早在 1860 年代，科学家们就开始将啮齿动物的循环系统相互连接起来，此后数十年的研究表明，这种称为联体共生的技术可以使老年动物恢复活力——至少在老鼠身上是这样。特别是在大脑中，该程序可以使年长的动物看起来更年轻，促进新细胞和血管的生长，并改善记忆力和认知的其他方面。研究人员现在正试图了解其益处背后的细胞和分子机制，希望这些努力将转化为新疗法，以减缓或逆转人类认知能力下降。
三篇新论文通过研究联体共生如何改变大脑、脑血管系统和其他组织中的基因活动来深入探讨这个问题。这些研究使用单细胞 RNA 测序来测量单个细胞中的基因转录水平，提供比以前更精细的分析。这使研究人员能够评估不同细胞类型的变化，这种方法在包含多种细胞类型的大脑中尤为重要，哈佛大学神经科学家、Simons Collaboration on Plasticity and the Aging Brain 的研究员Lee Rubin说。 SCPAB)。有些细胞类型非常罕见，因此它们的贡献很容易在全脑方法中丢失。
研究结果表明，年轻的血液似乎可以将基因表达模式恢复到更年轻的状态，并且不同的细胞类型会以不同的方式发生变化。结果指出了干预的潜在目标，可以帮助人们将认知功能保持到老年或对抗与衰老相关的疾病。 “你怎么能把一个老细胞变成一个年轻细胞？”鲁宾说。 “这就是我们要问的。”
在大脑中建立新的细胞和血管
许多专家已经使用联体来研究血液中的因素如何影响健康。例如，鲁宾说，内分泌学家可以进行实验，将糖尿病小鼠与非糖尿病小鼠联系起来。如果他们观察到患病动物的改善，他们可能会得出结论，非糖尿病小鼠血液中的某种物质可以治疗这种疾病。早在 1959 年，研究人员就利用联体共生来证明血液中循环的某些物质会影响食物摄入和肥胖。
2005 年，在该程序的实验使用暂停后，斯坦福大学的Thomas Rando和合作者重新启动了该程序，以仔细研究衰老。通过在称为异慢性联体共生的过程中将一只年轻的老鼠与一只年老的老鼠联系起来，他们表明老年老鼠的各种组织的功能都有所改善，包括其骨骼肌、心脏和肝脏，这一发现在随后的研究中得到了证实。其他研究小组后来表明，联体共生也会影响大脑功能。同样在斯坦福大学的 SCPAB 研究人员 Saul Villeda 和 Tony Wyss-Coray 证明，联体共生可能会恶化年幼动物的记忆力并改善年老动物的记忆力。鲁宾和他的合作者发现，用年轻的血液治疗老年小鼠会刺激大脑中神经干细胞产生新神经元的两个主要区域的神经发生：海马体和脑室下区。他们还观察到血管的再生或血运重建，这些血管将葡萄糖和氧气输送到暴露于年轻血液的老年小鼠大脑中的脑细胞。综上所述，研究结果表明，该过程并不仅仅是减缓衰老过程，鲁宾说。研究表明恢复活力或他喜欢称之为“去衰老”：旧组织在结构上恢复为更接近年轻版本，而接受治疗的动物表现得更像年轻组织，鲁宾说。 “总的来说，它们确实是令人惊讶和积极的结果。”
与对照组（右）相比，用年轻血液处理的老年小鼠（左）在脑室下区（SVZ）中具有更多的神经干细胞（红色）。 Katsimpardi, L. 等科学 2015。给予年老动物血液的年轻小鼠的大脑可能会衰退，尤其是在年老小鼠非常老的情况下，这一事实有助于激发人们在血液中寻找可能影响大脑的“好因素”和“坏因素”。认为这些因子可能由外周组织或循环细胞产生并分泌到血液中，并且它们的产生和分泌可能受衰老的调节。 “人们一直认为，好的因素在年轻血液中[比在老血液中] 更丰富，”鲁宾说。
多个小组使用蛋白质组学来比较年轻和年老的血液。该过程使他们能够识别数百种蛋白质，这些蛋白质的水平会随着年龄的增长而变化，并可能通过共生关系恢复。到目前为止，科学家们已经对这些蛋白质中的至少 10 种进行了表征，并且每一组都有一个最喜欢探索的因素，鲁宾说。他最喜欢的是 GDF11，它可能会刺激神经生成和血运重建。他与哈佛的同事 Amy Wagers 和 Richard Lee 一起帮助创办了一家致力于将 GDF11 用于临床的公司。其他研究人员正在对其他蛋白质进行类似的研究。
跟踪联体共生在单细胞中的影响
2019 年，Rubin 及其同事使用单细胞 RNA 测序分析了小鼠大脑中每种类型细胞的基因表达如何随年龄变化。在这项工作的基础上，他们在 1 月份作为预印本发布了一项较新的研究，他们对 56 只小鼠大脑中的每种细胞类型进行了相同类型的转录分析，以检查老细胞对年轻血液治疗的反应，以及如何年轻的细胞对老血有反应。
在这两种情况下，他们寻找基因的表达随着衰老向一个方向变化，而随着共生关系的变化相反，他们将这些基因与衰老、线粒体功能或蛋白质质量控制等功能相关联。由此产生的路线图列出了基因表达如何在整个大脑中发生变化以及这些变化可能产生什么样的影响。鲁宾的团队已经公开了海量数据集，供其他团队分析。
鲁宾说，所有类型的脑细胞都会随着衰老和共生而发生变化。但他们发现内皮细胞特别重要。随着年龄的增长和接触年轻血液后，这些细胞显示出相对大量的转录变化。鲁宾说，内皮细胞构成血管系统，血液中的因子首先与大脑接触，因此在那里看到基因活动的许多变化是有意义的。 （有关脑血管系统的更多信息，请参阅“脑血管系统的新地图揭示了意想不到的多样性。”）
与未经治疗的老年小鼠 (OX) 相比，用年轻血液 (OY) 治疗的老年小鼠在内皮细胞中的 KLF6 基因（绿色）表达较少，该基因随着年龄的增长而增加。 Ximerakis 等人。 bioRxiv 2022。鲁宾希望这些发现能够指出针对血液和大脑之间界面的新方法，这对大脑功能至关重要。 “我们是否可以从我们对基因表达随年龄变化的方式的了解开始，以此为基础开发一种可以使内皮细胞衰老的药物，使它们的功能更像在年轻大脑中所做的那样？”他说。 “如果是这样，那对哪些疾病有帮助？”
3 月发表在《自然》杂志上的另一篇论文使用单细胞 RNA 测序来评估联体共生如何改变整个身体的转录。 Wyss-Coray和合作者加入了成对的年轻和老年小鼠的循环系统——4 个月大和 19 个月大的小鼠（相当于 25 和 65 岁的人）——为期五周。研究人员分析了来自包括大脑在内的 20 个器官的约 50 种细胞类型，比较了未经治疗的老年小鼠、暴露于年轻血液的老年小鼠和暴露于老年血液的年轻小鼠的衰老特征。
研究人员发现了几乎所有细胞类型中都发生了联体共生介导的变化，这些变化通常会影响数千个基因。在多种细胞类型中发现了大而一致的变化，随着年龄的增长，活动以一种方式进行，而通过共生关系恢复活力则相反。肝脏肝细胞显示出与年龄相关的基因表达变化最大的与共生相关的逆转。该研究还发现内皮细胞、间充质基质细胞和多种免疫细胞发生了显着变化。参与线粒体电子传递链的基因对联体共生逆转衰老特别敏感。共同作者、Chan Zuckerberg Biohub 主席、斯坦福大学生物物理学家 Stephen Quake 说，这种模式适用于各种细胞类型。
Quake 说，虽然这项研究没有专门针对大脑，但数据包括其他研究人员可以利用的脑细胞信息以进行未来分析。他希望科学界能够挖掘这些数据多年。
他补充说，这项研究是一系列研究衰老对各种细胞类型的细胞影响的论文的一部分。研究人员之前创建了一个完整的有机体细胞图谱，并对九只不同年龄的小鼠进行了转录组分析；这篇新论文有助于“了解联体共生在体内广泛的组织和细胞类型中的各种影响，尤其是在衰老的背景下，”斯坦福大学计算机科学家、该研究的合著者Róbert Pálovics说。
老化的时钟衡量复兴
联体共生并不是恢复旧细胞年轻功能的唯一方法。运动做同样的事情，热量限制也是如此。 Villeda 和合作者已经证明，来自运动小鼠的血液可以促进老年动物的神经发生和认知功能。帕洛阿尔托斯坦福大学医学院格伦衰老生物学中心主任兰多说，比较这些不同的技术可以带来新的分子见解，了解它们如何触发再生。在过去的几年里，他参与了一项研究，表明运动可以使大脑、肌肉和骨髓中的干细胞恢复活力。
为了比较运动与共生体的抗衰老机制，格伦中心的联合主任和 SCPAB 的研究员Anne Brunet和合作者首先构建了一种新型的衰老“时钟”。他们仔细检查了 28 只小鼠脑室下区的细胞，这些小鼠的年龄从 3 个月（相当于一个年轻的成年人）到 29 个月（相当于一个成年人）不等。研究人员使用单细胞 RNA 测序来测量不同类型脑细胞中转录活性如何随着年龄的变化而变化，研究人员确定了数十个基因，这些基因的活性在一个方向或另一个方向上随年龄而变化，正如他们在 1 月份发布的预印本中所描述的那样。为了构建时钟，他们使用机器学习来选择最能预测六种细胞年龄的基因子集。 （其他衰老时钟在不同组织类型中使用表观遗传标记，而不是基因表达。有关表观遗传时钟的更多信息，请参阅“ 分子时钟为衰老提供新的见解”。）该团队确定的最重要的基因之一与炎症有关。
使用他们的时钟，该团队能够量化各种细胞类型中联体共生诱导的大脑再生的程度，强调哪些细胞类型可能最适合干预，以及针对不同细胞类型的干预是否可以产生协同作用。斯坦福大学计算生物学研究生、该研究的合著者之一埃里克·孙 (Eric Sun) 表示，该研究结果于 1 月份的预印本中报告，还暗示了哪些细胞类型可以改善认知能力和其他高水平的年轻化效果。孙说，据他所知，这是第一个在单细胞水平上使用基因表达而不是将许多细胞类型混合在一起的时钟。该团队计划最终也研究其他组织类型。
时钟可能会提供一种更有效的方法来筛选治疗方法——通过测试它们如何改变时钟。 “假设你有 1000 种不同类型的治疗方法，你认为它们可能有助于以某种方式使动物恢复活力，”孙说。他说，研究人员可以通过评估化合物对时钟的影响来筛选化合物，而不是用药物或其他干预措施治疗动物并等待其整个生命周期来评估效果。
时钟显示，锻炼也可以使人恢复活力，尽管程度低于接触年轻血液。当研究人员比较联体共生和运动的结果时，他们发现干预措施引发了不同基因和细胞类型的变化。例如，联体共生降低了某些炎症相关基因的活性。另一方面，运动增加了随着年龄增长而下降并参与跨膜转运的基因的活性。联体共生主要使活化的神经干细胞恢复活力。锻炼主要是使少突胶质细胞恢复活力。 “总的来说，我们很高兴能够使用这些老化时钟作为工具来快速测量和比较其他干预措施对老化大脑的影响，”布鲁内特在 Twitter 线程中写道。
Rando 说，除了帮助建立一种测量衰老和年龄逆转技术的方法外，新发现还表明，运动和联体共生以不同的方式导致年轻化，对两者的分析可能会导致不同的应用。 “我们和其他人将通过多种方式来研究恢复活力——通过联体共生、药物、饮食和运动。它们有多相似，它们最终是否最终形成了一种最终的共同途径？这篇论文要说的是，至少从转录来看，他们有不同的方式来恢复青春。”
总之，这些结果提供了衡量衰老如何影响细胞以及如何修改这些变化的新方法。但研究人员警告说，将这些发现转化为治疗需要一些时间。 “有很多重要的生理学和生物学需要研究，以了解什么是合理的期望能够改变，”Quake 说。 “我认为我们还有很多东西要学。现在说有明确的治疗意义还为时过早。”