细胞衰老在神经系统疾病发生发展中的作用

张燕秋，付佳琳，袁正伟，顾卉

（中国医科大学附属盛京医院国家卫生健康委小儿先天畸形重点实验室，沈阳 110004）

细胞衰老是一种永久性的细胞周期停滞状态，主要发生在经受不同刺激的增殖细胞中。与凋亡不同，衰老的细胞仍保留着生存和代谢的活性［1］。衰老细胞的形态通常表现为整体体积变小，扁平、空泡状，细胞核体积变大，偶尔伴随着多核化［2］。衰老是细胞针对不同刺激的应激反应，包括DNA损伤、癌基因诱导、自噬损伤、氧化刺激、线粒体功能障碍等［3-4］。对于个体而言，短暂性细胞衰老在伤口愈合、组织重塑、胚胎发育和肿瘤抑制等方面有助于清除受损的细胞；反之，持续性细胞衰老会导致组织功能障碍而出现心脑血管疾病、肺纤维化、皮肤疾病、神经退行性疾病等一系列疾病［5］。近年来，与衰老相关的疾病发病率逐步上升，在影响患者生活质量的同时，也给患者家庭带来巨大的经济压力。因此，明确细胞衰老在相关疾病发生发展中的作用对于疾病的预防和治疗具有重要的意义。

神经系统疾病是由于各种因素导致脑与脊髓结构或者功能受损而引起的一系列疾病，包括神经退行性疾病、中枢神经系统肿瘤以及神经发育障碍等。目前，神经系统疾病诊治困难、预后较差，因此明确其发病机制尤为重要。许多研究［6-7］表明，细胞衰老在神经系统疾病发生发展中起着重要作用。本文就细胞衰老在神经退行性疾病、中枢神经系统肿瘤和神经发育障碍发生发展中的作用进行综述，旨在为疾病预防和治疗提供依据。

1 细胞衰老

细胞衰老主要分为复制性衰老、应激诱导的过早衰老和发育程序性衰老三种类型［8］。细胞衰老是一个十分复杂的过程，不同类型的应激信号引起不同类型衰老。细胞通常通过p53/p21WAF1/CIP1或p16INK4a/Rb信号通路使视网膜母细胞瘤蛋白 （retinoblastoma protein，Rb） 处于去磷酸化或低磷酸化状态，阻止细胞周期的进程，最终诱导细胞衰老。端粒损耗、氧化应激等引起DNA损伤的应激主要是通过p53/p21WAF1/CIP1途径诱导细胞衰老，非诱导DNA损伤的应激主要通过p16INK4a/Rb诱导细胞衰老；其中与复制性衰老不同，发育程序性衰老的细胞中检测不到DNA的损伤。并且研究［9-10］发现，发育程序性衰老并不依赖于p53，而依赖于p21WAF1/CIP1，由FOXO和TGF-β/Smad途径调节。

目前使用最广泛的检测衰老细胞的生物学标志物包括衰老相关β-半乳糖酶 （senescence-associated beta-galactosidase，SA-β-gal）、衰老相关分泌表型（senescence-associated phenotype，SASP）、衰老相关的异染色质病灶、细胞周期依赖性蛋白激酶抑制剂（p21WAF1/CIP1，p16INK4a等）、lamin B1、γH2AX等［11］。由于目前没有特异性的标志物可以识别衰老细胞，也并非所有的衰老细胞都表现出全部的细胞衰老生物学标志物，所以只能通过同时检测多种衰老生物学标志物来识别衰老细胞。

2 细胞衰老在神经退行性疾病中的作用

衰老是许多神经退行性疾病发展的主要危险因素。随着年龄的增长，细胞内的分子损伤不断累积，衰老机制被激活以维持稳态，衰老细胞累积可能导致机体出现功能障碍引发疾病。目前，神经系统中已经鉴定出多种衰老细胞，并且已经证实了细胞衰老在阿尔兹海默病（Alzheimer’s disease，AD）、帕金森病 （Parkinson’s disease，PD） 等神经退行性疾病中起重要作用。

2.1 AD

AD是一种较为常见的神经退行性疾病。目前，AD的具体发病机制尚未明确。但相关研究明确揭示了有毒蛋白质β淀粉样蛋白 （amyloid β-protein，Aβ）斑块、Tau蛋白的聚集以及神经炎症等都是AD的病理学标志［12-13］。在AD患者和小鼠模型中星形胶质细胞、神经元、少突胶质祖细胞、神经干细胞都检测到了SA-β-gal活性［14-16］，这说明细胞衰老与AD的发病有很大的关联。Aβ42可以激活FPR2来加速神经干/祖细胞 （neural stem/progenitor cell，NSPC） 的衰老，这限制了NSPC的功能，进而损伤神经系统加快AD的进程［17］。AD患者和小鼠模型中较高水平的SASP促使衰老的细胞释放IFITM3来促进Aβ沉积［18］。另外Tau蛋白会激活小胶质细胞中的p38-MAPK信号，激活p53诱导细胞衰老［19］，同时Tau蛋白积累会诱导CDKN1A和CDKN2A表达促进SASP的分泌招募更多Tau蛋白积聚［20］，Tau蛋白积聚的神经元会通过释放HMGB1和SASP诱导星形胶质细胞衰老，并且通过旁分泌途径诱导邻近的细胞衰老［21］。Aβ和Tau蛋白聚集会促进细胞衰老，同时衰老细胞会促进Aβ和Tau蛋白聚集，这增加了衰老细胞启动正反馈回路的可能性，形成一个恶性循环，不断加快AD发生发展的进程。

2.2 PD

PD是发病率仅次于AD的神经退行性疾病，突出的特征是神经胶质炎症反应和神经退行性运动障碍［22］。目前，已知病理学标志是α-Syn蛋白异常积累和黑质多巴胺能神经元变性等。越来越多的证据表明，PD发病过程中起着重要作用的氧化刺激、线粒体功能障碍和异常蛋白清除率都与细胞衰老相关［23］，因此，细胞衰老可能在PD中有重要的影响。在PD患者脑组织样品中检测到明显增强的SA-β-gal活性［24］，且鉴别出多种细胞衰老标志物［25］；同时还发现了大量活化的小胶质细胞和衰老星形胶质细胞的积累［26］。PD引发的退行性运动障碍是由于多巴胺能神经元衰老导致的运动功能的多巴胺水平降低引起的，同时氧化刺激引起的多巴胺能神经元衰老有助于黑质神经变性而加快PD发病［27］。RIESSLAND等［28］证明了SATB1能够直接抑制多巴胺能神经元中衰老核心因子p21的表达，阻止PD进一步发展；CHO等［29］发现Reelin能够减弱细胞的衰老、减少病理α-Syn聚集。可见，PD患者和小鼠PD模型中细胞衰老的出现为PD靶向治疗提供了一个可行的途径。

3 细胞衰老在中枢神经系统肿瘤中的作用

细胞衰老对于肿瘤的发生与发展是一把双刃剑，一方面，细胞衰老可以限制异常细胞的增殖，可以阻止有恶性转化风险的细胞增殖，从而减缓肿瘤的进展；另一方面衰老细胞分泌的SASP为肿瘤细胞逃逸提供了良好的微环境，可以将衰老细胞转化为具有促进肿瘤进展能力的促炎症细胞。目前，肿瘤的治疗主要借助于靶向诱导细胞衰老，然后再利用SASP调节剂，从而达到治疗肿瘤的效果。

3.1 髓母细胞瘤 （medulloblastoma，MB）

MB是起源于不同神经元祖细胞群的小脑胚胎肿瘤。已有研究［30-31］表明可以通过诱导细胞衰老来抑制MB生长，在MB细胞系里过表达OTX2可以通过激活p53途径来诱导细胞衰老；miR-128a通过靶向Bmi-1癌基因促进细胞的衰老来抑制MB细胞的生长。TAMAYO-ORREGO等［32］研究发现肿瘤抑制因子Ptch1丧失会引起癌基因诱导的衰老并且引发p53突变，进入短暂的衰老状态，逃避免疫系统的清理，加速肿瘤的形成并且增加MB发病率。在体外细胞实验中，沉默CITK会导致DNA损伤，并通过TP53或TP73诱导细胞衰老和凋亡；小鼠模型中敲除CITK后衰老标志物的表达增加，并且会抑制肿瘤的生长和增加小鼠的总生存期［33］，这提示着CITK有希望成为MB治疗的分子靶点。深入研究细胞衰老在MB中的双向作用机制，可以为探索MB药物治疗靶点提供新的思路。

3.2 颅咽管瘤 （craniopharyngiomas，CPs）

CPs是由外胚层叶形成的颅咽管残余的上皮细胞发展起来的一种胚胎残余组织肿瘤，分为顽固型（adamantinomatous craniopharyngioma，ACP） 和乳头型 （papillary craniopharyngioma，PCP） 2种。在ACP中β-连环蛋白积累导致衰老细胞簇形成［34］，这些细胞簇能够检测到一系列的衰老标志物；衰老细胞簇的旁分泌途径可能会促进肿瘤上皮的重塑、邻近细胞的增殖以及转移［35-36］。高表达p16INK4a的衰老细胞会引起相邻细胞中WNT信号通路靶基因的过度激活，从而促进肿瘤的形成，并且致癌的SOX2+干细胞产生衰老细胞簇会使细胞以非自主方式诱导肿瘤形成。最近的一项研究［37］显示，在ACP小鼠模型中衰老细胞会产生一种促肿瘤生成微环境来促进肿瘤细胞的生长，并且通过SASP旁分泌方式来促进肿瘤转移或向恶性发展。ACP中存在衰老细胞，这为研究ACP药物治疗靶点提供新的思路。

4 细胞衰老在神经发育障碍疾病中的作用

发育程序性衰老已被证实能够促进组织塑造，有助于胚胎发育。例如，细胞衰老有助于胚胎肢体塑造，两栖动物水泥腺和口腔发育，心脏形态塑造［38-40］。不过，发育程序性衰老具有时空特异性，仅发生在特定的区域和结构中，并遵循特定的时间过程［9-10］。在发育过程中，由内在因素或者外在刺激引起机体细胞提前发生衰老的过程称为过早衰老，细胞的过早衰老会给机体带来病理性变化诱发相关疾病。已有研究显示，小头畸形和神经管畸形 （neural tube defects，NTDs） 等神经发育障碍与发育过程中细胞衰老相关。

4.1 小头畸形

小头畸形是一种典型的神经发育障碍疾病，通常表现为智力迟钝和行为异常。小头畸形分为原发性和继发性2种。小头畸形主要是由于神经祖细胞增殖和死亡之间的不平衡导致大脑内神经元和神经胶质细胞数量减少而诱发的［41］。RBL2/P130是调节细胞分裂的关键因子，可以通过多种途径促进细胞的衰老，RBL2突变的婴儿中表现出了小头畸形。在小鼠模型中，RBL2突变导致神经元因端粒功能失调而出现衰老，并且表现出头围小于正常值［42］。实际上，在神经发育期间，细胞衰老与神经细胞功能有很大的关系，Rack1缺失激活了TGF-β/Smad信号，激活了神经干细胞中独立于p53的p21/Rb依赖性衰老途径，神经干细胞衰老抑制了皮质的生成和海马体的发育，从而导致小头畸形出现［43］。此外，有研究［44］指出，胚胎早期发育中DNA损伤破坏了DNA2基因的完整性，细胞出现缓慢衰老，也可能导致小头表型的出现。这些无疑都提示着小头畸形与细胞衰老相关，为明确小头畸形的具体发病机制提供了新的思路。

4.2 NTDs

NTDs是发生在中枢神经系统的严重出生缺陷，在胚胎的神经发育过程中，由神经管的闭合异常所致［45］。作为一种成因复杂的先天性疾病，NTDs发生的确切分子机制仍不清楚［46］。在脊柱裂和露脑畸形的小鼠模型中，LMNB1多态性变体导致C端谷氨酸残基丢失，导致小鼠胚胎成纤维细胞核形态发生变化诱导细胞过早衰老，并且将卷尾与野生型LMNB1杂交可部分挽救脊柱裂和脑外畸形。研究［9-10］显示，小鼠胚胎神经管闭合的时间为E8.5～E10.5，而正常的发育性细胞衰老则出现E11.5，因此，在神经管闭合的阶段出现过早衰老神经细胞，就可能导致神经细胞增殖缺失，从而影响神经管闭合的各个阶段，包括神经上皮的弯曲，神经褶皱的形成，褶皱背部中线的上升、相遇与融合。进一步研究［47］显示，在丙戊酸诱导的NTDs模型中发现细胞坏死、内在凋亡和衰老都参与了NTDs的形成。近期的研究［48］明确指出在小鼠母体患有糖尿病的情况下，胚胎神经管形成过程中神经细胞出现过早衰老，导致了大量神经细胞被巨噬细胞清理，进而抑制了神经褶皱弯曲和尖端融合，造成神经管闭合失败，最终出现 NTDs。事实上，以往对于NTDs发病机制的研究多数集中在细胞迁移、增殖、凋亡和分化上，而明确细胞过早衰老在NTDs发生中的重要作用，为NTDs的具体发病机制研究提供了新的方向。

5 总结与展望

综上所述，众多研究认为衰老细胞在神经退行性疾病、中枢神经系统肿瘤和神经发育障碍疾病的发病机制中起关键作用。在神经退行性疾病中，衰老细胞会加快疾病的进展，加速认知功能的丧失。在中枢神经系统肿瘤的发生发展中，一方面细胞衰老可以阻止肿瘤细胞的生长，另一方面衰老细胞可以通过旁分泌信号传导促进肿瘤的转移和进展，具体的作用取决于细胞所处的微环境。在神经发育过程中，细胞过早衰老导致神经细胞增殖减少，影响大脑的发育和神经管的闭合。

目前，关于衰老相关的治疗主要分为两种：一种是Senolytics药物，主要的作用是选择性清除衰老细胞。这类药物包括酪氨酸激酶抑制剂 （达沙替尼和黄酮醇槲皮素）、BCL-2抑制剂 （ABT-263和ABT-737） 以及FOXO4干扰剂 （FOXO4-DRI） 等［49］；另一种是Senomorphics干预疗法，主要是通过抑制SASP的分泌抑制衰老细胞的旁分泌途径。这类药物包括二甲双胍、白藜芦醇、雷帕霉素和芹菜素等［50］。因此，进一步了解细胞衰老在疾病中的作用才能更好设计针对特定疾病衰老的治疗方法。实际上，目前仍未清晰阐明神经系统疾病的发病机制。细胞衰老作为神经发育过程中的重要一环，在诸多神经系统疾病中都出现了异常衰老的现象，这为明确神经系统疾病的机制以及寻找干预新靶点提供了新的方向。进一步明确细胞异常衰老在神经系统发育过程中的发生机制，对于降低疾病的发病率以及提高患者的生活质量均具有重要意义。