異時聯(lián)體共生模型在年齡相關(guān)疾病研究中的應(yīng)用

李嘯群 張榮佳 崔進(jìn) 蘇佳燦

1. 第二軍醫(yī)大學(xué)附屬長海醫(yī)院學(xué)員管理大隊，上海 200433 2. 第二軍醫(yī)大學(xué)海醫(yī)系航空醫(yī)學(xué)教研室，上海 200433 3. 中韓生物醫(yī)學(xué)工程中心，上海 201802 4. 第二軍醫(yī)大學(xué)附屬長海醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，上海 200433

隨著人類壽命的增長，越來越多的人受到年齡相關(guān)疾病的困擾，各種老年退行性病變的預(yù)防和治療日益受到重視。有研究表明，通過聯(lián)體共生的方法，運(yùn)用外科手術(shù)的方式將兩只動物連接在一起從而建立起共同的循環(huán)系統(tǒng)，可有效緩解諸多老年退行性病變，使某些組織“再年輕化”。聯(lián)體共生模型作為一種實現(xiàn)不同個體間循環(huán)因子相互交換的有效手段，為機(jī)體衰老的機(jī)制研究和老年性疾病的治療與預(yù)防提供了新的思路。

1 聯(lián)體共生模型的歷史

聯(lián)體共生(parabiosis)一詞來源于希臘語“para”相鄰，和“bios”生物，是指運(yùn)用外科手術(shù)的方法，將兩只動物連接在一起，使其形成一套獨(dú)立、共享的循環(huán)系統(tǒng)。聯(lián)體共生模型起源于19世紀(jì)，距今已有超過150年的歷史[1]。聯(lián)體共生的方法有很多，1957年，Andresen等人[2]就將家兔耳朵縫合進(jìn)行聯(lián)體實驗研究。目前，應(yīng)用最廣的聯(lián)體方法是1933年，Bunster等人使用的方法，通過外科手術(shù)的方式，將兩只小鼠橈骨至股骨的側(cè)面皮膚縱向切開，切口對合進(jìn)行聯(lián)體，通過毛細(xì)血管間的再通及物質(zhì)交換，實現(xiàn)了不同個體間的血液共享[3]。目前，聯(lián)體共生模型在腫瘤、內(nèi)分泌、神經(jīng)、口腔等方面的研究中均已有應(yīng)用[4-7]。

近些年來，隨著世界老齡化趨勢的加重，各種老年退行性疾病如阿爾茨海默病、糖尿病、心血管疾病等受到人們越來越多的重視。2005年，Coonboy等人利用異時聯(lián)體共生模型，在NATURE上發(fā)表了《年輕環(huán)境使衰老干細(xì)胞重新年輕化》的文章，使聯(lián)體共生模型重回人們視野[8]。2013年，F(xiàn)rancesco等人利用異時聯(lián)體共生模型在CELL雜志上發(fā)表了《GDF11循環(huán)因子可逆轉(zhuǎn)年齡相關(guān)性心肌肥厚》的文章，再次引起了廣泛關(guān)注[9]。隨后，2014年，Katsimpardi與Sinha等人分別證明，GDF11循環(huán)因子還具有改善小鼠由于衰老引起的大腦和骨骼肌相關(guān)的功能障礙的作用，并發(fā)表在SCIENCE雜志上[10-11]。2016年，Middeldorp等人[12]發(fā)現(xiàn)，通過異時聯(lián)體共生和靜脈注射血清的方法，將老年小鼠暴露于年輕血液環(huán)境中，可緩解阿爾茨海默病癥狀。目前，通過聯(lián)體共生模型的相關(guān)研究，已在干細(xì)胞、心血管、神經(jīng)、骨折愈合等方面取得了諸多進(jìn)展。

2 異時聯(lián)體共生可逆轉(zhuǎn)多種年齡相關(guān)疾病

隨著免疫調(diào)控、外科麻醉等技術(shù)的不斷發(fā)展及研究熱點的改變，從20世紀(jì)60年代開始，研究人員不再局限于使用同一年齡動物的聯(lián)體共生模型進(jìn)行研究，而是運(yùn)用異時共生模型，將年輕小鼠與年老小鼠進(jìn)行聯(lián)體，探究年老個體暴露于年輕環(huán)境中后的機(jī)體變化情況。實驗發(fā)現(xiàn)，暴露于年輕血液的老年小鼠的生存狀態(tài)及壽命明顯優(yōu)于對照組[13]。不僅如此，眾多研究表明，通過異時聯(lián)體共生，可逆轉(zhuǎn)多種年齡相關(guān)疾病(表1)。

2.1 異時聯(lián)體共生模型在衰老干細(xì)胞研究中的應(yīng)用

通過對體內(nèi)各種干細(xì)胞各項功能的評估，可以對機(jī)體衰老的情況進(jìn)行大致的判斷。但干細(xì)胞功能的衰退是由于干細(xì)胞自身的衰老還是機(jī)體衰老環(huán)境所引起？這些因素的改變又是否可逆？這些問題都是需關(guān)注的。進(jìn)入21世紀(jì)，研究者們再次開始運(yùn)用異時共生模型進(jìn)行抗衰老的研究。2005年，Conboy等[8]發(fā)現(xiàn)，在將老年小鼠暴露于年輕小鼠系統(tǒng)環(huán)境中后，老年小鼠體內(nèi)的衛(wèi)星細(xì)胞中Notch配體的表達(dá)顯著增加，并且其生長和再生能力明顯增強(qiáng)。同時，老年小鼠體內(nèi)肝細(xì)胞增值及cEBP-α水平亦都恢復(fù)至年輕小鼠水平。隨后，Villeda等人[6]、Brack等人[14]分別在NATURE、SCIENCE上發(fā)表文章，證實年老小鼠體內(nèi)干細(xì)胞在年輕血液環(huán)境下可恢復(fù)活力，分別使老年小鼠的肌肉再生能力和海馬突觸的數(shù)量和可塑性增強(qiáng)；同樣，年輕小鼠干細(xì)胞亦會受到老年環(huán)境影響，在對年輕小鼠注射老年小鼠血清后，年輕小鼠干細(xì)胞的再生能力顯著下降，其肌肉和海馬突觸的結(jié)構(gòu)也會出現(xiàn)明顯改變。2012年，Ruckh等人[15]通過異時聯(lián)體共生模型發(fā)現(xiàn)，年輕血液可恢復(fù)神經(jīng)干細(xì)胞髓鞘再生的能力。同時，這些研究也通過遺傳譜系追蹤技術(shù)證明，老年個體干細(xì)胞的“年輕化”是通過改變組織中的“原住”干細(xì)胞實現(xiàn)的，而不是由于聯(lián)體年輕個體中干細(xì)胞遷移至老年個體中導(dǎo)致的。

2.2 異時聯(lián)體共生模型在年齡相關(guān)性心血管疾病研究中的應(yīng)用

在年齡相關(guān)疾病中，心血管疾病占據(jù)了相當(dāng)?shù)谋壤?，而在這其中，老年性心衰又是其重要的組成部分。2013年，F(xiàn)rancesco等人[9]在CELL上發(fā)表了一篇《GDF11循環(huán)因子可逆轉(zhuǎn)年齡相關(guān)性心肌肥厚》的文章，實驗發(fā)現(xiàn)，在將老年小鼠以聯(lián)體共生方式暴露于年輕血液后，心肌細(xì)胞的肥大狀況明顯改善。文章最后指出，未來可能基于GDF11循環(huán)因子的研究出現(xiàn)新的老年性心衰的治療方案，為減緩擴(kuò)張性心力衰竭展現(xiàn)了良好的前景。2014年，Katsimpardi等[10]通過聯(lián)體共生模型，發(fā)現(xiàn)GDF11循環(huán)因子還可起到舒張腦血管，加強(qiáng)神經(jīng)發(fā)生的作用，可有效改善老年認(rèn)知障礙。在對小鼠進(jìn)行聯(lián)體后，通過3D大腦重建和磁共振成像結(jié)果觀察，發(fā)現(xiàn)異時聯(lián)體與同時聯(lián)體的老年小鼠相比，異時聯(lián)體者大腦血管數(shù)量和血流量明顯增多；空間學(xué)習(xí)、記憶和條件判斷刺激測試發(fā)現(xiàn)，異時聯(lián)體老年小鼠的認(rèn)知功能也得到了明顯改善。

2.3 異時聯(lián)體共生模型在老年骨折愈合研究中的應(yīng)用

組織的修復(fù)與再生能力往往會隨著年齡的增長而減退，而2015年發(fā)表在NATURE雜志上的一篇文章為老年骨折難以愈合這一問題的解決提供了思路。Gurpreet等人[16]通過異時聯(lián)體共生模型，發(fā)現(xiàn)在老年小鼠與年輕小鼠建立起血液循環(huán)后，長骨的修復(fù)的能力和成骨細(xì)胞的分化能力都得到了明顯的改善。而在這其中，β-連環(huán)蛋白是成骨細(xì)胞分化過程中一條重要通路，它直接調(diào)控骨的早期修復(fù)過程，可以大大提高老年小鼠的骨折愈合質(zhì)量。文章最后指出，通過對β-連環(huán)蛋白藥理學(xué)方面的研究，可能大大提高老年人骨折愈合的速度。為今后老年人骨折愈合和治療指明了方向。

表1 異時聯(lián)體共生模型在抗衰老研究中的應(yīng)用

2.4 異時聯(lián)體共生模型在骨骼肌細(xì)胞抗衰老研究中的應(yīng)用

Sinha等人[11]通過異時聯(lián)體模型，發(fā)現(xiàn)在將老年小鼠與年輕小鼠聯(lián)體后，老年小鼠肌肉強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，而在閹割年輕小鼠-老年小鼠聯(lián)體模型和閹割年輕小鼠-睪酮處理的老年小鼠聯(lián)體模型中，第1組的老年小鼠肌肉強(qiáng)度并未發(fā)生改變，但第2組老年小鼠的肌肉強(qiáng)度卻明顯增強(qiáng)。從而得出結(jié)論，睪酮是影響骨骼肌細(xì)胞衰老的因素之一。

Katsimpardi等人[10]通過研究對比發(fā)現(xiàn)，GDF11分子在年輕小鼠中血液中自然濃度較高。Sinha 等人[17]以此為切入點，通過異時共生模型將年輕健康小鼠與具有由衰老引起的骨骼肌細(xì)胞功能障礙的老年小鼠連接，發(fā)現(xiàn)GDF11能逆轉(zhuǎn)骨骼肌細(xì)胞由衰老引起的功能紊亂。血液中較高的GDF11水平可改善肌肉的結(jié)構(gòu)和功能特點，增加肌肉力量。Sinha認(rèn)為，GDF11可系統(tǒng)地調(diào)節(jié)肌肉衰老，并可能成為一種有效的治療肌肉衰老和干細(xì)胞功能紊亂的療法。

3 聯(lián)體共生模型的限制與挑戰(zhàn)

通常，小鼠的聯(lián)體共生模型需要1～2 w時間來形成足夠的血管吻合從而建立起兩個體之間的循環(huán)[18]。作為目前年輕血液干預(yù)研究最有效的方法——異時聯(lián)體共生模型，其面臨的主要問題還是圍術(shù)期死亡率問題。但隨著麻醉及手術(shù)圍術(shù)期護(hù)理的改善，聯(lián)體共生模型小鼠的術(shù)中死亡率目前已降低至10%以下[19]。而“聯(lián)體病”作為另一項導(dǎo)致死亡的重要原因，卻還沒有得到有效的解決。

“聯(lián)體病”也被稱為“聯(lián)體中毒”，它與手術(shù)過程無關(guān)，而是在聯(lián)體手術(shù)兩周后，伴隨血管再通和體外循環(huán)建立而出現(xiàn)的一種狀況。聯(lián)體的兩只小鼠中，其中一只表現(xiàn)出貧血、蒼白的情況，而另一只則表現(xiàn)出多血癥和腫脹的癥狀，如同器官移植過程中出現(xiàn)的免疫排斥作用一般，而這種被排斥的器官，便是聯(lián)體后再通的血管。Hilgard比較了親代和子一代小鼠之間的“聯(lián)體病”發(fā)病情況，發(fā)現(xiàn)子一代小鼠更容易出現(xiàn)貧血、蒼白的狀況，而親代小鼠則出現(xiàn)多血癥的狀況。當(dāng)對親代小鼠進(jìn)行致死劑量的射線照射摧毀其免疫系統(tǒng)后，聯(lián)體病則不再出現(xiàn)，說明親代小鼠體內(nèi)產(chǎn)生了對子一代小鼠的抗體，即“多血”個體的免疫系統(tǒng)對“貧血”個體進(jìn)行了攻擊[20]。

過去，我們往往習(xí)慣性地以為在異時聯(lián)體共生模型中，老年小鼠會更容易患“聯(lián)體病”，然而，事實上，在聯(lián)體共生模型中，年輕的一方卻更容易受到影響，出現(xiàn)蒼白、貧血的狀況。目前，還沒有充足的研究可以解釋這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，期待有后續(xù)研究能對這一現(xiàn)象進(jìn)行闡釋[21]。

4 展望與小結(jié)

毫無疑問，異時聯(lián)體共生模型的應(yīng)用為機(jī)體中循環(huán)因子對細(xì)胞或組織衰老影響的動態(tài)研究提供了巨大的幫助。近期的相關(guān)研究表明，血液中的細(xì)胞循環(huán)因子可通過多種方式來對組織和細(xì)胞的衰老產(chǎn)生影響，如參與WNT 和TGF-β通路中蛋白的合成來干預(yù)衰老相關(guān)進(jìn)程[14,22]，或直接參與到對衰老過程的調(diào)控[6]。通過異時聯(lián)體共生模型，研究者可直接調(diào)控影響生物體內(nèi)的各種通路并進(jìn)行動態(tài)觀察，同時，通過直接靜脈注射血清或細(xì)胞、組織的血清培養(yǎng)，可對聯(lián)體共生模型所得到的結(jié)果進(jìn)行體內(nèi)外的驗證，證實其研究因子的作用，從而形成了一個嚴(yán)密的實驗體系。2016年，Jooseph等人[23]在SCIENTIFIC REPORT雜志上發(fā)表了一篇《評估聯(lián)體共生模型運(yùn)動功能恢復(fù)和循環(huán)因子相互交換》的文章，為今后聯(lián)體共生模型的實驗設(shè)計和開展提供了準(zhǔn)則，使今后聯(lián)體共生模型的構(gòu)建能夠更加標(biāo)準(zhǔn)化。

隨著世界老齡化程度的不斷加重，各類老齡化疾病高發(fā)，高血壓，糖尿病，骨質(zhì)疏松等已成為困擾老年人日常生活的常見疾病，抗衰老研究在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域顯得愈發(fā)重要。最近幾十年內(nèi)，尤其是最近幾年間，聯(lián)體共生模型對機(jī)體抗衰老的研究做出了突出的貢獻(xiàn)。在神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、骨骼肌及干細(xì)胞增殖分化等方面，通過異時聯(lián)體共生模型，均已證明“年輕環(huán)境”具有可一定程度上逆轉(zhuǎn)衰老，使細(xì)胞或組織“年輕化”的作用。目前，聯(lián)體共生模型在我國的應(yīng)用還并非十分廣泛，雖然已有學(xué)者就聯(lián)體共生模型在腫瘤、移植、免疫耐受等方面的研究進(jìn)行了一系列報道，但目前為止，還沒有研究者應(yīng)用異時聯(lián)體共生模型對年齡相關(guān)疾病進(jìn)行研究[24-26]。異時聯(lián)體共生模型作為有效連接青年與老年個體之間的“橋梁”，對研究一些老齡化疾病的緩解和治療具有重要意義[27]。可以預(yù)測，在不遠(yuǎn)的將來，聯(lián)體共生模型必將極大地推動老齡化疾病研究的進(jìn)程，為攻克各類年齡相關(guān)疾病做出巨大的貢獻(xiàn)。