组织器官衰老的“种子与土壤”理论

张文杰

【提要】 人口老龄化已经成为全球关注的焦点，如何减少衰老相关疾病的发生，是预防医学面临的重大挑战。建立科学的衰老理论，将为制定有效的抗衰老策略提供重要的依据。借鉴组织工程学的研究经验，我们提出了组织器官衰老的“种子与土壤”理论：“种子”代表了干细胞，“土壤”代表了组织微环境，“种子”的耗竭与“土壤”的恶化是组织器官衰老的核心。基于衰老组织的这些特征性变化，我们提出了“除草、施肥、播种”的抗衰老综合策略：清除衰老细胞、改善组织微环境、补充干细胞，并依据这一策略，对现有的抗衰老技术进行新的归类。

人口老龄化已经成为全世界关注的焦点，目前国际上普遍将65 岁及以上人口占总人口的比重，作为衡量老龄社会程度的标准，7%～14%为轻度老龄社会；14%～20%为中度老龄社会；20%以上为重度老龄社会。2021 年末，我国65 岁及以上人口已突破2 亿，占总人口的14.2%，我国已进入中度老龄社会，到2025 年末，我国将进入重度老龄社会[1]。机体的衰老，伴随着重要脏器功能减退，自我修复能力下降，继而产生一系列组织的退行性改变，衰老相关疾病的发生率进行性提高，给家庭和社会造成严重的负担。如何提高老年人的身体健康水平，减少和延缓衰老相关疾病的发生，是预防医学面临的重大挑战。近年来，抗衰老的相关研究得到了广泛关注，建立科学的衰老理论，将为制定有效的抗衰老策略提供重要的依据。我们借鉴组织工程的研究经验，提出了组织器官衰老的“种子与土壤”理论，并依据该理论提出了“除草、施肥、播种”的综合抗衰老策略。

1 组织器官衰老的“种子与土壤”理论

人们对于衰老的认识是在近30 年中积累起来的。人体衰老的机制非常复杂，目前的认识只是其冰山一角。2013 年，López-Otín 等[2]综合阐述了人体老化的9 大标志性改变，包括基因组的不稳定性、端粒的磨损、表观遗传的改变、蛋白质内稳态的丧失、营养感知的失调、线粒体功能障碍、细胞衰老、干细胞耗竭，以及细胞间通信的改变。如果细分的话，前7 项变化归于细胞和分子水平的变化，后2 项则归于组织器官水平的变化。该报道进一步将衰老特征分为3 类：主要特征、拮抗特征和综合特征。主要特征是指引起损伤的始动因素，包括了基因组的不稳定性、端粒的磨损、表观遗传的改变、蛋白质内稳态的丧失；拮抗特征是人体应对损伤的反应，包括了营养感知的失调、线粒体功能障碍、细胞衰老；综合特征是最终导致的结局，包括了干细胞耗竭和细胞间通信改变，并认为干细胞耗竭和细胞间通信改变是导致衰老的“罪魁祸首”。简单地描述这一过程就是：机体随着年龄的增长，不断受到外源性或者内源性的损伤，导致在细胞和分子水平发生一系列变化，损伤后机体启动自我保护机制，产生保护性反应；如果保护失效，则导致组织器官水平的病理改变，造成干细胞数量的耗竭以及体内微环境的紊乱，使机体修复能力下降，器官功能减退，衰老随之发生。由此可见，组织内的干细胞数量以及组织微环境是决定组织再生修复能力的核心，这一理念与组织工程学的原理颇为相似。在组织工程学中，种子细胞、可降解支架材料、生长因子，是工程化组织体外构建的三大要素，通过体外模拟体内的细胞与组织微环境，实现组织器官的人工再造[3]。借鉴组织工程的基本原理，我们提出了组织器官衰老的“种子与土壤”理论，“种子” 代表了干细胞，“土壤” 代表了组织微环境，“种子”的耗竭与“土壤”的恶化是导致组织器官衰老的核心。

1.1 “种子”的耗竭

人类从受精卵发育成个体的过程，是干细胞不断增殖与分化的过程，从个体出生到衰老死亡，人体组织始终保持着一定程度的自我更新，其中干细胞为组织的新旧更替提供了重要的种子来源。组织再生修复能力的下降是机体衰老最明显的表现，而干细胞的损耗在几乎所有成体干细胞中都有发现，包括小鼠前脑[4]、骨[5]、骨髓等[6]。研究证实，老年小鼠的造血干细胞比年轻小鼠的造血干细胞细胞分裂进行得更少，细胞周期活性整体下降[6]。随着年龄的增长，造血功能下降，导致适应性免疫细胞产生减少，这一过程被称为免疫衰老，可以增加贫血和髓系恶性肿瘤的发病率[7]。骨髓间充质干细胞的数量随着年龄的增加而逐渐减少，分化能力也逐渐减低，导致老年骨质疏松和骨折后难以愈合等问题[8]。干细胞耗竭的内在原因之一是端粒的磨损，通常细胞的每一次分裂都会使端粒缩短，端粒的长度决定了细胞的寿命[9]。另外，其他的损伤导致的基因组的不稳定性、表观遗传的改变、蛋白质内稳态的丧失等，也是导致干细胞数量减少的原因。“Stem cell niche”被认为是组织内成体干细胞保存的重要场所，由细胞以及生物、化学、物理等因素组成的微环境，影响着干细胞的静息、激活、自我更新以及分化等状态，干细胞微环境的破坏，可直接影响干细胞的自我更新能力，导致数量的减少[10]。

1.2 “土壤”的恶化

López-Otín 等[2]认为，除了细胞自身的改变，衰老还涉及细胞间通信的变化。随着年龄的增长，炎症反应增多，神经激素信号下调，清除致病菌和癌前细胞的能力减弱，细胞周围和细胞外的成分变化，将影响所有组织的功能。衰老组织微环境的普遍特征包括了慢性炎症[11]、血供减少[12]、过氧化物堆积[13]等，并相互影响。慢性炎症可导致血管退化、血液供应减少，血供减少会引起过氧化物堆积，而过氧化物堆积又会加重慢性炎症。衰老组织的炎症可能由多种原因引起，如累积的炎症性组织损伤、免疫系统清除病原体和功能失调宿主细胞的能力降低、衰老细胞分泌的促炎因子，以及细胞自噬功能的障碍等[14-15]。Martínez 等[16]认为，慢性炎症是由慢性氧化应激状态导致整个免疫系统的低度慢性炎症，并提出了“氧化-炎症-老化”（Oxi-inflamm-aging）的概念，而线粒体活性氧类（ROS）的产生是整个过程的始动因素。另有研究认为，炎症主要是由积累的老化细胞引起的[17-18]，在成纤维细胞和上皮细胞中的研究表明，细胞衰老伴随着参与细胞间信号转导的40～80 个因子的分泌显著增加，这组因子的分泌被称为“衰老相关分泌表型”（SASP）[19]。SASP 蛋白包括生长因子、蛋白酶、趋化因子和细胞因子等，其中已知的刺激炎症的蛋白质包括白介素（IL）-6、IL-8、IL-1、粒细胞巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF）、单核细胞趋化蛋白（MCP）-2、MCP-3、基质金属蛋白酶（MMP）-1和MMP-3，以及许多胰岛素样生长因子（IGF）结合蛋白等[19]。SASP 蛋白不仅影响局部组织微环境，还能通过血液循环作用于其他组织和器官。研究发现，皮肤的老化与免疫功能老化、神经退行性疾病、心血管疾病的发生和寿命的长短相关，其机制可能是老化的皮肤细胞通过释放SASP 作用于其他脏器[20]。

2 抗衰老综合策略

针对干细胞耗竭与组织微环境恶化的组织器官衰老的特征表现，我们提出了“除草、施肥、播种”的抗衰老综合策略：清除衰老细胞、改善组织微环境、补充干细胞。

2.1 “除草”（清除衰老细胞）

清除衰老细胞的方法很多，第一种就是提高免疫力。年轻时，组织中的衰老细胞也会产生，通常是被免疫系统识别并清除；随着年龄的上升，机体的免疫力降低，衰老细胞的清除能力也随之降低，所以提高机体免疫功能是清除衰老细胞的有效方法。第二种是能特异性杀死衰老细胞的被称为“senolytics”的药物[21]，包括达沙替尼、槲皮素等，动物实验证实这类药物可以杀死体内衰老细胞，延长动物寿命[22-23]。第三类是转基因的设想，在细胞内导入自杀基因，一旦细胞衰老就启动自杀程序[24]。无论是哪种方法，衰老细胞的清除对于延缓衰老的进程是重要的，因为衰老细胞释放的SASP 蛋白不仅作用于局部组织，还能通过血液循环作用到身体的其他器官，加快其他组织和器官的衰老，所以清除衰老细胞是抗衰老的第一步。

2.2 “施肥”（改善微环境）

组织微环境对组织再生修复起关键作用，Ge等[25]的研究发现，年老小鼠皮肤的毛囊干细胞移植到年轻小鼠的真皮组织中可以再生毛囊，而年轻小鼠的毛囊干细胞移植到年老真皮组织中却不能再生毛囊，显示了组织微环境在组织再生修复中的重要性。衰老组织微环境的普遍特征包括了慢性炎症、血供减少、过氧化物堆积等。因此，理想的“肥料”应该具有抗炎、抗氧化、促血管新生等复合功能。目前已经在开展应用的第一种“复合肥料” 是间充质干细胞。大量研究表明，间充质干细胞主要通过旁分泌抗炎、抗氧化、促血管新生的活性因子，在组织再生修复中发挥作用，而通过分化参与组织修复的细胞数量极少[26]。因此，间充质干细胞在大部分疾病治疗中真正起的是“肥料”的作用，而不是“种子”的作用。在难愈性创面和骨关节炎的治疗中，同种异体的脐带间充质干细胞和脂肪间充质干细胞是最为常用的细胞类型，虽然这些细胞的免疫原性比较低，但最终都逃脱不了被免疫系统清除的命运，细胞在移植后的短暂时间内存活，并通过旁分泌活性因子来调控局部的炎症、促进血管新生、刺激细胞增殖、抗细胞凋亡等，发挥促进组织再生修复的作用[27-28]。基于间充质干细胞的旁分泌作用机制，延伸出了第二类“复合肥料”，即间充质干细胞培养中的上清液或上清液中进一步分离提取的外泌体。大量研究表明，间充质干细胞外泌体同样具有抗炎、抗氧化、促血管新生等功能，起到促进组织再生修复的作用[29]。第三种“复合肥料” 是最近几年我们研究发现的脂肪脱细胞活性蛋白（Cell-free fat extract，CEFFE），是来源于脂肪组织的活性蛋白群，同样具有抗炎、抗氧化、促血管新生、促神经再生等功能[30]，在神经、呼吸、生殖、运动等衰老性疾病的动物模型中，证实了其广泛的应用前景，其作用机制也是通过改善组织微环境发挥作用[31-33]，有望成为未来抗衰老的“复合肥料”。

2.3 “播种”（补充干细胞）

播种的概念可以分为两种：一种是保护干细胞，另一种是补充干细胞。保护干细胞的药物包括雷帕霉素[34]、二甲双胍[35]、槲皮素[36]、尿苷[37]、烟酰胺核苷和烟酰胺单核苷酸[38]等，动物实验研究显示均具有抗衰老和延长动物寿命的作用。补充衰老组织内耗竭的干细胞可以从补充外源性和内源性干细胞两条路径来实现。补充外源性干细胞的最大难点在于：如果要让干细胞真正起到“种子”的作用，就必须找到组织相容性、抗原完全匹配的供体，才能让细胞长期存活不被排斥，这个概率和我们寻找异体骨髓移植的概率一样低。可能解决的第一条路径是建立有效的体外干细胞培养扩增体系，取少量自体干细胞，体外扩增后获得满足需求的细胞数量；第二条路径是细胞重编程技术，可以把自体分化成熟的皮肤或血液细胞等重编程回到最原始的状态，并通过诱导重编程细胞再次分化，获得我们想要的各种组织干细胞[39]。补充内源性干细胞可以通过两条途径实现。第一条途径：研究发现骨髓中含有多种干细胞，有些甚至具有向3 个胚层分化的能力，可以动员骨髓里的干细胞，通过血液循环进入需要再生修复的器官中，如骨髓间充质干细胞等[40-41]；第二条路径：通过在体重编程技术，将重编程药物注射到体内，将组织中的分化细胞定向回到相对原始的状态[42]。Lu 等[43]在小鼠视网膜神经节细胞中异位表达Oct4、Sox2 和Klf4 基因，可以恢复细胞年轻态的DNA 甲基化和转录组模式，促进损伤后轴突再生，逆转了青光眼模型小鼠和老年小鼠的视力损失。

2.4 其他干预措施

生活习惯，特别是饮食、运动、情绪等因素可以影响机体的衰老速度，其背后的科学机制也是通过影响干细胞状态以及组织微环境发挥作用[44]。少食、多动、不抽烟、不酗酒、保持乐观的心态等都是日常抗衰老的基础。

3 总结与展望

组织器官衰老的“种子与土壤”理论，形象地描述了组织器官衰老的两大特征性变化，在此基础上提出的“除草、施肥、播种”抗衰老综合策略，基本涵盖了目前正在尝试的各种抗衰老治疗手段。可以预见，采用多角度联合干预方式，有望恢复正常衰老组织再生修复能力，提高抗衰老效果。“除草、施肥、播种”，无论哪个方面的突破，都将改变我们的衰老速度，给健康寿命的延长带来巨大帮助，也期待相关药物和技术能尽早造福人类。当然，从López-Otín 等[2]综述的人体老化9 大标志性改变来看，“种子与土壤”理论侧重于最后两项组织器官水平的衰老变化，阐明前7 项中衰老在细胞和分子水平的变化，可以回答人体为何会衰老的真正机制，这些方向的探索，将是人类实现“长生不老”梦想的基石。