運動抗老化：骨髓是關鍵

Chia-Hua Kuo

doi:10.5297/ser.202009_22(3).0000

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Pi - iv

社会科学 > 体育学

DOI： 10.5297/ser

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运动抗老化：骨髓是关键

Anti-Aging Effect of Exercise: Key Lies in the Bone Marrow

郭家骅(Chia-Hua Kuo)

大专体育学刊； 22 卷 3 期 (2020 / 09 / 30) ， Pi - iv

繁体中文;英文 DOI： 10.5297/ser.202009_22(3).0000

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摘要 │ 参考文献 (9) │ 被引用文献 (3) │ 国际计量

摘要〈TOP〉

传统观念中，骨骼最重要的功能是提供人体物理性的支撑。因此，绝大多数骨骼研究关注在高龄者骨折问题。至於为什麽幼年时骨折快速恢复并使骨骼坚韧度达到更高，高龄者骨折後却通常活不久，过去的教科书没有给予清楚合理的解答。实际上，骨骼最重要的功能在於骨髓，这个位置孕育了干细胞与免疫细胞，因此骨骼这个「器官」决定了人体骨骼周围组织的老化速度。由於成人全身拥有约10^(13)～10^(14)个庞大数量的细胞（Bianconi et al., 2013），且大部分人体细胞寿命却很短（Spalding, Bhardwaj, Buchholz, Druid, & Frisén, 2005），全身各组织必须仰赖骨髓生产的细胞帮忙每天大量的老细胞汰旧换新，以保持组织年轻（Wang, Wehling-Henricks, Samengo, & Tidball, 2015）。大脑是人体最重要的组织。颅骨的骨质密度却为下肢的1.7倍以上（Chung et al., 2020），尽管大脑所受到的重力挑战远低於下肢。大脑细胞血管的汰旧换新（例如：血管内皮细胞）的优先顺序高於人体其他组织的血管。当骨密度或重量下降时所反映的是骨髓造细胞功能下降，大脑血管将迅速老化，脑萎缩／失智很快发生（Loskutova, Honea, Vidoni, Brooks, & Burns, 2009）。骨骼的重量与密度反映骨髓干细胞与免疫细胞生产能力。这个能力充分维持，骨骼本身的重量即可维持并保持骨内细胞本身的年轻程度，骨骼周围邻近的组织也能跟着维持年轻，并拥有更高的生长潜力。来自骨髓的免疫细胞负责在邻近组织内寻找、识别、清除不健康的细胞，例如：衰老、受伤与被感染的细胞（Tidball, 2017）。被免疫细胞吞噬清除过程释放自由基分解细胞，同时吸引同样来自骨髓的干细胞进驻，在组织内逐渐再生出年轻的细胞（Tidball, 2017）。简言之，骨骼所生产的骨髓细胞功能的发挥程度决定它周围的组织内细胞的老、中、轻的结构比例，与健康程度。骨髓功能只要能快速发挥，组织损伤後疲劳发炎时间缩短，人体即可维持年轻，不致於有组织老化发生。在理论上来看，既然所有人体组织附近都有骨骼，永保细胞年轻是可能的。但为什麽我们所看到的人体终究会老化并最後死亡？主要问题出在成长过程的结构改变（即骨占全身体重的比例）。精确的说，即体重增长速度高於骨骼增长速度所造成的失衡。体重增加反映的是人体细胞新生高於死亡速度。年轻人与老年人骨髓新生的干细胞与免疫细胞，个别来看都能发挥正常汰旧换新的功能，但两者面对的环境规模却不同。免疫能力好不好并不在於骨髓细胞的个别能力，而在於这一根骨所生产的骨髓细胞数量能否负担组织内愈来愈庞大的细胞数目。在年轻时，骨骼占全身的比例较高，因此人体并不怕挑战与感染，伤口可迅速癒合，还能因挑战年轻化。这是因为骨髓细胞的生产速度足以应付相对规模范围较小的细胞汰旧换新。然而，随年龄成长，各组织细胞数目增加的速度超过骨骼内细胞成长速度时，组织汰旧换新将无法百分之百，每天累积衰老细胞而逐渐使各组织功能退化。因此，20 岁後维持体重不成长（细胞数目不增加），同时维持相对较高的骨骼重量是减缓老化最必要的作法。但这不容易做到，因为年轻的组织成长潜力较老组织高，有意识的避免成长是行为关键。运动可使骨髓中的干细胞与免疫细胞迅速释放到血液中，并在6 h到高峰，大约在24 h後回降到运动前水准（Ribeiro et al., 2017）。在这个过程中，人体历经一次达尔文式的细胞汰弱留强，衰老细胞淘汰与新细胞再生後人体组织年轻化（Kuo, 2019）。运动後免疫细胞循环到被挑战的组织位置对不健康细胞进行识别与清除，同样来自骨髓的干细胞随後落脚在被清除的位置，在足够的营养供应（氮与碳资源）与休息後即可完成细胞更新。当然，运动挑战强度高低对於上述的效果可造成影响不同，解释了为何50岁以後增加身体活动强度增加（或维持高强度），相对於降低强度者（或维持中低强度），可享有较长的寿命（Byberg et al., 2009）。

并列摘要〈TOP〉

In the conventional view, the major function of bone is simply providing physical support for the human body. Therefore, most of past studies in the subject focus on bone fracture in elderlies. The important questions on why bone toughness increases after fracture in young individuals, yet survival chance of elderlies substantially lowers after the same challenge remains unclear. In fact, the most important role of bone is producing stem cells and immune cells in bone marrow. Therefore, bone determines the aging rate of surrounding cells in tissues, including bone itself. In a human body, cell number develops from a single cell to 10^(13) to 10^(14) cells in adults (Bianconi et al., 2013). Most of the cells age rapidly (Spalding, Bhardwaj, Buchholz, Druid, & Frisén, 2005) where surrounding bone marrow plays a critical role for cell renewal to keep the cell population at youth level (Wang, Wehling-Henricks, Samengo, & Tidball, 2015). The brain is regarded as the most important vital tissue, in which skull bone density is ＞ 1.7 times relative to the bones in lower limbs that sustain much greater weight load (Chung et al., 2020). The main reason that brain owns much higher bone density is the prioritized demand in a human body to replace aged endothelial cells in the capillary of brain by bone marrow-derived endothelial progenitor cells. When bone density decreases, vascular aging occurs rapidly, leading to brain atrophy and dementia (Loskutova, Honea, Vidoni, Brooks, & Burns, 2009). Bone weight and density simply reflect the function of bone marrow cell production, i.e., stem cells and immune cells (Tidball, 2017). Immune cell functions to recognize and clear unhealthy cells in tissues (i.e., senescent, infected, or damaged cells). During clearance of unhealthy cells by phagocytosis, free radicals abruptly increase to attract stem cells homing into the site of damaged tissues and trigger regeneration into young cell population (Tidball, 2017). In short, the skeleton as a bone marrow cell producing organ determines age profile of tissues. Theoretically, maintaining young cell population profile of the human body forever is possible, since all human tissues are embedded with a skeleton. However, in reality, we witness inevitable aging and death of the human body without exception. The main problem lies in the structure change during growth and development, mainly the bone mass relative to body mass. When the rate of weight growth is outpacing of the rate of bone growth, an imbalanced structure (lower percent bone mass) is resulted over time. Weight gain is reflecting increases in total cell number of a human body. Bone marrow-derived immune cells and stem cells from young and old men have similar function but they are facing different environments (scale of cell population). The immune-regenerative capability is most related with the number of bone marrow cells against the cell population size in the body. Therefore, wound healing is delayed as we grow into a large cell population. With higher relative bone size against the body, tissue can always maintain younger cell age profile in the tissue. As clearance of senescent cells in tissue does not reach 100% due to such structure change, accumulation of aged cells in tissue gradually becomes reality. Thus, preventing weight growth (make cell number steady) is an essential intervention against human aging after age 20 years. However, this is difficult to accomplish since growth potential is higher in young than old tissues. Consciously preventing growth during adulthood is vital for anti-aging outcome. Exercise induces the release of bone marrow cells into circulation. This acute increase peaks at 6 h and returns to normal in 24 h (Ribeiro et al., 2017). During this process, cell renewal in human tissue occurs where aged or unhealthy cells are eliminated. The human body experiences a Darwinian natural selection against unfit cells after exercise challenges and regenerates a tissue with a younger cell population (Kuo, 2019). At the beginning of exercise, bone marrow-derived immune cells start to infiltrate into challenged tissues to recognize and eliminate unfit cells followed by stem cell homing to the site of damage for cell repopulation. This effect is closely associated with exercise intensity, which explains a higher survival rate in men participated in high physical activity compared with those in low and moderate physical activity (Byberg et al., 2009).

参考文献 ( 9 ) 〈TOP〉

Bianconi, E.,Piovesan, A.,Facchin, F.,Beraudi, A.,Casadei, R.,Frabetti, F.,Canaider, S.(2013).An estimation of the number of cells in the human body.Annals of Human Biology,40(6),463-471.
Byberg, L.,Melhus, H.,Gedeborg, R.,Sundström, J.,Ahlbom, A.,Zethelius, B.,Michaëlsson, K.(2009).Total mortality after changes in leisure time physical activity in 50 year old men: 35 year follow-up of population based cohort.British Medical Journal,338,b688.
Chung, C.-W.,Kuo, C.-H.,Huang, H.-Y.,Alkhatib, A.,Tseng, C.-Y.,Huang, C.-Y.,Kuo, C.-H.(2020).Highprotein supplementation facilitates weight training-Induced bone mineralization in baseball players.Nutrition,75-76,110760.
Kuo, C.-H.(2019).Exercise against aging: Darwinian natural selection among fit and unfit cells inside human body.Journal of Science in Sport and Exercise,1(1),54-58.
Loskutova, N.,Honea, R. A.,Vidoni, E. D.,Brooks, W. M.,Burns, J. M.(2009).Bone density and brain atrophy in early Alzheimer’s disease.Journal of Alzheimer’s Disease,18(4),777-785.

被引用文献 ( 3 ) 〈TOP〉

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