組織器官衰老的“種子與土壤”理論

張文杰

【提要】 人口老齡化已經(jīng)成為全球關注的焦點，如何減少衰老相關疾病的發(fā)生，是預防醫(yī)學面臨的重大挑戰(zhàn)。建立科學的衰老理論，將為制定有效的抗衰老策略提供重要的依據(jù)。借鑒組織工程學的研究經(jīng)驗，我們提出了組織器官衰老的“種子與土壤”理論：“種子”代表了干細胞，“土壤”代表了組織微環(huán)境，“種子”的耗竭與“土壤”的惡化是組織器官衰老的核心。基于衰老組織的這些特征性變化，我們提出了“除草、施肥、播種”的抗衰老綜合策略：清除衰老細胞、改善組織微環(huán)境、補充干細胞，并依據(jù)這一策略，對現(xiàn)有的抗衰老技術進行新的歸類。

人口老齡化已經(jīng)成為全世界關注的焦點，目前國際上普遍將65 歲及以上人口占總人口的比重，作為衡量老齡社會程度的標準，7%～14%為輕度老齡社會；14%～20%為中度老齡社會；20%以上為重度老齡社會。2021 年末，我國65 歲及以上人口已突破2 億，占總人口的14.2%，我國已進入中度老齡社會，到2025 年末，我國將進入重度老齡社會[1]。機體的衰老，伴隨著重要臟器功能減退，自我修復能力下降，繼而產(chǎn)生一系列組織的退行性改變，衰老相關疾病的發(fā)生率進行性提高，給家庭和社會造成嚴重的負擔。如何提高老年人的身體健康水平，減少和延緩衰老相關疾病的發(fā)生，是預防醫(yī)學面臨的重大挑戰(zhàn)。近年來，抗衰老的相關研究得到了廣泛關注，建立科學的衰老理論，將為制定有效的抗衰老策略提供重要的依據(jù)。我們借鑒組織工程的研究經(jīng)驗，提出了組織器官衰老的“種子與土壤”理論，并依據(jù)該理論提出了“除草、施肥、播種”的綜合抗衰老策略。

1 組織器官衰老的“種子與土壤”理論

人們對于衰老的認識是在近30 年中積累起來的。人體衰老的機制非常復雜，目前的認識只是其冰山一角。2013 年，López-Otín 等[2]綜合闡述了人體老化的9 大標志性改變，包括基因組的不穩(wěn)定性、端粒的磨損、表觀遺傳的改變、蛋白質(zhì)內(nèi)穩(wěn)態(tài)的喪失、營養(yǎng)感知的失調(diào)、線粒體功能障礙、細胞衰老、干細胞耗竭，以及細胞間通信的改變。如果細分的話，前7 項變化歸于細胞和分子水平的變化，后2 項則歸于組織器官水平的變化。該報道進一步將衰老特征分為3 類：主要特征、拮抗特征和綜合特征。主要特征是指引起損傷的始動因素，包括了基因組的不穩(wěn)定性、端粒的磨損、表觀遺傳的改變、蛋白質(zhì)內(nèi)穩(wěn)態(tài)的喪失；拮抗特征是人體應對損傷的反應，包括了營養(yǎng)感知的失調(diào)、線粒體功能障礙、細胞衰老；綜合特征是最終導致的結局，包括了干細胞耗竭和細胞間通信改變，并認為干細胞耗竭和細胞間通信改變是導致衰老的“罪魁禍首”。簡單地描述這一過程就是：機體隨著年齡的增長，不斷受到外源性或者內(nèi)源性的損傷，導致在細胞和分子水平發(fā)生一系列變化，損傷后機體啟動自我保護機制，產(chǎn)生保護性反應；如果保護失效，則導致組織器官水平的病理改變，造成干細胞數(shù)量的耗竭以及體內(nèi)微環(huán)境的紊亂，使機體修復能力下降，器官功能減退，衰老隨之發(fā)生。由此可見，組織內(nèi)的干細胞數(shù)量以及組織微環(huán)境是決定組織再生修復能力的核心，這一理念與組織工程學的原理頗為相似。在組織工程學中，種子細胞、可降解支架材料、生長因子，是工程化組織體外構建的三大要素，通過體外模擬體內(nèi)的細胞與組織微環(huán)境，實現(xiàn)組織器官的人工再造[3]。借鑒組織工程的基本原理，我們提出了組織器官衰老的“種子與土壤”理論，“種子” 代表了干細胞，“土壤” 代表了組織微環(huán)境，“種子”的耗竭與“土壤”的惡化是導致組織器官衰老的核心。

1.1 “種子”的耗竭

人類從受精卵發(fā)育成個體的過程，是干細胞不斷增殖與分化的過程，從個體出生到衰老死亡，人體組織始終保持著一定程度的自我更新，其中干細胞為組織的新舊更替提供了重要的種子來源。組織再生修復能力的下降是機體衰老最明顯的表現(xiàn)，而干細胞的損耗在幾乎所有成體干細胞中都有發(fā)現(xiàn)，包括小鼠前腦[4]、骨[5]、骨髓等[6]。研究證實，老年小鼠的造血干細胞比年輕小鼠的造血干細胞細胞分裂進行得更少，細胞周期活性整體下降[6]。隨著年齡的增長，造血功能下降，導致適應性免疫細胞產(chǎn)生減少，這一過程被稱為免疫衰老，可以增加貧血和髓系惡性腫瘤的發(fā)病率[7]。骨髓間充質(zhì)干細胞的數(shù)量隨著年齡的增加而逐漸減少，分化能力也逐漸減低，導致老年骨質(zhì)疏松和骨折后難以愈合等問題[8]。干細胞耗竭的內(nèi)在原因之一是端粒的磨損，通常細胞的每一次分裂都會使端粒縮短，端粒的長度決定了細胞的壽命[9]。另外，其他的損傷導致的基因組的不穩(wěn)定性、表觀遺傳的改變、蛋白質(zhì)內(nèi)穩(wěn)態(tài)的喪失等，也是導致干細胞數(shù)量減少的原因?！癝tem cell niche”被認為是組織內(nèi)成體干細胞保存的重要場所，由細胞以及生物、化學、物理等因素組成的微環(huán)境，影響著干細胞的靜息、激活、自我更新以及分化等狀態(tài)，干細胞微環(huán)境的破壞，可直接影響干細胞的自我更新能力，導致數(shù)量的減少[10]。

1.2 “土壤”的惡化

López-Otín 等[2]認為，除了細胞自身的改變，衰老還涉及細胞間通信的變化。隨著年齡的增長，炎癥反應增多，神經(jīng)激素信號下調(diào)，清除致病菌和癌前細胞的能力減弱，細胞周圍和細胞外的成分變化，將影響所有組織的功能。衰老組織微環(huán)境的普遍特征包括了慢性炎癥[11]、血供減少[12]、過氧化物堆積[13]等，并相互影響。慢性炎癥可導致血管退化、血液供應減少，血供減少會引起過氧化物堆積，而過氧化物堆積又會加重慢性炎癥。衰老組織的炎癥可能由多種原因引起，如累積的炎癥性組織損傷、免疫系統(tǒng)清除病原體和功能失調(diào)宿主細胞的能力降低、衰老細胞分泌的促炎因子，以及細胞自噬功能的障礙等[14-15]。Martínez 等[16]認為，慢性炎癥是由慢性氧化應激狀態(tài)導致整個免疫系統(tǒng)的低度慢性炎癥，并提出了“氧化-炎癥-老化”（Oxi-inflamm-aging）的概念，而線粒體活性氧類（ROS）的產(chǎn)生是整個過程的始動因素。另有研究認為，炎癥主要是由積累的老化細胞引起的[17-18]，在成纖維細胞和上皮細胞中的研究表明，細胞衰老伴隨著參與細胞間信號轉(zhuǎn)導的40～80 個因子的分泌顯著增加，這組因子的分泌被稱為“衰老相關分泌表型”（SASP）[19]。SASP 蛋白包括生長因子、蛋白酶、趨化因子和細胞因子等，其中已知的刺激炎癥的蛋白質(zhì)包括白介素（IL）-6、IL-8、IL-1、粒細胞巨噬細胞集落刺激因子（GM-CSF）、單核細胞趨化蛋白（MCP）-2、MCP-3、基質(zhì)金屬蛋白酶（MMP）-1和MMP-3，以及許多胰島素樣生長因子（IGF）結合蛋白等[19]。SASP 蛋白不僅影響局部組織微環(huán)境，還能通過血液循環(huán)作用于其他組織和器官。研究發(fā)現(xiàn)，皮膚的老化與免疫功能老化、神經(jīng)退行性疾病、心血管疾病的發(fā)生和壽命的長短相關，其機制可能是老化的皮膚細胞通過釋放SASP 作用于其他臟器[20]。

2 抗衰老綜合策略

針對干細胞耗竭與組織微環(huán)境惡化的組織器官衰老的特征表現(xiàn)，我們提出了“除草、施肥、播種”的抗衰老綜合策略：清除衰老細胞、改善組織微環(huán)境、補充干細胞。

2.1 “除草”（清除衰老細胞）

清除衰老細胞的方法很多，第一種就是提高免疫力。年輕時，組織中的衰老細胞也會產(chǎn)生，通常是被免疫系統(tǒng)識別并清除；隨著年齡的上升，機體的免疫力降低，衰老細胞的清除能力也隨之降低，所以提高機體免疫功能是清除衰老細胞的有效方法。第二種是能特異性殺死衰老細胞的被稱為“senolytics”的藥物[21]，包括達沙替尼、槲皮素等，動物實驗證實這類藥物可以殺死體內(nèi)衰老細胞，延長動物壽命[22-23]。第三類是轉(zhuǎn)基因的設想，在細胞內(nèi)導入自殺基因，一旦細胞衰老就啟動自殺程序[24]。無論是哪種方法，衰老細胞的清除對于延緩衰老的進程是重要的，因為衰老細胞釋放的SASP 蛋白不僅作用于局部組織，還能通過血液循環(huán)作用到身體的其他器官，加快其他組織和器官的衰老，所以清除衰老細胞是抗衰老的第一步。

2.2 “施肥”（改善微環(huán)境）

組織微環(huán)境對組織再生修復起關鍵作用，Ge等[25]的研究發(fā)現(xiàn)，年老小鼠皮膚的毛囊干細胞移植到年輕小鼠的真皮組織中可以再生毛囊，而年輕小鼠的毛囊干細胞移植到年老真皮組織中卻不能再生毛囊，顯示了組織微環(huán)境在組織再生修復中的重要性。衰老組織微環(huán)境的普遍特征包括了慢性炎癥、血供減少、過氧化物堆積等。因此，理想的“肥料”應該具有抗炎、抗氧化、促血管新生等復合功能。目前已經(jīng)在開展應用的第一種“復合肥料” 是間充質(zhì)干細胞。大量研究表明，間充質(zhì)干細胞主要通過旁分泌抗炎、抗氧化、促血管新生的活性因子，在組織再生修復中發(fā)揮作用，而通過分化參與組織修復的細胞數(shù)量極少[26]。因此，間充質(zhì)干細胞在大部分疾病治療中真正起的是“肥料”的作用，而不是“種子”的作用。在難愈性創(chuàng)面和骨關節(jié)炎的治療中，同種異體的臍帶間充質(zhì)干細胞和脂肪間充質(zhì)干細胞是最為常用的細胞類型，雖然這些細胞的免疫原性比較低，但最終都逃脫不了被免疫系統(tǒng)清除的命運，細胞在移植后的短暫時間內(nèi)存活，并通過旁分泌活性因子來調(diào)控局部的炎癥、促進血管新生、刺激細胞增殖、抗細胞凋亡等，發(fā)揮促進組織再生修復的作用[27-28]?；陂g充質(zhì)干細胞的旁分泌作用機制，延伸出了第二類“復合肥料”，即間充質(zhì)干細胞培養(yǎng)中的上清液或上清液中進一步分離提取的外泌體。大量研究表明，間充質(zhì)干細胞外泌體同樣具有抗炎、抗氧化、促血管新生等功能，起到促進組織再生修復的作用[29]。第三種“復合肥料” 是最近幾年我們研究發(fā)現(xiàn)的脂肪脫細胞活性蛋白（Cell-free fat extract，CEFFE），是來源于脂肪組織的活性蛋白群，同樣具有抗炎、抗氧化、促血管新生、促神經(jīng)再生等功能[30]，在神經(jīng)、呼吸、生殖、運動等衰老性疾病的動物模型中，證實了其廣泛的應用前景，其作用機制也是通過改善組織微環(huán)境發(fā)揮作用[31-33]，有望成為未來抗衰老的“復合肥料”。

2.3 “播種”（補充干細胞）

播種的概念可以分為兩種：一種是保護干細胞，另一種是補充干細胞。保護干細胞的藥物包括雷帕霉素[34]、二甲雙胍[35]、槲皮素[36]、尿苷[37]、煙酰胺核苷和煙酰胺單核苷酸[38]等，動物實驗研究顯示均具有抗衰老和延長動物壽命的作用。補充衰老組織內(nèi)耗竭的干細胞可以從補充外源性和內(nèi)源性干細胞兩條路徑來實現(xiàn)。補充外源性干細胞的最大難點在于：如果要讓干細胞真正起到“種子”的作用，就必須找到組織相容性、抗原完全匹配的供體，才能讓細胞長期存活不被排斥，這個概率和我們尋找異體骨髓移植的概率一樣低。可能解決的第一條路徑是建立有效的體外干細胞培養(yǎng)擴增體系，取少量自體干細胞，體外擴增后獲得滿足需求的細胞數(shù)量；第二條路徑是細胞重編程技術，可以把自體分化成熟的皮膚或血液細胞等重編程回到最原始的狀態(tài)，并通過誘導重編程細胞再次分化，獲得我們想要的各種組織干細胞[39]。補充內(nèi)源性干細胞可以通過兩條途徑實現(xiàn)。第一條途徑：研究發(fā)現(xiàn)骨髓中含有多種干細胞，有些甚至具有向3 個胚層分化的能力，可以動員骨髓里的干細胞，通過血液循環(huán)進入需要再生修復的器官中，如骨髓間充質(zhì)干細胞等[40-41]；第二條路徑：通過在體重編程技術，將重編程藥物注射到體內(nèi)，將組織中的分化細胞定向回到相對原始的狀態(tài)[42]。Lu 等[43]在小鼠視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞中異位表達Oct4、Sox2 和Klf4 基因，可以恢復細胞年輕態(tài)的DNA 甲基化和轉(zhuǎn)錄組模式，促進損傷后軸突再生，逆轉(zhuǎn)了青光眼模型小鼠和老年小鼠的視力損失。

2.4 其他干預措施

生活習慣，特別是飲食、運動、情緒等因素可以影響機體的衰老速度，其背后的科學機制也是通過影響干細胞狀態(tài)以及組織微環(huán)境發(fā)揮作用[44]。少食、多動、不抽煙、不酗酒、保持樂觀的心態(tài)等都是日常抗衰老的基礎。

3 總結與展望

組織器官衰老的“種子與土壤”理論，形象地描述了組織器官衰老的兩大特征性變化，在此基礎上提出的“除草、施肥、播種”抗衰老綜合策略，基本涵蓋了目前正在嘗試的各種抗衰老治療手段?？梢灶A見，采用多角度聯(lián)合干預方式，有望恢復正常衰老組織再生修復能力，提高抗衰老效果?！俺?、施肥、播種”，無論哪個方面的突破，都將改變我們的衰老速度，給健康壽命的延長帶來巨大幫助，也期待相關藥物和技術能盡早造福人類。當然，從López-Otín 等[2]綜述的人體老化9 大標志性改變來看，“種子與土壤”理論側重于最后兩項組織器官水平的衰老變化，闡明前7 項中衰老在細胞和分子水平的變化，可以回答人體為何會衰老的真正機制，這些方向的探索，將是人類實現(xiàn)“長生不老”夢想的基石。