在 2000 年代初期，达伦·贝克(Darren Baker) 通过使用染色体未能正确分离的小鼠模型来研究癌症，这是肿瘤形成的危险因素。他创造的其中一种菌株具有一种奇怪的表型——过早衰老。当时已知的过早衰老的典型驱动因素，例如无法修复 DNA 损伤、端粒短或线粒体问题，都没有提供令人满意的解释。明尼苏达州罗切斯特市梅奥诊所的生物学家贝克说：“我们的模型永远不适合这一点。”相反，他们发现这些动物已经积累了大量所谓的衰老细胞，即停止分裂的细胞。
设计用于发展早期神经变性（左）的小鼠在齿状回中形成缠结（绿色）。消除衰老细胞的堆积可以减少缠结（右）。图片来源：Bussian 等人。自然 2018。从那以后的几年里，贝克和其他人发现越来越多的证据表明，衰老细胞在衰老过程中发挥着重要作用，无论是在广义上还是在大脑中。许多研究表明，这些细胞随着年龄的增长和不同的神经退行性疾病而积累。它们会释放炎症因子，从而伤害邻近的细胞。最有趣的是，通过基因或药物在小鼠体内消除它们可以延缓不同疾病的症状，并可能改善认知功能。哥伦比亚大学生物学家、Simons Collaboration on Plasticity and the Aaging Brain 的研究员Yousin Suh说：“衰老越来越被认为是衰老的基本机制，并导致与年龄相关的疾病。”
但是研究衰老细胞是一项严峻的挑战。它们很少见，而且众所周知难以识别，这阻碍了回答有关它们在衰老中的作用的基本问题的努力。 “在老鼠身上，我们没有很好的衰老细胞标记物或描述它们随时间变化的方法，”贝克说。 “我们不知道衰老细胞在组织中的存活时间，是否存在更温和和更极端的衰老形式，或者它们为什么会出现。”
为了解决这些问题，研究人员现在正在开发用于分析和靶向衰老细胞的新技术，这将帮助他们更准确地跟踪细胞如何随着年龄、疾病以及也许最重要的治疗而发生变化。最终，研究人员希望更好地了解大脑中的衰老细胞将有助于开发可以杀死或减缓衰老细胞的新药，其中一些已经在神经退行性疾病的临床试验中。梅奥诊所的生物学家Marissa Schafer说：“在我们的领域中，确定衰老细胞如何在衰老和疾病的背景下改变大脑是一个非常激动人心的时刻。” “新平台将有助于识别衰老细胞的位置和身份，并且对于回答其中一些问题非常有用。”
海弗利克的极限
生物学家 Leonard Hayflick 在 1960 年代首次描述了衰老的概念，表明在培养中生长的成纤维细胞分裂了固定的次数，然后就停止了。海弗利克当时提出，衰老细胞在衰老中起作用，但直到最近 20 年，研究人员才有了研究体内衰老细胞的工具。我们现在知道衰老会袭击不同的细胞类型，并且可以由不同的因素触发，包括 DNA 损伤、端粒损伤和氧化应激。
衰老细胞的影响范围从有益到有害。这些细胞有助于伤口愈合，例如，将炎症因子发送到伤口部位。它们在发育中发挥重要作用，分泌参与神经管发育的因子。衰老也可以作为一种肿瘤抑制机制，在 DNA 损伤的细胞中阻止分裂。
但从长远来看，特别是在衰老和与年龄相关的疾病中，衰老可能是有害的。衰老细胞是有问题的，因为它们不再用新的子细胞补充组织，并且因为它们产生炎性细胞因子和其他分子，这种特性被称为衰老相关分泌表型或 SASP。分泌的因子会伤害邻近的细胞，引发细胞周期停滞，破坏干细胞并损害再生。 “当你年轻的时候，有这种抗癌机制很好，但当你老了，它会做所有那些可怕的事情，”Suh 说。
在正常情况下，免疫系统会清除衰老细胞。但由于科学家尚未完全理解的原因，这些细胞往往会随着年龄的增长而积累。 “也许我们只是产生了太多，或者随着年龄的增长，去除衰老细胞的方法变得不那么有效，”Suh 说。衰老细胞的积累可能会产生一个反馈回路，因为它们会分泌炎性细胞因子并可能产生更多的衰老细胞。
研究衰老细胞，尤其是大脑中的衰老细胞，最大的挑战之一就是简单地识别它们。 “我认为大脑是我们对衰老细胞知之甚少的器官之一，”以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所的生物学家Valery Krizhanovsky说。衰老细胞很少见，即使随着年龄的增长和疾病，衰老的样子也因细胞类型而异。此外，引发衰老的不同方法，例如氧化应激、DNA 损伤或表观遗传变化，即使在相同类型的细胞中也可以诱导不同的衰老表型，Suh 说。 “没有单一的标记可以识别体内的衰老细胞；这真的取决于细胞环境。”研究人员通常依赖与细胞周期相关的标志物，例如 P16 和 P21，这些蛋白质在高水平时可以阻止细胞分裂。
衰老细胞在衰老中的作用的一些最明确的证据来自根除它们的努力。大约十年前，贝克和梅奥的合作者设计了一种基因结构，称为 INK-ATTAC，当动物被喂食某种药物时，它会杀死表达 P16 的衰老细胞。去除这些细胞可以减缓心脏、肾脏和其他组织与年龄相关的衰退，延长正常衰老小鼠的寿命，并减缓快速衰老小鼠模型的疾病进展。尽管科学家们仍在研究去除衰老细胞如何促进组织健康，但减缓有害衰老相关因子的释放可能是关键因素。 “通过消除细胞或蛋白质的分泌来抑制炎症，可以产生有益的影响，”贝克说。
大脑衰老
在他们早期的 INK-ATTAC 研究中，贝克的团队没有广泛测试大脑功能。但他们确实看到了细微的认知差异。 “当你去除老鼠体内的衰老细胞时，真正发生了变化的一件事是，它们跑得更多，”贝克说，尽管研究人员还不知道为什么。它可能是更好的肌肉功能，也可能源于大脑的变化。
迄今为止，大多数研究衰老细胞在衰老大脑中的作用的研究都集中在神经退行性疾病的小鼠模型上。例如，贝克的小组发现，在生命的第一年发展为侵袭性神经退行性疾病的阿尔茨海默氏症模型会积累衰老的神经胶质。在动物出现神经退化迹象之前停止衰老细胞的发育，相当于治疗 20 多岁的人，“大大延缓了退化，这表明衰老细胞会促进功能障碍，”贝克说。研究人员现在正在研究在退化已经开始后靶向衰老细胞是否仍然可以减缓衰退。 “我们什么时候可以干预？迟到什么时候为时已晚？”贝克问道。
使用不同的阿尔茨海默氏症小鼠模型，北卡罗来纳州维克森林大学医学院的神经生物学家Miranda Orr和合作者还表明，靶向衰老细胞可以减少 tau 病理学。 Schafer 说，虽然这两项研究确定了不同类型的衰老细胞，但都表明清除衰老细胞可以减少病理迹象，这令人兴奋。
与未经治疗的动物（左）相比，去除海马中衰老细胞的治疗减少了衰老小胶质细胞（红色）的数量。学分：戴安娜·尤克研究人员表示，现在要知道这些发现对正常大脑衰老的适用性还为时过早——神经退行性疾病和加速衰老的小鼠模型中的衰老可能与没有疾病时发生的情况大不相同。然而，新的研究确实指出了大脑衰老的作用。在 2021 年发表在Aging Cell上的一项研究中，Mayo 的生物学家Diana Jurk和合作者表明，去除衰老细胞确实可以改善老年小鼠的大脑功能。这些动物的单细胞和单核 RNA 测序显示，随着年龄的增长，P16 阳性的衰老小胶质细胞、少突胶质细胞和少突胶质细胞前体在海马中积累。治疗老年小鼠以去除这些细胞——无论是基因还是药物混合物——减少了小胶质细胞中 P16 和炎症因子的释放，并提高了空间记忆测试的表现。 “我们的数据提供了概念证明，即衰老干预可以成为缓解与年龄相关的认知障碍的治疗途径，”Jurk 说。
研究人员现在正试图了解哪些细胞类型和大脑区域是大脑衰退的最大驱动因素。科学家最初认为神经元——不再分裂的终末分化细胞——不会衰老。但这种观念在 2012 年开始发生变化，当时 Jurk 和合作者发现小鼠大脑中的有丝分裂后神经元表现出与衰老细胞相似的特征。此后，研究人员已经证明，许多非分裂细胞会衰老，包括肝细胞和心肌细胞。
小胶质细胞也显示出衰老迹象，Schafer 和 Jurk 都怀疑它们起着核心作用。 “它们是大脑衰老中促炎功能障碍的主要介质，但它们如何破坏电路功能尚未得到证实，”Schafer 说。识别衰老的小胶质细胞尤其具有挑战性，因为小胶质细胞在压力下会发炎，因此很难区分压力小胶质细胞和衰老的小胶质细胞。 Baker 的团队正在使用单细胞 RNA 测序来表征单个细胞，并寻找衰老与活化小胶质细胞特有的标记。
目前还不清楚各种类型的脑细胞中哪一种首先衰老。贝克说，有些人认为神经元是引发者，而另一些人则认为髓磷脂前体首先衰老，从而引发髓磷脂丢失和神经功能障碍。 “我们都会得出不同的答案，”他说。 “但共同点看起来像衰老状态可以通过去除细胞受到积极影响。”
Baker、Jurk 和 Schafer 希望正在开发的用于更精确识别和清除衰老细胞的新工具将有助于回答其中的一些问题。例如，INK-ATTAC 小鼠和衰老药物治疗都针对全身的 P16 阳性细胞，因此科学家们不知道认知益处是否来自专门从大脑中去除衰老细胞。研究人员现在正在培育能够选择性清除 P16 阳性小胶质细胞、少突胶质细胞或星形胶质细胞的小鼠，以检查靶向每种细胞类型的影响。 Schafer、Orr 和其他人正在开发新方法，用于分析完整组织而非分离细胞中的多维衰老标志物，这将使研究人员能够更有效地评估哪些细胞类型受到影响以及衰老细胞如何影响其邻居。
Baker 的团队正在开发驱动特定细胞衰老的方法。 “如果我促进星形胶质细胞的衰老，会导致大脑出现问题吗？”贝克说。 “这就是我们现在正在做的事情。”他说，诱导小胶质细胞衰老已被证明具有挑战性。 “我们可以让它们发炎，但如果我们试图让它们进入停滞状态，它们就会更多地进入细胞死亡状态，”他说。
Senolytics和senomorphics
将衰老研究转化为新疗法需要专门针对衰老细胞的药物；这些被称为senolytics。一种被称为同质性药物的相关类别可降低有害分泌物，以减少衰老细胞的扩散和影响。
大约 20 年前，Mayo 的医生和生物学家James Kirkland开始寻找抗衰老药物。他的团队已经确定了大约 40 种化合物，这些化合物针对的是阻止一些衰老细胞自杀的生存网络的一部分。为了加快临床试验，研究人员将精力集中在已获批准的药物或具有现有安全数据的天然产品上，例如化疗药物达沙替尼和植物中发现的黄烷醇槲皮素的组合。 （Kirkland 和合作者已经证明，达沙替尼和槲皮素可以增加小鼠和人类的长寿因子 klotho 。）Kirkland 是一个临床试验网络的一部分，该网络正在进行许多抗衰老药物试验，包括一些用于阿尔茨海默病的试验。德克萨斯大学圣安东尼奥健康科学中心的一项早期临床试验正在分析这种组合有多少进入大脑，以及它如何影响阿尔茨海默病患者的衰老细胞和其他标志物。
研究人员希望更多关于senolytics的基础研究将有助于指导临床工作。例如，目前尚不清楚去除某些衰老细胞是否有害。当贝克第一次开始研究衰老时，他担心杀死已经发生神经退化的模型中的细胞会进一步损害大脑。 “但我们发现我们正在杀死的细胞具有负面影响，而摆脱它们有助于其他细胞。”他指出，去除衰老细胞的短期治疗可能足以减少它们的影响，平衡衰老细胞的有益作用和短期清理以防止出现问题。例如，当伤口愈合能力很重要时，可以在手术前停止治疗。
一些研究人员不确定是否特别针对神经元。 Jurk 说，衰老神经元仍然是神经网络的一部分，并且似乎参与了神经编码，尽管它们的功能不如非衰老神经元。 “如果我们杀死 3% 到 4% 的神经元，我们会干扰某些事情吗？”尤克说。 “有人会因为我们消除了神经元而服用药物而忘记东西吗？”她怀疑最好的选择可能是清除衰老的小胶质细胞，这将改善神经元的整体环境。
事实上，一些证据表明衰老细胞可能会有所帮助，Krizhanovsky 说。 2020 年发表在《自然神经科学》上的一项研究发现，消除衰老成神经细胞的自然杀伤细胞的积累会恶化认知功能，而消耗自然杀伤细胞则可以改善大脑功能。 “为了最大限度地提高效益，我们需要了解每种细胞类型如何发挥作用，以及如何针对有害的细胞类型，”他说。
另一个重要的问题是特定的抗衰老药物是否能穿过血脑屏障——以及它们是否需要。科学家们还不知道去除衰老细胞的认知益处是否源于针对大脑或外围，并且正在研究衰老过程本身是否会影响这种屏障的强度。 （外围因素会对大脑产生深远的影响。有关更多信息，请参阅“ 探索年轻血液如何帮助逆转老年大脑的衰老迹象。”）
回答这些问题将需要更有效的方法来追踪人类衰老细胞。美国国立卫生研究院旨在通过细胞衰老网络 (SenNet)填补这一空白，这是一项在整个生命周期内绘制人体组织中衰老细胞的新努力。在一个 SenNet 项目中，Suh 和合作者将分析来自 20 多岁到 80 多岁的突然死亡队列的脑组织，整合来自不同细胞类型的各种单细胞数据，包括神经元、小胶质细胞、星形胶质细胞和少突胶质细胞。 “我们将看到大脑正常衰老过程中会发生什么——哪些是衰老细胞，分子和细胞特征是什么，”Suh 说。到目前为止，他们发现表达 p21（一种衰老标志物）的细胞在大脑中的多种细胞类型（包括星形胶质细胞）中随着年龄的增长而增加。有趣的是，一名死于阿片类药物毒性的年轻人的水平远高于老年人。
为了开发更准确的衰老生物标志物，他们正在分析具有现有标志物（如 P16、P21 和 SASP）的细胞是否也倾向于表达其他标志物。研究人员将使用诱导多能干细胞评估候选标记，操纵衰老标记，看看它们是否可以概括衰老表型。他们将使用 senolytics 验证他们的标志物，评估这些药物的治疗是否消除了提出的衰老标志物。最终目标是开发特定于大脑中每种细胞类型和位置的生物标志物。此外，他们将评估相邻细胞是否也变得衰老或显示出其他有害表型。
Orr 正在努力开发组合生物标志物。在 12 月发表在《自然衰老》杂志上的一项研究中，Orr 和合作者使用已知在其他类型的衰老细胞中很重要的基因模式来寻找死后人类大脑中显示这些相同模式的细胞。他们发现的绝大多数衰老细胞是兴奋性神经元，许多还具有神经原纤维缠结，这通常与痴呆症一起发生。研究人员现在正在使用机器学习方法来识别可以识别不同类型衰老细胞的新标记组合。
研究人员希望这些工具最终能帮助药物开发和测试。 “要知道药物有效，你需要有好的生物标志物，”Suh 说。 “这就是我们将为大脑提供的东西。”