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科普|干細胞技術如何讓衰老細胞煥發新生
發布時間:2020-12-21 17:12:12      點擊次數:419

隨著人們生活質量的不斷提高,抗衰老的要求日益增強。


而干細胞具有自我更新、多向分化和旁分泌因子分泌能力,在創傷修復、組織再生和抗衰老等臨床醫學領域顯現出良好的應用前景,部分研究證實,認為補充干細胞是較為自然和直接的抗衰老方法。


衰老是一個普遍發生于絕大多數生物的病理生理過程,隨年齡增加而緩慢出現。衰老機體表現為正常生理功能的不可逆衰退,包括記憶力下降、反應遲鈍、運動能力減弱、相關激素分泌減少等多種臟器退行性變化,以及老年斑、皮膚褶皺、頭發稀疏變白等外在表現,是生長抑制和獲得性軀體損傷的累積效應。延緩衰老、永葆青春,自古以來就是人類不懈追求的目標。


衰老機體中幾乎普遍存在的是組織結構的改變,不僅在微觀和宏觀層面均有明顯表現,而且伴隨著組織功能的損傷和對損傷的反應缺失。細胞是生物體結構和功能的基本單位,衰老細胞是機體器官衰老、整體衰老的結構基礎,因此衰老細胞的再生成為抗衰老研究的主要方向。


干細胞具有自我更新和多向分化潛能,是實現細胞再生的“種子”,機體可通過自身干細胞的增殖和分化實現細胞更新;但各個組織器官的干細胞數量會隨著年齡的增長而逐漸減少,增殖分化能力也會下降,故而受損的組織器官無法得到及時修復,導致人體衰老或疾病的發生。而細胞療法之一的干細胞療法,為人類長生不老之夢提供了希望。





干細胞與衰老






構成人體的200余種細胞中,大部分為終末分化細胞,高度分化使其失去了再分裂的能力,最終會衰老、死亡;但同時機體也保留了一部分未分化的原始細胞,即干細胞。這些細胞在特定條件下或者產生新的干細胞,或者按一定的程序分化形成新的功能細胞,從而使組織和器官保持生長和衰退的動態平衡,當衰退的進程大于再生長的能力時表現為衰老;如果細胞再生能力更強,那么組織衰老的進程將被延緩甚至阻斷。


干細胞的功能、特點使得其在創傷修復、神經再生和抗衰老等臨床醫學領域具有廣闊應用前景。已有研究證明,干細胞在心血管疾病、代謝病、帕金森氏綜合征、肝硬化、白血病等多種疾病的治療中療效顯著;而干細胞抗衰老更是《Science》雜志評選出的1999年度10大科學進展之一,由此引發的“再生醫學”革命不容小覷。


可想而知,干細胞抗衰老效應的發揮取決于是否能夠動員足夠數量的理想的干細胞。


干細胞在體內的持久性使它們容易受到老化相關毒性代謝物的累積損傷,許多組織中的干細胞隨著年齡的增長而發生深刻的變化,最終發生細胞死亡、衰老或再生功能的喪失,表現為衰老機體對組織損傷的遲鈍反應、增殖活性的失調和細胞更新、組織再生功能的下降。老化機體中的干細胞承受的壓力主要來自體細胞基因突變、表觀遺傳變化和環境因素的壓力,活性氧(Reactive oxygen species,ROS)等衰老相關的毒性代謝物、DNA或蛋白質損傷,都可影響干細胞的功能或數量。


向衰老機體中注入年輕機體的血液、限制熱量或延長壽命的藥物雷帕霉素的使用,也可在一定程度上增強衰老機體的干細胞功能,使衰老機體呈現更年輕的細胞狀態。其機制可能涉及表觀基因組的重新編程、炎性介質減少、線粒體功能改善、干細胞增殖平衡等。


但正如受損DNA的修復需要識別主要調節基因、細胞的自體吞噬須選擇性可控等,由于機制和實現手段的復雜性,目前通過內源性干細胞的干預實現抗衰老效應還有很長的路要走。而干細胞抗衰老的另一個方向—使用外源成體干細胞糾正機體老化問題則研究較為廣泛、應用較為成熟。


目前研究關注的幾種抗衰老干細胞大量研究發現,存在于機體整個生命過程中的干細胞具有抗氧化、抗皺、促進傷口愈合等功能。最直接的證據是,真皮多能干細胞(Dermal multipotent stem cells,DMSCs)通過提高I型膠原蛋白水平、增加皮膚厚度防止皮膚老化,并可與真皮干細胞(Dermal stem cells,DSCs)共同作用增加皮膚前體細胞的數量及表皮再生能力。


而可用于抗衰老的外源成體干細胞主要包括脂肪干細胞、骨髓間充質干細胞和妊娠組織來源的間充質干細胞;高度未分化的胚胎干細胞也有少量應用,其中多能干細胞來源廣泛且不涉及倫理問題,成為目前國際上研究和應用最多的干細胞種類。





可用于抗衰老的干細胞分類






(1)脂肪干細胞:脂肪組織是一種可再生的干細胞來源,多數脂肪干細胞來源于脂肪組織中的纖維組織和血管壁,少數游離于脂肪間。脂肪干細胞可分化成骨骼、脂肪、心肌、神經等多種組織,同時釋放重要的生長因子、細胞因子來促進傷口愈合、調節炎癥反應、減少瘢痕形成和抗衰老。


在抗衰老應用中,脂肪干細胞不僅可以作為填充劑,還可成為永久性的再生劑,其分化能力強,因而抗衰老效果明顯,療效持久。在異體移植對衰老模型大鼠體內自由基影響的動物實驗揭示,經靜脈注射脂肪源干細胞的大鼠體內超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)水平升高,抗氧化能力增強,衰老進程得以延緩;脂肪間充質干細胞的移植對改善面部肌肉萎縮和面部脂溢患者的癥狀效果明顯,其與透明質酸的聯合使用還能實現光老化皮膚的修復。


方便實現自體移植則是脂肪干細胞抗衰老應用的無可替代的優勢,使用過程中幾乎不存在安全性問題。


(2)骨髓間充質干細胞:包括造血干細胞、間葉基質細胞、內皮細胞等,是一個多能間充質細胞的異質群體,可用于電離輻射等所致組織損傷的修復及再生,在組織損傷的再生作用中,既可分化為功能性實質細胞,又可為其他細胞創造生長的微環境。骨髓間充質干細胞已作為疾病或損傷組織再生的有力工具,用于軟骨細胞、成骨細胞、脂肪細胞、神經元細胞等的潛在分化。


(3)妊娠組織來源的間充質干細胞:具有比成體來源的間充質干細胞更強的增殖能力,且干細胞產率高于骨髓,可調節多個生物學過程,如血管生成、形態發生、組織再生和細胞存活。作為基于細胞的組織再生療法的重要實現手段,這種外源性間充質干細胞的移植對減少瘢痕、促進組織再生的作用已在模型動物或臨床試驗中得以顯現。


值得注意的是,臍血/臍帶中干細胞具有無腫瘤污染、增殖能力強、采集方便、免疫活性低、對供者無不利影響等優點,可以成為理想的抗衰老干細胞來源。


(4)胚胎干細胞:胚胎是多能干細胞的主要來源,可以誘導分化出血液、內皮、心肌、骨骼、神經等細胞。動物實驗表明,人胚胎干細胞向衰老小鼠損傷組織植入,可產生激活抗衰老信號的可溶性蛋白,發揮抗衰老作用。但由于倫理學問題,胚胎干細胞的臨床應用受限。


(5)其他:如人誘導多能干細胞(Induced pluripotent stem cells,iPSCs),也已證實可以治療特異性皮膚病。


一、干細胞抗衰老


干細胞抗衰老除了干細胞本身在組織微環境作用下,多向分化為組織細胞,替代衰老死亡的細胞外,還具有強大的分泌功能,分泌一些生長因子、細胞因子,提升機體抗自由基能力,發揮促進血管生成及細胞增殖分化、抑制炎癥反應及趨化性、調節細胞粘附及遷移的功能,刺激組織細胞的再生、修復功能,加速傷口愈合和組織重塑,達到對抗衰老的目的。


(1)脂肪干細胞:可分泌多種具有神經保護作用的因子,如金屬蛋白酶組織抑制因子-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),通過對AKT Ser473磷酸化的影響,抑制光感受器損傷和視網膜功能障礙后的光致細胞死亡,在視網膜損傷中發揮神經保護作用,有效糾正退行性視網膜病變。


脂肪干細胞分泌的其他細胞因子,如血管內皮生長因子、表皮生長因子、纖維生長因子、抗纖維化的細胞因子等,主要通過促進血管再生與血管穩定、提升皮膚成纖維細胞的功能、免疫調節、中和活性氧等機制發揮作用。還可分化為各種皮膚細胞等,是目前抗衰老最具潛力、最實用的新手段。


(2)骨髓間充質干細胞:生長因子的缺失可以誘導細胞自噬和衰老,并通過AKT、細胞外調節蛋白激酶(Extracellular regulated protein kinases,ERK)信號通路的抑制下調細胞干性。骨髓間充質干細胞能夠分泌多種生長因子和細胞因子,甚至被比作生長因子工廠。這些生長因子和細胞因子可通過調節間充質干細胞的增殖和分化發揮自分泌作用,如成纖維細胞生長因子2(Fibroblast growth factor 2,FGF-2)和FGF-4可快速誘導AKT的活化,隨后ERK被激活,細胞增殖能力大大提高,而肝細胞生長因子(Hepatocyte growth factor,HGF)維持著細胞分化潛能,從而促進受損組織和器官的愈合。


間充質干細胞還可以分泌白細胞介素6(Interleukin 6,IL-6)、IL-12、IL-14、白血病抑制因子、粒細胞集落刺激因子等造血功能必需的細胞因子,以及膠質源性神經營養因子、神經生長因子等神經營養因子,從多個角度發揮抗衰老作用。


(3)妊娠組織來源的間充質干細胞:從胎盤和臍帶組織中分離出的間充質干細胞,經體外培養,其上清液中可檢測出多種血管生成、傷口愈合相關因子的分泌[28],包括IL-6、IL-8、轉化生長因β1(Transforming growthfactor-β1,TGF-β1)、單核細胞趨化蛋白1(monocyte

chemoattractant protein 1,MCP-1)、血管內皮生長因子(Vascular endothelial growth factor,VEGF)、粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子(Granulocyte-macrophage colonystimulating factor,GM-CSF)等,為維持體內微環境,以及在創傷和潰瘍治療的臨床應用提供了分子基礎。


圖片


在眾多的細胞因子中,具美白作用的有TGF-β等;具抗皺作用的有TGF-β、HGF、VEGF、胰島素樣生長因子(Insulin-like growth factor,IGF)等;具傷口愈合作用的有VEGF、血小板源性生長因子(Platelet derived growth factor,PDGF)、堿性成纖維細胞生長因子(Basic fibroblast growth factor,bFGF)、HGF等;具抗氧化能力的有HGF、IGF、IL-6、色素上皮細胞衍生因子(Pigmentepithelium-derived factor,PEDF)、SOD等,干細胞激活因子在修復皮膚損傷中發揮關鍵作用[38]。


綜上所述,干細胞失能、衰老、丟失或凋亡導致了皮膚的老化。以干細胞為基礎的治療,或輔以適當的藥物,可解除包括端粒酶變短、雌激素丟失、過量ROS產生在內的信號級聯,從而控制老化進程。自我更新、多向分化和旁分泌因子的分泌正是各種干細胞發揮抗衰老作用、促進皮膚再生的機制之所在。


干細胞的使用還存在一些不利的方面,像胚胎干細胞使用過程中的倫理學問題、大規模干細胞制備的標準問題等。鑒于這些認識,來源于自身脂肪組織的再生細胞及其皮下組織的應用有望成為皮膚再生的標準策略;為避免機體老化后干細胞干性減弱,進行自體干細胞的早期儲存不失為一種明智的選擇,但亟需規范行業發展,完善管理辦法,保證質量可控、評價標準可靠,特別是安全性和細胞干性的評價。


對于外源成體干細胞的抗衰老應用,可以嘗試細胞因子替代療法,降低技術門檻。而從促進干細胞動員的角度發現新的抗衰老干預靶點,必將催生新型藥物的發展,乃至衰老機制的最終破解。





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