Science重磅｜正常生理狀態(tài)下的細(xì)胞衰老

“落紅不是無情物，化作春泥更護(hù)花”，衰老細(xì)胞曾被認(rèn)為單純參與機(jī)體的衰老過程，但實際上并非如此，它也可以參與正常的生理過程，維持機(jī)體的健康。因此，以衰老細(xì)胞為靶點開發(fā)衰老治療方法遠(yuǎn)比想象中復(fù)雜，并不僅僅是簡單清除衰老細(xì)胞。

對此，2024年6月20日，英國伯明翰大學(xué)炎癥與衰老研究所的Jo?o Pedro de Magalh?es教授在Science上發(fā)表了題為“Cellular senescence in normal physiology”的前瞻性評述文章，對近些年的細(xì)胞衰老研究進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，指明了目前的研究局限，為未來的研究方向提供了思路。

正文世界人口老齡化的加劇引發(fā)了人們對理解衰老進(jìn)程、制定延長健康壽命的策略和干預(yù)措施的關(guān)注。細(xì)胞衰老是指細(xì)胞在體外增殖一段時間或應(yīng)答亞致死性刺激/癌基因表達(dá)之后出現(xiàn)的不可逆的生長停滯狀態(tài)，可導(dǎo)致衰老表型的出現(xiàn)并在衰老相關(guān)疾病中發(fā)揮作用。越來越多的證據(jù)表明，衰老細(xì)胞在腫瘤抑制、發(fā)育、傷口愈合、組織重塑、再生和血管形成等過程中具有重要的生理功能。

由此引出了一系列重要問題：不同衰老細(xì)胞類型之間存在哪些異同？它們在穩(wěn)態(tài)維持和病理進(jìn)程中如何發(fā)揮作用？同時這也為靶向衰老細(xì)胞的治療帶來了更多挑戰(zhàn)。細(xì)胞衰老雖然在腫瘤抑制和衰老表型的出現(xiàn)中具有重要意義，但其確切定義仍存在爭議。另外，衰老的生物標(biāo)志物有許多種，包括了生長停滯、衰老相關(guān)的β-半乳糖苷酶活性增加、端粒相關(guān)的DNA損傷、細(xì)胞周期抑制因子p16和p21的表達(dá)增加等，這些標(biāo)志物已經(jīng)被用來在體外或體內(nèi)鑒定和量化衰老細(xì)胞。衰老細(xì)胞會分泌促炎細(xì)胞因子和其它因子，這種特性被稱為衰老相關(guān)分泌表型（Senescence-associated secretory phenotype, SASP）。SASP可能會破壞組織穩(wěn)態(tài)并引發(fā)促炎狀態(tài)。事實上，已有開創(chuàng)性的研究表明，通過使用誘導(dǎo)系統(tǒng)在表達(dá)p16的細(xì)胞中觸發(fā)凋亡來遺傳性地消除衰老細(xì)胞，能夠減輕老化的現(xiàn)象并將小鼠的中位壽命延長24%到27%。因此，近年來，選擇性清除衰老細(xì)胞的藥物（Senolytics）的研究和開發(fā)受到了越來越多的重視。盡管小鼠模型上的部分研究支持衰老細(xì)胞可以誘發(fā)或加劇衰老相關(guān)表型這一假設(shè)，但近期的研究表明它們在非有害甚至生理過程中也有其他作用。事實上，在小鼠中清除衰老細(xì)胞也可能對健康產(chǎn)生不利影響，這表明衰老細(xì)胞對維持哺乳動物機(jī)體的穩(wěn)態(tài)和正常生理過程十分重要。

例如，衰老細(xì)胞隨著年齡的增長而增多，尤其是在肝臟中，并且通常是血管內(nèi)皮細(xì)胞先衰老。在小鼠中持續(xù)或急性清除衰老細(xì)胞會破壞血液-組織屏障并引起血液源性大分子廢物的積累，導(dǎo)致多種組織中出現(xiàn)血管周圍纖維化并最終危害健康。以上結(jié)果強(qiáng)調(diào)了衰老細(xì)胞在組織中發(fā)揮的功能性和結(jié)構(gòu)性作用對機(jī)體健康至關(guān)重要。最近的另外一項研究以p16作為衰老細(xì)胞標(biāo)志物，在幼年小鼠的基底膜中發(fā)現(xiàn)了一群與肺部上皮干細(xì)胞相鄰的衰老成纖維細(xì)胞，它們通過監(jiān)控組織屏障的完整性以及響應(yīng)組織炎癥來促進(jìn)上皮組織再生。

另一項研究在新生小鼠肺部中檢測了多種細(xì)胞類型的衰老情況，并證實通過藥物干預(yù)或基因編輯手段（敲除p21）減少衰老細(xì)胞會影響肺部發(fā)育。這些發(fā)現(xiàn)表明，程序性衰老可能并不是由損傷反應(yīng)誘導(dǎo)發(fā)生，而是與發(fā)育過程相關(guān)，特別是對于小鼠的肺部發(fā)育至關(guān)重要。但在7日齡小鼠的肺部發(fā)育完成后，減少衰老細(xì)胞能夠緩解高氧引起的肺部損傷，這表明衰老細(xì)胞也會阻礙組織修復(fù)。矛盾的是，盡管在患有高血壓的小鼠和人的肺部檢測到衰老標(biāo)志物的含量增加，但在小鼠模型中清除衰老細(xì)胞可能會加劇肺動脈高壓。

一項利用p16轉(zhuǎn)基因小鼠的研究也發(fā)現(xiàn)，p16和細(xì)胞衰老在促進(jìn)胰島β細(xì)胞分泌胰島素方面發(fā)揮作用，與此同時在人類細(xì)胞中也觀察到了相同現(xiàn)象。這些結(jié)果表明在某些情況下，細(xì)胞衰老可以增強(qiáng)細(xì)胞功能。體內(nèi)衰老研究通常使用“衰老消融（Senescence-ablator）”小鼠，這些小鼠經(jīng)由基因工程改造，可以特異性地清除衰老細(xì)胞，通常靶向的是表達(dá)p16的細(xì)胞。需要注意的是，這些小鼠模型通常使用不同的構(gòu)建體靶向p16，不同的構(gòu)建體清除衰老細(xì)胞的速度和效率也不同。因此，技術(shù)差異可以解釋某些結(jié)果的不一致性，并進(jìn)一步說明在組織內(nèi)存在特定比例或類型的衰老細(xì)胞可能是對健康有益的，而其他類型的衰老細(xì)胞及其數(shù)量則可能是病理性的。

同時，也要注意p16是體內(nèi)衰老研究中最常用的標(biāo)志物，但它并不是細(xì)胞衰老的通用標(biāo)志物，某些衰老細(xì)胞可能不表達(dá)p16。雖然在小鼠以及其它生物的發(fā)育過程中可以觀察到細(xì)胞衰老現(xiàn)象，但細(xì)胞衰老在發(fā)育過程中所扮演的角色仍需要探索。在人類胎盤中觀察到了衰老細(xì)胞和衰老信號的激活，然而在宮內(nèi)生長受限的妊娠胎盤中這些信號下調(diào)。有趣的是，重要衰老相關(guān)信號蛋白（p16、p21和p53）基因的缺失可導(dǎo)致衰老缺陷小鼠的胎盤出現(xiàn)形態(tài)學(xué)異常，表明細(xì)胞衰老及其相關(guān)的信號通路可以調(diào)節(jié)胎盤的結(jié)構(gòu)和功能。

此外，小鼠體內(nèi)的衰老細(xì)胞能夠促進(jìn)毛發(fā)生長，且聚集的衰老細(xì)胞似乎會增強(qiáng)相鄰干細(xì)胞的活性，促進(jìn)組織再生。因此，在不同哺乳動物組織的發(fā)育過程中，與損傷無關(guān)的程序性衰老發(fā)揮著各種功能，而衰老細(xì)胞的具體功能仍需進(jìn)一步研究。

人們已經(jīng)認(rèn)識到細(xì)胞衰老在傷口愈合和修復(fù)中的作用，并且有人提出衰老細(xì)胞可能通過SASP招募免疫細(xì)胞從而促進(jìn)組織修復(fù)。關(guān)于細(xì)胞衰老在不同動物的再生和組織修復(fù)中的作用，人們也有了更全面的認(rèn)識。在一種名為Hydractinia symbiolongicarpu的無脊椎腔腸動物水螅中，衰老細(xì)胞可以誘導(dǎo)鄰近體細(xì)胞通過重編程轉(zhuǎn)化為干細(xì)胞，從而驅(qū)動再生。遺傳或藥物抑制細(xì)胞衰老會阻礙重編程和再生，這表明衰老細(xì)胞可能通過向損傷部位附近的細(xì)胞發(fā)出信號而為再生做好準(zhǔn)備。同樣，在蠑螈（Notophthalmus viridescens）中，細(xì)胞衰老通常通過促進(jìn)肌肉細(xì)胞去分化以及產(chǎn)生再生祖細(xì)胞來促進(jìn)肢體再生。在斑馬魚中，切除鰭后會出現(xiàn)衰老細(xì)胞，而藥物清除這些衰老細(xì)胞會阻礙組織再生。雖然上述觀察結(jié)果在哺乳動物中的相關(guān)性還不明確，但在小鼠模型的幾項研究中也表明，衰老細(xì)胞對于組織再生至關(guān)重要。例如，肝臟損傷后會引起肝星狀細(xì)胞衰老，通過藥物或基因手段清除衰老細(xì)胞會損害肝臟再生能力。細(xì)胞衰老是一種適應(yīng)性過程，衰老細(xì)胞不完全是老化或功能失調(diào)的細(xì)胞，它們是對多種生理過程具有重要作用的功能性細(xì)胞（如圖1所示）。細(xì)胞衰老（Senescence）這個詞意味著一種有害或無功能性作用的觀點或許已經(jīng)不再準(zhǔn)確。

盡管目前仍缺乏普遍適用的衰老標(biāo)志物，如何明確定義細(xì)胞衰老也存在挑戰(zhàn)，但毋庸置疑的是，表達(dá)衰老相關(guān)標(biāo)志物的細(xì)胞在各種正常生理功能以及維持組織穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。 損傷和應(yīng)激可以誘導(dǎo)細(xì)胞衰老的發(fā)生，然后這些衰老細(xì)胞可能通過SASP招募免疫細(xì)胞進(jìn)而促進(jìn)組織修復(fù)和重塑，但損傷之外的其它方式也可以誘導(dǎo)細(xì)胞衰老的發(fā)生，例如發(fā)育過程中也會出現(xiàn)衰老細(xì)胞。此外，由損傷誘導(dǎo)的衰老還可以促進(jìn)再生和傷口愈合，而衰老細(xì)胞在不同組織再生過程中的參與程度將是一個令人興奮的研究領(lǐng)域。

雖然許多研究表明衰老細(xì)胞在衰老過程中發(fā)揮作用，但最近的研究發(fā)現(xiàn)衰老細(xì)胞也發(fā)揮正常的生理功能作用，這將有助于揭示細(xì)胞衰老在哺乳動物衰老中的復(fù)雜作用。圖1 衰老細(xì)胞的功能來自小鼠和其他模式生物的最新研究表明，細(xì)胞衰老在諸多生命活動中發(fā)揮重要作用，這包括多種組織器官的發(fā)育、多種動物的組織再生、炎癥和傷口愈合、腫瘤抑制、胰腺β細(xì)胞的胰島素分泌等過程以及血管系統(tǒng)和胎盤結(jié)構(gòu)的形成。

衰老細(xì)胞存在多種類型，這些細(xì)胞具有衰老相關(guān)分泌表型（SASP），并與p16和p21等標(biāo)志物的表達(dá)相關(guān)。關(guān)于衰老細(xì)胞的研究確實存在一些缺陷。雖然不斷有藥物干預(yù)實驗證實senolytics對衰老小鼠的健康有益。但這些藥物具有脫靶效應(yīng)，因此，本文所關(guān)注的遺傳操作可能提供了一種更為精確的方法來檢測衰老細(xì)胞在健康、衰老和疾病中的作用。即便如此，一些結(jié)合遺傳學(xué)和藥理學(xué)兩種方法靶向小鼠衰老細(xì)胞的研究仍表明清除衰老細(xì)胞會損害正常的生理功能，如器官發(fā)育和組織再生。

另一個重要的缺陷是，大多數(shù)細(xì)胞衰老的體內(nèi)研究都是在小鼠中進(jìn)行的，但其在人類中的作用仍然知之甚少。在人類衰老相關(guān)疾病中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)衰老細(xì)胞的出現(xiàn)，它通常被看作是炎癥反應(yīng)的一部分。然而，衰老細(xì)胞在人類病理中是保護(hù)性的還是有害的（或兩者兼而有之）仍有待確定。正如炎癥在促進(jìn)組織修復(fù)的同時也可能會導(dǎo)致組織功能障礙，衰老也可能是多效性的，它對人類造成的不利或有害的影響則可能取決于環(huán)境。

也許某些類型的衰老細(xì)胞通過促進(jìn)再生以及維持組織結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定來防止組織退化，從而維持機(jī)體健康，而其它類型的衰老細(xì)胞或過量的衰老細(xì)胞可能會促進(jìn)組織退化。值得注意的是，并非所有的衰老細(xì)胞都是一樣的，它們可能有不同的誘導(dǎo)因子，表達(dá)不同的標(biāo)志物，并且來源于不同的組織和細(xì)胞類型。但目前人們對不同類型的衰老細(xì)胞仍然缺乏更深入的了解。許多問題依舊存在，例如不同類型衰老細(xì)胞的時間動態(tài)、功能以及免疫系統(tǒng)對其清除的影響。也許短期的、瞬時的細(xì)胞衰老是有益的，而長期的、慢性的衰老則是有害的。

實際上，衰老細(xì)胞不僅是異質(zhì)性的，而且可能是動態(tài)的，并且會隨著時間和組織微環(huán)境的變化而變化。目前需要更多的研究來幫助區(qū)分健康和病理性衰老細(xì)胞，現(xiàn)有正在進(jìn)行的項目，如細(xì)胞衰老網(wǎng)絡(luò)（Cellular Senescence Network, SenNet; https://sennetconsortium.org/），其旨在識別、分類和表征人類和模式生物中的衰老細(xì)胞，以加深對衰老細(xì)胞的理解。隨著人們對衰老細(xì)胞的認(rèn)識逐漸加深，衰老細(xì)胞被發(fā)現(xiàn)具有越來越多的生理作用，但與此同時，這也為senolytics和其它衰老治療藥物的開發(fā)帶來了挑戰(zhàn)。也許在某些組織中清除特定類型的衰老細(xì)胞是有益的，而清除其它類型的衰老細(xì)胞或者清除過多的衰老細(xì)胞則可能是有害的。

因此，在保留健康的衰老細(xì)胞的同時，通過特定的劑量和給藥方式等方法精確地清除病理性衰老細(xì)胞，將能促進(jìn)更加有效的治療?；蛘?，可能需要探索細(xì)胞衰老的調(diào)節(jié)因子， 這樣可以在不清除衰老細(xì)胞的情況下改變衰老細(xì)胞的功能?？傊_發(fā)靶向衰老細(xì)胞的衰老療法頗有希望，但這一過程可能比最初預(yù)期的更復(fù)雜。