细胞衰老与衰老分泌表型：治疗机会

摘要

介绍

世界老年人口正在迅速增长。随着人们进入老年，他们经常面临多年的残疾，其特征是多种慢性病、虚弱和失去独立性。这种残疾负担威胁着社会和经济稳定。现代生物医学研究面临的一个巨大挑战是压缩（如果不能消除）这段脆弱和残疾的时期，并增加健康寿命。如何应对这一挑战？

老龄化是大多数慢性病的一大风险因素，即使不是主要风险因素，也会限制生存、独立和幸福感(1). 这些慢性疾病包括动脉粥样硬化、大多数癌症、痴呆症、糖尿病和许多其他疾病（图​（图1），1)，随着老年人口的增长而变得越来越普遍。这些与年龄相关的突出疾病的主要疑似原因是在多个组织中发展的慢性非微生物炎症。炎症标志物，包括IL-6、TNF-α和免疫细胞趋化因子升高与痴呆相关(2)，抑郁症(三)、动脉粥样硬化(4–8)，癌症(9–11)、糖尿病(12–14)和死亡率(2,15,16). 炎症可能是年龄相关性虚弱综合征最重要的生理相关性(17–20)包括易受压力（如手术、感染或创伤）的影响，再加上肌肉萎缩（肌肉减少）和恶病质/脂肪组织丢失，所有这些在老年人中越来越常见(17–19,21–29). 虚弱易导致慢性病、丧失独立性和死亡率，并大大增加健康成本(25,27).

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图1

衰老是最严重的慢性病和残疾的主要风险因素，包括中风、心脏病、癌症、痴呆、骨质疏松、关节炎、糖尿病、代谢综合征、肾衰、失明和虚弱。

直到最近，人们才注意到年龄与慢性病之间的密切联系，但干预的希望不大。提高健康寿命的一个关键障碍是缺乏对与年龄相关的虚弱和慢性疾病的有效治疗。目前可用的治疗方法（社会支持、助行器和针对终末期和下游症状的“创可贴”治疗）并未针对年龄相关功能障碍的根本原因。一次治疗一种慢性病是不够的(30). 根据美国的死亡率数据进行的计算得出了令人惊讶的预测：如果消除癌症作为死亡原因，人类的平均寿命只会增加3%-4%(31). 缺血性心脏病也需要“治愈”(30). 然而，热量限制通过尚不完全了解的机制延缓了广泛的基本衰老过程，以更大的增量延长了动物模型（包括小鼠）的寿命(32). 显然，如果能够设计出基于机制的治疗方法，打破基本衰老过程和慢性病之间的联系，使衰老成为一个可改变的风险因素，那么临床实践将发生改变。最近人们意识到，与年龄相关的疾病可能是由一个或多个基本的衰老过程驱动的，这激发了人们努力识别这些过程，并制定干预策略，最好是药理学干预。

细胞衰老

细胞衰老是导致年龄相关功能障碍和慢性无菌炎症的一个基本过程（图​（图2）。2). 细胞衰老是指当细胞遭受潜在致癌损伤时发生的基本上不可逆的生长停滞(33–38). 现在有强有力的证据表明，细胞衰老是一种有效的抗癌机制(39–42). 相比之下，尽管它的名字是在50多年前发现的，而且越来越多的数据表明衰老细胞与衰老表型和与年龄相关的病理学有关(43–50)，直到最近才有证据表明，消除衰老细胞实际上可以延缓与年龄相关的功能障碍(51)，至少在进展型小鼠模型中是这样。这一发现仍需在按时间顺序老化的模型中进行测试，但这是第一个明确的证据，表明衰老细胞是多种年龄相关疾病的重要驱动因素。细胞衰老如何促进与年龄相关的疾病、虚弱和功能障碍仍然是衰老生物学和临床老年医学的重要问题之一。

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图2

基本老龄化机制和导致慢性病的过程之间的交叉中断可能会延迟与年龄相关的疾病和残疾，从而延长健康寿命。

衰老细胞负担的增加可能导致年龄相关疾病的早期病因，并在疾病发生后加速这些疾病的进展。慢性疾病病理学，再加上衰老向邻近健康细胞扩散，可能会进一步推动细胞衰老，从而导致炎症和功能障碍加剧。除其他可能性外，与SASP相关的慢性炎症，以及临床前和显性慢性疾病引起的炎症，可能会导致虚弱、肌肉减少，最终导致死亡。

随着时间老化和进行性综合征，多个组织中衰老细胞的丰度增加(43,47,50,52–55). 已经确定了几种引起或与细胞衰老相关的过程，所有这些过程都随着年龄的增长而增加（图​（图3）。三). 衰老诱导物包括重复的细胞分裂和强烈的有丝分裂信号、端粒缩短、DNA损伤和突变、蛋白质聚集和活性氧增加(46,56–60). 这些侮辱激活了p53和p16^INK4a公司肿瘤抑制途径和可能引发衰老反应的其他途径。一旦开始，衰老需要几天到几周的时间才能完全形成并不可逆转。这一过程由细胞内信号环加强，包括与DNA损伤反应（DDRs）、NFκB和转化生长因子-β相关的活性氧，以及IL-1α、IL-6和CCAAT增强子结合蛋白-β（C/EBP-β）环(59,61–64). 衰老细胞重组染色质，导致异染色质形成，广泛的基因表达改变，细胞大小和蛋白质含量增加，细胞和细胞器形状改变(55,65,66). 衰老细胞具有代谢活性，相对抗凋亡，似乎被免疫系统清除(33,67,68). 衰老实际上是一种细胞命运，就像复制、分化或凋亡一样，可以在生命的任何时刻发生。

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图3

许多诱导剂可以单独或联合作用，通过涉及p16的途径将细胞推向衰老细胞的命运^INK4a公司/Rb、p53/p21和可能的其他途径。

触发因素可能包括DNA损伤（例如端粒缩短、单链和双链断裂）；致癌突变（例如Ras、Myc、B-Raf）；活性代谢物（如活性氧、神经酰胺、脂肪酸、高糖）；增加mTOR活性的高丝裂原和营养信号；和蛋白质毒性应激（例如，蛋白质聚集和未折叠蛋白质）。这些可能导致基因表达和染色质重塑（异染色质形成）的广泛变化，这是衰老相关生长停滞、SASP和形态学变化的基础。在这些方面，细胞衰老可被视为细胞命运，使人联想到分化、复制或凋亡（外部和内部诱导物、转录因子级联、基因表达变化和染色质重塑，导致功能改变）。有证据表明，某些衰老的发起人和中介人比其他人更容易衰老，未来的研究可能会发现其他发起人和媒介人。细胞内自分泌环在几天到几周的时间内加强了不可逆复制停滞、异染色质形成和SASP启动的进程。除了去除祖细胞/干细胞池中的细胞外，衰老还可能通过SASP以及相关的慢性无菌炎症和细胞外基质降解，导致组织功能障碍和慢性疾病倾向。

衰老组织的一个共同特征是低度慢性炎症，称为无菌炎症（表示没有可检测的病原体）或炎症反应(69–72). 慢性炎症至少可以通过两种机制驱动病理变化。首先，浸润的免疫细胞会降解组织，因为它们会释放反应性或毒性成分。第二，炎性细胞因子可以引起不依赖于附近细胞免疫系统的表型改变。例如，IL-6和IL-8可以刺激血管生成，扰乱细胞间通讯，阻碍巨噬细胞功能，诱导先天免疫反应，促进上皮和内皮细胞迁移和侵袭(73–79).

无菌性炎症是大多数与年龄相关的主要疾病的燃料，其中包括退化性病变（如大脑功能丧失）以及过度增殖性病变（例如癌症），但对其来源知之甚少。这种慢性炎症可能部分源于与年龄相关的稳态免疫功能或对内源性微生物的抵抗力下降。慢性炎症也可能部分源于衰老细胞：衰老细胞分泌促炎细胞因子、趋化因子和蛋白酶，称为衰老相关分泌表型（SASP）(80,81).

SASP公司

SASP主要是DDR(82). SASP通过其产生的炎症、促生长和重塑因子，可以潜在地解释衰老细胞如何改变组织微环境，吸引免疫细胞，并且具有讽刺意味的是，在邻近细胞中诱导恶性表型。与SASP相关的蛋白质，如TNF-α、IL-6、MMPs、单核细胞趋化蛋白-1（MCP-1）和IGF-结合蛋白（IGFBPs），随着时间的推移在多个组织中增加(64)与无菌性炎症同时发生。此外，SASP成分IL-6、IGFBP-2和纤溶酶原激活物抑制剂-1在p16中的表达要高得多^INK4a公司-老年进展期小鼠脂肪组织中直接分离的阳性衰老细胞与同一组织中非衰老细胞的比较(51). 这一发现表明SASP是年龄相关性炎症的主要驱动因素，至少在某些条件下是脂肪组织。因此，有选择地消除衰老细胞或其影响可能是减少与年龄相关的无菌慢性炎症、提高健康寿命和中断衰老与慢性病之间联系的一种手段。

细胞衰老是一把双刃剑。理解衰老细胞如何对机体健康产生积极和消极影响的核心是两个概念。第一个是拮抗多效性。衰老进化理论的这一要素预测了某些过程的存在，这些过程是为确保早期生命健康而选择的（例如，通过促进免疫反应来预防癌症），但在生命后期会产生未经选择的有害影响，导致衰老表型和病理学(83).

第二个概念是SASP，它可以产生积极或消极的影响，具体取决于上下文。当SASP显著或持续存在时，如在老年、大规模肥胖或进展期，SASP可引起局部和潜在的全身炎症，破坏组织结构，并刺激附近恶性细胞的生长(65,84–88). 相反，局部的、有时间限制的SASP在解决组织损伤方面可能很重要，至少在年轻人中是如此，这是对抗性多效性的一个例子。SASP可能会提醒附近的细胞注意潜在的危险，并促进受损细胞的免疫清除(67,68,89). 此外，SASP MMPs可限制肝损伤后或皮肤伤口愈合期间的纤维化(68,90,91)，这是有益的。SASP细胞因子IL-6和IL-8也会加强衰老生长停滞，至少在一些衰老细胞中是这样(62,63)有助于防御癌症。然而，这些细胞因子也可以引起上皮细胞向间充质细胞的转化，从而促进癌症(77,78). 可以想象，SASP可以在抵御感染或其他侮辱方面发挥作用，这是需要研究的可能性。然而，值得注意的是，持续清除衰老细胞9个月以上并没有明显的副作用，而是提高了健康寿命和功能，至少在动物设施中饲养的进展型小鼠中是这样的(51).

细胞内IL-1α/miR-146a/b/IL-6/C/EBP-β环以及相关的p38/NF-κb和mTOR介导的途径似乎有助于导致SASP的基因表达变化（图​（图22和参考文献。61–64,92–94). SASP组分包括通常跨细胞类型保守的蛋白质，尽管细胞类型之间存在差异(81)可能是跨组织，这一推测需要进一步测试。对于非蛋白因子（如核苷酸、缓冲剂、前列腺素、神经酰胺或活性氧）对SASP作用的贡献（如有）知之甚少。SASP的组成可能在衰老开始后随着时间的推移而变化，并可能部分取决于衰老诱导的机制。为了支持这种可能性，致癌RAS，p16诱导的衰老^INK4a公司过表达或p53活性与SASP蛋白分泌的质量和程度的变异有关(81,95). 因此，当我们谈到SASP时，不太可能存在单一的SASP。相反，SASP组件的释放量取决于单元上下文。例如，在眼睛中衰老的人成纤维细胞样角化细胞中，IL-6实际上会降低(96). 需要进行研究以阐明导致SASP的上游机制，探索不同细胞类型之间SASP的差异，并阐明SASP在体内而非细胞培养中的性质。

SASP是否会导致慢性年龄相关疾病需要在体内确定。目前正在使用可选择性去除衰老细胞的小鼠进行这种可能性的测试(51)用人类与年龄相关的慢性疾病的小鼠模型繁殖，或用各种饮食和其他干预措施进行治疗。SASP似乎也在细胞间传播(97)这可能会加剧衰老细胞负担、无菌炎症和慢性疾病进展，尤其是当免疫系统清除衰老细胞的能力被淹没时。衰老扩散的机制和后果值得进一步研究。

SASP可能与免疫系统有广泛的关系。免疫系统元件，特别是涉及巨噬细胞浸润的先天免疫反应，参与清除衰老细胞(67,98–100). 巨噬细胞趋化因子，包括MCP-1，是SASP的主要成分(64,81). 然而，组织巨噬细胞的反应似乎随着年龄的增长而下降(101)，可能导致老年人衰老细胞的积累。衰老细胞的高负荷可能会干扰免疫功能。与此推测一致，长期接触IL-6会抑制巨噬细胞功能(102)SASP蛋白酶可以裂解FAS配体或其他有效免疫功能所需的细胞表面蛋白。需要进一步了解衰老细胞是如何影响免疫系统并被其清除的。减少衰老细胞负担实际上可以增强对病原体的免疫反应的推测需要进行测试。

针对细胞衰老和SASP的干预

减轻衰老细胞有害影响的潜在策略包括干扰导致衰老相关生长停滞的途径，消除衰老细胞，以及通过靶向SASP干扰衰老细胞的不利影响。如果细胞衰老防御癌症的机制受到损害，第一种策略可能会有问题。干扰可诱导衰老相关复制停滞的途径可能会促进癌症，如p16^INK4a公司视网膜母细胞瘤（Rb）蛋白或p53减少或失活(67,103). 另一方面，通过减少祖细胞周转、代谢损伤或其他可能导致细胞损伤的过程来延缓衰老细胞积累的策略可能是有益的。例如，热量限制延缓细胞衰老(104)通过这样做，可能会对健康寿命产生部分有益影响，这一推测值得进一步检验。

第二种方法，消除已经形成的衰老细胞，不仅可以减少组织炎症和器官功能障碍，还可以降低癌症风险。当细胞携带潜在的致癌突变时，它们可能会衰老。此外，衰老细胞可以促进小鼠异种移植中邻近细胞的恶性转化(86)可能通过SASP诱导的炎症、组织MMP和丝裂原分泌。事实上，在不干扰衰老上游抗癌途径的情况下，通过清除进展期小鼠的衰老细胞，可以提高健康寿命(51). 由于终末分化细胞具有衰老细胞的某些特性，如生长停滞，我们担心以INK-ATTAC小鼠的衰老细胞为靶点可能会损伤神经元等细胞。然而，即使在持续去除衰老细胞一年多后，最终分化的细胞似乎也没有被破坏到引起症状的程度。

第三种方法，即防止SASP的形成或改善其作用，也可以增强功能，减少炎症和癌症风险，尽管还没有最终消除潜在癌症损伤的衰老细胞。理想情况下，在不干扰衰老相关的抗癌途径或解除生长停滞的情况下，可以改善SASP。

消除人体衰老细胞可能是可行的。衰老细胞的独特形态、分泌蛋白模式和基因表达谱支持这样做的可行性。至少可以设想两种方法来去除衰老细胞：使用抗体专门针对衰老细胞，或开发小分子选择性杀死它们。其他方法可能包括基于病毒的核苷酸递送或疫苗。抗体方法需要开发识别表位的生物制剂，与非衰老细胞相比，衰老细胞更高表达的表位，再加上溶细胞剂。这种方法在癌症领域一直很困难，在消除衰老细胞方面也可能存在问题。然而，与癌症干预不同，完全消除衰老细胞可能并不是取得有益效果的必要条件。因此，针对衰老细胞和非衰老细胞之间定量差异的表位可能是合理的，而无需发现衰老细胞上唯一存在的表位。

小分子方法可以基于高通量、基于细胞的化学库筛选，以发现比非基因细胞更具选择性地杀死衰老细胞的“可用药”分子。或者，基于分子靶点的高通量筛选，重点关注通过表达、蛋白质组或代谢组分析确定的衰老细胞与非衰老细胞的途径可能有效。这些小分子方法也可以适用于针对SASP，而不是杀死衰老细胞。使用其中一种方法，发现糖皮质激素可以改善SASP(105).

开发针对衰老细胞或SASP的干预措施将是一项艰巨的任务。可能需要多种方法的组合。因为衰老细胞不会分裂，所以它们不太可能产生耐药性，这是针对分裂癌细胞或微生物的化合物遇到的问题。此外，寻找靶向100%衰老细胞和0%正常细胞的化合物或抗体可能并没有必要实现临床益处。因此，可能有可能发现靶向衰老细胞或SASP的药物，并在老龄动物中进行测试，以确定它们是否能再现从基因工程进展型小鼠中去除衰老细胞的有益效果。

临床试验策略

设计临床试验来测试针对衰老细胞的药物的有效性是一项挑战(106). 显然，在现实的时间范围内，研究对人类寿命或健康寿命的影响是不可行的。必须在生命早期给予药物才能在老年人中产生有益效果的药物也几乎不可能转化为临床应用。这些药物需要在几年到几十年内几乎没有副作用。临床试验所需的时间将令人望而却步。需要为已经出现症状或保证在短时间内出现症状的受试者（例如，早衰患者或携带突变导致早发性阿尔茨海默病的家庭成员，这些患者基本上具有完全外显率）开发抗衰老药物。监管机构需要设计并接受易于测量的结果参数。

我们设想了几个潜在的临床试验方案。基于这些，反向设计药物筛选和动物试验策略可能是合理的。一种设想是针对特定的与年龄相关的慢性疾病，在这些疾病中，衰老起着病因学作用，消除衰老细胞或SASP成分将导致快速检测到的、具有临床意义的反应。例如，可以测试老年药物对改善肥胖受试者外周胰岛素抵抗的作用，因为大规模肥胖与脂肪组织衰老细胞积聚和导致胰岛素抵抗的循环SASP相关细胞因子水平升高有关(56,85). 另一个例子是，根据衰老细胞在异种移植模型中对癌症进展的贡献，测试是否可以阻止常规治疗失败的癌症进展(86). 其他可能性包括测试抗衰老药物是否能增强动脉粥样硬化病变、骨关节炎或骨折不愈合的解决，这些疾病与局部衰老细胞积聚有关(107–109). 这些情况可能适合局部治疗，可能通过注射抗衰老药物。senolytics对痴呆症进展的影响可以在更长的临床试验中进行测试（持续数月而非数周），因为阿尔茨海默病和其他痴呆症与大脑病理部位的衰老细胞积聚有关（参考文献综述）。110). 当然，所有这些方法首先需要在适当的疾病特异性动物模型（最好是在老年而不是年轻的转基因动物中，以便重现衰老组织微环境）的临床前研究中进行彻底的验证。

另一种情况是针对与全身炎症相关的虚弱综合征(17–20)可能还有SASP。可以设想在边缘脆弱的受试者中进行试验（Fried或Rockwood分数中等；参考文献。25,27,28)他们将要接受增加炎症和/或细胞衰老的医疗程序，这可能会使受试者明显虚弱或谵妄。这些程序可能包括化疗（尤其是DNA损伤剂）、放射治疗、骨髓移植和麻醉/选择性手术。在这些情况下，在医疗程序之前（但不是在医疗过程中）的一段时间内进行老年药物治疗可能会对症状评分、力量或认知的恢复时间产生可测量的影响。这些可能性需要首先在动物模型（如INK-ATTAC小鼠）中进行测试，在该模型中，衰老细胞可以通过荧光标记进行量化，并且可以通过诱导的方式选择性地消除(51).

研究问题

在将衰老药物应用于临床之前，需要解决的问题包括开发衰老细胞负荷/SASP活性的生物标记物，识别靶向衰老细胞的任何不良后果，以及确定何时开始治疗以及间歇治疗还是持续治疗是最佳的。衰老细胞负荷的血液生物标志物，也许是基于检测SASP产物，将有助于临床试验。这些生物标记物可以使用金标准进行校准，例如，去除衰老细胞的INK-ATTAC小鼠、脂肪组织活检中的衰老细胞丰度或尸检中的全身衰老细胞计数。必须在动物身上，最终在人类身上，对衰老细胞的去除是否会损害对感染、伤口愈合、疤痕形成或其他功能的反应进行彻底测试。在相对健康的时期，间歇性而非持续地清除衰老细胞可以清除潜在的癌前衰老细胞，并减少SASP引起的慢性炎症，同时最大限度地减少衰老细胞清除的潜在不利影响。这种方法可能比改良SASP更有吸引力，SASP可能需要持续进行，而不像去除衰老细胞。

据推测，老年人和患有与细胞衰老和炎症相关疾病的年轻受试者（如肥胖患者的糖尿病）将进行抗衰老药物的临床试验。然而，老年受试者通常不包括在临床试验中，他们的研究提出了特殊的临床和后勤挑战。很少有老年病学家既熟悉衰老的基本生物学，又有进行研究新药（INDs）试验的经验。此外，具有IND经验的临床试验研究人员很少接受过老年医学培训，也很少深入了解老年受试者的特殊需求或与老年人群相关的结果。迫切需要建立由衰老生物学基础科学家、老年病学家和临床试验研究人员组成的团队。从长远来看，有必要培训研究人员，他们可以领导将衰老基本生物学的发现转化为临床应用(106).

结论

如果以衰老细胞或SASP为靶点的前提是正确的，那么将多个与年龄相关的慢性疾病作为一个整体来延缓或预防，而不是一次一个，如果这一前提可以转化为临床治疗，那么我们对我们所知的医疗保健可能会发生转变持谨慎乐观态度。

致谢

脚注

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