干細(xì)胞衰老的研究進(jìn)展

祝思路，羅 丹

(南昌大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，江西 南昌 330006)

干細(xì)胞(stem cell)是一類具有自我復(fù)制能力的多潛能細(xì)胞，是一種未充分分化，尚不成熟的細(xì)胞，具有再生成各種組織器官和人體的潛在功能，醫(yī)學(xué)界稱為“萬用細(xì)胞”。在一定條件下，它可以分化成多種功能細(xì)胞。根據(jù)干細(xì)胞所處的發(fā)育階段分為胚胎干細(xì)胞(embryonic stem cell，ES cell)和成體干細(xì)胞(somatic stem cell)，最具特征的成體干細(xì)胞是造血干細(xì)胞。雖然干細(xì)胞有能夠自我更新并分化為組織內(nèi)多種細(xì)胞類型的能力，但仍然易于損傷累積。干細(xì)胞在細(xì)胞譜系中的位置使其功能障礙比其他類型的細(xì)胞更具影響力[1]，干細(xì)胞衰老會導(dǎo)致干細(xì)胞喪失其譜系特異性，并產(chǎn)生無功能的分化產(chǎn)物，即使干細(xì)胞的數(shù)量可能不受影響，也會導(dǎo)致組織完整性的喪失和生理功能的下降，干細(xì)胞也可能失去自我更新的能力。

1 干細(xì)胞衰老模型的建立

干細(xì)胞衰老模型對研究衰老的組織特異性和機(jī)制具有重要價值，衰老的研究要么在系統(tǒng)水平上使用動物建立衰老模型， 要么在細(xì)胞水平上使用哺乳動物的細(xì)胞或酵母建立衰老模型。

1.1 干細(xì)胞衰老的動物模型

加速衰老的小鼠模型雖不是人類自然衰老的完美模型，但是，為模擬人類衰老而生成的小鼠模型具有轉(zhuǎn)化潛力，可以發(fā)現(xiàn)人類衰老相關(guān)疾病的治療方法。有研究表明，在經(jīng)環(huán)氧合酶-2(cyclooxygenase-2，COX2)改造后的轉(zhuǎn)基因小鼠模型中，與野生型同窩仔相比，COX2轉(zhuǎn)基因小鼠的壽命顯著降低，所有的COX2轉(zhuǎn)基因小鼠都表現(xiàn)出至少一種過早衰老的表型，這暗示了COX2作為控制年齡相關(guān)疾病的潛在靶標(biāo)[2]。高脂飲食(high fat diet,HFD)會縮短小鼠的壽命，并且也是誘發(fā)人類多種疾病的危險因素。對HFD的小鼠肺上皮和干細(xì)胞及其與衰老相互作用的研究發(fā)現(xiàn)，HFD不僅加重了老年小鼠的某些衰老變化，而且在幼齡小鼠中也引起了“衰老樣”變化。此外，HFD誘導(dǎo)了小鼠肺部的一些炎性反應(yīng)和功能變化，并加劇了衰老引起的肺部炎性反應(yīng)和線粒體退化，包括線粒體數(shù)量和功能的降低[3]。另外，性別也是重要的考慮因素，有實(shí)驗(yàn)比較了雄性和雌性Apc Min/+小鼠對含雷帕霉素飲食慢性治療的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)慢性雷帕霉素在野生型小鼠中延長壽命具有性別依賴性，雌性獲得最大益處[4]。

1.2 干細(xì)胞衰老的細(xì)胞模型

通常，建立干細(xì)胞衰老的細(xì)胞模型有兩種方式。一種方式是，細(xì)胞逐漸達(dá)到其增殖極限，并在復(fù)制性衰老后在體外停止分裂。另一種方式是，干細(xì)胞暴露于任一微環(huán)境急劇變化的體內(nèi)或體外，導(dǎo)致過早衰老，稱為誘導(dǎo)衰老。誘導(dǎo)方式有高糖誘導(dǎo)、H2O2誘導(dǎo)、輻射誘導(dǎo)、特定藥物誘導(dǎo)等。其中H2O2誘導(dǎo)最為普遍，且對于多種細(xì)胞均有效，而高糖誘導(dǎo)更具臨床意義。有研究用50、100和150 μmol/L不同濃度的H2O2處理脂肪干細(xì)胞并評估細(xì)胞活力，發(fā)現(xiàn)在150 μmol/L時細(xì)胞活力急劇降低，表現(xiàn)出致命的氧化應(yīng)激。相反，在50 μmol/L下的存活力與對照細(xì)胞相當(dāng)，表明氧化應(yīng)激最小。但在100 μmol/L時細(xì)胞增殖卻被抑制了50%～60%，確定為引起衰老而不引起細(xì)胞凋亡的最佳濃度[5]。此外，有研究比較了來自非糖尿病(nondiabetic adipose-tissue-derived mesenchymal stem cells,nASCs)和糖尿病(diabetic adipose-tissue-derived mesenchymal stem cells,dASCs)供體的脂肪組織來源的間充質(zhì)干細(xì)胞(adipose tissue-derived mesenchymal stem cells,ASCs)的葡萄糖代謝，數(shù)據(jù)表明，葡萄糖升高會降低dASC和nASC的增殖能力。另外，高糖環(huán)境也影響了牙周膜干細(xì)胞(periodontal ligament stem cells,PDLSCs)的成骨能力[6]。

2 加速及延緩干細(xì)胞衰老的因素

干細(xì)胞衰老本質(zhì)上是復(fù)雜的，對不同層次上發(fā)生的變化較為敏感，極易受害。內(nèi)部原因包括端?？s短、基因組的不穩(wěn)定、線粒體DNA突變等。外部原因如高脂高糖、炎性反應(yīng)，涉及信號通路的表觀遺傳反應(yīng)等。干細(xì)胞衰老是機(jī)體衰老和各種相關(guān)疾病發(fā)生的重要驅(qū)動力，探明干細(xì)胞衰老因素有助于逆轉(zhuǎn)器官和機(jī)體功能的退化。

2.1 加速干細(xì)胞衰老

除了自然老化之外，在病理?xiàng)l件下，不利的微環(huán)境也可能導(dǎo)致干細(xì)胞衰老。干細(xì)胞的功能障礙與肥胖，代謝綜合征和炎性反應(yīng)有關(guān)。細(xì)胞損傷和炎性損傷會導(dǎo)致衰老細(xì)胞的積累，氧化應(yīng)激是各種病理生理過程的重要因素，氧化應(yīng)激狀況可能是由于活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)形成增加或抗氧化劑活性降低，或兩者兼而有之。由于ROS和炎性反應(yīng)緊密地交織在一起，因此中等程度的氧化應(yīng)激會導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙和行為改變，而明顯的氧化應(yīng)激通常會導(dǎo)致細(xì)胞死亡[7]。有研究表明，肥胖會誘導(dǎo)細(xì)胞衰老[8]，衰老中炎性細(xì)胞因子產(chǎn)生的慢性活化作用會直接影響HSC功能，HSC長期暴露在促炎細(xì)胞因子IL-1的環(huán)境中會導(dǎo)致早熟的骨髓分化，嚴(yán)重?fù)p害HSC功能。此外，還有某些疾病如Werner綜合征(Werner syndrome,WS)，是由WRN基因突變引起的，導(dǎo)致WRN表達(dá)或功能喪失，WRN的喪失促進(jìn)了間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells,MSCs)的過早衰老。

2.2 延緩干細(xì)胞衰老

盡管干細(xì)胞的某些功能性變化是固有發(fā)生的，但其他一些則是由于微環(huán)境或生態(tài)位的年齡相關(guān)性變化而引起的。在基因組，表觀基因組和蛋白質(zhì)組學(xué)水平上觀察到的內(nèi)在變化，其中一些變化是潛在可逆的，可使老化的干細(xì)胞恢復(fù)活力。ASCs在體外傳代過程中使用具有抗衰老和干細(xì)胞保護(hù)特性的低劑量抗氧化劑(谷胱甘肽和褪黑激素)進(jìn)行處理。發(fā)現(xiàn)谷胱甘肽和褪黑激素可以通過抑制ASCs長期擴(kuò)增過程中的ROS生成，來延緩細(xì)胞衰老和促進(jìn)細(xì)胞遷移，以及保留干細(xì)胞多向分化潛能[9]。干細(xì)胞生態(tài)位包括細(xì)胞-細(xì)胞相互作用，細(xì)胞-細(xì)胞外基質(zhì)相互作用，以及大量的可溶性信號傳導(dǎo)因子，這些相互作用影響干細(xì)胞的各種功能[10]。代謝在干細(xì)胞衰老中的作用近來已成為廣泛研究的焦點(diǎn)，越來越多的證據(jù)表明代謝信號通路與干細(xì)胞衰老密切相關(guān)。熱量限制(caloric restriction,CR)對干細(xì)胞維持和組織再生具有有益作用，CR可以通過作用于干細(xì)胞的生態(tài)位和主要的能量信號通路來維持靜止的干細(xì)胞并增強(qiáng)干細(xì)胞的增殖。減少熱量攝入而無營養(yǎng)不良或減慢能量代謝途徑可減少細(xì)胞損傷和細(xì)胞內(nèi)ROS的產(chǎn)生，并為干細(xì)胞提供有利的微環(huán)境以維持其種群和功能[11]。Klotho是一種抗衰老基因，編碼單程跨膜蛋白klotho，是一種與干細(xì)胞衰老和端粒酶活性有關(guān)的蛋白質(zhì)[12]，可通過多種機(jī)制如抗氧化、抗衰老、抗自噬和多種信號通路的調(diào)節(jié)，包括胰島素樣生長因子和Wnt的調(diào)節(jié)充當(dāng)衰老抑制劑。干細(xì)胞與抗衰老基因一起在延緩衰老過程中起著至關(guān)重要的作用，研究表明，當(dāng)KL過表達(dá)時，小鼠的壽命會延長，相反，KL缺乏會引起早衰。在klotho缺陷小鼠中觀察到，干細(xì)胞數(shù)量減少，祖細(xì)胞衰老增加，皮膚中Wnt蛋白和信號傳導(dǎo)活性急劇增加，表明維持干細(xì)胞數(shù)量和功能都需要klotho[13]。

3 干細(xì)胞衰老的重要主導(dǎo)機(jī)制

基因組不穩(wěn)定性，端粒磨損，表觀遺傳改變，細(xì)胞衰老，干細(xì)胞衰竭，線粒體功能障礙，營養(yǎng)感應(yīng)失調(diào)，蛋白穩(wěn)態(tài)喪失和細(xì)胞間通訊改變是導(dǎo)致細(xì)胞衰老的重要因素。ROS引起的DNA損傷在衰老中最重要的方面是DNA甲基化水平，它隨年齡的變化而變化，通常認(rèn)為DNA低甲基化是衰老過程的一個典型方面[14]。因此，更好地保持DNA甲基化水平，減慢細(xì)胞代謝以及通過表觀遺傳機(jī)制改善信號傳導(dǎo)的控制可能是人類長壽的關(guān)鍵過程。干細(xì)胞的長期再生潛力取決于靜止、自我更新和分化之間的微妙平衡，所有這些因素都可能受ROS水平影響。ROS介導(dǎo)的氧化還原反應(yīng)在細(xì)胞信號傳導(dǎo)中起著關(guān)鍵作用，因此，細(xì)胞氧化還原狀態(tài)的改變可以直接調(diào)節(jié)氧化還原反應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子的活性，氧化應(yīng)激可以觸發(fā)干細(xì)胞的衰老[15]。干細(xì)胞中由炎性反應(yīng)引起的ROS導(dǎo)致其性能下降，從而改變組織的更新或再生。病理性ROS的產(chǎn)生可以通過多個步驟來誘導(dǎo)，并且抗氧化劑系統(tǒng)的功能障礙是主要原因[16]。當(dāng)干細(xì)胞中產(chǎn)生過多的ROS時，將直接導(dǎo)致組織更新和再生的惡化。過量的ROS會損害干細(xì)胞的自我更新，分化能力和增殖[17]。

4 不同干細(xì)胞衰老的區(qū)別

根據(jù)干細(xì)胞定義，所有組織特異性干細(xì)胞均具有自我更新的潛力，不同干細(xì)胞衰老的機(jī)制和對環(huán)境改變的反應(yīng)不盡相同，不同組織中的干細(xì)胞是否具有相似的衰老能力還有待研究。將腸道干細(xì)胞與造血系統(tǒng)的干細(xì)胞進(jìn)行比較時，發(fā)現(xiàn)似乎在這兩個組織中衰老有很大不同。在造血系統(tǒng)中，干細(xì)胞周轉(zhuǎn)率非常低，而腸中的增殖率卻很高[18]。此外，與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞相比，ADSCs的增殖和成骨分化能力受年齡和傳代的影響較小。

5 抑制干細(xì)胞衰老的重要性

干細(xì)胞有許多醫(yī)療用途，從理論上講，干細(xì)胞或其衍生物可用于恢復(fù)因疾病或受傷而丟失或損壞的體內(nèi)任何組織。目前在研究的潛在療法的例子包括：聯(lián)合移植間充質(zhì)干細(xì)胞和內(nèi)皮祖細(xì)胞可以還原陰莖海綿體神經(jīng)損傷相關(guān)的勃起功能障礙[19]，脂肪干細(xì)胞可以抑制糖基化介導(dǎo)的炎性級聯(lián)反應(yīng)使軟骨組織恢復(fù)活力，從而促進(jìn)糖尿病環(huán)境中的膝關(guān)節(jié)完整性[20]。干細(xì)胞是多細(xì)胞生命的再生單位，干細(xì)胞衰老可能是導(dǎo)致機(jī)體衰老和疾病的主要原因。造血干細(xì)胞衰竭導(dǎo)致貧血、間充質(zhì)干細(xì)胞下降導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥和骨折、腸上皮干細(xì)胞耗竭導(dǎo)致腸功能下降?？梢娨种聘杉?xì)胞衰老具有重要意義，在沒有損傷的情況下，組織中干細(xì)胞以自然增殖速率維持組織穩(wěn)態(tài)來應(yīng)對傷害。但是，急性損傷后，干細(xì)胞的反應(yīng)會更加強(qiáng)烈。干細(xì)胞必須自我更新以重新建立其數(shù)量，并必須通過替換丟失的細(xì)胞來分化以再生組織。

6 問題與展望

干細(xì)胞功能的變化或細(xì)胞數(shù)量的減少會促進(jìn)或加速衰老，植入干細(xì)胞以補(bǔ)充新的功能干細(xì)胞是減輕與年齡相關(guān)疾病的一種手段。衰老研究中的緊迫問題之一是探索維持干細(xì)胞功能并延緩衰老過程的分子機(jī)制，為基礎(chǔ)科研人員提供較為全面的信息，共同在干細(xì)胞衰老領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)存在的問題，更好的找到解決方法，并對臨床應(yīng)用干細(xì)胞治療策略的制定給予一些線索。