的积累，细胞已经形成了一种适应性反应，涉及一系列信号通路的激活，统称为ER应激反应或未折叠蛋白反应（UPR）。UPR的三个机械模块共同维持ER内的稳态或诱导凋亡以清除无法恢复蛋白稳态的细胞。这些模块基于三个应激传感器（PERK、ATF6和IRE1）的功能，它们可以评估ER腔中的蛋白质组并诱导bZIP转录调节因子，从而激活UPR靶基因的转录。这种转录活性的最终结果是进入ER的蛋白质通量减少，细胞器的蛋白质折叠能力增加。UPR的分子成分受UPR本身的转录调控，强调该蛋白的静息反应遵循与在应激条件下参与整个生物体功能维持的大多数机制相同的反馈机制。ER应激反应对健康有重大影响，系统不同组成部分的缺陷是许多疾病的核心。ER应激反应的缺乏或饱和不仅会损害蛋白质平衡，而且会触发过度的细胞死亡和炎症反应，如果没有得到解决，就会导致慢性适应不良、代谢紊乱和加速衰老。
线粒体应激反应mitoUPR与糖酵解的代谢转换相关，有利于线粒体修复。与UPR-ER类似，mitoUPR涉及一系列应激传感器、传感器和转录调节因子，如ATF4、ATF5、CHOP和C/EBPβ4并跨质膜传递，以调节局部和全身对线粒体应激的适应性，如，线粒体应激的肌细胞诱导转录反应最终会导致有丝分裂素如GDF15和FGF21释放到体循环中。与脑干神经元表面的GDNF家族受体α-样（GFRAL）结合后，GDF15控制食欲和进食行为，而FGF21与其受体FGFR1结合并调节脂肪组织中的脂质代谢。这种适应性应激反应途径最终通过内分泌信号产生有益的全身效应。
溶酶体损伤反应溶酶体膜通透性（LMP）和晚期内小体的完全破裂代表严重的细胞应激状况，在退行性疾病、微生物感染和肿瘤进展中起着重要作用。LMP或者使细胞致死，或者引发一种被称为内溶酶体损伤反应（ELDR）的防御和修复机制。HSP70分子伴侣与受损的溶酶体膜的脂质结合，并募集ESCRT机制来修复穿孔的细胞器。溶血酶体可以通过将胞质半乳糖凝集素流入受损的细胞器来启动，然后是由泛素结合酶UBE2QL调控的溶酶体蛋白的大规模泛素化过程，最终将溶酶体固存在自噬体中。同时，局部损伤通过信号级联刺激溶酶体的生物发生，包括mTORC1复合物与溶酶体的解离、TFEB在细胞质中的去磷酸化、其易位入细胞核以及TFEB诱导型基因的反式激活。
组织水平再生再生包括完全恢复损伤或丢失的元素，啮齿动物和人类的干细胞或前体细胞有着修复损伤组织并帮助针对损伤做出适应性和补偿性应答的功能。人们长久以来都认为大脑是无法被修复的器官，但这种干细胞却在成年大脑中也存在。神经干细胞有自我更新能力，并且能够生成终末分化的神经元和胶质细胞，然而，组织特异的干细胞是无法产生整个器官的（器官由多种细胞类型组成，并且具有广泛的结构和功能多样性），但肝脏可能是个例外，它能够产生具有完备功能的肝小叶。虽然哺乳动物在进化过程中丢失了大部分的再生潜能，但它们仍然在发育和生命早期时具有惊人的再生能力。例如新生小鼠的心脏就具有较高的再生水平，此外据报道新生小鼠和年轻小鼠的趾骨都具有再生能力。更重要的是，目前已有可靠证据表明，随着年龄的增长，干细胞修复或复原成年组织的能力会逐渐下降。因此，人类具有潜在的再生潜能，但这种潜随着进化、发育和衰老而消失。
细胞特性重编程作为细胞和器官移植的替代方法，干细胞是再生医学用于修复患病或衰老组织器官的主要生物工具。日本科学家高桥和利与山中伸弥在2006年发现将4种转录因子（Oct3/4、Sox2、Klf4和c-Myc）转进体细胞足以使其重编程形成诱导多能干细胞（iPSCs）。从那以后，重编程方法便被运用到了小鼠体内模型当中，来使特定组织恢复活力，又或是与CRISPR-Cas9基因编辑技术相结合来修正先天基因缺陷。在临床级别将iPSCs分化成前体或体细胞将为包含糖尿病、心肌梗塞、帕金森症和脊髓损伤等广泛疾病种类带来新的细胞治疗手段，人类中第一项成功利用自体重编程细胞进行治疗的案例是用于治疗年龄相关的黄斑变性，而随着该领域技术的发展，更多治疗案例也在快速增加，比如可以利用细胞转分化来绕过多能状态，以模拟这些细胞的肿瘤生成潜能。iPSCs同时也被用于在动物体内制造异种器官和人类器官，这在未来极有可能运用到器官移植上因为其同时解决了技术层面和道德层面的难题。
标志物的整合
现有的健康标志包括空间划分的特点（标志H1和H2）、伴随时间的稳态维持（H3、H4和H5）以及对外界刺激的适当应答（H6、H7和H8）。以上任何一种被打破都具有高度致病性，会造成严重或渐行性的机体相对于正常状态的偏移，这意味着显化疾病通常与一种以上健康标志的丢失相联系。显而易见的是，这些标志并不是独立存在的，它们在多个水平都高度相连。因此，人体的任何一个层次（分子、细胞器、细胞、大分子单位、器官、系统、系统循环和宏生物体）都会与这些健康标志具有相互作用，下文将就此进行说明。
图6. 健康损害的时间和空间轨迹(A) 8个健康标志整合了每个层次结构的多功能性，并协调了不同的亚细胞、细胞和超细胞的复杂相互作用，支持了健康的多维基础。(B) 单分子变化产生的轨迹示例。CFTR突变主要影响蛋白质的翻转，但随后会扩散到组织的多个层次，影响包括上层的肠道微生物群和呼吸道等多个健康标志。(C) 始于肠道中单个产毒细菌的过度生长的轨迹，这样会使有机体系统渗透到细胞器和细胞水平，克服了内稳态和激效调节，并持续破坏细胞和器官。（CFTR，囊性纤维化跨膜受体。）
大分子层面整合如病理学过程所示，蛋白质等大分子同时会受到多种或全部8种标志的影响。例如CFTR等蛋白参与呼吸道和肠道的功能（H1），以及氯化物溶剂局部限制的失衡（H2）。存在于质膜上的CFTR必须经历持续的再循环，并且功能丢失的CFTR变体基因所编码的受体会造成囊泡性纤维症，影响如自噬等正常的蛋白质稳态过程。CFTR同时也参与多种调控性循环（H4），且它的突变甚至会打破生理节律（H5）。与囊泡性纤维症相关的CFTR突变会触发致病性而不是稳态性的反馈机制，进而造成自我延续的组织损伤（H7）并且无法被完全修复（H8），最终导致永久性呼吸道和肠道功能失调，甚至引发结直肠癌（图6B）。类似的，神经退行性疾病中的蛋白质积累可能破坏血脑屏障（H1），以朊病毒样的方式传播其错误折叠的状态（H2），进而破坏并阻止蛋白稳态的维持（H3）、破坏神经胶质和突触之间的相互作用（H4），打破生理节律（H5），引起恶性（而不是稳态反馈）反馈机制（H6），无法诱导毒物兴奋效应（H7），以及造成不可逆转的神经元和神经元回路损伤（H8）。
细胞器层面整合细胞器是组成细胞的基本模块，与了每一个健康标志息息相关。如线粒体必须维持其内膜和外膜的完整才能具有完备功能（H1）并且避免无根据的细胞死亡和炎症通路的异常激活。少数线粒体的渗透性可以受分裂-融合循环所控制，进而影响与线粒体自噬耦合的线粒体网络以及会破坏引起细胞死亡的反馈机制，没有线粒体自噬的持续性更新，线粒体将失去其功能（H3）。线粒体参与许多代谢、信号传导和应激途径，从而确保它们整合入亚细胞回路（H4）。线粒体与多个生理网络相联系，协助代谢稳态的维持（H5），进而参与生理节律的形成并受其影响（H5）。此外，线粒体通过毒物兴奋效应来记忆并且介导应对多种应激信号的适应行为（H7）。最后，线粒体可以修复其DNA或通过逆转机制来促进选择性替换受损细胞器。这样相似的影响同样可以用来解释这些健康标志和多种甚至所有细胞器之间的联系，包括自噬体、溶酶体、内质网或者细胞核。这暗示细胞器特异的酶/通路或者结构（如线粒体DNA、核纤层和核孔）的改变可以影响所有正常的生理活动，产生广泛的致病性后果。
细胞层面整合普通上皮干细胞会通过维持质膜的完整性来帮助稳态的维持，以避免其死亡（H1），并修复他们细胞膜的损伤或者替换屏障受损处缺失的细胞（H2），永久性更新（H3），参与形成更大层次的功能单元（H4），对节律波动做出应答（H5），并参与内稳态/毒性兴奋效应的恢复，如通过响应皮肤局部的扰乱以二次伤害来加速伤口愈合应答（H6-H8）。而作为反例，衰老和恶性细胞会在多个层面损害健康，衰老细胞通常会丢失核膜的完整性（H1），将衰老表型传递给其他细胞（H2），因永久性细胞周期的关闭而无法自我更新（H3），失去它们的正常功能并且整合到组织当中（H4），变得不受节律振荡的影响（H5），参与促炎反馈循环（H6），妨碍毒性兴奋效应的阈值调节（H7），并且无法积极参与到组织再生当中（H8），即使它们可能会放出某些辅助伤口愈合的信号。由恶性细胞引起的癌症会破坏上皮屏障的完整性（H1），克服免疫监视的局部控制（H2），具有恶性增殖能力并打破只用于自我更新的限制（H3），损害循环水平和植物性神经系统水平的环路整合（H4），逃避或颠覆生理节律（H5），并以牺牲整个有机体的健康维护环路为代价，通过内稳态、激效和再生途径来抵抗治疗干预（H6-H8）。因此细胞自发的改变可能更进一层面危及组织而损害机体健康。
超细胞单位层面整合组织驻留巨噬细胞和成纤维细胞一起参与形成所有器官的基质，感受外层和内层屏障的紊乱（H1），吞噬、清除死细胞（H2）并发出将其替换的信号（H3），执行并调节炎症和免疫应答（H4），跟随节律振荡（H5），响应对TLR4配体的预先接触，来降低随后产生的反应（H6），但同时又在预先暴露在病毒TLR刺激情况下提高这种TLR4引起的应答（H7），并在组织修复中起重要作用（H8）。小肠隐窝是维持局部屏障完整性的器官的最小单位（H1），控制局部损伤（H2），持续性循环（H3），与微生物相和免疫系统联系，同时还产生代谢相关激素（H4），组成外周生理钟（H5），适应营养和微生物的变化（H6和H7），并具有与生俱来的再生能力（H8）。相反，肠道失调却会引起广谱的致病性，因为它会损坏回肠和结肠的屏障功能（H1），并对破坏局部环境的代谢具有系统影响（H2），影响肠道上皮干细胞的循环（H3），通过微生物代谢分子和毒性物质来入侵神经分泌环路（H4），妨碍肠道蠕动且使胃肠道脱离生理节律（H5），持续性损害微生物系统（H6），并激活系统炎症应答同时抑制免疫增强（H7），同时对组织修复和衰老具有长远影响（H8）。同样，伴随代谢综合征的肥胖会在多个层面损害健康，因为它会影响肠道屏障的完整性（H1），破坏癌症免疫监视（H2），封锁自噬作用（H3），通过高水平的葡萄糖和胰岛素打破代谢和激素环路（H4），使生理节律去同步化（H5），使机体失去食欲控制（H6），破坏激效长寿途径（H7），并阻碍伤口愈合（H8）。
不同层次间的整合前文提到的例子中列举了影响机体不同层次组成单位（从分子到宏生物体）的损害。然而，健康标志还可能提供用来解释它们的垂直联系的理论框架（图6B和6C）。因此，一个影响单个结构或功能蛋白的单基因疾病，可能从所有层次损害健康标志，如本文已经讨论的囊性纤维化一样，其对健康的损害远远超过了分子水平。所以说，CFTR突变最终甚至会在一定程度上破坏宏有机体的平衡，不仅仅影响呼吸系统，还可能影响肠道菌群。与之类似的还有威尔氏病（由编码铜挤压酶（copper-extruding enzyme）的ATP7B突变引起），它不仅会使肝细胞更易受到铜毒性的损害，还会诱导一系列精神和行为异常。理论上来说，纹状体多巴胺能神经元的分子和细胞疾病是帕金森症一项早期标志，表现为便秘，而另一种神经退行性疾病亨廷顿症则和全身代谢的前驱症状改变有关，这将为造成能量消耗的升高和随之而来的体重减轻。神经退行性和精神疾病也与微生物的变化密切相关，说明不同层次之间紧密联系的又一后果。当前对这些联系的理解还很初级，还需要更多的研究来解析从机体各个层面影响疾病显现的这种“垂直作用”。
健康的损耗和疾病的扩散本文列举的健康的主要特点通常不会一一丧失，相反，维持有益健康状态的组织特性的崩溃通常发生在类似多米诺骨牌的级联中。据此，在与相似年龄的健康对照组相比中，像中风、心肌梗塞或癌症这些重要“事件”通常伴随着另一项“事件”的进一步加速。有几种超越疾病分类学和解剖学界限的非排他的假说能够解释这种健康恶化的扩散，首先，致命病症的显现可能反应一种年龄相关的健康脱轨现象，暗示该个体的健康轨迹下滑。比如癌症和动脉粥样硬化具有共同的风险因子，以及相似的如慢性炎症和异常的细胞清除能力低下等致病机制。再者，引起一种疾病在临床层次出现的毁灭性事件可能会进一步诱发健康恶化，如心肌梗塞后交感神经系统的促炎激活会加速动脉粥样硬化。因此，维持健康的环路的瓦解意味着疾病产生机理和疾病之间相互联系的相同模式，这将解释它们的一些共同特征，以及不同疾病之间的流行病学联系，这种流行病学联系表示单个疾病状态常有发展为多疾病状态的趋势。总而言之，健康可以看作是反映机体不同层次的整体的性质，而各个层次又受健康标志所组织维持（图6），健康恶化通常伴随着跨层次和标志的时间和空间上的变化，造成病理性损害，而当任何一个层次或标志恢复能力丢失，这种损害通常会扩散至系统水平。这说明医学干预只有在能够成功恢复或维持所有健康指标的情况下，才能够说该方法是足够有效的。
结语和设想
无论是关于健康标志的最终定义，还是进一步将它们与卫生保健系统和社会经济相结合，目前都具有相当大的挑战。越来越多的临床可控的发现以及肿瘤、心血管和代谢病理生理相关的新的分子途径正在通过前瞻性、综合性的个性化组学分析（尤其是日益发展的单细胞技术）被解析。因此，大规模的表观组、代谢组和宏基因组研究正在为人类健康提供具有重要价值的信息。对健康人群纵向的深度多组学分析发现了依赖于特定分子途径的不同类型衰老模式（衰老表型），并且这些途径会随着时间而发生改变。对来自16,894名个体的血浆蛋白组进行综合分析鉴定了与11个不同的健康指标（肝脏脂肪、肾脏滤过率、身体脂肪含量、内脏脂肪含量、去脂体重、心血管适能、运动能力、酒精摄入量、吸烟情况、糖尿病风险和主要心血管风险事件）相关的血浆蛋白模式，这项研究开创了利用血液蛋白进行“液体健康检查”的新可能。更重要的是，来自不同连接对象甚至更复杂感受器、数据驱动科学、人工智能的多层次信息的整合，将把我们对健康的认识转入到一个高精度模型，类似于近年被提出的高精度医学。未来的“健康医学”可能通过检测风险轨迹并利用靶向干预手段，在传统的“疾病医学”起作用之前来阻止这种风险的发展。在这种情况下，健康标志的概念化将为未来的机制研究、整合生物医学参数和设计干预人类健康寿命和寿限的计算算法建立框架。本文综合了当前生命健康研究各个领域的最新成果，系统地介绍了健康的多个标志，为衰老、癌症、疾病等研究提供了宝贵的参考。此外，作者强调这些标志决不能孤立地看待其中任何一项，为未来的健康医学提出了“整合研究”的方向，这也暗示了系统性衰老研究的必要性。
责编：李嘉明排版：陆小炮“老顽童说”致力于传播衰老及相关疾病的科研进展和趣味科普，解读衰老背后的科学故事。