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想永葆青春吗?那就来消灭僵尸细胞吧

Nov 14, 2017 No Comments

想永葆青春吗?那就来消灭僵尸细胞吧0

小鼠试验证明,消灭“僵尸细胞”是一个非常好的抗衰老方法。接下来,人类也该试试这种方法了。

2000年,美国明尼苏达州Mayo医学中心(Mayo Clinic in Rochester, Minnesota)的Jan van Deursen构建了一种转基因小鼠(transgenic mice)。事情本来很顺利,但是让他非常郁闷的是,这些小鼠看起来都是一副老态龙钟的样子。Van Deursen原本打算构建肿瘤小鼠动物模型,这些小鼠不但没有患上肿瘤,反而得了另外一种非常奇怪的病。在3个月大的时候,这些小鼠的皮肤开始变薄,眼睛也出现了白内障。Van Deursen花了好几年来研究这个问题——为什么这些小鼠的衰老速度会那么快。最终,他发现,这是因为这些小鼠体内有一种“僵尸细胞”,它们既不继续分裂增殖,也不死亡。

这一发现让Van Deursen等人想到,如果杀死这些僵尸细胞,那么是不是就可以减缓这些转基因小鼠的衰老速度呢?结果还真是如此。2011年,Van Deursen等人发现,清除这些僵尸细胞就可以阻止小鼠体内的很多衰老进程。随后他们又发现了一连串类似的研究结果。7年来,已经有好几十个试验都证实,老化的器官内有衰老细胞(senescent cell)聚集的现象,如果清除掉这些衰老的细胞,就可以减轻某些疾病进程、甚至预防这些疾病的发生。2017年,研究人员又发现,清除小鼠体内的衰老细胞可以让小鼠恢复健康,皮肤重新变得充实有弹性、肾功能也可以恢复正常、肺病也有所好转,甚至连受损的软骨组织也可以有所修复。此外,2016年一项研究证实,清除健康小鼠体内的这些衰老细胞,可以延长这些正常小鼠的寿命。

据美国约翰霍普金斯大学(Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland)的生物医学工程师,上述那篇软骨修复文章的主要作者Jennifer Elisseeff介绍,我们只需要清除这些衰老细胞,就可以重新刺激小鼠长出全新的组织。因为这个过程启动了很多组织的天然修复机能。

五十多年前,科研人员们首次提出了衰老细胞(senescent cell)这种不分裂细胞的概念。但是现在发现的这种衰老细胞与抗衰老现象之间的关系和我们一直以来的衰老细胞试验结果及观念产生了冲突。通常认为,当细胞进入老化期之后(这也是绝大部分细胞的归宿),就不会再自我复制,转而产生大量的蛋白质,将抗死亡通路(anti-death pathways)的活性调到最大,最后成为既不死亡,又不分裂的僵尸细胞。

现在,生物科技公司和制药公司都在积极地开发“长生不老药(senolytics)”,就是可以杀死体内衰老细胞,使机体不老化,甚至返老还童的药物。位于美国加利福尼亚州旧金山市的Unity生物科技公司(Unity Biotechnology in San Francisco, California)就是由van Deursen参与创办的一家新兴公司,他们就计划在两年半内分别针对骨关节炎(osteoarthritis)、眼病(eye diseases)和肺部疾病(pulmonary diseases)的人群进行多轮临床试验。Mayo医学中心的老年病专家James Kirkland也参加了Van Deursen等人在2011年开展的那项研究。他对开展这类使用senolytics药物来治疗上述老年常见疾病的小规模验证性实验比较谨慎。Kirkland晚上常常失眠,虽然这些小鼠和大鼠试验的结果非常好,但一旦开展人体实验,就总是以失败告终。

到目前为止,我们还没有对一种所谓的“长生不老药”进行过人体实验,我们也不可能争取到科研基金,来开展临床试验,以验证某种药物是否可以延长人类的寿命。衰老这个词从概念上来说,甚至都不是一个清晰的科学概念。FDA也从来没有把衰老作为一种需要治疗和处置的疾病。

不过Unity科技公司的主席Ned David认为,如果有试验能够证明这些长生不老药可能有效,那么就会有一大批人蜂拥而至,来研究人体衰老的机制,并开发抗衰老药物。其他从事相关研究的科研人员也会密切关注这个领域的动向。美国纽约Albert Einstein医学院老龄化研究所(Institute for Aging Research at the Albert Einstein College of Medicine in New York City)的所长Nir Barzilai认为,Senolytics药物已经做好了充分的准备,以开展临床试验了。他认为这类药物很快就会上市。

 

衰老机制的黑暗面

1961年,微生物学家Leonard Hayflick和Paul Moorhead提出了“衰老(senescence)”这个概念。他们认为,这是细胞层面的老化现象。但是当时很少研究人员研究老化这个问题。据Hayflick回忆,当时大家都认为他是笨蛋,因为只有他在观察老化现象。结果几十年来,这个问题就被大家给忽视了。

25年来,西班牙巴塞罗那生物医学研究所(Institute for Research in Biomedicine in Barcelona, Spain)的Manuel Serrano一直在研究细胞衰老问题。据他介绍,虽然很多细胞都会死亡,但是所有的体细胞(somatic cell)都会衰老。长久以来,这些衰老细胞不为人所知。我们并不能确定这些衰老细胞的重要性。尽管这些细胞不再继续分裂增殖了,可是它们也没有死亡,还具有一定的代谢能力,也常常会表现出细胞的基本功能。

到了2005年左右,我们已经认识到,细胞衰老是机体阻止受损细胞继续增殖的重要机制,这也是机体自身抗肿瘤的一种重要机制。现在,科研人员们还在继续研究细胞衰老与机体发育和疾病的关系。我们已经清楚,当细胞受损或突变之后,就会停止分裂,以避免将这些伤害和错误继续传递下去。研究人员在胎盘和胚胎里也发现了衰老的细胞,这些细胞主要负责形成一些暂时需要的结构(temporary structure),随后就会被其它细胞清除掉。

但是很快,科研人员又有了一些新发现。分子生物学家Judith Campisi将这些现象称作衰老机制的“黑暗面(dark side)”。2008年,包括美国加利福尼亚州Buck老龄化研究所(Buck Institute for Research on Aging in Novato, California)Campisi课题组在内的三个研究小组都发现,衰老的细胞可以分泌出包括细胞因子、生长因子和蛋白酶在内的大量分子来影响邻近细胞的功能,并且诱发局部炎症反应。Campisi课题组将这种现象称作细胞衰老相关分泌表型(senescence associated secretory phenotype, SASP)。她们课题组已经发现了数百个与SASP相关的蛋白质,不过这些研究结果尚未发表。

 

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据Serrano介绍,在年轻的、健康的组织里,这种分泌现象可能是机体自我修复的一种机制——通过这些损伤的细胞分泌的因子来刺激邻近的组织完成修复,同时还会释放出应激信号,促使机体的免疫系统清除受损的细胞。可是在另外一些情况下,这些衰老的细胞会在体内聚积起来,这种情况就与骨关节炎(一种关节慢性炎症)和动脉粥样硬化(atherosclerosis)等疾病相关。我们现在还不清楚为什么会发生这种情况,也不知道这是在什么时候发生的。有人提出,可能是随着机体的衰老,人体内的免疫系统慢慢就不再对这些衰老的细胞有反应了。

出人意料的是,科研人员发现,每个组织内的这些衰老细胞还不太一样。它们会分泌不同的因子,表达不同的胞外蛋白,通过不同的机制来避免死亡。这种不可思议的差异让我们很难发现这些衰老的细胞。Campisi表示,我们根本无法给衰老细胞下定义。完全不可能。

实际上,哪怕对不再分裂的衰老细胞的特性进行界定都非常困难。比如,据美国Albert Einstein医学院的药理学家Hayley McDaid介绍,在接受化疗之后,癌细胞会用长达两周进入衰老期,随后回复增殖模式,即癌变状态。2017年,一大帮科研人员在皮肤癌和乳腺癌小鼠模型试验中发现,实行化疗之后,如果再清除掉这些衰老细胞,就可以减少肿瘤扩散的几率,这也从一个方面证实了上述观点。

由于我们很难对衰老细胞下定义,所以也就很难说清楚到底有多少衰老细胞。科研人员们尝试通过各种标志物(marker)来识别它们,可是这既费力,又费钱。如果能够发现一个衰老细胞的标志物,那就简单多了。可是到目前为止,我们还没有找到这种标志物。Campisi用一瓶好酒来打赌,我们肯定找不到这种标志物。

可是2017年早些时候,以色列Weizmann科学研究院(Weizmann Institute of Science in Rehovot, Israel)的Valery Krizhanovsky课题组发明了一种办法,它可以数出组织里有多少衰老的细胞。Krizhanovsky等人的方法就是给肿瘤组织里的衰老标志物染色,然后对其成像,并分析图像,数出有多少衰老的细胞,以及试验小鼠体内有多少老化的组织。据Krizhanovsky介绍,衰老细胞的数量要比他们想象的多。在年轻小鼠体内的任何器官中,只有不到1%的细胞是衰老细胞。可是在2岁大的小鼠体内,某些器官里的衰老细胞的比例却达到了20%。

值得欣慰的是,虽然我们很难发现这些衰老的细胞,但是我们可以非常容易地消灭这些细胞。

 


返老还童

2011年11月,在3个小时的航班上,企业家David阅读了3遍van Deursen和Kirkland联合发表的那篇论文。文章主要讨论如何消灭僵尸细胞。David当时认为,他们两的点子太棒了,而且还是那么直截了当的方法。飞机降落后,David立刻打电话给van Deursen,只用了3天的时间,就说服van Deursen一起开了Unity生物科技公司。

美国加利福尼亚州Sanford Burnham医药研究院(Sanford Burnham Medical Research Institute in La Jolla, California)的Kirkland等人最开始也希望通过高通量筛选的办法发现能够杀死衰老细胞的药物。可是他们后来发现,要判断药物消灭的是正在分裂的细胞,还是没有分裂的细胞并非一件容易的事情。经过多次失败之后,他们放弃了这个项目。
我们知道,衰老细胞是通过多种保护机制来避免死亡的。于是Kirkland和美国佛罗里达州Scripps研究所(Scripps Research Institute in Jupiter, Florida)的Laura Niedernhofer等人一起,开始研究这些保护机制。他们一共发现了六条可以阻止细胞死亡的信号通路,从而帮助这些衰老细胞继续存活下去。

那么接下来的工作就是寻找可以抑制这些信号通路的药物了。2015年初,Kirkland小组发现了第一种senolytics药物——达沙替尼(dasatinib)。这是一种已经获得FDA批准上市的化疗药物,可以清除人体内已经衰老的脂肪前体细胞(fat-cell progenitor)。同时,他们还发现槲皮素(quercetin)这种源自植物的保健品也可以特异性地清除人体内衰老的上皮细胞。而且这两种药物联用的效果会更好——能够减轻老年小鼠的多种病痛。

10个月后,美国阿肯色州立大学医学中心(University of Arkansas for Medical Sciences in Little Rock)的Daohong Zhou等人发现了navitoclax这种能够抑制2种BCL-2家族蛋白的药物,而这两种蛋白均可以促进细胞生存。接下来的几周,Kirkland实验室和 Krizhanovsky实验室都陆续有了新发现。

到目前为止,我们已经发现了14种senolytics药物,其中既有小分子药物,也有抗体类药物。2017年3月,研究人员还发现了一种多肽,它可以激活细胞的死亡信号通路,让年老的小鼠重新长出柔亮的毛发,并且恢复身体健康。

每一种senolytics药物都会特异性地杀死一种衰老细胞,鉴于此,如果需要杀死多种不同的衰老细胞,就需要联用多种senolytics药物。据Niedernhofer介绍,这就是难点所在。每一个衰老的细胞都有自己的保护机制,因此我们必须采用联合用药的策略。Unity公司里保存了大量的资料——每一种疾病都与哪些衰老细胞有关、每一种细胞特有的弱点是什么、我们应该如何利用这些弱点,以及针对不同的组织应该选择哪些药物等。David指出,毫无疑问,我们需要开发不同的药物来满足不同的情况和需要。在一个完美的情况下,你不需要那么做。但很可惜的是,生物学还没有那么完美。

尽管面临这么多困难,但是senolytic药物还是有其优点的。比如,我们可能只会在某些时候(比如一年内)才需要清除这些衰老细胞,以预防疾病的发生,或者延缓病情的进展。这种短期的用药策略就可以减少这类药物的副作用,人们也可以选择在身体健康的时候用药。Unity公司就准备直接在患病的组织(比如关节腔或眼球)内进行注射给药。
与需要清除所有癌细胞的抗癌治疗不同的是,我们不需要杀死每一个衰老细胞。小鼠研究已经发现,只需清除大部分衰老细胞就足以达到目的了。此外,senolytic药物还有一个优势,那就是它们只会特异性地消灭衰老细胞,而不会抑制衰老细胞的出现,这也就是说,我们还是可以继续通过衰老细胞来起到抗癌作用的,不用担心失去这种天然的防癌保护机制。

可是这些senolytic药物的优势并不能说服每一个人。比如Hayflick就认为,衰老是一个无法避免的自然现象,我们不可能通过清除衰老细胞的方法来改变这个进程。他表示,有历史记录以来,人们就一直在尝试改变老化进程,可是这些努力全都是以失败告终。
而senolytic药物的拥趸们则因为最近出现的一系列的成果而表现得非常乐观。去年,van Deursen的实验室就对高龄的小鼠(super-aged mice)做了实验,结果发现杀死这些正常衰老的小鼠体内的衰老细胞可以延缓心脏和肾脏等器官的老化过程,而且让试验小鼠的寿命延长了25%,这进一步激起了大家研究抗衰老药物的热情。

据Kirkland估计,这些研究成果至少已经吸引了7、8家公司进入这个研究领域。Mayo医学中心就已经启动了一个临床试验项目,用达沙替尼联合槲皮素的方案来治疗慢性肾病。Kirkland还准备用另外的senolytics药物来治疗不同的老龄化疾病。他们希望对多种药物开展针对不同疾病的临床试验,以查看它们的效果。

David认为,如果这些人体实验真的取得了不错的结果,那么科研人员就可以开发出更多的抗衰老药物了。与此同时,该领域的研究人员坚持认为,需要先进行人体安全性试验,才能开展临床试验。因为在啮齿类动物试验中发现,这些senolytics药物会延缓伤口的愈合,并且还存在其它一些副作用,这太危险了。

Van Deursen认为,继续阐明相关的生理机制是保证senolytics药物成功的关键。他表示,只有我们彻底认识了衰老的本质,才能够通过科学的方法加以干预和影响。

 


原文检索:
Megan Scudellari. (2017) To stay young, kill zombies. Nature, 550: 448-450.
Eason/编译

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