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干细胞的衰老是人体衰老的根源
发布时间:2021-09-09 17:15:14      点击次数:675

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衰老是自然界的常见现象,伴随着生命周期中遗传损伤的累积,以及DNA损伤和修复之间失衡导致的基因突变。在这个衰老过程中,身体中的每个细胞和器官都会出现一定程度的功能衰退或恶化。例如,随着年龄的增长,皮肤失去弹性,伤口愈合的速度比童年时要慢,骨折时需要更长的时间才能愈合。简而言之,受损组织或器官的再生能力降低是衰老的最显著特征。



1、人体衰老的特征


人体衰老过程中出现9个特征:基因组不稳定性、端粒缩短、表观遗传改变、蛋白质稳态的丧失、营养吸收能力下降、线粒体异常、细胞衰老、干细胞耗竭、细胞通讯的改变。衰老是一个动态的过程,渐进的、多步骤的、最终不可逆的。


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成体干细胞存在于人体的不同组织中,为器官提供生长和再生能力,维持体内平衡。人体组织的再生能力取决于成体干细胞取代受损组织或细胞的能力和潜能,因此,干细胞的衰老会影响整体的衰老。



2、造血干细胞的衰老


干细胞研究始于1963年,Lou Siminovitch团队建立了检测造血干细胞的方法,并在小鼠的骨髓中发现了造血干细胞(HSC)。


免疫衰老


骨髓中的HSC分化产生整个免疫系统的免疫细胞。免疫系统的衰老,根源在于HSC的老化。造血系统的老化表现为适应性免疫系统和先天免疫系统的功能衰退,这种免疫细胞的衰老导致对病原微生物的高度易感性、疫苗接种的低效,以及对自身免疫和血液系统恶性肿瘤发展的易感性增加。通过T细胞和B细胞共缺陷小鼠移植HSC的实验,证明机体衰老时免疫系统的表型和功能变化主要是HSC在衰老过程中功能变化的结果,并且在很大程度上独立于胸腺的功能。


衰老细胞产生促炎介质和蛋白酶等衰老相关分泌表型(Senes-Cence-associated Secretory Phenotype, SASP ),可以消除不需要的细胞,导致发育和生理上必要组织的重建。然而, 如果SASP的促炎信号和炎症过程没有得到调控,可能会促进病理性炎症,导致血管炎症、动脉粥样硬化炎症等。巨噬细胞对清除衰老细胞也必不可少。与年龄相关的微环境变化会改变组织内的巨噬细胞功能,表现出与年龄相关的吞噬能力和抗原递呈能力降低。


造血干细胞的衰老机制


大多数HSC在动态平衡状态下是静止的,很少进行周期自我更新或分化为子代的细胞。随着每一次细胞分裂,HSC分化为血细胞的潜能下降,潜能降低的子代造血祖细胞数量增加,以弥补单个细胞功能的丧失。HSC自身的大量增殖会导致HSC的耗竭,而静息状态有利于维持HSC的功能和年轻态干性。


HSC老化与随机DNA损伤的积累有关。老化的HSC内线粒体产生活性氧(ROS)不断积累,产生遗传毒性代谢物,进而积累了更多DNA损伤。线粒体自噬能清除过多的ROS,但衰老的HSC表现自噬水平受损,不能有效清除ROS。同时,长期积累的增殖压力也导致DNA复制效率低下和转录抑制;p16的激活表达作为细胞衰老的另一个影响因素,研究发现对体内稳态HSC的影响很小。


造血干细胞的衰老表现


随着年龄的增加, 髓性HSC群体的扩大,在整个老年HSC池中占据主导地位。HSC的衰老,主要表现:一是B细胞产量随着年龄的增长显著减少,B细胞谱系的多样性随抗体亲和力降低和类别转换受损而降低;二是新生T细胞的产生随年龄的增长而下降,部分原因是胸腺退化;三是NK细胞显示细胞毒作用和细胞因子分泌减少;四是髓系细胞数量增加,但其功能降低, 例如,中性粒细胞对刺激的迁移减少,巨噬细胞的吞噬活性降低;五是后期红细胞生成减少。


临床上,这些变化可能通过增加感染、恶性肿瘤和自身免疫率而增加老年人的发病率和死亡率。由于炎症和衰老都可能增加白血病发生的风险,消除不需要的炎症衰老因子是保持HSC和免疫功能的潜在途径,从而防止造血功能下降和恶性克隆的出现。



3、间充质干细胞的衰老


人和小鼠一旦出生后,骨髓里面的MSCs的含量持续下降,虽然身体机能在青春期达到巅峰,但是对于骨髓MSCs来说,MSCs出道面世即是颠峰!


间充质干细胞衰老的表现


形态学表现。间充质干细胞(MSCs)经过一定数量的细胞分裂后进入衰老,其形态学特征是细胞形态变大、不规则, 最终停止增殖, 而不适当的培养条件明显加速了这一过程。老化的MSCs降低了多项分化潜能和组织修复所需的生长因子的产生。衰老和氧化应激可显著增加骨髓细胞外小泡的miR-183-5p载量, 导致细胞增殖减少、成骨分化减少,并通过降低血红素加氧酶-1(Hmox1)活性介导MSCs衰老。随着年龄的增长,MSC表现在细胞质量、分化能力和迁移能力的下降。与年轻供者分离的细胞相比,老年的MSCs还表现出衰老的其他特征,比如活力、增殖和分化能力的降低。因此,有研究发现老年MSCs的临床治疗效果欠佳。


临床表现。衰老的MSCs表现出克隆和增殖能力降低,分化潜能偏向脂肪生成而减弱了成骨生成。在体内,MSCs衰老意味着成骨能力降低,从而导致与年龄相关的疾病,如骨质疏松症。因此,MSCs老化被认为是骨折愈合随年龄增长而受损的原因。这也部分解释了为何老年人容易出现骨质酥松症,为何老年骨髓中的脂肪细胞增多。


间充质干细胞的衰老机制


MSC随年龄增长的衰老表现为增大、端粒缩短或p53/p21介导的DNA损伤堆积、DNA甲基化或组蛋白乙酰化受损、ROS和一氧化氮(NO)水平升高。氧化还原控制在MSC衰老过程中起着核心作用。在稳态中,MSC普遍进行糖酵解,且有ROS水平较低,随着MSC 不断复制,ROS大量产生, 导致MSC细胞大分子损伤,参与的细胞通路包括p53、FOXO1、2Nrf2、microRNAs(miRNAs)和长非编码RNAs(LncRNAs)。


骨髓间充质干细胞(BM-MSC)。骨髓间充质干细胞(BM-MSC)数量自个体出生后就持续下降,人体机能在青春期达到巅峰,但BM-MSC出道面世即是颠峰。BM-MSC的数量随着年龄的增长而下降,导致不能有效地促进组织祖细胞的更新,BM-MSC数量减少,衰老标志物(ROS、p21、p53)增加。来自不同年龄捐赠者的BM-MSC的EV在其含量和免疫特征方面显示出显著的年龄差异。在小鼠模型中,来自年轻MSC的胞外囊泡(EVs)含有更高水平的自噬相关mRNA和sirtuins, 能使得衰老的HSC显示出恢复的功能和活力。相反, 来自老年捐赠者的BM-MSC释放衰老相关分泌表型(SASP),促进了HSC的炎症状态而导致年轻HSC的功能损害。


脂肪间充质干细胞。肥胖者脂肪间充质干细胞由于氧化和代谢应激,导致线粒体形状和数量的变化,导致特定的DNA甲基化、DNA损伤、端粒缩短、增殖和干性减少(NANOG、SOX2和OCT4表达减少),凋亡和衰老增加,而影响脂肪MSC细胞的脂肪生成、炎症和免疫抑制等功能特性。但,皮下、内脏等不同部位来源的脂肪MSC出现功能特性不同程度差异。此外,年龄依赖性的脂肪生成增加,可能通过激活过氧化物酶体增殖物激活受体γ2(PPAR-γ2)和CCAAT/增强子结合蛋白(CCAAT/EBP)而导致SASP状态。




4、未来展望



长寿是人类的终极目标,而长寿意味着要对抗衰老。有文章指出,目前有9种延缓衰老的干预手段,即干细胞治疗、消炎药物和血清年轻因子、减少损伤细胞、增强端粒酶活性、表观遗传学药物、激活机体监视和蛋白降解系统、饮食限制、线粒体自噬、清除衰老细胞。


老化的体内环境会抑制成体干细胞的功能和潜力,干细胞可能会感受到受损体细胞释放的线粒体,并启动自身对损伤的适应性修复反应,做出应答。值得庆幸的是,输注一定健康的干细胞可以延缓机体的衰老。


输入的干细胞在体内凋亡后产生的凋亡小体会刺激体内内源性干细胞的增殖更新,使得骨髓中的干细胞恢复到年轻态。虽然干细胞老化的关键调节因子仍未完全确定,但其可以作为对抗年龄相关疾病和机体衰老的治疗靶点。干细胞在体内的老化会影响组织和器官功能,同时随机体老化也会引起体内干细胞的老化。









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