【重磅综述】衰老细胞对寿命和疾病的影响

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翻译 By 郑彦东 李嘉明 刘承宇

冰冻三尺非一日之寒,生物体的衰老也并非一蹴而就的,而是一个累积的过程。细胞,作为生物体的基本单位,它的衰老会导致其内部结构和功能发生一系列变化,并且还可能通过分泌相关物质进而影响到其周围的其他细胞和微环境,因此衰老细胞可能是个体衰老的驱动力之一。越来越多的研究表明,清除衰老细胞可能是最具前景的延缓衰老的干预手段之一。Marco Demaria教授团队于今年8月Trends in Cell Biology杂志上发表了一篇题为A Senescence-Centric View of Aging: Implications for Longevity and Disease的综述文章,介绍了衰老细胞能够导致衰老和衰老相关疾病的证据,并总结了近年来通过靶向衰老细胞来延缓衰老的研究结果,为清除衰老细胞的应用和发展提供了新的视角。
 

通讯作者:Marco Demaria(图片源自网络)
 

Highlights

(1)越来越多的证据表明衰老细胞在衰老过程中会产生有害的影响。

(2)在动物模型中,衰老细胞的清除已被证明可以改善衰老相关的病症,这为新的临床试验带来了曙光。

(3)依据不同的衰老细胞机制,可以从药理学上开发新的治疗靶点。

术语表

  • 年龄相关疾病(Age-associated diseases):发病率与年龄呈正相关的疾病,其中大多数具有炎性发病机制,并且与细胞衰老水平的增加相关。

  • 衰老(Aging):随时间累积的分子和细胞损伤导致身体和精神机能的逐渐下降,同时疾病和死亡的风险也随之增加。

  • 凋亡(Apoptosis):程序性的、受控的细胞死亡,该过程会调节个体的生长、发育、组织稳态和肿瘤抑制。

  • 细胞衰老(Cellular senescence):是一种响应不同应激刺激的异质性细胞状态,其特征是稳定的细胞周期阻滞以及形态、结构和功能的变化,包括促炎介质表达和分泌的增强。

  • 衰弱(Frailty):是指在老年人中观察到的一种临床综合征,具有体质不佳、疾病发作和进展变快以及应对细胞和组织压力的能力下降等特点。

  • 衰老转换(Geroconversion):是指从可逆细胞周期停滞(静止)到不可逆细胞周期停滞(衰老)的转变。

  • 健康寿命(Healthspan):个体身体健康、没有残疾和疾病的生命阶段。

  • 免疫衰老(Immunosenescence):免疫系统,尤其是适应性免疫系统功能随年龄逐渐降低,这会导致发病率和死亡率增加。

  • 炎性衰老(Inflammaging):非病原体引起的低程度慢性炎症,可导致老年人发病和死亡的风险。

  • 寿命(Lifespan):衡量人口出生到死亡之间的平均生存时间。

  • 线粒体功能障碍相关的衰老(Mitochondrial dysfunctionassociated senescence,MiDAS):是指起源于功能异常的线粒体的细胞衰老,它可能是活性氧物质积累的一种结果。

  • 线粒体自噬(Mitophagy):由自噬作用调节功能障碍的线粒体的降解。

  • 早衰症(Progeroid):类似过早衰老的综合症或表型。

  • 衰老相关分泌表型(Senescence-associated secretory phenotype,SASP):衰老细胞分泌的强力且异质的可溶性调节物质,这些分泌物包括细胞因子、趋化因子、生长因子、蛋白酶和细胞外囊泡。

  • 旁分泌衰老(Paracrine senescence):由临近的衰老细胞分泌的SASP因子 介导的非细胞自发性的细胞衰老。

  • 衰老细胞治疗(Senotherapeutics):针对细胞衰老的分子和策略,可以分为杀死衰老细胞(通过程序性细胞死亡的方法选择性清除衰老细胞)和抑制衰老(只调节衰老相关表型而不杀死衰老细胞)两种方法。

摘要

细胞衰老是一种不可逆的细胞周期停滞的细胞状态,同时伴随着大分子改变及炎症相关因子的分泌。自20世纪60年代被首次发现以来,衰老细胞一直以来被认为是与年龄相关的再生能力丧失的潜在原因。在本文中,作者讨论了最近一些关于细胞衰老的研究,这些研究暗示了细胞衰老是衰老过程的主要调控机制此外,对涉及细胞衰老的与年龄相关的病理过程进行了整体的概述,描述了衰老细胞驱动衰老和疾病的机制,并讨论了依据这些机制开发治疗靶点的最新进展。最后,作者辩证地分析了衰老细胞治疗的发展及其在临床中的应用,也强调了其局限性,并为其未来的应用和发展提出了建议。
 
细胞衰老:从生理学到病理学
细胞衰老是一种持久的、一般不可逆的生长停滞状态,其也是一种有效的肿瘤抑制机制。衰老相关细胞周期停滞的一个主要驱动力是一种慢性DNA损伤反应(DDR),它源自未及时清除的DNA损伤并可激活细胞周期抑制剂。衰老细胞的其他特征也包括:(表观)遗传图谱和基因表达的剧烈变化、持久的大分子损伤、代谢异常和高分泌表型的激活。
高分泌表型定义为衰老相关分泌表型(SASP),其是趋化因子、细胞因子、基质重塑蛋白酶和细胞外囊泡(EVs)的合称。SASP已被猜测与细胞衰老和炎症有关、并参与组织功能障碍。SASP的诱因十分复杂,其组成取决于多种内在和外在因素。
局部可控的SASP在胚胎早期发育,肿瘤的抑制和特定的组织修复过程中发挥正向作用。细胞衰老有利于胚胎发生过程中的器官的正确发育,通过抑制细胞的增殖以及激活肿瘤免疫监视来抑制组织肿瘤的恶化,在皮肤损伤过程中促进组织修复。相比之下,衰老细胞和其导致的长期SASP会导致慢性炎症、诱导年龄相关疾病的发生以及形成癌症所需的微环境在这方面,拮抗基因多效性(编者注:如果一个基因具有多个功能,一些功能有利于生命体生长繁殖,而另一些功能不利于生命体的生长繁殖,那么这一现象被称为拮抗基因多效性)的进化理论被用来解释衰老的表型。根据这一理论,一种生物特征可能有利于生命早期的生存和繁殖,但其代价是生命后期的健康寿命缩短。近年来,能够诱导性消除衰老细胞的转基因小鼠模型的产生直接证明了衰老的多效生物学功能(框1)。与之一致的是在年轻健康个体中,机体受损时会激活衰老细胞以确保正确的组织功能和修复,并抵消最初的致癌性刺激,而其不适当的激活和清理以及随着年龄的增长逐渐积累会导致疾病(图1)。因此,选择性针对细胞衰老的干预措施有可能延缓衰老并减轻多种衰老相关的功能障碍。
 

1 以细胞衰老为中心的衰老观。一些衰老标志物(线粒体功能失常、营养感知能力下调、蛋白稳态丢失、表观遗传变化、端粒缩短、基因组不稳定性)会诱导正常细胞衰老,这将通过衰老相关分泌表型(SASP)导致其周围细胞的旁分泌衰老。衰老过程通过SASP促进的细胞衰老和免疫系统功能的下降,二者共同导致衰老细胞在有机体内的积累。在老年个体中,衰老细胞久而久之地积累会造成组织的功能失调,并增加衰老相关疾病发生的风险,而通过不同细胞衰老治疗清除衰老细胞可以延长老年个体的健康寿命。
 
1 遗传小鼠模型中衰老细胞的清除
(1)p16-3MR小鼠:p16INK4A启动子报告基因具有合成Renilla荧光素酶(发光检测)、单链(m)RFP和截断的单纯疱疹病毒1胸苷激酶(HSV-TK)的功能域。该功能域可通过体内发光和mRFP荧光鉴定和分离p16INK4A+细胞。此外,HSV-TK可通过更昔洛韦(GCV)治疗特异性清除p16INK4a+细胞。
(2)INK-ATTAC小鼠:p16INK4a+细胞含有p16INK4a启动子报告基因,并与由FK506结合蛋白(FKBP)和caspase 8(Casp8)组成的融合蛋白构建。在该小鼠模型中,合成分子AP20187诱导FKBP-Casp8二聚化,p16INK4A+细胞被caspase依赖性凋亡选择性杀死。
(3)INK-NTR小鼠:INK-ATTAC小鼠的修饰,其中FKBP-Casp8被NTR基因取代。将无毒前体药物Metrodinazole(Mtz)注入小鼠体内,NTR将其转化为细胞毒性代谢物,从而消除p16INK4a+细胞。
(4)ARF-DTR小鼠:p19-Arf启动子,以及荧光素酶基因和白喉毒素(DT)受体,使Arf+细胞在体内发光检测,并可通过DT进行清除。
 
 
细胞衰老是基本的衰老机制
衰老细胞展现并整合了多个衰老标志(图2)。渐行性端粒侵蚀通过p53依赖的DDR诱导衰老,与失调的毛细血管扩张突变(ATM)以及ATM和Rd3相关(ATR)的活性相协调。稳定的p53一定程度上通过诱导细胞周期依赖激酶(CDK)2抑制剂p21WAF1/Cip1的表达,抑制pRB的磷酸化,从而导致细胞周期阻滞。CDK4/6抑制剂p16INK4a蛋白表达的增加也阻断了pRB磷酸化,其通过抑制E2F蛋白家族的活性而导致细胞增殖阻滞。端粒侵蚀导致DNA结构的改变,称为端粒脱帽(telomere uncapping),这会造成额外的DNA断裂和基因组不稳定增加。由氧化应激、辐射(如紫外光和电离辐射)和基因毒性药物(如化疗)等引起的DNA损伤可转化为DNA双链断裂(DSBs),细胞会对其迅速做出反应,并试图通过激活DDR进行修复。持续的DDR启动了SASP因子的分泌。与端粒一样,线粒体功能障碍也会导致细胞衰老。这在一定程度上是由线粒体数量的增加、融合和分裂率的变化以及膜电位的改变所导致的。线粒体功能异常相关的衰老(MiDAS)导致大量活性氧(ROS)的产生,而ROS又反过来驱动DDR和SASP因子的分泌。MiDAS和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)活性的增加也可归因于营养敏感分子的失调。特别是,NAD+/NADH比值的降低和线粒体苹果酸酶的缺失可激活AMP活化蛋白激酶(AMPK),进而通过p53触发细胞周期阻滞。AMP:ATP和ADP:ATP的比例的增加也会导致sirtuin蛋白和poly-ADP核糖聚合酶(PARP)功能的下降,这是SASP和NF-κB的重要调节器。尽管有很多研究表明活化的mTOR参与调控SASP,但其在衰老细胞自噬中的作用尚不清楚。mTOR是目前公认的自噬抑制因子,研究表明抑制自噬可以诱导衰老。与之矛盾的是,自噬通量的增加对于抵消内质网应激和未折叠蛋白反应(UPR)是必不可少的,这种增加部分源于SASP的大量分泌,因此有助于衰老细胞的存活。这表明,在衰老激活过程中,一般自噬和选择性自噬可能具有相反的作用。ROS的产生和DDR的增强导致了蛋白功能的改变。大多数含有丝氨酸/苏氨酸或半胱氨酸残基的蛋白质容易受到氧化损伤,并通过细胞外信号调节激酶(ERK)信号级联激活细胞衰老。ROS水平的升高也会影响蛋白质的正确折叠和聚合,而这也是大多数神经退行性疾病的特征。值得注意的是,增强的ROS与UPR中涉及的不同伴侣蛋白(如热休克蛋白HSPs)酶活性的改变和降低相关,而UPR与衰老过程中异常自噬介导的蛋白降解相耦合。衰老的一个共同特征是慢性轻度炎症,也称为无菌炎症(在没有病原体的情况下激活免疫反应)。衰老细胞负担增加会影响巨噬细胞、T细胞和自然杀伤细胞的功能,从而倾向于在年轻和年老组织微环境之间转换为更具免疫抑制的功能。胸腺作为主要的T淋巴器官,调节T细胞库和免疫耐受。随着年龄增加,胸腺逐渐退化,这与初始T细胞的减少和对感染的免疫反应能力降低有关。胸腺退化伴随着细胞衰老,这导致组织萎缩、炎症和胸腺生成损伤。比较重要的是,已有研究表明携带功能异常线粒体的衰老T细胞会触发周围器官的I型细胞因子风暴,从而导致小鼠衰老表型加剧此外,mTOR活性的上调和线粒体的氧化应激与老年人造血祖细胞的衰老有关。

2 衰老细胞在与年龄相关的疾病中起扮演着重要的角色。衰老细胞的消除在年龄相关的疾病中已产生了有益的影响。先前研究表明一些衰老细胞与疾病的发生有关。缩写:AF(Annulus fibrosus cells):纤维环;NP(nucleus pulposus cells):髓核;RPE(retinal pigment epithelium):视网膜色素上皮。
 
因此,免疫衰老导致炎症反应和干细胞功能受损可能是由早期衰老激活、持续分泌的SASP和衰老诱导的炎症小体激活介导的。衰老过程中衰老细胞的积累和SASP因子的分泌会促进炎症反应、改变细胞间的通讯并且限制再生,从而导致组织功能的障碍和病变。
 
衰老相关疾病中靶向衰老细胞疗法
之前的临床研究表明,在遗传动物模型(框1)和不同分子靶标的抗衰老疗法(表1)中特异清除衰老细胞可以减轻与年龄有关的病症和因衰老导致的身体机能减退(图2)。 在下文的章节中,我们讨论了这些领域中最相关的发现。
 
肌肉骨骼功能障碍
  • 骨关节炎
骨关节炎OA是一种在活动关节中产生的疾病,它是老年人慢性疼痛和残疾的元凶之一。许多研究已经报道了衰老细胞会在老年软骨中积累并且参与骨关节炎的发生。通过在小鼠膝盖注射衰老细胞会产生类似于骨关节炎的症状,这证明了细胞衰老是骨关节炎产生原因之一。衰老细胞可能会从老年人的软骨中产生,也可能作为一种促进组织再生的创伤性损伤的途径。通过遗传(p16-3MR;框1)或药理学(UBX0101;表1)方法可以在创伤后骨关节炎小鼠模型中实现的对衰老细胞的选择性清除,这会阻止OA的进一步发展,同时也会增加细胞外基质(ECM)成分的合成,降低基质金属蛋白酶(MMP)-13和白介素(IL)-1β的表达,最终减轻病痛。此外,消除自然衰老中积累的p16INK4a细胞可以减轻软骨退化。在骨关节炎患者的软骨细胞中,使用UBX0101处理可以增加ECM蛋白的合成,并有利于再生环境的形成;另一种可以促进衰老细胞裂解的药物非诺贝特(fenofibrate,一种PPARα激动剂)可以减轻IL-1β处理后人软骨移植物中的蛋白聚糖的损失。此外通过抑制抗凋亡蛋白c-IAP ½(细胞凋亡抑制蛋白,cell inhibitor of apoptosis protein)来局部消除衰老细胞,这可以在创伤后骨关节炎大鼠模型中减少SASP的分泌并促进再生。最后,越来越多的证据表明,靶向与SASP相关信号网络中的分子(例如雷帕霉素和二甲双胍)有利于软骨再生环境的形成,并在临床前期的研究中发挥有益作用。
 
表1 衰老细胞清除疗法及其分子靶点

  • 骨质疏松症
骨质疏松症表现为总骨量减少和骨折的风险增加。衰老过程中骨质流失的原因是骨形成的减少和骨髓脂肪生成的增加。通过穿刺检查老年人类和小鼠发现他们的成骨祖细胞、成骨细胞和骨细胞中有均有较高水平的p16INK4a表达。Ercc1(-/Δ)是一种由于DNA修复功能受到损坏的早衰小鼠模型,其DNA的损伤会逐渐积累。通过对这种小鼠进行衰老细胞清除的鸡尾酒疗法,即使用达沙替尼(D,具有多种功能的抗癌药物;表1)加上槲皮素(Q,具有多种功能的多酚)进行治疗后,发现其骨中矿物质含量和密度均有增加。此外,通过遗传方法(INK-ATTAC小鼠;框1)或药理方法(D+Q)可以增强抗吸收途径和合成代谢途径,从而增加老年小鼠的骨量和骨强度并降低由于放射治疗引起的骨损失。多项临床前期研究表明,对氧化应激起抑制作用的分子可延缓骨细胞的衰老并减少SASP的分泌,并改善骨骼结构。例如,经FDA批准的Janus激酶(JAK 1/2)以及信号转导和转录激活蛋白3(STAT3)抑制剂鲁索替尼(ruxolitinib),已被证明是SASP的抑制剂,可以降低骨吸收,同时促进新骨骼的形成。
  • 肌肉减少症
衰老与骨骼肌质量和功能的显著降低相关联,这种骨骼肌机能的降低被定义为肌肉减少症,这会导致老年人衰弱并增加死亡率。一项研究证实了细胞衰老在促进肌肉衰弱中的作用,衰老细胞清除疗法D+Q处理的老年小鼠身体机能(行走速度、耐力和抓力)得到了显著改善。最近的研究也表明卫星细胞衰老是肌肉减少症发展的关键。卫星细胞是驻留的肌肉干细胞,它是损伤或运动后骨骼肌再生和发育所必需的,在这个过程中卫星细胞会打破静止状态,进行增殖并促进肌肉纤维的修复和生长。在衰老的骨骼肌(28-32月龄)和早衰小鼠中,卫星细胞转换的激活受到衰老转换的影响,这可以通过衰老相关的(SA)-β半乳糖苷酶染色的加深和p16INK4a和Igfbp5的表达量的增加来证明。研究发现老年人卫星细胞的衰老是由线粒体自噬降低和ROS增加引起的,通过抑制p16INK4a和ROS,或激活自噬作用可以恢复卫星细胞的功能和肌肉再生。此外,通过促进Smad3介导的CDKs(最著名的是p15INK4B和p21WAF1 / Cip1)的增加,转化生长因子(TGF)-β信号传导也参与了卫星细胞的衰老,抑制TGF-β信号传导可促进衰老小鼠的肌肉再生。衰老的纤维/脂肪形成祖细胞和有丝分裂后的肌纤维也在衰老小鼠运动后的骨骼肌中发现,这些衰老细胞亚型在肌肉衰减症中的作用有待进一步研究。此外,机体其他细胞类型的衰老也可能导致肌肉减少症,将衰老的前体脂肪细胞移植到健康小鼠中会明显导致其身体机能障碍和肌肉衰弱,这有力地证明了这个观点。最后,在退行性肌肉萎缩性疾病,如肌肉营养不良的小鼠模型中也有相关卫星细胞衰老的报道,这表明细胞衰老在其他肌肉萎缩状况的病理中也起作用。
  • 椎间盘退行性病变
椎间盘退行性病变(IVDD)被认为是衰老过程中的自然进程,通常与慢性背部疼痛有关。用D+Q清除早衰小鼠的衰老细胞会增加椎间盘髓核(NP)中蛋白聚糖的水平,这表明组织中的细胞外基质情况有所改善。用姜黄素或邻香兰素(o-vanillin)清除衰老的人类髓核细胞会增加Ki-67阳性细胞的数量并降低SASP的分泌,并促进胞外基质成分的合成。与年轻小鼠相比,特异性清除衰老的p16-3MR小鼠中的p16INK4a阳性细胞可以改善了聚集性蛋白聚糖的破碎和椎间盘的组织学状态,即促进聚集性蛋白聚糖的表达和抑制MMP-13的表达。
 
衰弱
 
衰弱代表一种与年龄相关的综合症,包括在多种生理系统中组织和器官变得易受损伤且机能的逐渐降低。衰老细胞的积累似乎是衰弱的一种重要的诱因。无论是在幼年小鼠还是老年小鼠中,移植少量的衰老细胞就足以诱发脆弱状态(身体机能障碍)并缩短寿命。在INK-ATTAC小鼠模型中或用D+Q策略清除衰老细胞,及用JAK抑制剂靶向SASP疗法都可减轻老年小鼠的衰弱症状,具体表现为衰老相关疾病症状的延缓和健康寿命的增加。实际上,在最近的一项研究中用SSK1(Senescence Specific Killing compound 1)药物清除老年小鼠体内自然发生的衰老细胞会降低全身慢性和综合性炎症,增强身体机能并降低衰老相关基因的表达。
纤维化疾病
  • 原发性硬化胆管炎
肝脏胆管炎是造成渐行性组织功能失调的原因之一,其表现有不同程度的炎症、纤维化和坏死。实质组织和胆衰老细胞带来的负担一并被认为是人类慢性肝脏疾病的主要原因。纤维化瘢痕的消去受驻留免疫细胞信号的介导,且对衰老肝脏卫星细胞的免疫配体特异清除的封闭会加重纤维化程度。p21-胆管-诱导小鼠模型中,衰老胆管上皮细胞会通过SASP分泌加重胆损伤,由此加重胶原沉积并减弱实质组织的再生功能。剧烈损伤后在senolytics作用下,可以封闭TGF-β受体信号或者肝细胞依赖的SASP分泌,以减轻黄疸、降低组织坏死并恢复再生能力。
  • 特发性肺纤维化
特发性肺部疾病(IPF)具有肺泡屏障的损坏和渐行性炎症的特点,其严重程度与早期衰老的肺实质和上皮细胞相关在IPF模型中,通过INK-ATTAC小鼠或者senolytics D+Q对衰老上皮细胞进行清除,可以整体改善肺功能和弹性,同时还能降低细胞外基质的沉积以及相关粗纤维的SASP。
  • 慢性肾脏疾病
肾小球渗透能力的逐渐丢失是慢性肾脏疾病(CKD)的特点,这通常会与糖尿病和高血压相联系起来。衰老管状肾脏细胞的增加在小鼠和人类中都被证明与CKD和慢性同种异体移植物肾病相联系。单侧输尿管结扎术损伤是一种急性模型,在该模型中细胞衰老的过渡激活被证明具有一定有益之处,能够直接限制肾脏肥大和炎症。除此之外,在缺血-再灌注小鼠模型中,对表达p16INK4a细胞的移除可以缓解间质纤维化和管状萎缩。
 
神经退行性病变
  • 阿尔兹海默症
阿尔兹海默症(AD)的主要风险因素就是高龄,它是一种普遍的多因素神经退行性疾病,会导致渐行性的智力衰退。AD患者的星形胶质细胞中发现有p16INK4a的上调,人类AD组织中进行衰老标志物的染色,以及利用激光捕捉纤维切割技术得到AD脑组织中的含有神经纤维缠结的皮层神经元,其中衰老相关基因表达上调,这些都为细胞衰老参与AD发展进一步提供了证据在淀粉样蛋白小鼠模型中,海马神经元和少突胶质细胞前体细胞中的p16INK4a的水平升高。除此之外,衰老少突胶质细胞前体细胞的清除可以改善认知功能并减少淀粉样蛋白的含量在tau蛋白失调的AD模型中,利用遗传学或药理学手段对衰老细胞进行清除同样展示其了对疾病发展的改善作用。
  • 帕金森症
帕金森症(PD)是当前第二普遍的神经退行性疾病,其患病风险随年龄的增长而增加。最近一项针对PD人群的研究表明,来源于血液的炎症和衰老标志物(p16INK4a)是针对PD患者临床进程重要的预测指标。在小鼠模型中,衰老细胞的清除能够改善神经功能。神经毒素诱导的PD被证明与衰老细胞的积累相联系,而通过转基因对衰老星型胶质细胞进行清除能够保护抵抗神经疾病。更甚的是,通过抗氧化物黄芪甲苷Ⅳ抑制衰老星型胶质细胞证实了在PD中移除衰老星型胶质细胞的益处。遗传PD模型中也检测到了衰老的多巴胺能神经元。
糖尿病
  • 2型糖尿病
2型糖尿病(T2D)会导致外围组织产生胰岛素耐受性,与年龄具有高度相关性。易感T2D和肥胖的个体通常会产生如高血压、骨质疏松、焦虑和骨骼脆弱等并发症。衰老细胞会分泌MMPs、激活素A、肿瘤坏死因子(TNF)和巨噬细胞集落刺激因子,以此来对脂肪前体细胞和骨细胞的正确功能造成负面影响。高脂饮食小鼠中清除衰老脂肪细胞或敲除瘦素受体能够改善胰岛素敏感性并减轻脂肪肥大,这可能是减少的炎性SASP因子干扰素(IFN)-γ、IL-1β和巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF)所导致的。p16INK4a表达细胞的清除同样可以恢复β细胞的功能,并改善肝脏、脂肪和肌肉组织中的葡萄糖耐受性和胰岛素活性。D+Q处理除了改善肥胖小鼠的多种代谢指标,还能减轻糖尿病肾病,进而改善肾脏的蛋白尿症和肾小球病。
  • 1型糖尿病
细胞衰老同样也参与到了1型糖尿病(T1D)的疾病发生过程中,这种疾病会因为渐行性的免疫介导的胰岛β细胞(PBCs)减少而导致胰岛素缺陷。最近一项研究提出,靶向清除一部分衰老的PBCs可以有效地延缓T1D的疾病发展。
 
表2 已完成、正在进行和计划中的衰老清除治疗化合物的临床试验一览表

 
心血管疾病
  • 动脉粥样硬化
动脉粥样硬化会导致动脉腔内形成斑块,从而使得血液流动缓慢并增加了心血管疾病和中风的风险。在动脉粥样硬化小鼠模型的生长板的内皮样细胞、血管平滑肌样细胞和泡沫巨噬细胞中能够检测到衰老标志物,这说明细胞衰老与该疾病之间具有直接联系。重要的是,利用转基因小鼠模型(框1)或者senolytics对衰老细胞进行清除(表1)会减少斑块的形成并缩小板块的大小,且可以降低促动脉粥样硬化SASP因子的表达。将已形成斑块中的衰老细胞切除可以增加斑块的稳定性,这说明衰老细胞移除对所有阶段的动脉粥样硬化都是有益的。
  • 心功能障碍
即使在没有其他系统风险因子的情况下,心脏衰老也会造成心脏的结构和功能异常,从而导致心脏衰竭。近期多项研究表明,衰老细胞会导致衰老和代谢综合征相关的心功能障碍。衰老心脏前体细胞被认为会在衰老过程中不断积累。除此之外,最近一项研究证明,随着年龄升高,端粒发生损伤,这会使有丝分裂后心肌细胞进入一种衰老样的状态,从而促进心脏纤维化和心脏肥大。重要的是,利用INK-ATTAC小鼠模型或senolytics(D+Q或navitoclax)对老年小鼠的衰老细胞进行清除,会降低心脏纤维化和肥大程度,并增加增殖心肌细胞。这一结果表明,衰老心肌细胞或心脏前体细胞的清除可以缓解年龄相关的心脏重构。除此之外,利用p16-3MR小鼠模型进行衰老细胞清除,能够改善肥胖和化疗药物阿霉素(能够诱导衰老)处理的小鼠的心功能。
 
癌症
癌细胞具有难以控制的增殖能力,并且能够从源发组织转移到其他组织中。与其他疾病类似,机体衰老和细胞衰老在癌症发展过程中起到关键作用。与细胞衰老相关的生长停滞的抑癌功能相反,衰老细胞被报道具有与之矛盾的促癌潜能,这一特点同时受到细胞和非细胞自主性机制的介导。衰老相关的干性是一种细胞自主性特征,它可以利用高度恶性生长潜能来逃出细胞周期的封锁,而且多富集在复发的肿瘤当中。基因组不稳定的癌症细胞可以通过衰老样表型(休眠状态)来逃避抗癌手段对其的毒性,从而避免生长停滞、恢复难以控制的恶性增殖。因此,将衰老诱导癌症的治疗方法与senolytics相结合,可能阻止衰老癌症细胞的再生长。衰老细胞分泌的SASP因子可以促进多种涉及肿瘤生成的过程,包括增殖迁移或增殖侵袭、上皮向间质转化的促进、血管生成、保护其免受免疫监视作用和癌症复发。因为抗癌治疗导致的系统的衰老细胞积累不仅能够促进肿瘤生成,还能加速如心血管或神经退行性疾病等其他年龄相关疾病的进程。考虑到衰老细胞在癌症中积累的有害作用,细胞衰老治疗似乎有希望癌症的发展和复发,以及癌症干预手段所造成的副作用。
 
从实验到临床
临床前研究中发现,清除衰老细胞或抑制SASP可以延长小鼠和其他模型动物的健康寿命,这也促成了首次人类临床实验(表2)。在一项不使用安慰剂的单臂开放标签先导研究中(NCT02874989),重复的D+Q治疗对IPF患者是安全的,只引起轻度到中度的可逆不良反应,并导致功能的显著改善,如6分钟步行距离、步行4米步速和简易躯体能力测试评分。在另一项I期临床研究(NCT02848131)中,对患有慢性肾脏疾病的糖尿病患者进行为期3天的D+Q治疗也被证明是安全的,并导致皮肤和脂肪组织中衰老细胞的显著减少,以及循环中的SASP因子的减少(IL-1α、IL-2、IL-6、IL-9、MMP-2、MMP-9和MMP-12)。抗衰老化合物UBX0101正在进行OA治疗的临床试验。在第一个已经完成的I期临床试验(NCT03513016)中,一次性关节内UBX0101给药没有表现出严重的不良反应,但疗效在统计学上并不显著,主要原因是涉及的患者数量较少。Ⅱ期临床试验(NCT04129944)预计将很快完成,以探索单剂量UBX0101在大约180名患者的更大队列中的效果。同时,第二个I期临床试验(NCT04229225)目前正在进行中,该试验包括两组OA患者,一组进行单剂量治疗,另一组进行多剂量治疗(表2)。此外,另外两种靶向BCL(UBX1967/UBX325)的抗衰老化合物目前正处于新药临床申请(investigational new drug,IND)阶段,用于治疗老年性黄斑变性、糖尿病黄斑水肿和糖尿病视网膜病变,尽管尚无证据表明细胞衰老在这些疾病中起直接作用。
 
 

结束语

衰老细胞促进个体衰老和疾病发生的机制,在更复杂的工具和模型的开发,以及对衰老领域更多的财政投资的支持下,将得到更深入的研究和理解。以细胞衰老为靶标的干预方式很可能显著改善健康寿命,减轻衰老相关的功能障碍、衰弱和组织纤维化,这对于抗衰老研究以及延缓衰老相关的疾病具有重要意义。然而,衰老细胞清除疗法的发展和应用还远远没有完成,仍然存在一些需要解决的关键科学问题。
 

悬而未决的问题

  • 是否可以通过靶向衰老细胞特有的机制来避免副作用?
  • 年龄相关的衰老表型异质性有多高?我们能特异性地干预有害的衰老吗?
  • 哪些生物标志物可用于检测体内衰老细胞,并评估衰老细胞清除疗法的疗效?
  • 选择性清除衰老细胞是否会改善全身健康状况?
  • 我们如何评估衰老过程中衰老细胞的清除效果?
  • 为了最大限度地改善健康状况,治疗应该多久进行一次,从什么年龄开始干预?
  • 将衰老细胞清除疗法与其他年轻化的干预策略相结合将产生什么效果?
 
首先,目前的衰老细胞清除疗法主要涉及药物靶向和靶外功能的重新定位。例如,靶向BCL2家族成员对某些免疫细胞和血小板有靶向毒性,并可能导致血小板减少和淋巴细胞减少。通过靶向更多的衰老特异性机制来提高这些化合物的选择性可能会减轻毒性。
其次,衰老细胞清除疗法没有考虑到异质性,因此会不分青红皂白地针对所有衰老细胞,不论它有益或有害。对于体内年龄相关衰老细胞的全面表型特征,我们仍然缺乏认识。体外实验表明,衰老可以是异质性的,包括SASP在内的几个与衰老相关的特征取决于内在和外在因素,包括细胞类型、衰老诱导剂、来源组织和环境条件。表型的异质性表明不同的衰老细胞亚群可能共存,而并不是所有的衰老细胞都是有害的。识别与特定衰老细胞亚型相关的机制可能有助于开发更特异和耐受性更好的治疗方法。
第三,已确定的衰老标记如p16INK4a、、p21WAF1/CiP1SA-β半乳糖苷酶可用于鉴定衰老细胞,但这些标记既不是特异的,也并不普遍。最近对不同细胞类型和体外衰老模型中的基因表达谱的研究表明,可能存在与衰老相关的一般基因表达特征,但这些特征在人类蛋白质水平上仍有待验证。新的和更可靠的生物标志物对于评估治疗效果是必不可少的,并且可能有助于监测最有害的衰老细胞亚群的消除情况。越来越多的证据表明,一小部分衰老细胞是细胞群中SASP因子和炎症反应的主要来源。如果能够区分衰老细胞的特定亚型,也将促进衰老生物标记物的发展。技术障碍是衰老亚型研究的一大限制因素,而单细胞技术的不断进步正在逐步解答这个问题。此外,过去的研究主要集中在衰老细胞的转录组/蛋白质组上。对其他复杂的循环因子(如EVS、长非编码RNA和代谢物)的研究可能会扩大生物标志物的来源。可以想象,衰老衍生的循环因子可以作为生物标志物来识别和选择性地针对表现出高分泌表型的衰老细胞,同时保持其他有益的细胞类型。
第四,消除衰老细胞有可能成为一种普遍的延缓衰老策略,同时实现改善健康寿命和减少多种与年龄相关的功能障碍。然而,这些科学发现的应用转化仍然很困难,因为监管机构认为衰老本身并不是一种疾病或综合征。这与肥胖症形成鲜明对比,肥胖症是慢性病的另一个主要风险因素,并被官方承认为一种疾病。因此,需要使用替代性的指数来评估衰老清除策略的效果。一种方法是使用衰弱作为衰老指标,并使用衰弱指数来评估治疗干预措施的效果(表2)。但定义严格的参数来衡量人类的衰弱程度仍然是其中一个主要的限制,而解决这一难题的努力也在进行中。评估衰老细胞清除疗法效果的另一种方法是在同一项研究中监测它们对多种疾病的效果。使用二甲双胍靶向衰老(Targeting Aging with Metformin,TAME)的试验率先采用了这一方法,旨在确定对老年人进行二甲双胍治疗是否可以延缓年龄相关疾病的积累,而非针对个别疾病(表2)。
第五,如果衰老细胞清除疗法可以在人体上作为抗衰老干预措施进行测试,那么需要对治疗方案和频率进行更多的研究。为数不多的小鼠模型实验表明,从中年开始间歇性服用使衰老细胞裂解的药物可能会有最大的益处。一方面,这样的策略将避免在整个生命周期内发生显著的衰老,从而限制衰老细胞及其SASP的任何暂时损害。另一方面,它会减少由于消除有益衰老细胞而产生的严重不良影响。然而,衰老细胞在经历一个周期的清除后重新积累所需的时间尚不清楚,这很可能取决于个体的年龄。此外,仍需要确定衰老细胞的亚群是否可能对衰老细胞清除疗法产生抗性而变得更加有害,这也是在对癌症疗法产生抵抗力的癌细胞中普遍观察到的一种现象。
最后,衰老细胞清除疗法是否代表青春之泉仍有争议。小鼠实验表明,衰老细胞的特异性清除有助于推迟衰老相关的表型,并显著改善寿命和健康寿命,但只有部分“返老还童”的效果。要充分实现延缓衰老的潜力应该考虑衰老细胞清除疗法与其他策略的结合,如干细胞移植或组织重编程等。因此,至少在临床前实验中,在评估衰老清除治疗方法的耐受性和有效性的同时,应更多地致力于组合多种方法的研究。
 

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