細(xì)胞衰老及干預(yù)策略

沈干,戴朦,王靜,程翠，沈賢虎

1.安徽省保健醫(yī)學(xué)會,合肥 230001;2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)附屬第一醫(yī)院(安徽省立醫(yī)院);3.安徽省直醫(yī)院保健門診

隨著社會文明和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，人類現(xiàn)在的預(yù)期壽命明顯延長，同時與年齡有關(guān)的疾病如癡呆、腦卒中與心肌梗死等疾病的患病率也明顯升高。已知衰老是與年齡有關(guān)疾病的首要危險因素，而細(xì)胞是機(jī)體基本結(jié)構(gòu)和生理功能的基本單位，因此細(xì)胞衰老被認(rèn)為是機(jī)體衰老與老年慢性疾病發(fā)生發(fā)展的一個基本驅(qū)動因素。為幫助大家了解細(xì)胞衰老的特征與研究意義，本文對這一領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行闡述。

1 細(xì)胞衰老

1961年，美國生物學(xué)家Leonard Hayflick發(fā)現(xiàn)細(xì)胞分裂到一定代數(shù)時會進(jìn)入增殖停滯狀態(tài)，后人稱之為Hayflick 界限[1]。從那時起，細(xì)胞衰老逐漸被定義為一種可誘導(dǎo)發(fā)生的不可逆的細(xì)胞周期停滯狀態(tài)，與形態(tài)變化、細(xì)胞凋亡抗性和被稱為衰老相關(guān)分泌表型(SASP)的特征分泌譜相關(guān)[2]。細(xì)胞衰老是一種高度穩(wěn)定的細(xì)胞周期停滯，它可能作為一種防御機(jī)制來應(yīng)對不同的壓力[3]，這些壓力因素包括：內(nèi)在壓力因素(端粒磨損、致癌基因激活、氧化應(yīng)激等)和外在壓力因素(暴露于紫外線輻射和化學(xué)藥物等)，大多數(shù)這些觸發(fā)因素會導(dǎo)致端粒或非端粒DNA損傷或染色質(zhì)結(jié)構(gòu)改變，并且通常會激活DNA損傷反應(yīng)(DDR)[4]。當(dāng)細(xì)胞的修復(fù)機(jī)制失調(diào)時，激活的DDR可通過p53蛋白磷酸化引發(fā)級聯(lián)反應(yīng)導(dǎo)致細(xì)胞衰老。這些不同類型的應(yīng)激信號會誘發(fā)不同類型的細(xì)胞衰老，分為端粒依賴的復(fù)制性衰老、程序性衰老與非端粒應(yīng)激誘導(dǎo)的衰老，其中包括癌基因誘導(dǎo)的衰老、DNA損傷誘導(dǎo)的衰老、表觀遺傳修飾誘導(dǎo)的衰老和與線粒體功能障礙相關(guān)的衰老[5]。在細(xì)胞衰老的早期階段，衰老細(xì)胞會發(fā)生特征性的形態(tài)和結(jié)構(gòu)的變化，包括形態(tài)變大、扁平化、多核形態(tài)和空泡擴(kuò)大、質(zhì)膜組成改變及細(xì)胞核結(jié)構(gòu)顯著增大等，這一過程伴隨著核染色質(zhì)重塑和核纖層蛋白B1的丟失、線粒體中氧化代謝增加以及衰老細(xì)胞抗凋亡途徑的激活，使細(xì)胞對死亡具有抵抗力[6]。因此，可以認(rèn)為細(xì)胞衰老是一個高度動態(tài)的、多步驟的過程，由此產(chǎn)生的衰老細(xì)胞也以一種環(huán)境依賴的方式不斷進(jìn)化和發(fā)生多樣化。

2 衰老細(xì)胞的特征

衰老細(xì)胞是細(xì)胞衰老的產(chǎn)物，具有細(xì)胞周期停滯與衰老相關(guān)分泌表型這2種關(guān)鍵特征。

2.1 細(xì)胞周期停滯 一個穩(wěn)定的細(xì)胞周期停滯標(biāo)志著細(xì)胞不能繼續(xù)分裂，這是衰老細(xì)胞不可或缺的特征之一。細(xì)胞衰老不同于另一種被稱為靜息的生長停滯狀態(tài)，靜息細(xì)胞可以在適當(dāng)?shù)男盘柎碳は禄謴?fù)增殖能力，而衰老細(xì)胞則不能[7]。研究表明衰老細(xì)胞的周期停滯主要是通過激活p53/p21CIP1和(或)p16INK4a信號通路來介導(dǎo)的[8]，p53和pRB是關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，p21CIP1作用于p53的下游，而p16INK4a作用于pRB的上游，因此它們主要通過改變下游基因表達(dá)譜來誘導(dǎo)細(xì)胞進(jìn)入衰老狀態(tài)。這4種關(guān)鍵基因(p53、pRB、p16INK4a、p21CIP1)中的任何一種長期過表達(dá)都足以誘導(dǎo)細(xì)胞衰老[9]。

2.2 衰老相關(guān)分泌表型 衰老細(xì)胞代謝活動發(fā)生變化，基因表達(dá)也發(fā)生巨大變化，并發(fā)展出復(fù)雜的衰老相關(guān)分泌表型，這是細(xì)胞衰老的另一個關(guān)鍵特征。SASP成分包括大量可溶性細(xì)胞信號因子，例如促炎因子、趨化因子、生長調(diào)節(jié)因子、血管生成因子、蛋白酶、生物活性脂質(zhì)、細(xì)胞外基質(zhì)成分和基質(zhì)金屬蛋白酶，主要通過p38 MAPK、NF-κB、cGAS/STING、NOTCH和mTOR等信號傳導(dǎo)[10]。DNA損傷、功能失調(diào)的端粒、氧化應(yīng)激或其他誘導(dǎo)細(xì)胞衰老的刺激，都會導(dǎo)致不同程度的DDR并表達(dá)SASP。SASP因子可以通過自分泌和旁分泌的方式發(fā)揮作用來促進(jìn)細(xì)胞衰老[11]。

3 細(xì)胞衰老標(biāo)志物

迄今為止尚沒有發(fā)現(xiàn)可通用及特異性的細(xì)胞衰老標(biāo)志物。這里僅列舉比較常用的衰老標(biāo)志物。

3.1 衰老相關(guān)β-半乳糖苷酶(SA-β-gal) 溶酶體中β-半乳糖苷酶活性，是最早描述細(xì)胞衰老的生物標(biāo)志物之一[12]。通過使用顯色底物X-gal(5-溴-4-氯-3-吲哚-β-D-半乳糖苷)即可以原位測量細(xì)胞中SA-β-gal的活性，使之成為識別衰老細(xì)胞使用的最常用的1種分子標(biāo)志物。

3.2 p16INK4a與p21CIP1這2種蛋白均屬于細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶的抑制因子，能夠使細(xì)胞周期發(fā)生停滯。有研究報道衰老細(xì)胞往往會上調(diào)p16INK4a與p21CIP1表達(dá)，因而經(jīng)常被用作衰老細(xì)胞的標(biāo)志物和干預(yù)靶標(biāo)[13]。

3.3 脂褐質(zhì) 細(xì)胞內(nèi)脂褐質(zhì)聚集體是由氧化的蛋白質(zhì)和脂質(zhì)降解殘基以及不能被溶酶體酶降解的金屬陽離子等組成，可以通過其自身熒光或蘇丹黑B染色來檢測，它的積累被認(rèn)為是細(xì)胞衰老的一個標(biāo)志[14]。

3.4 活性氧(ROS) 各種刺激產(chǎn)生的ROS會引起DDR而導(dǎo)致衰老。線粒體是ROS產(chǎn)生的主要場所，因此，ROS，尤其是線粒體ROS，能夠作為氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的衰老的生物標(biāo)志物，可以使用熒光測定法或流式細(xì)胞術(shù)檢測[15]。

這里應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是，所有這些生物標(biāo)志物對于衰老細(xì)胞來說既不是特異的也不是唯一的，因此聯(lián)合幾種生物標(biāo)志物進(jìn)行檢測以確定細(xì)胞衰老狀態(tài)可能是一種比較妥當(dāng)?shù)慕鉀Q方法。

4 細(xì)胞衰老在生理和病理進(jìn)程中的作用

雖然衰老通常和年齡相關(guān)疾病有關(guān)，但細(xì)胞衰老對機(jī)體內(nèi)許多生理過程都有影響，如細(xì)胞衰老在個體發(fā)育、組織重塑和修復(fù)與維持內(nèi)穩(wěn)態(tài)，以及在預(yù)防腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中起到極為重要的作用。細(xì)胞衰老對機(jī)體也有不利的影響，目前已經(jīng)觀察到在動脈粥樣硬化、糖尿病和許多其他與年齡相關(guān)的疾病中存在衰老細(xì)胞的累積，推測這可能與機(jī)體炎癥水平增加有關(guān)[16]。已知炎癥是老年慢性疾病的危險因素，而且老年人血液中炎癥水平的增加與體重減輕、肌肉減少、虛弱、慢性炎癥和抑郁有關(guān)。由此可見，去除衰老細(xì)胞可以減輕與年齡相關(guān)的組織功能障礙并延長壽命。而促細(xì)胞衰老也可以作為一種有效的抗腫瘤策略，阻止?jié)撛谀[瘤細(xì)胞的增殖[17]。因此，細(xì)胞衰老就像一把雙刃劍，對我們的健康既有有益的作用，也有不利的影響，需要深入研究其作用與機(jī)制，以制訂科學(xué)精準(zhǔn)的健康管理策略。

5 衰老的治療策略

為清除衰老細(xì)胞與延緩細(xì)胞衰老科學(xué)家進(jìn)行了大量研究工作，也取得了不少成果，這里簡單地列舉一些已有的抗細(xì)胞衰老策略。

5.1 非藥物干預(yù) 研究表明，在接受飲食熱量限制的成年人與小鼠體內(nèi)，檢測到細(xì)胞衰老分子標(biāo)志物p16INK4a等表達(dá)顯著降低，衰老細(xì)胞數(shù)量減少[18]；并可以防止肝臟脂肪沉積和肝細(xì)胞中端粒相關(guān)DNA損傷灶的增加[19]。另有多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)熱量限制可能減少衰老細(xì)胞出現(xiàn)的作用機(jī)制包括減少ROS、刺激細(xì)胞自噬、增加去乙?；竤irtuins的表達(dá)以及減少DDR等[20]。

5.2 改變衰老表型藥物 改變衰老表型藥物具有抑制衰老細(xì)胞產(chǎn)生SASP分子的功能。例如臨床治療糖尿病的二甲雙胍，最近被發(fā)現(xiàn)能夠抑制脂肪間質(zhì)細(xì)胞因氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的衰老過程[21]。免疫抑制劑雷帕霉素通過與細(xì)胞內(nèi)信號分子哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)結(jié)合，能夠抑制多個SASP分子的表達(dá)，誘導(dǎo)衰老細(xì)胞發(fā)生自噬[22]。另外JAK抑制劑被報道具有抗SASP作用，可能是通過抑制衰老細(xì)胞JAK-STAT通路而導(dǎo)致其促炎癥因子表達(dá)下降實(shí)現(xiàn)的[23]。

5.3 清除衰老細(xì)胞藥物 這種藥物通過選擇性結(jié)合衰老細(xì)胞并誘導(dǎo)其死亡達(dá)到清除體內(nèi)衰老細(xì)胞的目的，被認(rèn)為是真正的抗衰老藥物，因此受到關(guān)注。

5.3.1 天然活性化合物 這類具有生物活性的天然化合物包括生物堿、皂苷、黃酮、萜類、木質(zhì)素和甾族化合物等。近年來發(fā)現(xiàn)多種類黃酮成分具有抑制細(xì)胞衰老功能，例如非瑟酮可通過抑制PI3K/AKT信號通路起到抗細(xì)胞衰老作用[24]。原花青素C1在培養(yǎng)基中含量低的條件下可抑制衰老細(xì)胞合成SASP，含量高時能夠直接誘導(dǎo)衰老細(xì)胞凋亡，從而具有抗衰老的作用[25]。另外還有槲皮素，研究發(fā)現(xiàn)它與酪氨酸激酶抑制劑達(dá)沙替尼聯(lián)合使用能夠顯著減少暴露于電離輻射條件下的小鼠或自然衰老小鼠體內(nèi)的衰老細(xì)胞[26]。

5.3.2 BCL蛋白抑制劑 BCL家族蛋白具有細(xì)胞周期調(diào)節(jié)功能，抑制其功能可導(dǎo)致衰老細(xì)胞的選擇性凋亡[27]。ABT263 (navitoclax)與ABT-737，通過抑制多個BCL家族成員和增強(qiáng)促凋亡因子的釋放而促進(jìn)衰老細(xì)胞的凋亡[28]。

5.3.3 Forkhead box O(FOXO)抑制劑 FOXO家族成員是一類多功能轉(zhuǎn)錄因子，具有誘導(dǎo)細(xì)胞周期停滯、抗氧化損傷、促進(jìn)細(xì)胞自噬等功能[29]。近年來對FOXO4與p53之間通過相互作用激活p21蛋白導(dǎo)致細(xì)胞衰老過程的關(guān)注相對較多，人們由此提出研發(fā)FOXO抑制劑達(dá)到促進(jìn)衰老細(xì)胞凋亡的目的[30]。

5.3.4 HSP90抑制劑 視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞衰老會導(dǎo)致視網(wǎng)膜黃斑變性。有研究發(fā)現(xiàn)HSP90能上調(diào)視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞SASP水平與SA-β-Gal表達(dá)活性而促進(jìn)細(xì)胞衰老，使用HSP90抑制劑IPI504則能抑制細(xì)胞衰老過程，提示HSP90抑制劑可能作為防治視網(wǎng)膜黃斑變性的候選藥物[31]。

5.3.5 免疫療法 免疫系統(tǒng)功能的下降與衰老細(xì)胞的堆積均可加速衰老，因此免疫療法的目的就是為了增強(qiáng)免疫細(xì)胞清除衰老細(xì)胞的能力[32]，最近有人用自然殺傷(NK)細(xì)胞開展自體回輸，成功清除小鼠或人體內(nèi)的衰老細(xì)胞，聯(lián)合使用一種多巴胺釋放肽后，NK細(xì)胞清除衰老細(xì)胞能力得到了顯著提升[33]。

6 展望

細(xì)胞衰老已成為腫瘤、心腦血管疾病等年齡相關(guān)疾病的預(yù)防與治療以及衰老生物學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前已發(fā)現(xiàn)了一些非藥物干預(yù)策略與藥物治療手段能夠發(fā)揮抗衰老的作用。但是衰老細(xì)胞具有明顯的異質(zhì)性，導(dǎo)致我們很難找出一個共同的分子標(biāo)志物與干預(yù)靶點(diǎn)。未來研究需要闡明各種衰老細(xì)胞的差異與內(nèi)在機(jī)制，研制出更精準(zhǔn)的診斷與治療技術(shù)，從而延長人的健康壽命。