衰老进程中骨骼肌卫星细胞微环境改变的研究进展

卜凡 陈艳华 曾泽东 曹书源

[摘要] 骨骼肌卫星细胞（muscle satellite cells，MSCs）是骨骼肌干细胞的主要成分，在骨骼肌损伤的修复和再生过程中发挥重要作用。与其他体细胞一样，MSCs也存在衰老问题。个体衰老过程中，骨骼肌干细胞微环境基本代谢的变化导致干细胞结构和功能发生改变，严重影响老年骨骼肌的功能。老年个体MSCs微环境受转化生长因子-β、Notch信号、Wnt信号等多条信号通路的调控；亦受成纤维细胞生长因子2、生长分化因子11及细胞自噬等调控。本文主要对老年个体MSCs微环境改变的信号通路等调控机制进行综述，为改善老年个体骨骼肌损伤的修复和再生提供理论依据。

[关键词] 衰老；骨骼肌卫星细胞；微环境；信号通路

[中图分类号] R329      [文献标识码] A      [DOI] 10.3969/j.issn.1673-9701.2023.15.025

骨骼肌卫星细胞（muscle satellite cells，MSCs）是一种未分化的、单核的肌肉祖细胞，位于靠近肌纤维的质膜基底板内，是骨骼肌生长发育、新陈代谢和修复重建的核心细胞学基础。多数MSCs是静止的，负荷或组织损伤的增加可激活MSCs，并使其开始分裂[1]。干细胞存在于特殊的微环境中，称作“干细胞微环境”。干细胞微环境是动态的机械和化学信号传导通路，不断将组织状态和需求传递至其再生细胞源，对维持干细胞的数量和功能至关重要[2]。MSCs在正常情况下处于静止状态，在特定生理刺激或损伤等病理条件下被迅速活化，转化为具有增殖和分化潜能的成肌细胞[3]。维持干细胞静止和激活之间的平衡是干细胞微环境的重要功能之一。在个体衰老进程中，机体的组织细胞结构、功能及微环境等均会发生变化，信号通路对干细胞的调控也会发生变化。研究细胞微环境相关的分子、信号通路在老年个体MSCs中对成肌细胞的调控、攻克骨骼肌衰减症具有重要意义。对个体衰老进程中MSCs微环境改变的调节机制及相关信号通路体内和体外微环境的变化是促使MSCs衰老的关键因素之一[4]。MSCs微环境由细胞外基质（extracellular matrixc，ECM）、肌纤维、基膜及与其相关的可溶性细胞因子等组成，与MSCs进行持续信息传递，与维持MSCs的正常生理功能及自我更新等潜能密切相关[5-6]。ECM是由胶原、蛋白聚糖、糖胺聚糖、生长因子和非胶原蛋白等组成的复杂结构[7]，是细胞生长微环境的主要成分，在组织再生中发挥重要作用。体内外研究显示，将老年个体的MSCs暴露于年轻环境，部分细胞功能和行为的缺陷是由细胞微环境问题造成[8]。研究发现，老年个体骨骼肌肌纤维质膜基底板明显增厚，层状结构丧失，呈不规则和无定形状[9]。个体衰老进程中，慢肌纤维内胶原蛋白Ⅳ的浓度随着年龄的增长而逐渐增加，而层粘连蛋白则优先在快肌纤维中增加[10]。这不仅影响基底板储存和释放生长因子，还会使维持内环境稳定的相关信号分子受到影响。老年小鼠肌纤维基底板中的糖蛋白骨桥蛋白浓度有所增加，该蛋白负调控体外成肌细胞的分化和体内肌肉的再生[11]。衰老个体MSCs内环境中，其他基质相关的转化生长因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）和果蝇无翅/整合素（wingless/integrated，Wnt）等肌发生负调控因子的表达增加[12]。国内外研究发现，在个体衰老进程中，虽多数调节MSCs功能的信号通路被异常调控，但它们之间却可相互协调，以维持肌肉干細胞功能。研究显示MSCs衰老过程中，干细胞微环境相关信号通路的改变主要涉及缺刻同源基因Notch、TGF-β及Wnt等；同时微环境受成纤维细胞生长因子2（fibroblast growth factor 2，FGF2）、生长分化因子11（growth differentiation factor 11，GDF11）及细胞自噬等调控[13]。

1  Notch信号通路

Notch信号通路是维持MSCs功能、调节细胞自我更新和肌原性分化之间相互协调的主要调节器[14]。Notch信号通路通过抑制分化、诱导细胞外成分的表达，维持MSCs的静止状态[15]。在老化的骨骼肌肌发生期间，肌纤维和老年成肌祖细胞均不能适当地上调Notch配体Delta1。研究发现，老年个体骨骼肌Notch信号通路的激活可使部分损失再生能力的MSCs的功能得以恢复；同时，Notch信号通路是年轻机体骨骼肌损伤修复过程中MSCs功能恢复的关键信号[16]。MSCs的Notch、Wnt信号及TGF-β信号通路均可调控肌肉再生[17]。在个体衰老过程中，这些级联信号的失调对MSCs功能活性的改变有非常重要的影响。

2  TGF-β信号通路

TGF-β信号通路广泛存在于细胞中，其激活介导细胞的生长、增殖、分化、迁移和凋亡。抑制肌肉中的该信号通路有益于改善肌肉萎缩类疾病的预后。既往研究显示，该信号通路能调控肌肉的质量和功能，其激活往往导致肌肉萎缩，并抑制MSCs的激活、生肌的分化及肌母细胞的纤维化等[18]。TGF-β信号通路通过磷酸化母体抗生物皮肤生长因子同源物（small mothers against decapentaplegic，Smad）3细胞内途径，促进细胞周期蛋白依赖性激酶（cyclin dependent kinase，CDK）抑制剂的表达，从而抑制MSCs的增殖；而Notch信号通路可从CDK抑制基因的驱动器中除去磷酸化Smad3，拮抗TGF-β的功能[19]。因此，老年个体肌肉中Notch的累积消耗及TGF-β的增强转导可增强CDK抑制剂的表达，与MSCs的增殖和分化受损程度相关[16]。研究表明，增龄性骨骼肌丢失症中TGF-β的失调可加速骨骼肌干细胞功能的丧失[20]。

3  Wnt信号通路

Wnt蛋白是一种分泌型糖蛋白，通过旁分泌或自分泌方式与受体结合，激活胞内信号通路途径，调控细胞的增殖、生长和迁移，参与胚胎发育等多种细胞学进程；Wnt信号通路主要通过生肌调节因子（myogenic regulatory factor，MRF）调控骨骼肌的发育[21-22]。老年个体MSCs微环境中衍生的Wnt配体促使Wnt表达上调，进而影响MSCs向肌源纤维转化，最终使骨骼肌组织再生能力下降，纤毛增生[23]。老年个体血液中活化的Wnt配体对MSCs表型的影响可通过补体C1q进行鉴定[24]。尽管年龄相关因素可延缓Wnt的激活，并对MSCs的功能产生不良影响，但Notch与Wnt信号通路激活态之间的协调是肌肉再生的必要条件。骨骼肌干细胞肌源性的维持需要Wnt依赖性糖原合成酶激酶（glycogen synthase kinase，GSK）3β的失活，而GSK3β却在依赖性Notch信号通路中被激活，推测在MSCs自我更新损耗中，Notch下调与Wnt上调之间的协同效应可促使MSCs异常分化，加速老年干细胞数量的下降，进而影响骨骼肌的再生修复[25]。但有学者提出质疑，认为骨骼肌再生过程中Wnt/β-连环素信号通路是不可或缺的，Wnt的沉默是防止MSCs再生时间延长调控中的关键步骤[16]。Wnt信号通路对老年个体MSCs功能的影响仍有待进一步探索。

4  FGF2

有文献报道，肌纤维中的FGF2可激活MSCs，有助于MSCs参与细胞周期的调控，促进MSCs的增殖和有丝分裂的发生[26]。FGF2表达上调与年龄相关，可通过中和FGF2活性或阻断FGF2受体以逆转MSCs的静止状态。Sprouty1蛋白在该过程中起关键作用，可从细胞内部改变MSCs的功能。Sprouty1是FGF2的负性调节器，在年龄相关疾病中Sprouty1基因的缺失及年龄相关的改变均与MSCs FGF2的调节水平有关[27]。老年个体骨骼肌干细胞中Sprouty1基因上的DNA甲基化增加，这一改变影响MSCs转向静止状态[28]。

5  GDF11

研究表明，个体衰老进程中，除MSCs的内在变化外，某些循环因素也是MSCs增殖能力下降的关键因素[29]。研究表明，GDF11的水平随年龄的增加而逐渐降低；应用重组GDF11作用于老年小鼠，其MSCs的数量及肌纤维的再生水平、大小和功能均上调[30]。但另有研究显示，老年大鼠和人血浆中的GDF11水平随年龄的增长而逐渐增加，表明GDF11与肌生成抑制素之间存在具有协同作用的蛋白，GDF11的活化区域與肌生成抑制素有90%的同源性[31]。肌生成抑制素是肌纤维生长和肌管分化的负调节因子，通过Smad2/3抑制肌生成，暴露外源性GDF11可导致骨骼肌再生能力下降[32]。有研究表明，老年个体的肌生成抑制素水平升高，可能是促使增龄性骨骼肌丢失症表型产生的重要原因[33]。

6  细胞自噬对干细胞的影响

老年个体肌肉中的MSCs可从静止状态转换为不可逆的衰老状态[33]。在整个生命过程中，MSCs如何避免衰老依然未知。研究表明，MSCs可通过自噬来维持其可逆的静止状态[34]。自噬是细胞器的自我降解过程，部分胞质和错误折叠的蛋白质被自噬体包裹并在溶酶体中被降解，进而防止细胞内废物的堆积。老年个体MSCs的自噬活动受损导致破损的蛋白和细胞器累积，导致干细胞衰老并衰竭。健康成年小鼠中自噬基因的抑制可使干细胞快速进入衰老阶段，最终导致MSCs数量和功能的下降，进而破坏肌纤维的再生[26]。

综上，本文综述衰老对MSCs微环境及细胞信号分子的影响，探讨骨骼肌萎缩及影响MSCs激活、增殖、分化等细胞内在原因。衰老引起的骨骼肌质量及功能下降的内在机制研究有助于临床延缓个体骨骼肌的衰老，MSCs重塑研究将有利于改善衰老引起的骨骼肌丢失症状，为治疗骨骼肌萎缩等相关疾病提供研究思路。

骨骼肌为人体最丰富的组织之一。在个体衰老进程中，骨骼肌的质量和功能会随着年龄的增加而减退，将对老年个体的活动和运动等产生影响，严重影响老年人的生活质量。随着年龄的增长，不同组织、器官和宿主干细胞的功能会逐渐衰退，损伤应答能力和内环境稳态维持能力下降。就MSCs而言，外在环境的变化及细胞自身的改变都与老龄化相关。因此，深入了解衰老进程中肌肉干细胞微环境相关的信号通路和分子机制，对建立改善衰老个体骨骼肌修复能力的新方法非常重要。恢复老年个体MSCs的功能、老龄化如何直接影响MSCs的自身功能等问题是后续研究的主要方向。

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