脑衰老及其干预新策略

黎健

北京医院 国家老年医学中心 国家卫生健康委员会北京老年医学研究所,北京100730

人的认知能力包括执行能力、工作记忆和情景记忆,其会随着年龄的增长有所下降。因为随着年龄的增长,脑器官逐渐发生衰老,导致脑功能的下降,表现为学习能力、记忆能力、注意力、决策速度、感官知觉(视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉)以及运动协调性的衰退。脑衰老可提高神经退行性疾病发生的易感性,与年龄相关的脑功能下降在50岁之后显著加快,当步入60、70和80岁后,患神经退行性疾病的风险会越来越高,其中阿尔茨海默病(AD)和帕金森病(PD)最为常见。深入了解和探究脑衰老与神经退行性疾病的奥秘如脑衰老有何特征?衰老如何诱发神经退行性疾病?脑衰老能否延缓?将对AD和PD等神经退行性疾病的预防、早期诊断和治疗具有重要意义。

1 脑衰老的特征

在正常衰老过程中,脑会逐渐萎缩,灰质和白质减少,脑室增大。磁共振成像显示,与增龄相关的灰质减少在颞叶和额叶最为显著。衰老过程中脑萎缩的比率可以预测是否会发展成认知障碍和痴呆。在细胞和分子水平上脑衰老具有10个特征[1]。

1.1 线粒体功能障碍 线粒体分布在神经元的树突和轴突,在神经细胞能量代谢和钙稳态中发挥关键作用。脑衰老过程中线粒体增大或破裂,线粒体DNA氧化损伤增加,电子传递链(ETC)功能受损,膜去极化线粒体数量增加,Ca2+处理能力受损,以及触发线粒体通透性转换孔(mPTP)形成的阈值降低。线粒体功能的下降涉及氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)水平和NAD/还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)比率的下降。在衰老过程中脑中的大多数细胞类型可能都会发生功能障碍的线粒体积累。

1.2 氧化损伤的蛋白质和脂质在细胞内积累 在衰老过程中,由于氧化失衡——活性氧(ROS)产生增加和/或抗氧化防御能力降低,神经元往往会积累功能障碍的聚集性蛋白质和脂质过氧化产物。神经元产生的活性氧主要来源于线粒体呼吸和各种氧化酶产生的超氧阴离子自由基、过氧化氢与Fe2+或Cu+反应产生的羟基自由基,以及由于相应细胞内Ca2+水平升高而产生一氧化氮(NO)。抗氧化防御能力减弱和移除氧化损伤分子的能力受损将加速衰老。

1.3 能量代谢失调 随着衰老,脑组织细胞中的葡萄糖代谢发生紊乱。由于衰老细胞响应胰岛素信号、转运葡萄糖的能力受损,血液循环中葡萄糖浓度会增加。神经元在衰老过程中也会发生胰岛素抵抗和葡萄糖转运障碍,表现为放射性标记的葡萄糖摄取正电子发射型计算机断层显像(PET)成像显示葡萄糖利用率逐渐降低,并且这种葡萄糖代谢异常在颞叶、顶叶、额叶以及运动皮层区域尤为突出。在脑衰老过程中,多种脂质代谢发生改变,表现为长链神经酰胺和富含脂质的细胞积累,以及脑组织中omega-3脂肪酸水平下降。

1.4 细胞“废物处理”机制受损(溶酶体和蛋白酶体功能障碍) 清除受损和功能障碍的分子和细胞器对神经元十分重要。受损的细胞成分被分子受体识别,并将它们转移到溶酶体或蛋白酶体,从而被降解。在自噬过程中,受损成分被包裹在膜状吞噬泡中,吞噬泡随后与溶酶体融合,并将内容物释放到酸性溶酶体腔中,在水解酶作用下被降解。如果细胞中包含的未降解物、功能失调的线粒体和多泛素化蛋白的自噬小泡呈增龄性累积,表明神经元衰老过程中发生蛋白酶体降解和自噬功能受损。

1.5 适应性应激反应信号通路受损 神经元不断受到代谢、离子和氧化应激的影响,这些应激来自神经元内部正常的电化学活动,以及外部的系统性生物能量挑战和生理、心理应激。三磷酸腺苷消耗、Ca2+和ROS是细胞做出适应性应激反应的3个主要启动因子。适应性应激反应信号通路可能在衰老过程中受损,从而使神经元易受损伤。例如,胰岛素样生长因子1(IGF-1)、脑源性神经营养因子(BDNF)、神经生长因子(NGF)信号在脑衰老过程中由于神经营养因子表达减少和受体表达或下游信号的改变而受损。神经营养因子缺陷可能导致衰老过程中神经元线粒体功能、Ca2+处理和抗氧化防御功能受损。

1.6 DNA修复功能受损 在衰老过程中,线粒体和细胞核中的DNA经常受到ROS的破坏,而细胞对这些损伤DNA的修复功能受损,如一些DNA修复蛋白的表达和(或)酶活性降低,就会导致受损的核DNA和线粒体DNA数量增加,尤其在核DNA的某些区域特别是涉及突触可塑性和线粒体功能的基因启动子区域容易发生氧化损伤的累积,从而加速神经元衰老。

1.7 神经网络活动异常 整个脑神经回路以兴奋性谷氨酸能神经元为基础,它们具有复杂的树突,并通过长轴突与其他谷氨酸能神经元和抑制性γ-氨基丁酸能中间神经元形成突触。不同神经递质系统的结构完整性和突触活动的适当整合是正常脑功能所必需的。在脑衰老过程中,脑区域内和脑区域之间的神经元网络活动发生异常,使神经回路容易受到过度兴奋性和兴奋毒性损伤。例如,胆碱能神经元的神经递质系统在学习和记忆、决策和情绪调节中起关键作用,他们的失调会导致老年人的认知障碍和抑郁。

1.8 神经元钙离子(Ca2+)调节能力失调 Ca2+可以调节神经元功能和神经网络的结构适应性,涉及记忆的形成和维持。在正常生理情况下,神经元能将Ca2+动态控制在生理范围内,而在衰老过程中,神经元Ca2+调节能力失调,衰老损伤了Ca2+诱导的后超极化,从而增加了Ca2+内流和从内质网释放的Ca2+,引起胞质Ca2+水平异常升高,从而导致蛋白质磷酸化、细胞骨架动力学和基因表达的失调。恢复神经元Ca2+稳态可改善衰老引起的认知障碍。

1.9 干细胞耗竭[2]成年哺乳动物的大脑含有2 个神经干细胞(NSC)储存库:侧脑室下区(SVZ)和海马齿状回(DG)。这些神经微环境含有可以被激活以产生活跃增殖神经干细胞(aNSCs)的静息态神经干细胞(qNSCs)。aNSCs具有分化为神经元、少突胶质细胞或星形胶质细胞的潜能。NSC增殖和产生新神经元的能力在发育后急剧降低,并在衰老过程中持续下降,这与年龄有关的神经退行性疾病发生率增加相关。在衰老过程中,NSC微环境中炎症细胞因子增加,小胶质细胞活化和T细胞浸润,导致NSC的数量和功能下降。

1.10 炎症反应增加 局部炎症是脑衰老的一个常见特征。胶质细胞,特别是小胶质细胞,通常在衰老的脑中表现出一种激活状态,产生促炎症细胞因子,包括白细胞介素(IL)-1β、IL-6和肿瘤坏死因子α (TNF-α)。补体级联是一种“攻击”和破坏细胞膜的蛋白-蛋白相互作用的连续反应,它也可能在衰老的脑中被激活,并与AD的发病机制有关。补体级联的遗传或药理学抑制作用可改善正常衰老期间以及AD发生过程的突触丢失和神经元死亡。另外,活化的小胶质细胞表达一种诱导型NO合酶,并产生大量NO,可引起神经元氧化损伤。

2 衰老如何诱发神经退行性疾病

PET研究发现,脑的葡萄糖代谢能力受损发生在AD发病的极早期,甚至在明显的临床症状出现之前。尸检表明,AD患者的易受损脑区内葡萄糖转运体水平、ETC复合物活性以及糖酵解通量发生降低。PD患者的控制运动脑区内葡萄糖利用率降低,受PD影响的神经元表现出线粒体呼吸链功能减退。

大量证据表明,脑衰老标志作用于Aβ斑块和pTau神经纤维缠结的上游。脑衰老产生线粒体功能障碍、氧化损伤的蛋白质积累、钙离子调节能力失调和溶酶体功能受损,促进Aβ清除下降和前体APP裂解增强,导致Aβ斑块聚积和pTau神经纤维缠结的形成。而Aβ与pTau的沉积加剧氧化损伤的蛋白质积累、钙稳态失调和线粒体功能障碍,引起突触衰退,导致神经元死亡,神经元大量丧失[1]。

在PD发生过程中,脑衰老产生线粒体功能障碍、氧化损伤的蛋白质积累、钙离子调节能力失调和溶酶体和蛋白酶体功能受损,促进神经毒性形式的α-突触核蛋白在细胞质中累积,类似于AD患者神经元中异常的pTau神经纤维缠结。反过来,α-突触核蛋白的累积与线粒体功能障碍都会加剧氧化应激与DNA损伤,破坏神经元Ca2+稳态,促进神经炎症的发生,导致突触衰退和神经元死亡[1]。

分析脑衰老向神经退变和AD演变的过程发现,脑衰老时有Aβ表达增高,但无老年斑沉积;发展到神经退变时有老年斑形成,但无代表病理性损伤的神经纤维缠结存在;演变到AD时除大量老年斑出现外,还有神经纤维缠结形成。研究表明,从脑组织出现老年斑到临床AD发病间隔约15年。因此,延缓脑衰老是防治神经退行性疾病的关键。

3 延缓脑衰老的新策略

3.1 改善生活方式

3.1.1 间歇性能量限制 从进化的角度来看,在食物匮乏的时候,成功争夺有限的食物来源使得脑和身体功能良好的个体得以被自然选择保留下来。而在现代社会中,人们普遍的饮食模式是每日进食三餐加零食。为了延缓脑衰老,人们试验了许多饮食干预措施,其中最受欢迎的当属间歇性禁食。所谓间歇性禁食,即交替进行禁食和摄食,通常分为3种形式:一种是隔日禁食:以2 d为1个周期,36 h 无卡路里摄入,随后的12 h随意饮食。就是每2天的周期里,只有半天可以随意吃,其余时间只喝水。另一种是5∶2饮食:隔日禁食的改良版本,以1周7 d为1个周期,每周7 d中有2 d限制只吃1顿中等份量的食物。再有一种就是限时进食:以1 d为1个周期,每天在特定的时间段内进食,通常为4～10 h,以8 h最为常用。进食期间没有卡路里限制,其余时间不进食[3]。间歇性能量限制能改善认知和运动能力,并保护神经元免受癫痫、脑卒中、PD和AD导致的功能障碍和退化。其机制可能涉及这种禁食与进食之间的交替触发了一种代谢转换,即一种本能的应对食物短缺的适应模式。一旦细胞能量耗尽,即快速获取基于糖的储备能量,并开始以较慢的代谢模式将脂肪转化为能量时,就会启动这种转换。肝脏将脂肪酸转化为酮体用于供能,血液中酮体水平就会提升,而酮体能够调节机体健康和衰老的多种蛋白和分子的活性及表达[4]。实际上,间歇性禁食并没有对新陈代谢产生负面影响,也不会导致饮食紊乱。一些人担心禁食会导致昏昏欲睡、无法集中精神,但很多人在禁食日感觉仍然精力充沛,不但不会感觉糟糕,甚至感觉更好。目前,间歇性禁食已纳入一些医院的医疗实践中,对想要尝试间歇性禁食的人给出了建议:(1)调整期:刚开始禁食的人可能会出现头痛、头晕和便秘等不良作用,这在禁食1～2周后会消退。可以通过增加饮水量来缓解这段时间因脱水引起的不良作用。(2)运动:可以在禁食期间进行中等强度的耐力或阻力训练,但在运动后要吃禁食日餐。(3)禁食期间的饮食:间歇性禁食期间吃水果、蔬菜和全谷物有助于增加纤维摄入量,并有助于缓解禁食时伴随的便秘。(4)酒精和咖啡因:对于那些隔日禁食或5∶2饮食的人,不建议在禁食日饮酒和咖啡,因为有限的卡路里摄入量应该留给提供营养的健康食品[4]。

3.1.2 适度运动 美国的研究人员对4 840名40岁以上的成年人进行了长达10年的追踪。研究结果表明,有氧运动可减缓大脑萎缩,降低患AD的风险。40岁后,每天坚持健走30～45 min,每周步行距离不低于10 km,将有助于预防大脑萎缩,使大脑保持年轻状态,预防AD的早期发作[5]。

Villeda团队在《科学》上报告,运动的老鼠在海马体中生长了大约2倍数量的新神经元,海马体是大脑中负责学习和记忆的区域。然后,他们在小鼠血液中寻找含量上升的发挥作用的蛋白质,发现这些在小鼠的肝脏中产生的一种叫作糖基化磷脂酰肌醇特异性磷脂酶D1(Gpld1)的蛋白质。Villeda团队还发现,有规律锻炼的老年人血液中的Gpld1水平明显高于那些没有锻炼的老年人,表明老鼠的实验结果可能也适用于人类[6]。

Chekroud团队用100多万美国人的大数据分析了不同种类运动和全因病死率的关系,结果表明,挥拍运动、有氧运动可分别降低全因病死率47%、27%。常用的有氧运动方式有行走、慢跑、骑自行车、游泳、健身操等。进一步的分析显示,每次锻炼的最佳时长应该在45～60 min之间,而从频次来说,1周3～5 d,每天1次获益最高[7]。

适度运动导致肝糖原储存的间歇性消耗和脂肪酸生酮的动员,并增加脑的神经网络活动。在脑细胞中一些信号通路被激活,包括营养因子表达上调,转录因子激活,编码蛋白质的基因表达增加,神经可塑性和弹性增强。这些调节间歇性代谢挑战的生物学过程包括线粒体生物发生和抗应激、神经递质信号通路的适应性修饰、自噬增强、抗氧化防御和DNA修复、刺激神经发生并抑制炎症。间歇性代谢挑战减缓了与年龄相关的神经功能衰退,降低患AD和PD的风险[1]。

3.2 老药新用和潜在药物

3.2.1 雷帕霉素 雷帕霉素是一种大环内酯类化合物,首次发现于1960年,并作为抗真菌药物从一种生存在拉帕努伊岛上的细菌中分离出来。随后,人们用雷帕霉素处理哺乳动物细胞后发现,其具有免疫抑制与抗细胞增殖的作用,因此常用作免疫调节剂来预防器官移植排斥反应与心脏手术后再狭窄,并辅助癌症化疗。近年来,雷帕霉素在几乎所有的动物模型中都展现出延缓衰老,延长寿命的功效。雷帕霉素是通过抑制mTOR通路而延缓脑衰老,延长寿命。mTOR是调节细胞和生物生理学的中心调节因子,可整合生长因子、营养和其他因素,对多种靶点进行磷酸化,并调整细胞生长、自噬作用、蛋白合成和降解等生理过程。研究表明,雷帕霉素能够改善衰老相关的学习、记忆能力和探索能力的衰退。研究结果显示,雷帕霉素可促进PD小鼠模型神经元的再生,改善PD的发展。然而,雷帕霉素的临床应用却受到其不良反应的限制,包括可能导致高血糖、高血脂、肾脏毒性和免疫抑制等。未来,需要改进目前雷帕霉素的给药方案,如降低雷帕霉素的用药剂量,可能在减少不良反应的同时,维持一定的抗衰老作用,另外还需进行更多人体试验,获得更多的临床前和临床证据,证明其在延缓衰老方面的作用[8]。

3.2.2 二甲双胍 二甲双胍是一种广泛用于治疗2型糖尿病的双胍类药物，是2型糖尿病防治指南中推荐的一线用药。流行病学调查发现,服用二甲双胍可以降低心血管疾病发生率、病死率、患癌率、总体病死率、抑郁症和衰弱相关疾病的发病率。系列研究均表明二甲双胍可以预防癌症、心血管疾病、慢性肾脏、肝脏疾病和神经退行性疾病。临床前研究表明二甲双胍具有延缓衰老的作用,二甲双胍可以将秀丽隐杆线虫寿命增加36%,这一作用可归因于AMPK活化、适应性应答反应、溶酶体途径和微生物组的代谢变化。此外,研究人员还对健康受试者进行了一项小规模的短期干预,发现二甲双胍可以触发非糖尿病受试者(平均年龄为70岁) 衰老相关代谢与非代谢途径。2015年,经美国FDA 批准的一项名为“使用二甲双胍靶向衰老”(TAME) 的研究计划旨在探究二甲双胍对美国多个区域的3 000名65～79岁非糖尿病患者的影响。在药物延长健康寿命并预防多种衰老相关疾病的前提下,可以通过检测衰老相关的多种指标,包括心血管疾病、癌症、痴呆和病死率来评估二甲双胍的影响。二甲双胍具有良好的安全性,于是TAME计划可以作为二甲双胍(以及其他可能的延缓衰老药物)临床干预衰老的基准[8]。这一研究将为二甲双胍在抗衰老方面的开发提供宝贵的信息。遗憾的是,由于新型冠状病毒肺炎疫情在美国的大爆发,影响了该计划的顺利开展,看来短时间内难以得出研究结论。

3.2.3 NAD+补充剂 NAD+是一种催化细胞代谢功能的辅酶,是能量代谢的中心分子,参与氧化还原反应并转化为NADH。涉及NAD+氧化还原反应的细胞代谢过程包括糖酵解、三羧酸循环以及β-脂肪酸氧化等。NAD+可以直接或间接影响许多关键的细胞功能,包括代谢途径、DNA修复、染色质重塑、细胞衰老和免疫细胞功能。这些细胞过程及其发挥的功能对于维持组织和代谢稳态以及健康衰老至关重要。在哺乳动物中,体内NAD+的水平随着年龄的增长而降低,NAD+水平的下降与许多衰老相关疾病存在因果关系。衰老与大多数神经退行性疾病密切相关,并伴随着哺乳动物大脑中细胞NAD+水平的降低。在加速衰老的几种模型中都报告了NAD+消耗的现象,这些模型表现出神经退行性变以及神经退行性疾病,包括AD和PD。在与年龄有关的神经退行性疾病期间,大脑中NAD+损失的根本原因和机制仍然未知。但是,有许多证据支持NAD+具有神经保护作用,许多与衰老相关的疾病可通过恢复NAD+水平来减缓甚至逆转。NAD+不会被细胞吸收,因此无法直接补充。利用NAD+的合成通路,可以通过补充NAD+的前体来提高它的水平。最常用的两种前体为烟酰胺核糖(NR)和烟酰胺单核苷酸(NMN)。研究表明,NAD+前体NR和NMN改善了AD大鼠和小鼠模型中的神经元细胞记忆和认知功能,并在PD的模型显示出神经保护特性。重要的是,目前几项使用NAD+前体(尤其是NR)的临床试验正在进行中,以期用于治疗神经系统疾病和延缓衰老,这些试验拓展了人们对人类神经退行性过程中NAD+代谢的了解。目前的临床结果显示NR能够被身体吸收,可提高NAD+水平,也具有良好的安全性。但是它们在动物模型中提供的益处能否在人体中重复仍然需要进一步确认。NAD+如何影响人类健康和衰老尚需更多研究,包括更加深入地探究调节NAD+水平的分子机制,探究在衰老过程中有效恢复NAD+水平的方法及安全性,补充NAD+前体对衰老人群的有益影响等[9]。

3.3 高新技术的应用

3.3.1 交换年轻血液 2014年,Wyss-Coray团队采用一种叫作“异种共生”的实验方法,通过外科手术,把不同年龄的小鼠缝合在一起,共享血液和血液流经的器官,然后观察对衰老的影响。将年轻小鼠的血浆输给老年小鼠后,老年小鼠的大脑变年轻了,海马成熟神经元的树突棘密度增加,突触可塑性提高。与年龄相关的认知障碍,包括情境恐惧条件反射和空间学习和记忆得到改善。表明老年小鼠在生命后期接触年轻血液能够恢复突触可塑性并改善认知功能[10]。此后,他们发现人脐带血浆治疗可改善老年小鼠的认知功能,并找到了与大脑衰老密切相关的血浆蛋白:金属蛋白酶组织抑制剂2(TIMP2)。TIMP2是一种富含于人脐带血浆、幼鼠血浆和幼鼠海马的血源性因子,在全身给药后出现在大脑中,并增加老年小鼠的突触可塑性和海马依赖性认知。研究结果表明,人脐带血浆含有可塑性增强蛋白,具有高转化价值,可用于靶向延缓衰老或改善疾病相关的海马功能障碍[11]。

用从年轻小鼠身上获得的蛋白质来治疗老年小鼠,似乎可以减缓健康状况的下降,并延长老年小鼠的寿命。美国Imai团队研究发现,年轻小鼠血液中的细胞外烟酰胺磷酸核糖转移酶(eNAMPT)含量高,而老年小鼠血液中的eNAMPT含量低。血液中的eNAMPT含量与小鼠的寿命高度相关,eNAMPT 越多,寿命越长,eNAMPT越少,寿命越短。eNAMPT 在NAD+代谢中起关键调控作用,下丘脑利用eNAMPT可产生NAD+。NAD+会随着年龄的增长而不可避免地下降,随着血液中eNAMPT水平的下降,下丘脑失去了正常运作的能力,寿命缩短。给老年小鼠补充eNAMPT,似乎是提高NAD+燃料产量、防止衰老的一种途径。从年轻小鼠血液中提取eNAMPT,并把它输给老年小鼠,发现老年小鼠在健康方面有显著的改善,对记忆和认知功能性能测试表现更好,运动更活跃。当接受eNAMPT治疗时,老年小鼠的跑轮行为、睡眠模式与年轻小鼠相似。还发现,eNAMPT也存在于人类细胞外囊泡中。因此,未来应该研究eNAMPT水平低是否与老年人的疾病有关,以及在细胞外囊泡中补充eNAMPT是否可以作为老年人的抗衰老干预措施[12]。

一项随机临床试验探讨用年轻人血浆治疗AD的安全性、耐受性和可行性，结果表明,年轻人新鲜冷冻血浆输注治疗是安全的、耐受性良好且可行的。该研究的局限性在于样本量小、持续时间短和研究设计的变化。这些结果值得在更大的双盲安慰剂对照临床试验中进一步探索[13]。

3.3.2 注入年轻脑脊液 脑脊液是一种存在于大脑与脊髓中的液体,可以说是中枢神经系统中的“血浆”,对正常的大脑发育至关重要,但随着年龄增长,脑脊液的功能也在衰退。美国Wyss-Coray团队从年轻小鼠的脑室中提取液体,研究能否通过脑脊液的输注恢复老年大脑的活力；结果表明,年轻小鼠的脑脊液提升了老年小鼠的记忆力,并促进了少突胶质前体细胞的增殖与分化。进一步借助单细胞RNA测序技术,揭示了记忆中心海马体中的变化。少突胶质细胞在神经元末端生产一种名为髓磷脂的神经元外侧脂质。如果将神经元连接看作电线,那么覆盖在神经元周围的髓磷脂就相当于电线的绝缘层,它们保护神经元,并且促进神经元的高效交流。但随着年龄增长,新生的少突胶质细胞减少,髓磷脂产量也相应地下降,失去绝缘层保护的神经元的交流也受到阻碍。而在植入年轻脑脊液之后,这个过程得到了加强。那么,年轻脑脊液究竟是通过哪些信号分子提升了老年小鼠的记忆力?他们发现,一种成纤维细胞生长因子Fgf17可能是其中的关键。当他们将这种蛋白注入老年小鼠的脑脊液中,即使没有年轻的脑脊液,这些小鼠的记忆力也得到了改善。相反,给年轻小鼠注射Fgf17抗体后,这些年轻小鼠的记忆力也下降[14]。

当然,要想利用这项研究的发现开发出真正有效的疗法,还有很长的路要走。毕竟,在人体中提取、植入脑脊液,无论是技术还是伦理上,都面临着巨大挑战。相比之下,更可能实现的转化方式是利用小分子药物来模拟Fgf17蛋白的作用,这也需要大量的后续研究。此外,除Fgf17外,是否还有其他蛋白质会影响记忆,也需要更多研究来确认。期待这项研究将成为一个起点,为基于这类蛋白质的潜在疗法打开全新的大门。从血液到脑脊液,这些不断涌现的新发现或许最终能逆转大脑衰老。

3.3.3 肠道菌群移植 人体内和体表生活的微生物对健康产生影响并随年龄变化。那些导致慢性炎症、代谢功能紊乱和衰老相关疾病的微生物,可能会逐渐取代“友好”微生物——对新陈代谢和免疫系统产生有益影响的那些微生物。肠道微生物塑造局部免疫,也可能影响大脑的衰老,增加神经退行性疾病风险。爱尔兰Cork大学的研究团队发现,移植年轻小鼠的肠道菌群给老年小鼠,能抵消小鼠大脑中与衰老相关的特定改变。研究人员将年轻小鼠(3～4月龄)或老年小鼠(19～20月龄)的粪菌移植给老年小鼠(19～20月龄),观察肠道菌群的变化对免疫及脑功能的影响。有研究报道肠道菌群是宿主免疫的重要一环,而免疫系统对与海马体相关的认知行为有着重要影响,因此免疫系统很可能是衰老进程中肠道菌群与大脑功能改变的关键交叉点。经观察发现,老年小鼠身上与衰老相关的免疫系统改变,在移植年轻小鼠菌群之后发生了逆转,获得年轻小鼠粪菌移植的老年小鼠大脑也恢复了活力,并含有与年轻小鼠大脑相似的代谢物和基因调控模式。此外,在一些关于学习、记忆和焦虑的认知测试中,年轻小鼠的粪菌移植也改善了老年小鼠的行为[15]。西班牙奥维耶多大学CarlosLópez-Otín团队研究发现,两种不同的早衰小鼠模型都有肠道生态失调的特征,它们肠道菌群中的Proteobacteria菌和Cyanobacteria菌增多,而Verrucomicrobia菌减少。这一结果与人类早衰症患者肠道菌群生态失调结果类似,此外,他们还研究了百岁老人的肠道菌群,发现Proteobacteria菌减少和Verrucomicrobia菌增多。研究人员移植了健康小鼠的肠道菌群给早衰症小鼠,改善了早衰症小鼠的健康状况和寿命,并且单独移植Verrucomicrobia菌也可以延长早衰症小鼠寿命。表明衰老与肠道微生物群之间存在联系,纠正与老化相关肠道菌群生态失调是有益的,这为基于肠道菌群干预与衰老相关疾病提供了理论基础[16]。这表明,为促进健康老龄化,肠道菌群有作为治疗靶标的潜力。

3.3.4 清除衰老细胞 细胞衰老代表了一种细胞命运,其表现为稳定的增殖阻滞,并常伴随产生一种被称为“衰老相关分泌表型”(SASP)的分泌。细胞衰老是器官乃至个体衰老的驱动力,衰老细胞通过其分泌物包括细胞因子、趋化因子、生长因子、蛋白酶和细胞外囊泡等可诱导邻近细胞衰老,引起衰老细胞在器官组织累积,导致器官发生衰老,生理功能下降。衰老细胞在组织器官累积会导致衰老相关功能退化和疾病。因此,近年发展起来的特异清除衰老细胞有可能成为一种同时实现改善健康寿命和减少多种与年龄相关的功能障碍的延缓衰老新策略。

嵌合抗原受体T细胞(CAR-T)治疗已经在某些血液肿瘤取得了成功,这些经过基因工程改造的T细胞可准确地裂解靶细胞。清除积累的衰老细胞已成为CAR-T细胞治疗研究中的一个新领域。美国Scott W.Lowe和Michel Sadelain研究团队在小鼠模型中使用嵌合抗原受体CAR-T细胞靶向抑制衰老细胞的候选靶标——尿激酶型纤溶酶原激活剂受体(uPAR)。uPAR与细胞外基质重塑相关,在复制、致癌基因诱导和毒性诱导的衰老细胞表面上调。细胞毒性CAR-T细胞能够在体外和体内选择性地清除表达uPAR的衰老细胞。小鼠模型中,CAR-T细胞介导的衰老细胞清除改善了存活率和组织病理学特征,表明这种衰老细胞清除疗法的可行性和潜力[17]。然而,uPAR-CAR-T细胞虽然在清除衰老细胞、改善衰老表型上看到了作用,但稍过量的CAR-T会导致促炎细胞因子表达、体重减轻和体温过低等不良反应。另外,衰老细胞清除疗法的CAR-T细胞可能具有自我限制的特性,它们的扩张和消退会在几天内发生,在急性到亚急性不良反应的情况下是有风险的,因此在临床给药前还需进一步优化和测试[18]。

北京大学的邓宏魁团队创新性地发展了一种新型的前体药物开发策略,即基于溶酶体β-半乳糖苷酶(β-gal)的活性增加(衰老细胞的主要特征)来设计新化合物——前体药物SSK1。SSK1进入衰老细胞,可被衰老细胞中β-gal酶代谢激活发挥作用,靶向清除衰老细胞而不影响非衰老细胞活性。体外研究发现,SSK1可以选择性杀死不同种属、不同细胞类型以及不用刺激因子诱导的衰老细胞。体内研究表明,SSK1处理后,老年小鼠多个组织β-gal阳性的衰老细胞数量减少,同时衰老相关基因如p16和p21的表达也被下调,说明SSK1可以有效清除老年小鼠中多个组织的衰老细胞,缓解年龄相关的机体功能衰退。另外,一系列实验证明了该药物的安全性。这项研究表明,溶酶体β-gal可作为一个选择性清除衰老细胞的有效靶点,从而为开发延缓衰老药物提供了新的策略[19]。然而,这种疗法可能会在具有高SA-β-gal活性的非衰老细胞中(如活化的巨噬细胞)受到脱靶效应的影响。

此外,清除p16阳性的星胶质细胞和小胶质细胞,可以抑制神经胶质的累积,减少大脑皮质和海马区神经元的退化,从而保持小鼠的认知功能[20]。这些研究揭示了靶向清除衰老细胞有望改善衰老导致的慢性疾病包括神经退行性疾病。