探討骨髓干細胞衰老與阿爾茨海默病等衰老性疾病的關系

黃必錄

上海世鵬實驗室科技發展有限公司，上海市 200120

隨著人類平均壽命的延長，特別是腫瘤(或癌癥)、心腦血管病和老年癡呆癥已逐漸成為頭號殺手，由于這些疾病都是屬于衰老性疾病，目前還沒有行之有效的治療方法，通?？克幬锘蚶懑熂帮嬍车恼{理，只能治標不治本，為此，必須發展出一套全新的理論，闡述導致衰老性疾病的發病機制，才能找出行之有效的治療方案，以達到標本兼治的目的。

1 阿爾茨海默病(Alzheimer disease AD)和動脈粥樣硬化(atherosclerosis，AS)是屬于衰老性疾病

個體的組織器官是由成體干細胞和功能細胞組成的，造血干細胞(Hematopoietic stem cells, HSCs)和骨髓間充質干細胞(Bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)等屬于成體干細胞。神經元、小膠質細胞和血管內皮細胞等屬于功能細胞。功能細胞會因為細胞衰老、病毒感染和基因突變等問題不斷被免疫細胞清除掉，為此，必須要由成體干細胞通過細胞分化來不斷補充損耗掉的功能細胞。但是，隨著年齡的增長，成體干細胞本身也會逐漸衰老，而由衰老的成體干細胞分化的用于補充的功能細胞也是衰老的功能細胞，從而造成組織、器官和個體的衰老[1]。

有學者發現[2]，在AD患者大腦中，神經元衰老不明顯，而是起到支持神經元作用的小膠質細胞和星形膠質細胞發生了明顯的衰老。原因是大腦中的神經元和心肌細胞一樣因為很少更新，因此衰老得很慢，壽命和人體幾乎一樣長。但是，神經元會不停地產生有毒的β-淀粉樣蛋白(Amyloid-β, Aβ)沉積在胞外，為了保證大腦正常運行，必須不停地清除掉Aβ，小膠質細胞和星形膠質細胞是吞噬Aβ的主力軍。但是，隨著年齡的增長，小膠質細胞和星形膠質細胞也會逐漸衰老，從而導致吞噬和清除Aβ的效率也跟著逐漸下降。同時，衰老的血腦屏障通透性也會升高，使不該進入大腦的分子、真菌和皰疹病毒進入大腦，引起炎癥反應和增加Aβ的產生，因為Aβ具有抗菌肽活性。還有，腦膜淋巴管是向外排除Aβ的管道，但是衰老的腦膜淋巴管排除Aβ的效率也會下降[3]。

每種生物都有一個相對固定的發育、成熟和死亡時間表，因此，衰老和死亡的本質是一種主動的遺傳程序，是基因程序化表達的結果。因為過了生育期，如果個體不會衰老死亡，就不會有世代更替，而一個種群都是清一色的基因，無法適應不斷變化的自然環境，譬如在一次烈性傳染病下就會造成物種的滅絕。因此，過了青春期，遺傳程序會主動下調對正常生理有益的基因和上調有害的基因表達，以達到破壞個體的目的，這就是導致衰老性疾病的根本原因。雖然人類能夠多次生育和需要照顧孩子，不會因為生育很快死去，但是，對于許多一生只繁殖一次又無須照顧后代的生物，在生殖完成后遺傳程序會命令其快點結束自己的生命，例如家蠶、太平洋鮭魚、澳大利亞袋鼬等在完成生殖不久后就會死去。也就是說，為了達到破壞個體的目的，在衰老過程中，遺傳程序會主動上調Aβ的產生和下調對Aβ的清除，從而導致多余的Aβ沉積。例如，Aβ是由淀粉樣前體蛋白(APP)錯誤切割和錯誤折疊產生的，APP基因啟動子區的甲基化程度會隨著年齡的增長而下降，從而上調了APP的表達，增加Aβ的生成[4]；熱休克蛋白HSP70能夠幫助蛋白質正確折疊，而衰老細胞會下調HSP70，從而導致包括Aβ在內的各種錯誤折疊的蛋白質的積累[5]；小膠質細胞是吞噬Aβ的主力軍，但是，具有負調控小膠質細胞吞噬作用的CD22蛋白的表達會隨著衰老而上調，從而降低對Aβ的清除效率[6]。

前列腺素e2(PGE2)起到了炎癥蛋白的關鍵作用，炎癥會增加Aβ的沉積。PGE2會抑制線粒體呼吸，降低巨噬細胞和小膠質細胞吞噬活性。AD等神經退行性疾病的患者PGE2表達水平顯著上調。相比年輕的巨噬細胞和小膠質細胞，體外和體內衰老的巨噬細胞和小膠質細胞的PGE2的表達顯著上調[7]。提示，衰老的小膠質細胞吞噬Aβ效率的下降的原因，是獨立的不受體內環境的影響，讓衰老的小膠質細胞恢復青春才是治療AD的有效方法。

Philip W Shaul等發現，血管內皮細胞在衰老過程中，運輸膽固醇的受體(SR-B1)和胞內轉運蛋白(DOCK4)的基因的表達活性會主動上調，SR-B1的上調會導致內皮細胞主動從血液中吸收更多的低密度脂蛋白(LDL)，然后再通過DOCK4將LDL從細胞的另一側排出并沉積在血管壁內，并招募來巨噬細胞過量吞噬LDL，然后變成泡沫細胞和斑塊，這就是導致心腦血管疾病主要原因的AS的發生機制[8]。隨著斑塊越來越大，就會導致動脈逐漸變窄，若斑塊突然發生破裂脫落，就會迅速聚集血小板并凝固成血栓，阻斷血液流向大腦或心臟，導致突發腦卒中或心臟病。

那么，調控衰老的遺傳程序如何實現基因程序化表達的？筆者根據《細胞衰老的端粒DNA和核糖體DNA共調控假說》認為，由于抑癌蛋白P53等因子會同時促進某些基因表達和抑制另一些基因表達，而細胞衰老過程中，P53等因子的水平會因為端粒DNA或/和rDNA(核糖體DNA)這兩者拷貝數的縮減而逐漸上調，因此，基因表達譜也會因為P53等因子直接和間接的介導而實現程序化表達，使很多原先活躍表達的基因逐漸下調，同時上調一些原先很少表達的基因，這可能是衰老的遺傳程序運行的主要機制，以此驅動個體發育、成熟和衰老性變化。

總的來說，在衰老過程中，遺傳程序會主動逐漸下調對正常生理有益的基因和逐漸上調有害的基因表達，從而促進動脈硬化和斑塊的增長。大腦也會同時增加了Aβ的產生和降低了Aβ的清除，從而導致多余的Aβ沉積在大腦組織中?；蛘哒f，在因果關系中，Aβ的沉積只是衰老產生的結果，而非導致AD的原因。那么，Aβ有什么害處呢？

2 Aβ害處

Aβ不只會沉積在大腦，心臟、肌肉、胰臟和腎臟等也會沉積Aβ。特別是Aβ沉積在血管壁上，會產生淀粉樣血管病，降低血管韌性，容易造成腦微出血，增加了患血管性癡呆(Vascular dementia VD)的風險。還有，隨著年齡增長，衰老會導致腦毛細血管數量減少，再加上可溶性的寡聚體Aβ會造成腦毛細血管的收縮，這樣會降低腦血流量[9]，從而導致腦組織缺血缺氧。在缺氧條件下，鼠腦切片顯現出存在更多的Aβ斑塊沉積[10]。簡單地說，Aβ會導致缺氧，而缺氧又會增加Aβ，就這樣構成了死循環。

Aβ通常以β淀粉樣蛋白42[Amyloid-β protein(1-42),Aβ42]和β淀粉樣蛋白40[Amyloid-β protein(1-40),Aβ40]2種形式存在。持續抑制抑癌蛋白P53會使成纖維細胞無限增殖[11]，說明P53是衰老的主控因子。而Aβ40能上調細胞的P53水平[12]，說明Aβ40具有讓細胞表現出衰老狀態。研究也發現，AD患者的皮質神經元中也大量表達P53。也就是說，細胞衰老會導致P53和Aβ的水平升高，而Aβ又能升高P53水平，在這種雙重作用下讓神經元表現出衰老狀態。在個體各種組織中的衰老細胞，主要是靠免疫系統清除掉的，因此，衰老的神經元也會產生“吃掉我”的信號，招來免疫細胞進行選擇性清除，從而導致AD患者神經元丟失[13]。

總的來說，Aβ是有害的，必須想辦法清除掉，但細胞會源源不斷地產生Aβ，用藥物或物理清除法只會疲于奔命，因此最好的辦法是恢復機體自身清除Aβ的機制。

3 免疫系統衰老與腫瘤發生率

通常認為，腫瘤發生率隨著年齡增長而上升的主要原因是基因突變和累積。但是，如果把免疫系統放在一起考慮，可以認為腫瘤發生率隨著年齡增長而上升的主要原因在于衰老的免疫系統，因為年輕的免疫系統能夠及時把處于萌芽狀態的腫瘤細胞清除掉[14]。兒童或年輕人為何也會患上腫瘤？是因為免疫系統的各種先天缺陷，例如，高達40%～70%的腫瘤病人NK細胞的基因有先天缺陷[15]。

4 骨髓干細胞衰老導致衰老性疾病

骨髓中的幾種干細胞統稱為“骨髓干細胞”。骨髓干細胞主要包括造HSCs、BMSCs和血液血管干細胞(hemangioblast)。骨髓中還有能夠分化為血管內皮細胞的內皮祖細胞。而內皮祖細胞是由HSCs分化的。血液血管干細胞其實就是一種能夠分化為HSCs和內皮祖細胞的更原始的HSCs。在生理狀態下，骨髓干細胞能借助血液漂流到個體的所有組織，非常適宜補充與更換個體中廣泛分布且具有相同結構的組織，如免疫系統、血管和淋巴管、皮膚、骨骼等，這為這些組織的衰老性疾病的起因和治療提供了理論依據。

小膠質細胞是一種巨噬細胞，由骨髓中的 HSCs先分化為單核細胞，然后單核細胞再分化為小膠質細胞。已發現，骨髓干細胞能夠分化為構成神經元周圍的小膠質細胞和星形膠質細胞[16]、血管中的平滑肌細胞和內皮細胞、血腦屏障中的周細胞、星形膠質細胞和內皮細胞、腦膜淋巴管中的內皮細胞，以及免疫系統中的各種免疫細胞。由于功能細胞都會因為細胞衰老、病毒感染和基因突變等問題不斷損耗掉，因此需要經常補充。但是，隨著年齡的增長，骨髓干細胞也會逐漸衰老，而由衰老的骨髓干細胞分化的用于補充的各種功能細胞也是衰老的功能細胞，從而導致血管、血腦屏障、淋巴管、小膠質細胞和星形膠質細胞及免疫系統的衰老性變化。

綜上所述，筆者認為導致AS、AD、腫瘤、骨質疏松和皮膚皺紋等衰老性疾病的主要原因是骨髓干細胞的衰老，向骨髓中同時移植幾種年輕的自體骨髓干細胞，或讓自體骨髓干細胞原位恢復青春，就能夠有效治療甚至根治AS、AD和腫瘤等衰老性疾病。

但是，目前還沒有已發表的研究能佐證骨髓干細胞衰老是導致腫瘤、AS和AD等衰老性疾病的主要原因，主要問題是目前的干細胞移植技術，即使用年輕的骨髓移植入宿主，不但沒能讓宿主骨髓恢復年輕狀態，反而讓 HSCs更加衰老。因為 HSCs移植入骨髓后端粒長度會迅速縮短大約1kb[17]，由于端?？s短是導致細胞衰老的主要原因之一，按照國外資料的白細胞每年端粒平均縮短33bp計算，端?？s短1kb相當于衰老了約30年，實驗也發現血液癌患者接受自體或同種異體HSCs移植后，T細胞提前老化了30年[18]，與計算相吻合。

由于HSCs移植端粒長度會迅速縮短，因此，骨髓移植不但不能減輕AD癥狀，而且適得其反。例如，兒童進行HSCs移植后,其智力及動手能力均顯著低于平均水平，成年人HSCs移植后往往也表現為詞匯記憶、語言流利度、運動靈巧性降低，而且這種認知障礙并不能隨著患者進入無疾病進展期而逐步恢復[19]。

還有一個重要問題是BMSCs對 HSCs有支持等作用，只有年輕的BMSCs和年輕的HSCs同時移植入骨髓中，才能保持骨髓組織的年輕態和健康的造血功能等，但是，BMSCs很難植入骨髓中，韓國學者在2002年美國血液學年會上報告12例大劑量移植BMSCs，無1例植入受體骨髓[20]。此外，來自其他組織的間充質干細胞不能代替BMSCs，因為雖然都叫間充質干細胞，但還是有一些區別的。

傳統的HSCs移植方法需要先用致死量的放射線來摧毀骨髓中所有舊造的HSCs，稱“清髓”。然后植入外來HSCs，外來的干細胞為了迅速填充無干細胞的骨髓，新植入的干細胞會應激分裂，這可能是導致端粒迅速縮短的原因。如何讓BMSCs和HSCs在無須清髓下能同時植入骨髓？中國專利申請號：201110255232.8等文獻提出[21]，可以利用干細胞動員劑，如粒細胞集落刺激因子(G-CSF)等來降低干細胞與骨髓組織的親和力，讓骨髓中的BMSCs和HSCs在骨髓與血液中往復循環，同時向血液中注射BMSCs和HSCs，外來的BMSCs和HSCs就可以魚龍混雜地植入骨髓中。

5 結語

同種異體的干細胞移植是無法在宿主中長期存活的，通常不到1個月就會消失殆盡，甚至發現，由基因同源的誘導性多能干細胞(iPS細胞)分化的成體干細胞，也無法在宿主中存活。因此，只能采用自體干細胞移植，但是自體干細胞和自體一樣衰老，因此，如何讓衰老的骨髓干細胞恢青春，是治療上述衰老性疾病的關鍵。雖然端?？s短是導致細胞衰老的主要原因，但外表達端粒酶的HSCs也不能完全恢復青春，說明端粒縮短并非是導致細胞衰老的唯一原因，除了端粒，應該還有另一種東西驅動著細胞的衰老進程，根據“細胞衰老的端粒DNA和核糖體DNA共調控假說”認為是rDNA。此外，神經元雖然衰老很慢，但終究會衰老到功能喪失，因此，讓衰老的神經干細胞恢復青春也是治療神經退行性疾病的關鍵。