張文杰

【提要】 人口老齡化已經(jīng)成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)，如何減少衰老相關(guān)疾病的發(fā)生，是預(yù)防醫(yī)學(xué)面臨的重大挑戰(zhàn)。建立科學(xué)的衰老理論，將為制定有效的抗衰老策略提供重要的依據(jù)。借鑒組織工程學(xué)的研究經(jīng)驗(yàn)，我們提出了組織器官衰老的“種子與土壤”理論：“種子”代表了干細(xì)胞，“土壤”代表了組織微環(huán)境，“種子”的耗竭與“土壤”的惡化是組織器官衰老的核心。基于衰老組織的這些特征性變化，我們提出了“除草、施肥、播種”的抗衰老綜合策略：清除衰老細(xì)胞、改善組織微環(huán)境、補(bǔ)充干細(xì)胞，并依據(jù)這一策略，對(duì)現(xiàn)有的抗衰老技術(shù)進(jìn)行新的歸類(lèi)。

人口老齡化已經(jīng)成為全世界關(guān)注的焦點(diǎn)，目前國(guó)際上普遍將65 歲及以上人口占總?cè)丝诘谋戎?，作為衡量老齡社會(huì)程度的標(biāo)準(zhǔn)，7%～14%為輕度老齡社會(huì)；14%～20%為中度老齡社會(huì)；20%以上為重度老齡社會(huì)。2021 年末，我國(guó)65 歲及以上人口已突破2 億，占總?cè)丝诘?4.2%，我國(guó)已進(jìn)入中度老齡社會(huì)，到2025 年末，我國(guó)將進(jìn)入重度老齡社會(huì)[1]。機(jī)體的衰老，伴隨著重要臟器功能減退，自我修復(fù)能力下降，繼而產(chǎn)生一系列組織的退行性改變，衰老相關(guān)疾病的發(fā)生率進(jìn)行性提高，給家庭和社會(huì)造成嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)。如何提高老年人的身體健康水平，減少和延緩衰老相關(guān)疾病的發(fā)生，是預(yù)防醫(yī)學(xué)面臨的重大挑戰(zhàn)。近年來(lái)，抗衰老的相關(guān)研究得到了廣泛關(guān)注，建立科學(xué)的衰老理論，將為制定有效的抗衰老策略提供重要的依據(jù)。我們借鑒組織工程的研究經(jīng)驗(yàn)，提出了組織器官衰老的“種子與土壤”理論，并依據(jù)該理論提出了“除草、施肥、播種”的綜合抗衰老策略。

1 組織器官衰老的“種子與土壤”理論

人們對(duì)于衰老的認(rèn)識(shí)是在近30 年中積累起來(lái)的。人體衰老的機(jī)制非常復(fù)雜，目前的認(rèn)識(shí)只是其冰山一角。2013 年，López-Otín 等[2]綜合闡述了人體老化的9 大標(biāo)志性改變，包括基因組的不穩(wěn)定性、端粒的磨損、表觀遺傳的改變、蛋白質(zhì)內(nèi)穩(wěn)態(tài)的喪失、營(yíng)養(yǎng)感知的失調(diào)、線粒體功能障礙、細(xì)胞衰老、干細(xì)胞耗竭，以及細(xì)胞間通信的改變。如果細(xì)分的話，前7 項(xiàng)變化歸于細(xì)胞和分子水平的變化，后2 項(xiàng)則歸于組織器官水平的變化。該報(bào)道進(jìn)一步將衰老特征分為3 類(lèi)：主要特征、拮抗特征和綜合特征。主要特征是指引起損傷的始動(dòng)因素，包括了基因組的不穩(wěn)定性、端粒的磨損、表觀遺傳的改變、蛋白質(zhì)內(nèi)穩(wěn)態(tài)的喪失；拮抗特征是人體應(yīng)對(duì)損傷的反應(yīng)，包括了營(yíng)養(yǎng)感知的失調(diào)、線粒體功能障礙、細(xì)胞衰老；綜合特征是最終導(dǎo)致的結(jié)局，包括了干細(xì)胞耗竭和細(xì)胞間通信改變，并認(rèn)為干細(xì)胞耗竭和細(xì)胞間通信改變是導(dǎo)致衰老的“罪魁禍?zhǔn)住薄：?jiǎn)單地描述這一過(guò)程就是：機(jī)體隨著年齡的增長(zhǎng)，不斷受到外源性或者內(nèi)源性的損傷，導(dǎo)致在細(xì)胞和分子水平發(fā)生一系列變化，損傷后機(jī)體啟動(dòng)自我保護(hù)機(jī)制，產(chǎn)生保護(hù)性反應(yīng)；如果保護(hù)失效，則導(dǎo)致組織器官水平的病理改變，造成干細(xì)胞數(shù)量的耗竭以及體內(nèi)微環(huán)境的紊亂，使機(jī)體修復(fù)能力下降，器官功能減退，衰老隨之發(fā)生。由此可見(jiàn)，組織內(nèi)的干細(xì)胞數(shù)量以及組織微環(huán)境是決定組織再生修復(fù)能力的核心，這一理念與組織工程學(xué)的原理頗為相似。在組織工程學(xué)中，種子細(xì)胞、可降解支架材料、生長(zhǎng)因子，是工程化組織體外構(gòu)建的三大要素，通過(guò)體外模擬體內(nèi)的細(xì)胞與組織微環(huán)境，實(shí)現(xiàn)組織器官的人工再造[3]。借鑒組織工程的基本原理，我們提出了組織器官衰老的“種子與土壤”理論，“種子” 代表了干細(xì)胞，“土壤” 代表了組織微環(huán)境，“種子”的耗竭與“土壤”的惡化是導(dǎo)致組織器官衰老的核心。

1.1 “種子”的耗竭

人類(lèi)從受精卵發(fā)育成個(gè)體的過(guò)程，是干細(xì)胞不斷增殖與分化的過(guò)程，從個(gè)體出生到衰老死亡，人體組織始終保持著一定程度的自我更新，其中干細(xì)胞為組織的新舊更替提供了重要的種子來(lái)源。組織再生修復(fù)能力的下降是機(jī)體衰老最明顯的表現(xiàn)，而干細(xì)胞的損耗在幾乎所有成體干細(xì)胞中都有發(fā)現(xiàn)，包括小鼠前腦[4]、骨[5]、骨髓等[6]。研究證實(shí)，老年小鼠的造血干細(xì)胞比年輕小鼠的造血干細(xì)胞細(xì)胞分裂進(jìn)行得更少，細(xì)胞周期活性整體下降[6]。隨著年齡的增長(zhǎng)，造血功能下降，導(dǎo)致適應(yīng)性免疫細(xì)胞產(chǎn)生減少，這一過(guò)程被稱(chēng)為免疫衰老，可以增加貧血和髓系惡性腫瘤的發(fā)病率[7]。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的數(shù)量隨著年齡的增加而逐漸減少，分化能力也逐漸減低，導(dǎo)致老年骨質(zhì)疏松和骨折后難以愈合等問(wèn)題[8]。干細(xì)胞耗竭的內(nèi)在原因之一是端粒的磨損，通常細(xì)胞的每一次分裂都會(huì)使端?？s短，端粒的長(zhǎng)度決定了細(xì)胞的壽命[9]。另外，其他的損傷導(dǎo)致的基因組的不穩(wěn)定性、表觀遺傳的改變、蛋白質(zhì)內(nèi)穩(wěn)態(tài)的喪失等，也是導(dǎo)致干細(xì)胞數(shù)量減少的原因?！癝tem cell niche”被認(rèn)為是組織內(nèi)成體干細(xì)胞保存的重要場(chǎng)所，由細(xì)胞以及生物、化學(xué)、物理等因素組成的微環(huán)境，影響著干細(xì)胞的靜息、激活、自我更新以及分化等狀態(tài)，干細(xì)胞微環(huán)境的破壞，可直接影響干細(xì)胞的自我更新能力，導(dǎo)致數(shù)量的減少[10]。

1.2 “土壤”的惡化

López-Otín 等[2]認(rèn)為，除了細(xì)胞自身的改變，衰老還涉及細(xì)胞間通信的變化。隨著年齡的增長(zhǎng)，炎癥反應(yīng)增多，神經(jīng)激素信號(hào)下調(diào)，清除致病菌和癌前細(xì)胞的能力減弱，細(xì)胞周?chē)图?xì)胞外的成分變化，將影響所有組織的功能。衰老組織微環(huán)境的普遍特征包括了慢性炎癥[11]、血供減少[12]、過(guò)氧化物堆積[13]等，并相互影響。慢性炎癥可導(dǎo)致血管退化、血液供應(yīng)減少，血供減少會(huì)引起過(guò)氧化物堆積，而過(guò)氧化物堆積又會(huì)加重慢性炎癥。衰老組織的炎癥可能由多種原因引起，如累積的炎癥性組織損傷、免疫系統(tǒng)清除病原體和功能失調(diào)宿主細(xì)胞的能力降低、衰老細(xì)胞分泌的促炎因子，以及細(xì)胞自噬功能的障礙等[14-15]。Martínez 等[16]認(rèn)為，慢性炎癥是由慢性氧化應(yīng)激狀態(tài)導(dǎo)致整個(gè)免疫系統(tǒng)的低度慢性炎癥，并提出了“氧化-炎癥-老化”（Oxi-inflamm-aging）的概念，而線粒體活性氧類(lèi)（ROS）的產(chǎn)生是整個(gè)過(guò)程的始動(dòng)因素。另有研究認(rèn)為，炎癥主要是由積累的老化細(xì)胞引起的[17-18]，在成纖維細(xì)胞和上皮細(xì)胞中的研究表明，細(xì)胞衰老伴隨著參與細(xì)胞間信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的40～80 個(gè)因子的分泌顯著增加，這組因子的分泌被稱(chēng)為“衰老相關(guān)分泌表型”（SASP）[19]。SASP 蛋白包括生長(zhǎng)因子、蛋白酶、趨化因子和細(xì)胞因子等，其中已知的刺激炎癥的蛋白質(zhì)包括白介素（IL）-6、IL-8、IL-1、粒細(xì)胞巨噬細(xì)胞集落刺激因子（GM-CSF）、單核細(xì)胞趨化蛋白（MCP）-2、MCP-3、基質(zhì)金屬蛋白酶（MMP）-1和MMP-3，以及許多胰島素樣生長(zhǎng)因子（IGF）結(jié)合蛋白等[19]。SASP 蛋白不僅影響局部組織微環(huán)境，還能通過(guò)血液循環(huán)作用于其他組織和器官。研究發(fā)現(xiàn)，皮膚的老化與免疫功能老化、神經(jīng)退行性疾病、心血管疾病的發(fā)生和壽命的長(zhǎng)短相關(guān)，其機(jī)制可能是老化的皮膚細(xì)胞通過(guò)釋放SASP 作用于其他臟器[20]。

2 抗衰老綜合策略

針對(duì)干細(xì)胞耗竭與組織微環(huán)境惡化的組織器官衰老的特征表現(xiàn)，我們提出了“除草、施肥、播種”的抗衰老綜合策略：清除衰老細(xì)胞、改善組織微環(huán)境、補(bǔ)充干細(xì)胞。

2.1 “除草”（清除衰老細(xì)胞）

清除衰老細(xì)胞的方法很多，第一種就是提高免疫力。年輕時(shí)，組織中的衰老細(xì)胞也會(huì)產(chǎn)生，通常是被免疫系統(tǒng)識(shí)別并清除；隨著年齡的上升，機(jī)體的免疫力降低，衰老細(xì)胞的清除能力也隨之降低，所以提高機(jī)體免疫功能是清除衰老細(xì)胞的有效方法。第二種是能特異性殺死衰老細(xì)胞的被稱(chēng)為“senolytics”的藥物[21]，包括達(dá)沙替尼、槲皮素等，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)這類(lèi)藥物可以殺死體內(nèi)衰老細(xì)胞，延長(zhǎng)動(dòng)物壽命[22-23]。第三類(lèi)是轉(zhuǎn)基因的設(shè)想，在細(xì)胞內(nèi)導(dǎo)入自殺基因，一旦細(xì)胞衰老就啟動(dòng)自殺程序[24]。無(wú)論是哪種方法，衰老細(xì)胞的清除對(duì)于延緩衰老的進(jìn)程是重要的，因?yàn)樗ダ霞?xì)胞釋放的SASP 蛋白不僅作用于局部組織，還能通過(guò)血液循環(huán)作用到身體的其他器官，加快其他組織和器官的衰老，所以清除衰老細(xì)胞是抗衰老的第一步。

2.2 “施肥”（改善微環(huán)境）

組織微環(huán)境對(duì)組織再生修復(fù)起關(guān)鍵作用，Ge等[25]的研究發(fā)現(xiàn)，年老小鼠皮膚的毛囊干細(xì)胞移植到年輕小鼠的真皮組織中可以再生毛囊，而年輕小鼠的毛囊干細(xì)胞移植到年老真皮組織中卻不能再生毛囊，顯示了組織微環(huán)境在組織再生修復(fù)中的重要性。衰老組織微環(huán)境的普遍特征包括了慢性炎癥、血供減少、過(guò)氧化物堆積等。因此，理想的“肥料”應(yīng)該具有抗炎、抗氧化、促血管新生等復(fù)合功能。目前已經(jīng)在開(kāi)展應(yīng)用的第一種“復(fù)合肥料” 是間充質(zhì)干細(xì)胞。大量研究表明，間充質(zhì)干細(xì)胞主要通過(guò)旁分泌抗炎、抗氧化、促血管新生的活性因子，在組織再生修復(fù)中發(fā)揮作用，而通過(guò)分化參與組織修復(fù)的細(xì)胞數(shù)量極少[26]。因此，間充質(zhì)干細(xì)胞在大部分疾病治療中真正起的是“肥料”的作用，而不是“種子”的作用。在難愈性創(chuàng)面和骨關(guān)節(jié)炎的治療中，同種異體的臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞和脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞是最為常用的細(xì)胞類(lèi)型，雖然這些細(xì)胞的免疫原性比較低，但最終都逃脫不了被免疫系統(tǒng)清除的命運(yùn)，細(xì)胞在移植后的短暫時(shí)間內(nèi)存活，并通過(guò)旁分泌活性因子來(lái)調(diào)控局部的炎癥、促進(jìn)血管新生、刺激細(xì)胞增殖、抗細(xì)胞凋亡等，發(fā)揮促進(jìn)組織再生修復(fù)的作用[27-28]?；陂g充質(zhì)干細(xì)胞的旁分泌作用機(jī)制，延伸出了第二類(lèi)“復(fù)合肥料”，即間充質(zhì)干細(xì)胞培養(yǎng)中的上清液或上清液中進(jìn)一步分離提取的外泌體。大量研究表明，間充質(zhì)干細(xì)胞外泌體同樣具有抗炎、抗氧化、促血管新生等功能，起到促進(jìn)組織再生修復(fù)的作用[29]。第三種“復(fù)合肥料” 是最近幾年我們研究發(fā)現(xiàn)的脂肪脫細(xì)胞活性蛋白（Cell-free fat extract，CEFFE），是來(lái)源于脂肪組織的活性蛋白群，同樣具有抗炎、抗氧化、促血管新生、促神經(jīng)再生等功能[30]，在神經(jīng)、呼吸、生殖、運(yùn)動(dòng)等衰老性疾病的動(dòng)物模型中，證實(shí)了其廣泛的應(yīng)用前景，其作用機(jī)制也是通過(guò)改善組織微環(huán)境發(fā)揮作用[31-33]，有望成為未來(lái)抗衰老的“復(fù)合肥料”。

2.3 “播種”（補(bǔ)充干細(xì)胞）

播種的概念可以分為兩種：一種是保護(hù)干細(xì)胞，另一種是補(bǔ)充干細(xì)胞。保護(hù)干細(xì)胞的藥物包括雷帕霉素[34]、二甲雙胍[35]、槲皮素[36]、尿苷[37]、煙酰胺核苷和煙酰胺單核苷酸[38]等，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究顯示均具有抗衰老和延長(zhǎng)動(dòng)物壽命的作用。補(bǔ)充衰老組織內(nèi)耗竭的干細(xì)胞可以從補(bǔ)充外源性和內(nèi)源性干細(xì)胞兩條路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。補(bǔ)充外源性干細(xì)胞的最大難點(diǎn)在于：如果要讓干細(xì)胞真正起到“種子”的作用，就必須找到組織相容性、抗原完全匹配的供體，才能讓細(xì)胞長(zhǎng)期存活不被排斥，這個(gè)概率和我們尋找異體骨髓移植的概率一樣低?？赡芙鉀Q的第一條路徑是建立有效的體外干細(xì)胞培養(yǎng)擴(kuò)增體系，取少量自體干細(xì)胞，體外擴(kuò)增后獲得滿足需求的細(xì)胞數(shù)量；第二條路徑是細(xì)胞重編程技術(shù)，可以把自體分化成熟的皮膚或血液細(xì)胞等重編程回到最原始的狀態(tài)，并通過(guò)誘導(dǎo)重編程細(xì)胞再次分化，獲得我們想要的各種組織干細(xì)胞[39]。補(bǔ)充內(nèi)源性干細(xì)胞可以通過(guò)兩條途徑實(shí)現(xiàn)。第一條途徑：研究發(fā)現(xiàn)骨髓中含有多種干細(xì)胞，有些甚至具有向3 個(gè)胚層分化的能力，可以動(dòng)員骨髓里的干細(xì)胞，通過(guò)血液循環(huán)進(jìn)入需要再生修復(fù)的器官中，如骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞等[40-41]；第二條路徑：通過(guò)在體重編程技術(shù)，將重編程藥物注射到體內(nèi)，將組織中的分化細(xì)胞定向回到相對(duì)原始的狀態(tài)[42]。Lu 等[43]在小鼠視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞中異位表達(dá)Oct4、Sox2 和Klf4 基因，可以恢復(fù)細(xì)胞年輕態(tài)的DNA 甲基化和轉(zhuǎn)錄組模式，促進(jìn)損傷后軸突再生，逆轉(zhuǎn)了青光眼模型小鼠和老年小鼠的視力損失。

2.4 其他干預(yù)措施

生活習(xí)慣，特別是飲食、運(yùn)動(dòng)、情緒等因素可以影響機(jī)體的衰老速度，其背后的科學(xué)機(jī)制也是通過(guò)影響干細(xì)胞狀態(tài)以及組織微環(huán)境發(fā)揮作用[44]。少食、多動(dòng)、不抽煙、不酗酒、保持樂(lè)觀的心態(tài)等都是日常抗衰老的基礎(chǔ)。

3 總結(jié)與展望

組織器官衰老的“種子與土壤”理論，形象地描述了組織器官衰老的兩大特征性變化，在此基礎(chǔ)上提出的“除草、施肥、播種”抗衰老綜合策略，基本涵蓋了目前正在嘗試的各種抗衰老治療手段?？梢灶A(yù)見(jiàn)，采用多角度聯(lián)合干預(yù)方式，有望恢復(fù)正常衰老組織再生修復(fù)能力，提高抗衰老效果?！俺荨⑹┓?、播種”，無(wú)論哪個(gè)方面的突破，都將改變我們的衰老速度，給健康壽命的延長(zhǎng)帶來(lái)巨大幫助，也期待相關(guān)藥物和技術(shù)能盡早造福人類(lèi)。當(dāng)然，從López-Otín 等[2]綜述的人體老化9 大標(biāo)志性改變來(lái)看，“種子與土壤”理論側(cè)重于最后兩項(xiàng)組織器官水平的衰老變化，闡明前7 項(xiàng)中衰老在細(xì)胞和分子水平的變化，可以回答人體為何會(huì)衰老的真正機(jī)制，這些方向的探索，將是人類(lèi)實(shí)現(xiàn)“長(zhǎng)生不老”夢(mèng)想的基石。