细胞衰老及干预策略

沈干,戴朦,王静,程翠，沈贤虎

1.安徽省保健医学会,合肥 230001;2.中国科学技术大学附属第一医院(安徽省立医院);3.安徽省直医院保健门诊

随着社会文明和科学技术进步，人类现在的预期寿命明显延长，同时与年龄有关的疾病如痴呆、脑卒中与心肌梗死等疾病的患病率也明显升高。已知衰老是与年龄有关疾病的首要危险因素，而细胞是机体基本结构和生理功能的基本单位，因此细胞衰老被认为是机体衰老与老年慢性疾病发生发展的一个基本驱动因素。为帮助大家了解细胞衰老的特征与研究意义，本文对这一领域的研究进展进行阐述。

1 细胞衰老

1961年，美国生物学家Leonard Hayflick发现细胞分裂到一定代数时会进入增殖停滞状态，后人称之为Hayflick 界限[1]。从那时起，细胞衰老逐渐被定义为一种可诱导发生的不可逆的细胞周期停滞状态，与形态变化、细胞凋亡抗性和被称为衰老相关分泌表型(SASP)的特征分泌谱相关[2]。细胞衰老是一种高度稳定的细胞周期停滞，它可能作为一种防御机制来应对不同的压力[3]，这些压力因素包括：内在压力因素(端粒磨损、致癌基因激活、氧化应激等)和外在压力因素(暴露于紫外线辐射和化学药物等)，大多数这些触发因素会导致端粒或非端粒DNA损伤或染色质结构改变，并且通常会激活DNA损伤反应(DDR)[4]。当细胞的修复机制失调时，激活的DDR可通过p53蛋白磷酸化引发级联反应导致细胞衰老。这些不同类型的应激信号会诱发不同类型的细胞衰老，分为端粒依赖的复制性衰老、程序性衰老与非端粒应激诱导的衰老，其中包括癌基因诱导的衰老、DNA损伤诱导的衰老、表观遗传修饰诱导的衰老和与线粒体功能障碍相关的衰老[5]。在细胞衰老的早期阶段，衰老细胞会发生特征性的形态和结构的变化，包括形态变大、扁平化、多核形态和空泡扩大、质膜组成改变及细胞核结构显著增大等，这一过程伴随着核染色质重塑和核纤层蛋白B1的丢失、线粒体中氧化代谢增加以及衰老细胞抗凋亡途径的激活，使细胞对死亡具有抵抗力[6]。因此，可以认为细胞衰老是一个高度动态的、多步骤的过程，由此产生的衰老细胞也以一种环境依赖的方式不断进化和发生多样化。

2 衰老细胞的特征

衰老细胞是细胞衰老的产物，具有细胞周期停滞与衰老相关分泌表型这2种关键特征。

2.1 细胞周期停滞 一个稳定的细胞周期停滞标志着细胞不能继续分裂，这是衰老细胞不可或缺的特征之一。细胞衰老不同于另一种被称为静息的生长停滞状态，静息细胞可以在适当的信号刺激下恢复增殖能力，而衰老细胞则不能[7]。研究表明衰老细胞的周期停滞主要是通过激活p53/p21CIP1和(或)p16INK4a信号通路来介导的[8]，p53和pRB是关键的转录调控因子，p21CIP1作用于p53的下游，而p16INK4a作用于pRB的上游，因此它们主要通过改变下游基因表达谱来诱导细胞进入衰老状态。这4种关键基因(p53、pRB、p16INK4a、p21CIP1)中的任何一种长期过表达都足以诱导细胞衰老[9]。

2.2 衰老相关分泌表型 衰老细胞代谢活动发生变化，基因表达也发生巨大变化，并发展出复杂的衰老相关分泌表型，这是细胞衰老的另一个关键特征。SASP成分包括大量可溶性细胞信号因子，例如促炎因子、趋化因子、生长调节因子、血管生成因子、蛋白酶、生物活性脂质、细胞外基质成分和基质金属蛋白酶，主要通过p38 MAPK、NF-κB、cGAS/STING、NOTCH和mTOR等信号传导[10]。DNA损伤、功能失调的端粒、氧化应激或其他诱导细胞衰老的刺激，都会导致不同程度的DDR并表达SASP。SASP因子可以通过自分泌和旁分泌的方式发挥作用来促进细胞衰老[11]。

3 细胞衰老标志物

迄今为止尚没有发现可通用及特异性的细胞衰老标志物。这里仅列举比较常用的衰老标志物。

3.1 衰老相关β-半乳糖苷酶(SA-β-gal) 溶酶体中β-半乳糖苷酶活性，是最早描述细胞衰老的生物标志物之一[12]。通过使用显色底物X-gal(5-溴-4-氯-3-吲哚-β-D-半乳糖苷)即可以原位测量细胞中SA-β-gal的活性，使之成为识别衰老细胞使用的最常用的1种分子标志物。

3.2 p16INK4a与p21CIP1这2种蛋白均属于细胞周期蛋白依赖性激酶的抑制因子，能够使细胞周期发生停滞。有研究报道衰老细胞往往会上调p16INK4a与p21CIP1表达，因而经常被用作衰老细胞的标志物和干预靶标[13]。

3.3 脂褐质 细胞内脂褐质聚集体是由氧化的蛋白质和脂质降解残基以及不能被溶酶体酶降解的金属阳离子等组成，可以通过其自身荧光或苏丹黑B染色来检测，它的积累被认为是细胞衰老的一个标志[14]。

3.4 活性氧(ROS) 各种刺激产生的ROS会引起DDR而导致衰老。线粒体是ROS产生的主要场所，因此，ROS，尤其是线粒体ROS，能够作为氧化应激诱导的衰老的生物标志物，可以使用荧光测定法或流式细胞术检测[15]。

这里应强调的是，所有这些生物标志物对于衰老细胞来说既不是特异的也不是唯一的，因此联合几种生物标志物进行检测以确定细胞衰老状态可能是一种比较妥当的解决方法。

4 细胞衰老在生理和病理进程中的作用

虽然衰老通常和年龄相关疾病有关，但细胞衰老对机体内许多生理过程都有影响，如细胞衰老在个体发育、组织重塑和修复与维持内稳态，以及在预防肿瘤发生发展过程中起到极为重要的作用。细胞衰老对机体也有不利的影响，目前已经观察到在动脉粥样硬化、糖尿病和许多其他与年龄相关的疾病中存在衰老细胞的累积，推测这可能与机体炎症水平增加有关[16]。已知炎症是老年慢性疾病的危险因素，而且老年人血液中炎症水平的增加与体重减轻、肌肉减少、虚弱、慢性炎症和抑郁有关。由此可见，去除衰老细胞可以减轻与年龄相关的组织功能障碍并延长寿命。而促细胞衰老也可以作为一种有效的抗肿瘤策略，阻止潜在肿瘤细胞的增殖[17]。因此，细胞衰老就像一把双刃剑，对我们的健康既有有益的作用，也有不利的影响，需要深入研究其作用与机制，以制订科学精准的健康管理策略。

5 衰老的治疗策略

为清除衰老细胞与延缓细胞衰老科学家进行了大量研究工作，也取得了不少成果，这里简单地列举一些已有的抗细胞衰老策略。

5.1 非药物干预 研究表明，在接受饮食热量限制的成年人与小鼠体内，检测到细胞衰老分子标志物p16INK4a等表达显著降低，衰老细胞数量减少[18]；并可以防止肝脏脂肪沉积和肝细胞中端粒相关DNA损伤灶的增加[19]。另有多项研究发现热量限制可能减少衰老细胞出现的作用机制包括减少ROS、刺激细胞自噬、增加去乙酰化酶sirtuins的表达以及减少DDR等[20]。

5.2 改变衰老表型药物 改变衰老表型药物具有抑制衰老细胞产生SASP分子的功能。例如临床治疗糖尿病的二甲双胍，最近被发现能够抑制脂肪间质细胞因氧化应激诱导的衰老过程[21]。免疫抑制剂雷帕霉素通过与细胞内信号分子哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)结合，能够抑制多个SASP分子的表达，诱导衰老细胞发生自噬[22]。另外JAK抑制剂被报道具有抗SASP作用，可能是通过抑制衰老细胞JAK-STAT通路而导致其促炎症因子表达下降实现的[23]。

5.3 清除衰老细胞药物 这种药物通过选择性结合衰老细胞并诱导其死亡达到清除体内衰老细胞的目的，被认为是真正的抗衰老药物，因此受到关注。

5.3.1 天然活性化合物 这类具有生物活性的天然化合物包括生物碱、皂苷、黄酮、萜类、木质素和甾族化合物等。近年来发现多种类黄酮成分具有抑制细胞衰老功能，例如非瑟酮可通过抑制PI3K/AKT信号通路起到抗细胞衰老作用[24]。原花青素C1在培养基中含量低的条件下可抑制衰老细胞合成SASP，含量高时能够直接诱导衰老细胞凋亡，从而具有抗衰老的作用[25]。另外还有槲皮素，研究发现它与酪氨酸激酶抑制剂达沙替尼联合使用能够显著减少暴露于电离辐射条件下的小鼠或自然衰老小鼠体内的衰老细胞[26]。

5.3.2 BCL蛋白抑制剂 BCL家族蛋白具有细胞周期调节功能，抑制其功能可导致衰老细胞的选择性凋亡[27]。ABT263 (navitoclax)与ABT-737，通过抑制多个BCL家族成员和增强促凋亡因子的释放而促进衰老细胞的凋亡[28]。

5.3.3 Forkhead box O(FOXO)抑制剂 FOXO家族成员是一类多功能转录因子，具有诱导细胞周期停滞、抗氧化损伤、促进细胞自噬等功能[29]。近年来对FOXO4与p53之间通过相互作用激活p21蛋白导致细胞衰老过程的关注相对较多，人们由此提出研发FOXO抑制剂达到促进衰老细胞凋亡的目的[30]。

5.3.4 HSP90抑制剂 视网膜色素上皮细胞衰老会导致视网膜黄斑变性。有研究发现HSP90能上调视网膜色素上皮细胞SASP水平与SA-β-Gal表达活性而促进细胞衰老，使用HSP90抑制剂IPI504则能抑制细胞衰老过程，提示HSP90抑制剂可能作为防治视网膜黄斑变性的候选药物[31]。

5.3.5 免疫疗法 免疫系统功能的下降与衰老细胞的堆积均可加速衰老，因此免疫疗法的目的就是为了增强免疫细胞清除衰老细胞的能力[32]，最近有人用自然杀伤(NK)细胞开展自体回输，成功清除小鼠或人体内的衰老细胞，联合使用一种多巴胺释放肽后，NK细胞清除衰老细胞能力得到了显著提升[33]。

6 展望

细胞衰老已成为肿瘤、心脑血管疾病等年龄相关疾病的预防与治疗以及衰老生物学领域的研究热点。目前已发现了一些非药物干预策略与药物治疗手段能够发挥抗衰老的作用。但是衰老细胞具有明显的异质性，导致我们很难找出一个共同的分子标志物与干预靶点。未来研究需要阐明各种衰老细胞的差异与内在机制，研制出更精准的诊断与治疗技术，从而延长人的健康寿命。