Science重磅｜正常生理状态下的细胞衰老

“落红不是无情物，化作春泥更护花”，衰老细胞曾被认为单纯参与机体的衰老过程，但实际上并非如此，它也可以参与正常的生理过程，维持机体的健康。因此，以衰老细胞为靶点开发衰老治疗方法远比想象中复杂，并不仅仅是简单清除衰老细胞。

对此，2024年6月20日，英国伯明翰大学炎症与衰老研究所的João Pedro de Magalhães教授在Science上发表了题为“Cellular senescence in normal physiology”的前瞻性评述文章，对近些年的细胞衰老研究进行了系统总结，指明了目前的研究局限，为未来的研究方向提供了思路。

正文世界人口老龄化的加剧引发了人们对理解衰老进程、制定延长健康寿命的策略和干预措施的关注。细胞衰老是指细胞在体外增殖一段时间或应答亚致死性刺激/癌基因表达之后出现的不可逆的生长停滞状态，可导致衰老表型的出现并在衰老相关疾病中发挥作用。越来越多的证据表明，衰老细胞在肿瘤抑制、发育、伤口愈合、组织重塑、再生和血管形成等过程中具有重要的生理功能。

由此引出了一系列重要问题：不同衰老细胞类型之间存在哪些异同？它们在稳态维持和病理进程中如何发挥作用？同时这也为靶向衰老细胞的治疗带来了更多挑战。细胞衰老虽然在肿瘤抑制和衰老表型的出现中具有重要意义，但其确切定义仍存在争议。另外，衰老的生物标志物有许多种，包括了生长停滞、衰老相关的β-半乳糖苷酶活性增加、端粒相关的DNA损伤、细胞周期抑制因子p16和p21的表达增加等，这些标志物已经被用来在体外或体内鉴定和量化衰老细胞。衰老细胞会分泌促炎细胞因子和其它因子，这种特性被称为衰老相关分泌表型（Senescence-associated secretory phenotype, SASP）。SASP可能会破坏组织稳态并引发促炎状态。事实上，已有开创性的研究表明，通过使用诱导系统在表达p16的细胞中触发凋亡来遗传性地消除衰老细胞，能够减轻老化的现象并将小鼠的中位寿命延长24%到27%。因此，近年来，选择性清除衰老细胞的药物（Senolytics）的研究和开发受到了越来越多的重视。尽管小鼠模型上的部分研究支持衰老细胞可以诱发或加剧衰老相关表型这一假设，但近期的研究表明它们在非有害甚至生理过程中也有其他作用。事实上，在小鼠中清除衰老细胞也可能对健康产生不利影响，这表明衰老细胞对维持哺乳动物机体的稳态和正常生理过程十分重要。

例如，衰老细胞随着年龄的增长而增多，尤其是在肝脏中，并且通常是血管内皮细胞先衰老。在小鼠中持续或急性清除衰老细胞会破坏血液-组织屏障并引起血液源性大分子废物的积累，导致多种组织中出现血管周围纤维化并最终危害健康。以上结果强调了衰老细胞在组织中发挥的功能性和结构性作用对机体健康至关重要。最近的另外一项研究以p16作为衰老细胞标志物，在幼年小鼠的基底膜中发现了一群与肺部上皮干细胞相邻的衰老成纤维细胞，它们通过监控组织屏障的完整性以及响应组织炎症来促进上皮组织再生。

另一项研究在新生小鼠肺部中检测了多种细胞类型的衰老情况，并证实通过药物干预或基因编辑手段（敲除p21）减少衰老细胞会影响肺部发育。这些发现表明，程序性衰老可能并不是由损伤反应诱导发生，而是与发育过程相关，特别是对于小鼠的肺部发育至关重要。但在7日龄小鼠的肺部发育完成后，减少衰老细胞能够缓解高氧引起的肺部损伤，这表明衰老细胞也会阻碍组织修复。矛盾的是，尽管在患有高血压的小鼠和人的肺部检测到衰老标志物的含量增加，但在小鼠模型中清除衰老细胞可能会加剧肺动脉高压。

一项利用p16转基因小鼠的研究也发现，p16和细胞衰老在促进胰岛β细胞分泌胰岛素方面发挥作用，与此同时在人类细胞中也观察到了相同现象。这些结果表明在某些情况下，细胞衰老可以增强细胞功能。体内衰老研究通常使用“衰老消融（Senescence-ablator）”小鼠，这些小鼠经由基因工程改造，可以特异性地清除衰老细胞，通常靶向的是表达p16的细胞。需要注意的是，这些小鼠模型通常使用不同的构建体靶向p16，不同的构建体清除衰老细胞的速度和效率也不同。因此，技术差异可以解释某些结果的不一致性，并进一步说明在组织内存在特定比例或类型的衰老细胞可能是对健康有益的，而其他类型的衰老细胞及其数量则可能是病理性的。

同时，也要注意p16是体内衰老研究中最常用的标志物，但它并不是细胞衰老的通用标志物，某些衰老细胞可能不表达p16。虽然在小鼠以及其它生物的发育过程中可以观察到细胞衰老现象，但细胞衰老在发育过程中所扮演的角色仍需要探索。在人类胎盘中观察到了衰老细胞和衰老信号的激活，然而在宫内生长受限的妊娠胎盘中这些信号下调。有趣的是，重要衰老相关信号蛋白（p16、p21和p53）基因的缺失可导致衰老缺陷小鼠的胎盘出现形态学异常，表明细胞衰老及其相关的信号通路可以调节胎盘的结构和功能。

此外，小鼠体内的衰老细胞能够促进毛发生长，且聚集的衰老细胞似乎会增强相邻干细胞的活性，促进组织再生。因此，在不同哺乳动物组织的发育过程中，与损伤无关的程序性衰老发挥着各种功能，而衰老细胞的具体功能仍需进一步研究。

人们已经认识到细胞衰老在伤口愈合和修复中的作用，并且有人提出衰老细胞可能通过SASP招募免疫细胞从而促进组织修复。关于细胞衰老在不同动物的再生和组织修复中的作用，人们也有了更全面的认识。在一种名为Hydractinia symbiolongicarpu的无脊椎腔肠动物水螅中，衰老细胞可以诱导邻近体细胞通过重编程转化为干细胞，从而驱动再生。遗传或药物抑制细胞衰老会阻碍重编程和再生，这表明衰老细胞可能通过向损伤部位附近的细胞发出信号而为再生做好准备。同样，在蝾螈（Notophthalmus viridescens）中，细胞衰老通常通过促进肌肉细胞去分化以及产生再生祖细胞来促进肢体再生。在斑马鱼中，切除鳍后会出现衰老细胞，而药物清除这些衰老细胞会阻碍组织再生。虽然上述观察结果在哺乳动物中的相关性还不明确，但在小鼠模型的几项研究中也表明，衰老细胞对于组织再生至关重要。例如，肝脏损伤后会引起肝星状细胞衰老，通过药物或基因手段清除衰老细胞会损害肝脏再生能力。细胞衰老是一种适应性过程，衰老细胞不完全是老化或功能失调的细胞，它们是对多种生理过程具有重要作用的功能性细胞（如图1所示）。细胞衰老（Senescence）这个词意味着一种有害或无功能性作用的观点或许已经不再准确。

尽管目前仍缺乏普遍适用的衰老标志物，如何明确定义细胞衰老也存在挑战，但毋庸置疑的是，表达衰老相关标志物的细胞在各种正常生理功能以及维持组织稳态中发挥着至关重要的作用。 损伤和应激可以诱导细胞衰老的发生，然后这些衰老细胞可能通过SASP招募免疫细胞进而促进组织修复和重塑，但损伤之外的其它方式也可以诱导细胞衰老的发生，例如发育过程中也会出现衰老细胞。此外，由损伤诱导的衰老还可以促进再生和伤口愈合，而衰老细胞在不同组织再生过程中的参与程度将是一个令人兴奋的研究领域。

虽然许多研究表明衰老细胞在衰老过程中发挥作用，但最近的研究发现衰老细胞也发挥正常的生理功能作用，这将有助于揭示细胞衰老在哺乳动物衰老中的复杂作用。图1 衰老细胞的功能来自小鼠和其他模式生物的最新研究表明，细胞衰老在诸多生命活动中发挥重要作用，这包括多种组织器官的发育、多种动物的组织再生、炎症和伤口愈合、肿瘤抑制、胰腺β细胞的胰岛素分泌等过程以及血管系统和胎盘结构的形成。

衰老细胞存在多种类型，这些细胞具有衰老相关分泌表型（SASP），并与p16和p21等标志物的表达相关。关于衰老细胞的研究确实存在一些缺陷。虽然不断有药物干预实验证实senolytics对衰老小鼠的健康有益。但这些药物具有脱靶效应，因此，本文所关注的遗传操作可能提供了一种更为精确的方法来检测衰老细胞在健康、衰老和疾病中的作用。即便如此，一些结合遗传学和药理学两种方法靶向小鼠衰老细胞的研究仍表明清除衰老细胞会损害正常的生理功能，如器官发育和组织再生。

另一个重要的缺陷是，大多数细胞衰老的体内研究都是在小鼠中进行的，但其在人类中的作用仍然知之甚少。在人类衰老相关疾病中已经发现衰老细胞的出现，它通常被看作是炎症反应的一部分。然而，衰老细胞在人类病理中是保护性的还是有害的（或两者兼而有之）仍有待确定。正如炎症在促进组织修复的同时也可能会导致组织功能障碍，衰老也可能是多效性的，它对人类造成的不利或有害的影响则可能取决于环境。

也许某些类型的衰老细胞通过促进再生以及维持组织结构和功能稳定来防止组织退化，从而维持机体健康，而其它类型的衰老细胞或过量的衰老细胞可能会促进组织退化。值得注意的是，并非所有的衰老细胞都是一样的，它们可能有不同的诱导因子，表达不同的标志物，并且来源于不同的组织和细胞类型。但目前人们对不同类型的衰老细胞仍然缺乏更深入的了解。许多问题依旧存在，例如不同类型衰老细胞的时间动态、功能以及免疫系统对其清除的影响。也许短期的、瞬时的细胞衰老是有益的，而长期的、慢性的衰老则是有害的。

实际上，衰老细胞不仅是异质性的，而且可能是动态的，并且会随着时间和组织微环境的变化而变化。目前需要更多的研究来帮助区分健康和病理性衰老细胞，现有正在进行的项目，如细胞衰老网络（Cellular Senescence Network, SenNet; https://sennetconsortium.org/），其旨在识别、分类和表征人类和模式生物中的衰老细胞，以加深对衰老细胞的理解。随着人们对衰老细胞的认识逐渐加深，衰老细胞被发现具有越来越多的生理作用，但与此同时，这也为senolytics和其它衰老治疗药物的开发带来了挑战。也许在某些组织中清除特定类型的衰老细胞是有益的，而清除其它类型的衰老细胞或者清除过多的衰老细胞则可能是有害的。

因此，在保留健康的衰老细胞的同时，通过特定的剂量和给药方式等方法精确地清除病理性衰老细胞，将能促进更加有效的治疗。或者，可能需要探索细胞衰老的调节因子， 这样可以在不清除衰老细胞的情况下改变衰老细胞的功能。总之，开发靶向衰老细胞的衰老疗法颇有希望，但这一过程可能比最初预期的更复杂。