《自然》综述：组织干细胞及其微环境的“返老还童”策略

大多数成体器官中含有具再生能力的干细胞，通常位于特定的微环境（亦称壁龛或小生境或生态位, 英文名：niche）中。干细胞的功能对于组织稳态和损伤修复至关重要，而这功能的发挥依赖于其与微环境的相互作用。在衰老过程中，干细胞的再生潜力和分化能力下降，从而导致组织不完整甚至健康状况的恶化。

2022年7月，斯坦福大学的Anne Brunet、Thomas A. Rando和贝勒医学院Margaret A. Goodell在Nature Reviews Molecular Cell Biology上发表了题为“Ageing and rejuvenation of tissue stemcellsandtheirniches（组织干细胞及其微环境的衰老与再生）”的综述文章，我们试着解读一下。本文分上下两篇，将近9000余字，阅读耗时较长。强烈推荐收藏，并细细阅读！

在上篇中，我们介绍了干细胞和干细胞微环境的关系，在机体衰老的过程，干细胞出现的特征，干细胞微环境出现的特征，以及组织衰老和疾病中的干细胞会发生什么样的变化。了解自然，改造自然。今天我们接着说干细胞及其微环境的再生策略。

回顾上文：:link:《自然》综述：组织干细胞和微环境的衰老（上篇）。

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干细胞微环境的“返老还童”策略

如果我们采取“再生”干预措施，则可以延缓干细胞衰老。这种“再生”干预可以通过调节干细胞环境或直接影响干细胞状态，从而恢复衰老干细胞的年轻特性。

目前理论上讲，主要有三种方式：异时异体共生、适量运动和饮食限制。

▉ 异时异体共生

不同年龄个体之间共享血液循环的研究表明，循环因素可以影响衰老干细胞功能。两个动物之间通过毛细血管建立血液循环。最初的研究表明，老年动物肌肉、肝脏和大脑中的干/祖细胞群获得了更年轻的状态。随后，还在这些组织中确认了衰老干细胞或祖细胞的再生，这些再生的干细胞或祖细胞能够扩展到其他组织（包括胰腺、骨骼和脊髓）。

通过反复注射年轻或年老的血液，可以重现异时异体共生某些方面的部分作用。因此，更可能是由于血液中的非细胞因素，而非年轻细胞从血液循环中移植到年老的宿主中，产生了共生的有益效果。

从幼年动物到老年动物的异时的血浆转移证实了这一点，反之亦然。事实上，输入年轻血浆可以部分重现异时异体共生对老年组织的影响，相反，输注老年血浆对年轻组织具有抑制作用。有趣的是，在单次血液交换的研究中，老年血浆的“促衰老”效应大于年轻血浆的“干预衰老”效应。

基于以上，已经提出的因素包括潜在的再生因素（例如脐带血浆的TIMP2）和潜在的衰老因素（例如CXCL11），并且可能还有其他因素（包括非蛋白因素，如代谢物）。然而，并非所有的干细胞都如此。例如，有两项研究表明，造血干细胞和骨骼干细胞并没有通过共生恢复活力，而另一项研究表明造血干细胞在转录方面对年轻血液有很强的反应。也许，与组织修复所需的干细胞相比，持续补充外源性的干细胞不如换年轻血液效果更好。

▉ 适量运动

运动的确有益健康，但这些益处是否和干细胞有关，目前尚不明确。运动会造成诸多生理变化（包括血流增加、能量利用的改变以及肌肉自身分泌的因子进入循环系统），都可能影响体内的细胞。一项研究测试运动小鼠的血浆输入到不运动小鼠体内的有益效果，也证实了运动可逆转与衰老的干细胞功能的下降。

运动可使衰老的肌肉恢复活力，原因是通过逆转细胞周期蛋白D1水平的年龄依赖性增加，将其恢复到年轻水平。敲除细胞周期蛋白D1基因，可阻止运动诱导的肌肉干细胞功能增强。此外，可通过诱导细胞中的细胞周期蛋白D1表达来恢复衰老肌肉干细胞的功能。有趣的是，将运动过的老年动物的血浆转移到“久坐”的老年动物，也可带来运动的益处。

在神经干细胞中，也观察到了运动后老年动物的再生恢复作用。将运动后的血浆会促进神经发生和认知功能改善。其中可能有几种机制：首先，运动可以增加补体级联反应的抑制剂水平。二，血液中GPLD1水平随着运动而增加。然而，衰老的造血干细胞，似乎抵抗运动带来的有益效果。<步步先生注：当你老了，血液都有错！运动都效果甚微>

▉ 饮食限制

饮食限制，长期以来一直用于延缓衰老进程。最近，人们对发现不需要终身进行饮食限制，也可延缓衰老。间歇性禁食，是一种饮食限制相关方案实施。虽然动物在喂食当天往往会“大吃大喝”，但并不会抵消禁食期的益处。模拟禁食饮食，需要交替5天禁食和2天喂食，重复几个周期。

饮食限制疗法对许多细胞和组织具有深远的影响。饮食限制，通常可以对老年大鼠和小鼠的转录组和蛋白质组进行“重编程”。饮食限制干预的效果，最终通过血液和局部细胞环境的变化传递到全身细胞（包括干细胞）。

饮食干预措施恢复干细胞年轻功能的潜力，已得到了证实。在血液中，饮食限制提高造血干细胞的增殖能力，抑制了其向淋巴谱系的分化。同样，衰老的造血干细胞，似乎抵抗饮食限制带来的有益效果。<步步先生注：当你老了，血液都有错！饮食限制都效果甚微>

在肠道中，衰老与肠干细胞功能受损相关。饮食限制后再进食，通过促进干细胞沿分泌谱系分化来恢复衰老的上皮功能。不同的间歇性禁食方案，会影响老年动物的干/祖细胞。在老年小鼠中，模拟禁食的饮食加上禁食和再喂食的循环可促进海马的神经发生。因此，饮食限制对干细胞功能起到有利影响，但可能不会以相同的方式影响所有干细胞微环境（或微环境中的所有细胞）。

有趣的是，在年轻小鼠和老年小鼠中，完全禁食（24小时营养剥夺）对肠干细胞功能具有有益影响。禁食对肠干细胞的有益影响部分由脂肪酸氧化诱导介导。在肌肉中，禁食在损害肌肉再生活动的同时，增强了肌肉对各种压力的恢复力。可以通过生酮饮食或直接施用酮体来模拟禁食对肌肉恢复力的有益影响。

总之，饮食限制甚至完全禁食，对机体的干细胞池都有有益的影响。那么，饮食中哪些特定成分，对干细胞功能最为关键很重要。

▉ 饮食限制模拟物和代谢物

除了饮食限制干预外，饮食限制模拟物，也可逆转衰老干细胞功能下降。这些包括但不限于抑制IGF1信号、抑制mTOR途径（例如雷帕霉素）或激活NAD依赖性脱乙酰酶和AMPK（例如二甲双胍）的化合物。

例如，雷帕霉素治疗老年小鼠可增加活化神经干细胞的百分比，并可使造血干细胞恢复活力。二甲双胍可在脱髓鞘损伤后，通过促进老年脊髓中的年轻再髓鞘化（二甲双胍是AMPK和NAD依赖性脱乙酰酶的激活剂）。NAD依赖性脱乙酰酶（包括施用NMN），具有可使衰老干细胞恢复年轻的功能。血清和组织中的NAD水平随着年龄的增长而下降。

使用NAD+前体（特别是NR和NMN），在维持健康和延长寿命方面显示出益处。在肠干细胞上使用烟酰胺核糖苷，可逆转这些细胞修复因衰老导致的肠道损伤能力。用SIRT1或mTORC1抑制剂治疗小鼠，可抑制烟酰胺核糖苷带来的益处，但同时抑制mTORC1信号通常又会延长寿命，这是自相矛盾的。<步步先生注：目前研究结果是大方向是促进的，小方向是抑制的。可能和剂量有关，很多研究皆如此>。烟酰胺核糖苷对老年人肌肉细胞、神经干细胞和黑素细胞干细胞也有益处，部分是通过修复线粒体功能来发挥作用。

特定代谢物，也可在改善衰老组织干细胞功能。例如，富马酸盐也可能对衰老造血干细胞带来有益的影响。

在未来的研究中，探索化合物和代谢物在干细胞和组织功能的衰老过程中的作用将非常重要，特别是化合物和代谢物具有治疗前景。值得注意的是，周期性使用化合物和代谢物可能会增加其对衰老干细胞的有益影响。

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干细胞“返老还童”策略：局部重编程

组织再生的另一个途径是表观遗传重编程。山中伸弥因子（OSKM，即OCT4、SOX2、KLF4和MYC/OSKM等四种因子）在分化细胞中表达，诱导细胞返老还童<步步先生注：即形成iPSC过程的某些过程>。

重编程因子的再生效应，能否与去分化效应脱钩，这对于增强衰老细胞的功能至关重要。因为初步研究表明：分化细胞因为获得多能性特征，会导致畸胎瘤的发生<步步先生注：这很难的选择，要么癌症，要么衰老>。

显然，连续的OSKM因子不适合恢复衰老细胞和组织的年轻特性。相反，周期性诱导OSKM可以恢复衰老细胞和组织（包括干细胞和祖细胞）的年轻特性，而不丧失细胞分化特征。在这种方法中，OSKM是使用强力霉素以周期性方式表达的：5天（表达OSKM），2天（不表达OSKM）重复几个周期（3-16个），或者通过RNA递送或腺相关病毒递送OSKM（或OSK）。

在肌肉和胰腺的干细胞和祖细胞中，观察到了部分重编程的有益效果。用重编程因子的mRNA在体外瞬时转导，也可使细胞恢复活力（包括肌肉干细胞）。在移植试验中，无论是老年小鼠还是老年人，重编程肌肉干细胞在再生潜力方面几乎与其年轻对照组一样有效。OSKM对肌肉功能的有益影响可能不是细胞自主的：OSKM确实在肌纤维中表达，但在肌肉干细胞中的表达不促进衰老肌肉的再生。

短期重编程也改善了大脑中的细胞。例如，中年小鼠所有组织中OSKM的周期性表达改善了新生海马细胞亚型的迁移，这与认知功能的改善有关。重编程因子也会影响大脑中的分化细胞：在体内用OSK（不含MYC）对细胞进行病毒转导，可恢复来自衰老小鼠视网膜神经节细胞的轴突的再生潜能。迄今为止的研究表明，重编程因子“重置”了衰老细胞中的染色质修饰，并使年老小鼠多个器官（胰腺、肝脏、脾脏和血液）中的DNA甲基化和转录组恢复活力。另一个关键问题将是确定重编程因子对组织衰老的影响周期有多长。

除了部分细胞重编程，干细胞再生干预措施还包括：清除衰老细胞，即Senolytics（一种杀死组织内衰老细胞的化合物）、肠道菌群移植（将年轻人的微生物群转移到老年人）和服用抗炎药物。

-07-文末小结

需要注意的是，大多数研究都是在小鼠身上进行的（要么就是在大鼠身上）。小鼠和大鼠的寿命相对较短（~3年），干细胞维持机制可能不同于人类。动物模型在很多程度上再现了体内衰老特征，但这个结论仍有待确定。未来，类器官或细胞模型可能为干细胞衰老和再生的具体机制提供新见解。

最后，做个小总结。本篇综述讨论了组织干细胞和微环境在衰老过程的影响，以及探讨干细胞再生对抗衰老的潜力。遗憾的是，目前尚无可靠的延缓衰老的安全且有效的干细胞疗法。

使用干细胞延缓衰老，需要解决的问题包括：

• 移植后干细胞在组织中，需要正确分化和整合；

• 在衰老组织中，需要维持干细胞及其后代的年轻状态；

• 防止肿瘤发生，不论是移植后还是激活内源性。

最后，值得一的是，未来我们要选择采用干细胞移植延缓衰老，还是激活内源性干细胞延缓衰老？这是个问题！