长寿之“道”——抗衰老药物研发策略盘点(下)

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Summary of various factors that may contribute to aging

 

抗衰老药物研究简介

衰老是一个复杂和渐进的生物学过程,涉及每一个器官和组织广泛的慢性改变,并且和多种疾病相关联,衰老学家虽然提出了许多学说,但迄今还不能确定衰老的原因。科学研究表明,衰老是一个机体各项变化逐渐积累的过程,这其中伴随着生物功能的受损、细胞或机体对代谢等应激反应能力的降低等。在过去的几十年里,通过治疗干预措施,极大地提高了人类的预期寿命。本文即对目前相对较为新颖,潜力较大的抗衰老药物研究策略做一简要总结。

质膜氧化还原系统(PMRS)激活剂

The plasma membrane redox system

 

氧化应激(Oxidative Stress,OS)是指体内氧化与抗氧化作用失衡,倾向于氧化,导致中性粒细胞炎性浸润,蛋白酶分泌增加,产生大量氧化中间产物。氧化应激是由自由基在体内产生的一种负面作用,并被认为是导致衰老和疾病的一个重要因素。机体氧化应激状态的累积,会导致大分子结构和功能的改变,并最终产生年龄相关的生理功能异常。PMRS (plasma membrane redox system)是一种代偿机制,可在线粒体功能障碍时起到保护性作用,帮助细胞对抗氧化应激。所有真核细胞的质膜都包含成簇的由多种氧化还原酶组成的质膜氧化还原系统。这种无处不在的系统将电子从细胞内的供体如NADH/抗坏血酸转移到细胞外受体,从而通过糖酵解为ATP提供更多的NAD +。PMRS系统通过维持NAD(P)+ / NAD(P)H的比例而实现对细胞氧化还原平衡的调节。除了在细胞能量代谢中的作用外,PMRS还具有组织ROS的产生、α-生育酚的再循环、降低铁离子的摄入、控制细胞的生长和增殖、保持细胞膜的完整性及维持胞外抗坏血酸浓度的功能。如果PMRS活性维持在较高水平,可以延迟衰老的过程。有报道表明,PMRS介导了植物多酚类化合物如白藜芦醇、槲皮素、EGCG及儿茶酚等的抗氧化功效。据推测,长寿的物种往往具有不同寻常的高PMRS活性以帮助他们应对衰老带来的氧化应激反应。而褪黑激素的促长寿功能也归结于对PMRS系统的激活。因此,活化PMRS系统是抗衰老药物开发的一个很有前途的策略。

特异性作用于衰老细胞的药物

细胞衰老是一种肿瘤抑制机制,常常发生在伴随有细胞周期不可逆停滞、基因表达发生异常改变及对细胞凋亡具有一定抗性的受损细胞。有很多因素都可触发细胞的衰老过程,如端粒的缩短、线粒体依赖性的促炎症及促氧化途径,DNA损伤及遗传毒性应激压力和促癌基因的表达等。研究表明,衰老会使细胞产生一些促炎症反应,这些异常表达的物质溶解性不定,通常包括白细胞介素、趋化因子、生长因子、数种蛋白酶及分泌的不溶性蛋白/胞外基质成分。这些因素通过激活与衰老相关的一些细胞表面受体及相应的信号转导通路而改变组织的微环境。

 

Senolytics,一种新型延缓人类衰老的药物,由美国的梅奥医学中心(Mayo Clinic)与斯克里普斯研究所于2015年共同研制,其治疗原理是通过消灭人类体内的衰老细胞,来延缓衰老。2015年初,该研究小组确定了第一个senolytic,这是一种FDA批准的化疗药物,名为dasatinib;与槲皮素联合使用,有效减缓了衰老相关小鼠模型的老化进程。此发现10个月后,Arkansas大学的Daohong Zhou和同事发现了被称为navitoclax的一个senolytic组分,该化合物能够抑制Bcl-2、Bcl-w及Bcl-xl活性,阻止细胞继续存活。此后,有文献记载的senolytic类药物已累计超过14种,包括小分子、抗体和多肽等类别。值得关注的是,每种senolytic只对特定衰老细胞起效,针对不同老化疾病,可能需要多种类型的senolytic。除此之外,senolytic药物还有几点比较吸引人的特质,如衰老细胞只需定期清除一次,如一年为一个周期,可以避免不良副作用。与癌症不同,衰老相关疾病治疗没必要杀死组织中的所有衰老细胞。小鼠研究表明,杀死大部分衰老细胞就足以产生差异。另外,senolytic只会影响已经存在的衰老细胞,不会干涉这类细胞的形成,这意味着衰老细胞本身所具有的肿瘤抑制功能仍可保留。

表观遗传学修饰药物

表观遗传学是指在不改变DNA序列的前提下通过调节转录后水平而引起表型或基因表达的改变,主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰和microRNA表达的改变导致基因表达的改变。表观遗传失调是多种年龄相关疾病的根本原因,包括癌症、动脉粥样硬化、2型糖尿病、神经变性和精神疾病以及免疫反应下降等。表观遗传学在衰老发生发展的演变过程中发挥着重要的作用,也将成为未来延缓衰老、改善和预防老年性疾病的重要药物靶点。

 

HDAC抑制剂:

The role of HDACs in cancer biology

 

组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase,HDAC)是一类蛋白酶,对染色体的结构修饰和基因表达调控发挥着重要的作用。一般情况下,组蛋白的乙酰化有利于DNA与组蛋白八聚体的解离,核小体结构松弛,从而使各种转录因子和协同转录因子能与DNA结合位点特异性结合,激活基因的转录。在细胞核内,组蛋白乙酰化与组蛋白去乙酰化过程处于动态平衡,并由组蛋白乙酰化转移酶(histone acetyltransferase,HAT)和组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase,HDAC)共同调控。HAT将乙酰辅酶A的乙酰基转移到组蛋白氨基末端特定的赖氨酸残基上,HDAC使组蛋白去乙酰化,与带负电荷的DNA紧密结合,染色质致密卷曲,基因的转录受到抑制。

 

组蛋白的乙酰化和去乙酰化是控制基因表达的主要的组蛋白修饰方式。在乙酰化的过程中,位于组蛋白N末端的赖氨酸残基被HAT酶催化发生乙酰化,该过程与基因的活跃转录相关。另一方面,HDAC催化相反的过程以抑制基因的过度活跃,在此过程中乙酰基被从过度乙酰化的组蛋白上移除掉。有足够的证据表明,组蛋白的乙酰化参与了多种生理过程,包括细胞的分化、凋亡、自噬、炎症反应和代谢过程。伴随着生命个体年龄的增长,HDAC活性会加强使得很多基因的转录活性降低;因而通过HDAC抑制剂类药物来恢复这些基因的转录活性是一个令人振奋的抗衰老策略。一系列HDAC抑制剂类化合物已被发现可以减少和年龄有关的疾病的发生发展,包括4-苯丁酸、trichostatin A、丁酸钠及辛二酰苯胺异羟肟酸等。组蛋白去乙酰化酶抑制剂类化合物的抗衰老及延长寿命作用已在果蝇中得到验证,有望成为人类对抗衰老相关性疾病,如炎症、神经退行性疾病、心血管疾病及癌症的有力武器。

 

Sirtuin激活剂:

SIRT classification

 

Sirtuin是生命体中广泛存在的一类依赖于NAD+的组蛋白去乙酰化酶,哺乳动物的Sirtuin分为四类:SIRT1-3属于第一类,SIRT4属于第二类,SIRT5属于第三类,而SIRT6/7属于第四类。这些蛋白分布在不同亚细胞层中,它们催化的底物和酶反应也各不相同。SIRT1是目前研究最为广泛的sirtuin蛋白,也是近年来热门的一个药物设计靶标。SIRT1广泛参与脂肪酸氧化、应激耐受、胰岛素分泌和葡萄糖合成等生理活动,这些生理活动与二型糖尿病、心血管疾病、代谢综合征、炎症和衰老等密切相关。已有研究发现,促进SIRT1酶活能够延长低等生物的寿命,对二型糖尿病肥胖小鼠也有较好的治疗作用。

Responses of NAD+ biosynthetic enzymes and sirtuins to nutritional and environmental cues in aging/longevity control

 

在过去的数年里,由于在热量限制所导致的生理反应中的关键调节作用,sirtuins已吸引了巨大的关注度;寻找能够激活sirtuin分子的化合物也已成为很多抗衰老研究的重要方向。目前已有多种天然植物化学物质,如槲皮素、杨梅素、白藜芦醇、多酚(白藜芦醇)等被报道具有SIRT-1激活剂的功效。白藜芦醇(resveratrol)是近年来sirtuin激活剂的研究热点之一。该化合物在增进健康状态及延长寿命的功效已被深入研究,并在诸多模式生物如酵母、果蝇、线虫中得到了证实。当这些研究扩展到哺乳动物身上时,白藜芦醇不能延长寿命。当在中年小鼠的饮食中添加白藜芦醇时,并未观察到小鼠寿命的平均值或中位数有显著的提高;尽管如此,研究人员却观察到了很多健康方面的有益功效,包括运动性能的改善、骨骼健康水平提升、白内障及心脏问题方面的减少等。另据报道,白藜芦醇还可以改善老年人的记忆能力,调节肥胖和糖尿病患者的血糖和血脂水平。

干细胞疗法

Schematic diagram of stem cells

 

干细胞是一类具有自我复制能力的多潜能细胞。在一定条件下,它可以分化成多种功能细胞,因为其具有再生各种组织器官和人体的潜在功能,被医学界称为“万用细胞”。根据干细胞所处的发育阶段分为胚胎干细胞和成体干细胞,成体干细胞是临床应用最成熟的一类。其中,间充质干细胞是成体干细胞家族的主要成员,它具有多向分化能力和免疫调节作用而越来越受到关注。

 

干细胞疗法是利用干细胞或干细胞来源的细胞来替代或修复因外源伤害、疾病或老化而受损组织的的治疗方法。干细胞疗法大致可分为三种不同的方法:(1)通过生长因子、细胞因子及第二信使等分子刺激内源性干细胞,诱导受损组织的自我修复过程;(2)直接在受损组织部位注射干细胞,使其分化并替代损坏的组织;(3)第三种方法是干细胞来源的细胞、器官或组织的移植。有证据表明,神经干细胞能够释放一些可扩散的因子,从而改善人类大脑中老化及退行性病变的神经元。在帕金森病中,通过移植能够合成多巴胺的干细胞,可以修复受损的多巴胺能系统。多年以来,骨髓干细胞被用来进行白血病的治疗。另外,从人类胚胎干细胞中产生胰岛素分泌细胞是治疗1型糖尿病的一种很有前途的策略。

 

尽管干细胞疗法在治疗各种疾病方面有很大的希望,但是有许多伦理、技术和基本的科学问题阻碍了干细胞技术的发展。首先,干细胞疗法的治疗费用非常昂贵;其次,卵母细胞及囊胚在干细胞治疗中的应用一直备受争议;另外治疗效果还会受到机体对外源细胞组织排斥的限制。干细胞具有无限分裂的能力,这一特征与肿瘤细胞相同,因此癌变的风险也限制了干细胞疗法在疾病治疗中的应用。

总结与展望

毫无疑问,任何人的生命都是有限的,因而任何抗衰老药物的目的在于延长健康寿命的时期,而非长生不老。在最广泛的定义中,衰老的特征是分子及细胞层面损伤的不断积累导致的功能衰退。鉴于此,抗衰老药物的首要目标应该是将分子或细胞的功能衰退过程尽可能延长。对于抗衰老药物研发而言,最大的障碍在于衰老并不是单因素所导致的,且具有高度的异质性和异时性。构成衰老机制的多个事件使寻找整体意义上的“抗衰老”干预非常有挑战性。

 

寻找具有可行性的抗衰老策略的另一大困难来源于研究的方法学。对药物的抗衰老效果评估依赖于不同的参数指标:衰老的生物标志物(氧化应激、炎症和细胞自噬水平)、年龄相关疾病的发病推迟情况、细胞稳态的维持、生理特征的改变(胆固醇水平、体重指数、血压、空腹血糖)、对模式生物寿命增加的影响等等;对不同策略的疗效比较非常难以核实。尽管如此,衰老分子机制的研究进展,还是会为抗衰老药物研发提供一些新的策略,新的靶点。

Molecular mechanism(s) involving longevity promoting effects of different candidate anti-aging drugs/approaches

 

AMPK (Adenosine 5‘-monophosphate (AMP) – activated protein kinase) 即AMP依赖的蛋白激酶,是生物能量代谢调节的关键分子,是研究糖尿病及其他代谢相关疾病的核心。它表达于各种代谢相关的器官中,能被机体各种刺激激活,包括细胞压力、运动和很多激素及能影响细胞代谢的物质。现有的科学证据表明,AMPK在机体的能量状态、热量限制和寿命之间处于关键的连接点位置;大量的科研文献支持AMPK在延长寿命方面的作用。更为重要的是,AMPK在真核生物中高度保守。AMPK作为抗衰老药物研发策略的一个重要靶点,由于AMPK能够整合上下游多条对长寿起关键作用的信号通路,因此我们预见能够适度激活AMPK的化合物将是最有潜力的候选药物;而这也是现有知识背景下最有希望的抗衰老药物研发策略。

 

未来的抗衰老药物研究工作可能会集中在营养和能量感知的分子信号途径上,包括mTOR、IGF-1、AMPK和sirtuin家族等信号通路。考虑到不同的分子网络间存在大量的cross talk,寻找其中的一个或数个关键的节点分子作为靶点将是未来抗衰老药物研究的首要目标。

 

缩略词表:

CR:caloric restriction

PMRS: plasma membrane redox system

ROS: reactive oxygen species

AFR: ascorbate free radical

GH: growth hormone

IGF-1: insulin like growth factor-1

AMPK: adenosine monophosphate-activated protein kinase

CamKKβ: Ca2+/calmodulin-dependent protein kinasekinase β

cAMP: Cyclic adenosine monophosphate

FoxO: forkhead box O

mTOR: mammalian target of Rapamycin

PI3K: Phosphatidylinositol 3-kinase

LC3: light chain 3

 

参考文献:

1.The Hallmarks of Aging. Cell. 2013June 6; 153 (6): 1194–1217. doi:10.1016/j.cell.2013.05.039

2.Komal Saraswat & Syed Ibrahim Rizvi (2017) Novel strategies for anti-aging drug discovery, Expert Opinion on Drug Discovery, 12:9, 955-966, DOI: 10.1080/17460441.2017.1349750

3.Finding Ponce de Leon’s Pill:Challenges in Screening for Anti-Aging Molecules. F1000Res. 2016 Mar 29;5. pii:F1000 Faculty Rev-406. doi:10.12688/f1000research.7821.1. eCollection 2016.

4.Anti-aging pharmacology: Promisesand pitfalls. Ageing Res Rev. 2016 Nov;31:9-35. doi: 10.1016/j.arr.2016.08.004.Epub 2016 Aug 11.

5.Longevity-Promoting Pharmaceuticals: Is it a Time for Implementation? Trends Pharmacol Sci. 2016May;37(5):331-3. doi: 10.1016/j.tips.2016.02.003.

6.Calorie restriction mimetics: canyou have your cake and eat it, too? Ageing Res Rev. 2015 Mar;20:46-62. doi:10.1016/j.arr.2014.11.005. Epub 2014 Dec 19.

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