探讨骨髓干细胞衰老与阿尔茨海默病等衰老性疾病的关系

黄必录

上海世鹏实验室科技发展有限公司，上海市 200120

随着人类平均寿命的延长，特别是肿瘤(或癌症)、心脑血管病和老年痴呆症已逐渐成为头号杀手，由于这些疾病都是属于衰老性疾病，目前还没有行之有效的治疗方法，通常靠药物或理疗及饮食的调理，只能治标不治本，为此，必须发展出一套全新的理论，阐述导致衰老性疾病的发病机制，才能找出行之有效的治疗方案，以达到标本兼治的目的。

1 阿尔茨海默病(Alzheimer disease AD)和动脉粥样硬化(atherosclerosis，AS)是属于衰老性疾病

个体的组织器官是由成体干细胞和功能细胞组成的，造血干细胞(Hematopoietic stem cells, HSCs)和骨髓间充质干细胞(Bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)等属于成体干细胞。神经元、小胶质细胞和血管内皮细胞等属于功能细胞。功能细胞会因为细胞衰老、病毒感染和基因突变等问题不断被免疫细胞清除掉，为此，必须要由成体干细胞通过细胞分化来不断补充损耗掉的功能细胞。但是，随着年龄的增长，成体干细胞本身也会逐渐衰老，而由衰老的成体干细胞分化的用于补充的功能细胞也是衰老的功能细胞，从而造成组织、器官和个体的衰老[1]。

有学者发现[2]，在AD患者大脑中，神经元衰老不明显，而是起到支持神经元作用的小胶质细胞和星形胶质细胞发生了明显的衰老。原因是大脑中的神经元和心肌细胞一样因为很少更新，因此衰老得很慢，寿命和人体几乎一样长。但是，神经元会不停地产生有毒的β-淀粉样蛋白(Amyloid-β, Aβ)沉积在胞外，为了保证大脑正常运行，必须不停地清除掉Aβ，小胶质细胞和星形胶质细胞是吞噬Aβ的主力军。但是，随着年龄的增长，小胶质细胞和星形胶质细胞也会逐渐衰老，从而导致吞噬和清除Aβ的效率也跟着逐渐下降。同时，衰老的血脑屏障通透性也会升高，使不该进入大脑的分子、真菌和疱疹病毒进入大脑，引起炎症反应和增加Aβ的产生，因为Aβ具有抗菌肽活性。还有，脑膜淋巴管是向外排除Aβ的管道，但是衰老的脑膜淋巴管排除Aβ的效率也会下降[3]。

每种生物都有一个相对固定的发育、成熟和死亡时间表，因此，衰老和死亡的本质是一种主动的遗传程序，是基因程序化表达的结果。因为过了生育期，如果个体不会衰老死亡，就不会有世代更替，而一个种群都是清一色的基因，无法适应不断变化的自然环境，譬如在一次烈性传染病下就会造成物种的灭绝。因此，过了青春期，遗传程序会主动下调对正常生理有益的基因和上调有害的基因表达，以达到破坏个体的目的，这就是导致衰老性疾病的根本原因。虽然人类能够多次生育和需要照顾孩子，不会因为生育很快死去，但是，对于许多一生只繁殖一次又无须照顾后代的生物，在生殖完成后遗传程序会命令其快点结束自己的生命，例如家蚕、太平洋鲑鱼、澳大利亚袋鼬等在完成生殖不久后就会死去。也就是说，为了达到破坏个体的目的，在衰老过程中，遗传程序会主动上调Aβ的产生和下调对Aβ的清除，从而导致多余的Aβ沉积。例如，Aβ是由淀粉样前体蛋白(APP)错误切割和错误折叠产生的，APP基因启动子区的甲基化程度会随着年龄的增长而下降，从而上调了APP的表达，增加Aβ的生成[4]；热休克蛋白HSP70能够帮助蛋白质正确折叠，而衰老细胞会下调HSP70，从而导致包括Aβ在内的各种错误折叠的蛋白质的积累[5]；小胶质细胞是吞噬Aβ的主力军，但是，具有负调控小胶质细胞吞噬作用的CD22蛋白的表达会随着衰老而上调，从而降低对Aβ的清除效率[6]。

前列腺素e2(PGE2)起到了炎症蛋白的关键作用，炎症会增加Aβ的沉积。PGE2会抑制线粒体呼吸，降低巨噬细胞和小胶质细胞吞噬活性。AD等神经退行性疾病的患者PGE2表达水平显著上调。相比年轻的巨噬细胞和小胶质细胞，体外和体内衰老的巨噬细胞和小胶质细胞的PGE2的表达显著上调[7]。提示，衰老的小胶质细胞吞噬Aβ效率的下降的原因，是独立的不受体内环境的影响，让衰老的小胶质细胞恢复青春才是治疗AD的有效方法。

Philip W Shaul等发现，血管内皮细胞在衰老过程中，运输胆固醇的受体(SR-B1)和胞内转运蛋白(DOCK4)的基因的表达活性会主动上调，SR-B1的上调会导致内皮细胞主动从血液中吸收更多的低密度脂蛋白(LDL)，然后再通过DOCK4将LDL从细胞的另一侧排出并沉积在血管壁内，并招募来巨噬细胞过量吞噬LDL，然后变成泡沫细胞和斑块，这就是导致心脑血管疾病主要原因的AS的发生机制[8]。随着斑块越来越大，就会导致动脉逐渐变窄，若斑块突然发生破裂脱落，就会迅速聚集血小板并凝固成血栓，阻断血液流向大脑或心脏，导致突发脑卒中或心脏病。

那么，调控衰老的遗传程序如何实现基因程序化表达的？笔者根据《细胞衰老的端粒DNA和核糖体DNA共调控假说》认为，由于抑癌蛋白P53等因子会同时促进某些基因表达和抑制另一些基因表达，而细胞衰老过程中，P53等因子的水平会因为端粒DNA或/和rDNA(核糖体DNA)这两者拷贝数的缩减而逐渐上调，因此，基因表达谱也会因为P53等因子直接和间接的介导而实现程序化表达，使很多原先活跃表达的基因逐渐下调，同时上调一些原先很少表达的基因，这可能是衰老的遗传程序运行的主要机制，以此驱动个体发育、成熟和衰老性变化。

总的来说，在衰老过程中，遗传程序会主动逐渐下调对正常生理有益的基因和逐渐上调有害的基因表达，从而促进动脉硬化和斑块的增长。大脑也会同时增加了Aβ的产生和降低了Aβ的清除，从而导致多余的Aβ沉积在大脑组织中。或者说，在因果关系中，Aβ的沉积只是衰老产生的结果，而非导致AD的原因。那么，Aβ有什么害处呢？

2 Aβ害处

Aβ不只会沉积在大脑，心脏、肌肉、胰脏和肾脏等也会沉积Aβ。特别是Aβ沉积在血管壁上，会产生淀粉样血管病，降低血管韧性，容易造成脑微出血，增加了患血管性痴呆(Vascular dementia VD)的风险。还有，随着年龄增长，衰老会导致脑毛细血管数量减少，再加上可溶性的寡聚体Aβ会造成脑毛细血管的收缩，这样会降低脑血流量[9]，从而导致脑组织缺血缺氧。在缺氧条件下，鼠脑切片显现出存在更多的Aβ斑块沉积[10]。简单地说，Aβ会导致缺氧，而缺氧又会增加Aβ，就这样构成了死循环。

Aβ通常以β淀粉样蛋白42[Amyloid-β protein(1-42),Aβ42]和β淀粉样蛋白40[Amyloid-β protein(1-40),Aβ40]2种形式存在。持续抑制抑癌蛋白P53会使成纤维细胞无限增殖[11]，说明P53是衰老的主控因子。而Aβ40能上调细胞的P53水平[12]，说明Aβ40具有让细胞表现出衰老状态。研究也发现，AD患者的皮质神经元中也大量表达P53。也就是说，细胞衰老会导致P53和Aβ的水平升高，而Aβ又能升高P53水平，在这种双重作用下让神经元表现出衰老状态。在个体各种组织中的衰老细胞，主要是靠免疫系统清除掉的，因此，衰老的神经元也会产生“吃掉我”的信号，招来免疫细胞进行选择性清除，从而导致AD患者神经元丢失[13]。

总的来说，Aβ是有害的，必须想办法清除掉，但细胞会源源不断地产生Aβ，用药物或物理清除法只会疲于奔命，因此最好的办法是恢复机体自身清除Aβ的机制。

3 免疫系统衰老与肿瘤发生率

通常认为，肿瘤发生率随着年龄增长而上升的主要原因是基因突变和累积。但是，如果把免疫系统放在一起考虑，可以认为肿瘤发生率随着年龄增长而上升的主要原因在于衰老的免疫系统，因为年轻的免疫系统能够及时把处于萌芽状态的肿瘤细胞清除掉[14]。儿童或年轻人为何也会患上肿瘤？是因为免疫系统的各种先天缺陷，例如，高达40%～70%的肿瘤病人NK细胞的基因有先天缺陷[15]。

4 骨髓干细胞衰老导致衰老性疾病

骨髓中的几种干细胞统称为“骨髓干细胞”。骨髓干细胞主要包括造HSCs、BMSCs和血液血管干细胞(hemangioblast)。骨髓中还有能够分化为血管内皮细胞的内皮祖细胞。而内皮祖细胞是由HSCs分化的。血液血管干细胞其实就是一种能够分化为HSCs和内皮祖细胞的更原始的HSCs。在生理状态下，骨髓干细胞能借助血液漂流到个体的所有组织，非常适宜补充与更换个体中广泛分布且具有相同结构的组织，如免疫系统、血管和淋巴管、皮肤、骨骼等，这为这些组织的衰老性疾病的起因和治疗提供了理论依据。

小胶质细胞是一种巨噬细胞，由骨髓中的 HSCs先分化为单核细胞，然后单核细胞再分化为小胶质细胞。已发现，骨髓干细胞能够分化为构成神经元周围的小胶质细胞和星形胶质细胞[16]、血管中的平滑肌细胞和内皮细胞、血脑屏障中的周细胞、星形胶质细胞和内皮细胞、脑膜淋巴管中的内皮细胞，以及免疫系统中的各种免疫细胞。由于功能细胞都会因为细胞衰老、病毒感染和基因突变等问题不断损耗掉，因此需要经常补充。但是，随着年龄的增长，骨髓干细胞也会逐渐衰老，而由衰老的骨髓干细胞分化的用于补充的各种功能细胞也是衰老的功能细胞，从而导致血管、血脑屏障、淋巴管、小胶质细胞和星形胶质细胞及免疫系统的衰老性变化。

综上所述，笔者认为导致AS、AD、肿瘤、骨质疏松和皮肤皱纹等衰老性疾病的主要原因是骨髓干细胞的衰老，向骨髓中同时移植几种年轻的自体骨髓干细胞，或让自体骨髓干细胞原位恢复青春，就能够有效治疗甚至根治AS、AD和肿瘤等衰老性疾病。

但是，目前还没有已发表的研究能佐证骨髓干细胞衰老是导致肿瘤、AS和AD等衰老性疾病的主要原因，主要问题是目前的干细胞移植技术，即使用年轻的骨髓移植入宿主，不但没能让宿主骨髓恢复年轻状态，反而让 HSCs更加衰老。因为 HSCs移植入骨髓后端粒长度会迅速缩短大约1kb[17]，由于端粒缩短是导致细胞衰老的主要原因之一，按照国外资料的白细胞每年端粒平均缩短33bp计算，端粒缩短1kb相当于衰老了约30年，实验也发现血液癌患者接受自体或同种异体HSCs移植后，T细胞提前老化了30年[18]，与计算相吻合。

由于HSCs移植端粒长度会迅速缩短，因此，骨髓移植不但不能减轻AD症状，而且适得其反。例如，儿童进行HSCs移植后,其智力及动手能力均显著低于平均水平，成年人HSCs移植后往往也表现为词汇记忆、语言流利度、运动灵巧性降低，而且这种认知障碍并不能随着患者进入无疾病进展期而逐步恢复[19]。

还有一个重要问题是BMSCs对 HSCs有支持等作用，只有年轻的BMSCs和年轻的HSCs同时移植入骨髓中，才能保持骨髓组织的年轻态和健康的造血功能等，但是，BMSCs很难植入骨髓中，韩国学者在2002年美国血液学年会上报告12例大剂量移植BMSCs，无1例植入受体骨髓[20]。此外，来自其他组织的间充质干细胞不能代替BMSCs，因为虽然都叫间充质干细胞，但还是有一些区别的。

传统的HSCs移植方法需要先用致死量的放射线来摧毁骨髓中所有旧造的HSCs，称“清髓”。然后植入外来HSCs，外来的干细胞为了迅速填充无干细胞的骨髓，新植入的干细胞会应激分裂，这可能是导致端粒迅速缩短的原因。如何让BMSCs和HSCs在无须清髓下能同时植入骨髓？中国专利申请号：201110255232.8等文献提出[21]，可以利用干细胞动员剂，如粒细胞集落刺激因子(G-CSF)等来降低干细胞与骨髓组织的亲和力，让骨髓中的BMSCs和HSCs在骨髓与血液中往复循环，同时向血液中注射BMSCs和HSCs，外来的BMSCs和HSCs就可以鱼龙混杂地植入骨髓中。

5 结语

同种异体的干细胞移植是无法在宿主中长期存活的，通常不到1个月就会消失殆尽，甚至发现，由基因同源的诱导性多能干细胞(iPS细胞)分化的成体干细胞，也无法在宿主中存活。因此，只能采用自体干细胞移植，但是自体干细胞和自体一样衰老，因此，如何让衰老的骨髓干细胞恢青春，是治疗上述衰老性疾病的关键。虽然端粒缩短是导致细胞衰老的主要原因，但外表达端粒酶的HSCs也不能完全恢复青春，说明端粒缩短并非是导致细胞衰老的唯一原因，除了端粒，应该还有另一种东西驱动着细胞的衰老进程，根据“细胞衰老的端粒DNA和核糖体DNA共调控假说”认为是rDNA。此外，神经元虽然衰老很慢，但终究会衰老到功能丧失，因此，让衰老的神经干细胞恢复青春也是治疗神经退行性疾病的关键。