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科普长文丨干细胞抗衰老 看这一篇就够了!

作者: 来源: 日期:2019/7/2 10:54:55 人气:10 评论:0

随着人们生活质量的不断提高,抗衰老的要求日益增强。


而干细胞具有自我更新、多向分化和旁分泌因子分泌能力,在创伤修复、组织再生和抗衰老等临床医学领域显现出良好的应用前景,部分研究证实,认为补充干细胞是较为自然和直接的抗衰老方法。



衰老是一个普遍发生于绝大多数生物的病理生理过程,随年龄增加而缓慢出现。衰老机体表现为正常生理功能的不可逆衰退,包括记忆力下降、反应迟钝、运动能力减弱、相关激素分泌减少等多种脏器退行性变化,以及老年斑、皮肤褶皱、头发稀疏变白等外在表现,是生长抑制和获得性躯体损伤的累积效应。延缓衰老、永葆青春,自古以来就是人类不懈追求的目标。


衰老机体中几乎普遍存在的是组织结构的改变,不仅在微观和宏观层面均有明显表现,而且伴随着组织功能的损伤和对损伤的反应缺失。细胞是生物体结构和功能的基本单位,衰老细胞是机体器官衰老、整体衰老的结构基础[1],因此衰老细胞的再生成为抗衰老研究的主要方向。


干细胞具有自我更新和多向分化潜能,是实现细胞再生的“种子”,机体可通过自身干细胞的增殖和分化实现细胞更新;但各个组织器官的干细胞数量会随着年龄的增长而逐渐减少,增殖分化能力也会下降,故而受损的组织器官无法得到及时修复,导致人体衰老或疾病的发生[2]。而细胞疗法之一的干细胞疗法,为人类长生不老之梦提供了希望。


1

干细胞与衰老


构成人体的200余种细胞中,大部分为终末分化细胞,高度分化使其失去了再分裂的能力,最终会衰老、死亡;但同时机体也保留了一部分未分化的原始细胞,即干细胞。这些细胞在特定条件下或者产生新的干细胞,或者按一定的程序分化形成新的功能细胞,从而使组织和器官保持生长和衰退的动态平衡[3],当衰退的进程大于再生长的能力时表现为衰老;如果细胞再生能力更强,那么组织衰老的进程将被延缓甚至阻断。


干细胞的功能、特点使得其在创伤修复、神经再生和抗衰老等临床医学领域具有广阔应用前景。已有研究证明,干细胞在心血管疾病、代谢病、帕金森氏综合征、肝硬化、白血病等多种疾病的治疗中疗效显著;而干细胞抗衰老更是《Science》杂志评选出的1999年度10大科学进展之一,由此引发的“再生医学”革命[4]不容小觑。


可想而知,干细胞抗衰老效应的发挥取决于是否能够动员足够数量的理想的干细胞。


干细胞在体内的持久性使它们容易受到老化相关毒性代谢物的累积损伤,许多组织中的干细胞随着年龄的增长而发生深刻的变化,最终发生细胞死亡、衰老或再生功能的丧失,表现为衰老机体对组织损伤的迟钝反应、增殖活性的失调和细胞更新、组织再生功能的下降。老化机体中的干细胞承受的压力主要来自体细胞基因突变、表观遗传变化和环境因素的压力[5],活性氧(Reactive oxygen species,ROS)等衰老相关的毒性代谢物、DNA或蛋白质损伤,都可影响干细胞的功能或数量[6]。


向衰老机体中注入年轻机体的血液、限制热量或延长寿命的药物雷帕霉素的使用,也可在一定程度上增强衰老机体的干细胞功能,使衰老机体呈现更年轻的细胞状态[7]。其机制可能涉及表观基因组的重新编程、炎性介质减少、线粒体功能改善、干细胞增殖平衡等。



但正如受损DNA的修复需要识别主要调节基因、细胞的自体吞噬须选择性可控等[8-9],由于机制和实现手段的复杂性,目前通过内源性干细胞的干预实现抗衰老效应还有很长的路要走。而干细胞抗衰老的另一个方向—使用外源成体干细胞纠正机体老化问题则研究较为广泛、应用较为成熟。


目前研究关注的几种抗衰老干细胞大量研究发现,存在于机体整个生命过程中的干细胞具有抗氧化、抗皱、促进伤口愈合等功能[10]。最直接的证据是,真皮多能干细胞(Dermal multipotent stem cells,DMSCs)通过提高I型胶原蛋白水平、增加皮肤厚度防止皮肤老化[11],并可与真皮干细胞(Dermal stem cells,DSCs)共同作用增加皮肤前体细胞的数量及表皮再生能力。


而可用于抗衰老的外源成体干细胞主要包括脂肪干细胞、骨髓间充质干细胞和妊娠组织来源的间充质干细胞;高度未分化的胚胎干细胞也有少量应用,其中多能干细胞来源广泛且不涉及伦理问题,成为目前国际上研究和应用最多的干细胞种类。


2

可用于抗衰老的干细胞分类


(1)脂肪干细胞:脂肪组织是一种可再生的干细胞来源,多数脂肪干细胞来源于脂肪组织中的纤维组织和血管壁,少数游离于脂肪间。脂肪干细胞可分化成骨骼、脂肪、心肌、神经等多种组织,同时释放重要的生长因子、细胞因子来促进伤口愈合、调节炎症反应、减少瘢痕形成和抗衰老[12]。



在抗衰老应用中,脂肪干细胞不仅可以作为填充剂,还可成为永久性的再生剂,其分化能力强,因而抗衰老效果明显,疗效持久。在异体移植对衰老模型大鼠体内自由基影响的动物实验揭示,经静脉注射脂肪源干细胞的大鼠体内超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)水平升高,抗氧化能力增强,衰老进程得以延缓[13];脂肪间充质干细胞的移植对改善面部肌肉萎缩和面部脂溢患者的症状效果明显,其与透明质酸的联合使用还能实现光老化皮肤的修复[14]。


方便实现自体移植则是脂肪干细胞抗衰老应用的无可替代的优势,使用过程中几乎不存在安全性问题。


(2)骨髓间充质干细胞:包括造血干细胞、间叶基质细胞、内皮细胞等,是一个多能间充质细胞的异质群体,可用于电离辐射等所致组织损伤的修复及再生,在组织损伤的再生作用中,既可分化为功能性实质细胞,又可为其他细胞创造生长的微环境[15]。骨髓间充质干细胞已作为疾病或损伤组织再生的有力工具[16],用于软骨细胞、成骨细胞、脂肪细胞、神经元细胞等的潜在分化。


(3)妊娠组织来源的间充质干细胞:具有比成体来源的间充质干细胞更强的增殖能力,且干细胞产率高于骨髓,可调节多个生物学过程,如血管生成、形态发生、组织再生和细胞存活。作为基于细胞的组织再生疗法的重要实现手段,这种外源性间充质干细胞的移植对减少瘢痕、促进组织再生的作用已在模型动物或临床试验中得以显现[18]。


值得注意的是,脐血/脐带中干细胞具有无肿瘤污染、增殖能力强、采集方便、免疫活性低、对供者无不利影响等优点,可以成为理想的抗衰老干细胞来源。


(4)胚胎干细胞:胚胎是多能干细胞的主要来源,可以诱导分化出血液、内皮、心肌、骨骼、神经等细胞。动物实验表明,人胚胎干细胞向衰老小鼠损伤组织植入,可产生激活抗衰老信号的可溶性蛋白,发挥抗衰老作用[21]。但由于伦理学问题,胚胎干细胞的临床应用受限。


(5)其他:如人诱导多能干细胞(Induced pluripotent stem cells,iPSCs),也已证实可以治疗特异性皮肤病或者使皮肤返老还童[22-23]。


3

干细胞抗衰老的机理


干细胞抗衰老除了干细胞本身在组织微环境作用下,多向分化为组织细胞,替代衰老死亡的细胞外,还具有强大的分泌功能,分泌一些生长因子、细胞因子,提升机体抗自由基能力,发挥促进血管生成及细胞增殖分化、抑制炎症反应及趋化性、调节细胞粘附及迁移的功能,刺激组织细胞的再生、修复功能,加速伤口愈合和组织重塑,达到对抗衰老的目的。


(1)脂肪干细胞:可分泌多种具有神经保护作用的因子,如金属蛋白酶组织抑制因子-1(The tissue inhibitor of metalloproteinase-1,TIMP-1)及富含半胱氨酸型酸性蛋白(The secreted protein acidic and rich in cysteine,SPARC),通过对AKT Ser473磷酸化的影响,抑制光感受器损伤和视网膜功能障碍后的光致细胞死亡,在视网膜损伤中发挥神经保护作用,有效纠正退行性视网膜病变。


脂肪干细胞分泌的其他细胞因子,如血管内皮生长因子、表皮生长因子、纤维生长因子、抗纤维化的细胞因子等,主要通过促进血管再生与血管稳定、提升皮肤成纤维细胞的功能、免疫调节、中和活性氧等机制发挥作用。还可分化为各种皮肤细胞等[24-25],是目前抗衰老最具潜力、最实用的新手段。


(2)骨髓间充质干细胞:生长因子的缺失可以诱导细胞自噬和衰老,并通过AKT、细胞外调节蛋白激酶(Extracellular regulated protein kinases,ERK)信号通路的抑制下调细胞干性。骨髓间充质干细胞能够分泌多种生长因子和细胞因子,甚至被比作生长因子工厂。这些生长因子和细胞因子可通过调节间充质干细胞的增殖和分化发挥自分泌作用,如成纤维细胞生长因子2(Fibroblast growth factor 2,FGF-2)和FGF-4可快速诱导AKT的活化,随后ERK被激活,细胞增殖能力大大提高,而肝细胞生长因子(Hepatocyte growth factor,HGF)维持着细胞分化潜能[26],从而促进受损组织和器官的愈合。


间充质干细胞还可以分泌白细胞介素6(Interleukin 6,IL-6)、IL-12、IL-14、白血病抑制因子、粒细胞集落刺激因子等造血功能必需的细胞因子,以及胶质源性神经营养因子、神经生长因子等神经营养因子[27],从多个角度发挥抗衰老作用。


(3)妊娠组织来源的间充质干细胞:从胎盘和脐带组织中分离出的间充质干细胞,经体外培养,其上清液中可检测出多种血管生成、伤口愈合相关因子的分泌[28],包括IL-6、IL-8、转化生长因β1(Transforming growthfactor-β1,TGF-β1)、单核细胞趋化蛋白1(monocyte

chemoattractant protein 1,MCP-1)、血管内皮生长因子(Vascular endothelial growth factor,VEGF)、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子(Granulocyte-macrophage colonystimulating factor,GM-CSF)等,为维持体内微环境,以及在创伤和溃疡治疗的临床应用提供了分子基础。



在众多的细胞因子中,具美白作用的有TGF-β等;具抗皱作用的有TGF-β、HGF、VEGF、胰岛素样生长因子(Insulin-like growth factor,IGF)等;具伤口愈合作用的有VEGF、血小板源性生长因子(Platelet derived growth factor,PDGF)、碱性成纤维细胞生长因子(Basic fibroblast growth factor,bFGF)、HGF等;具抗氧化能力的有HGF、IGF、IL-6、色素上皮细胞衍生因子(Pigmentepithelium-derived factor,PEDF)、SOD等[29-32],干细胞激活因子在修复皮肤损伤中发挥关键作用[38]。


综上所述,干细胞失能、衰老、丢失或凋亡导致了皮肤的老化。以干细胞为基础的治疗,或辅以适当的药物,可解除包括端粒酶变短、雌激素丢失、过量ROS产生在内的信号级联,从而控制老化进程。自我更新、多向分化和旁分泌因子的分泌正是各种干细胞发挥抗衰老作用、促进皮肤再生的机制之所在。


干细胞的使用还存在一些不利的方面,像胚胎干细胞使用过程中的伦理学问题、大规模干细胞制备的标准问题等。鉴于这些认识,来源于自身脂肪组织的再生细胞及其皮下组织的应用有望成为皮肤再生的标准策略;为避免机体老化后干细胞干性减弱,进行自体干细胞的早期储存不失为一种明智的选择,但亟需规范行业发展,完善管理办法,保证质量可控、评价标准可靠,特别是安全性和细胞干性的评价。


对于外源成体干细胞的抗衰老应用,可以尝试细胞因子替代疗法,降低技术门槛。而从促进干细胞动员的角度发现新的抗衰老干预靶点,必将催生新型药物的发展,乃至衰老机制的最终破解。

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