Cell Death Discov 综述︱陈潮金等评述细胞衰老在缺血再灌注损伤中的研究进展
责编︱方以一，王思珍
编辑︱杨彬薇
缺血/再灌注（Ischemia/reperpfusion，IR）损伤是许多临床实践不可避免的病理过程，如移植手术、心肌梗死、脑梗塞等。越来越多的证据表明，IR损伤会诱导相关组织细胞的急性早衰，而且细胞衰老是器官急性损伤向慢性转化的潜在核心机制。随着对IR诱导的细胞衰老内在机制以及衰老介导器官急性损伤向慢性转化机制的深入研究，研究者发现细胞衰老可以作为干预靶点来预防或消除IR引起的急性和慢性器官损伤，因此关于细胞衰老参与IR损伤的机制及针对细胞衰老开发的IR损伤干预手段受到越来越广泛的关注。
2022年10月18日，中山大学附属第三医院陈潮金教授团队在Cell Death Discovery发表了题为“cellular senescence in ischemia/reperfusion injury”的综述文章。作者首先介绍了IR损伤与细胞衰老的相关概念，总结了衰老通路与细胞衰老的双重作用。随后综述了IR引起细胞早衰机制的研究进展，即通过氧化应激与线粒体功能障碍、炎症反应、表观遗传修饰、p53/p21及p16/pRb通路的激活引起细胞周期阻滞（即细胞早衰）。继而总结了肾脏、心脏、大脑等组织器官受到IR打击后，细胞衰老介导的器官急性损伤向慢性转化的过程。最后探讨了靶向细胞衰老的治疗手段，包括Senolytics（衰老细胞裂解药物）、Senomorphics（衰老相关分泌表型抑制剂）、Rejuvenating agents（SIRT1激活剂）、间充质干细胞疗法等，以及该领域未来的研究方向。
一、 IR引起细胞衰老的机制
一般来说，衰老可分为复制性衰老和早衰。与重复细胞分裂后端粒缩短诱导的复制性衰老不同，早衰是指由多种应激刺激，如氧化应激、DNA损伤、线粒体功能障碍、炎症、癌基因激活等引发（图2 II），也被称为“应激诱导的早衰”（Stress-induced Premature Senescence, SIPS）[1]。在大多数情况下，细胞衰老主要由p53/p21和/或p16/pRb通路的激活触发，其特征是G1/S（或G2/M）细胞周期阻滞[1]。此外，衰老细胞另外一个显著特征即是“衰老相关分泌表型”（Senescence Associated Secretory Phenotype, SASP）的产生，包括各种趋化因子、炎性细胞因子、细胞外基质重塑因子和生长因子的[1]，形成炎症微环境并介导细胞衰老的进一步扩大。在生理条件下，细胞衰老有助于肿瘤抑制、伤口愈合和胚胎发育。然而，在病理条件下，如果衰老细胞长期存在而没有清除，则可能致癌，还可能导致不同类型的年龄相关疾病（如阿尔茨海默病、心血管疾病、骨质疏松症、糖尿病、肾病和肝硬化）和慢性组织损伤进展（图1）。
图1 细胞衰老在病理和生理条件下的作用
（图源：Chen et al., Cell Death Discov 2022）
图2 细胞衰老信号通路
（图源：Chen et al., Cell Death Discov 2022）
线粒体功能障碍和氧化应激（图3 I）线粒体功能障碍和氧化应激以实质细胞中活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）的产生为标志，肾脏IR后，肾小管上皮细胞（Tubular epithelial cells，TECs）内线粒体自噬缺陷会导致功能障碍线粒体的积聚和过量ROS的产生[2]。另外，肾小管上皮细胞中的Klotho（一种抗氧化因子）会下调，激活Wnt1-和Wnt9a衰老通路，从而导致肾线粒体损伤和细胞衰老。心肌梗死后，小鼠线粒体分裂被阻断，从而导致心肌衰老相关指标上调。
免疫与炎症反应（图3 II）炎症被定义为免疫细胞和实质细胞之间的复杂相互作用，并与细胞衰老形成正反馈环路，IR损伤后缺血灶部位实质细胞产生的ROS与线粒体DNA作为一种损伤相关分子模式（damage-associated molecular pattern, DAMPs）募集中性粒细胞、单核-巨噬细胞、树突状细胞等免疫细胞，产生大量炎症因子[3]。一方面，过度活跃的炎症反应是SIPS的主要诱因之一；另一方面，衰老细胞可能会通过SASP引起邻近细胞的衰老——也成为细胞衰老的旁观者效应[4]，随即放大炎症反应。
表观遗传修饰（图3 III）表观遗传修饰是指在DNA序列没有任何改变的情况下发生的基因组变化，IR损伤之后，组蛋白H3的乙酰化、细胞周期调控相关DNA区域的异常甲基化、m6A甲基转移酶METTL3的激活等都参与了细胞衰老的进程。
p53/p21通路和p16/pRb通路激活（图3 IV）在氧化应激、炎症和表观遗传修饰的联合作用下，p53/p21通路和p16/pRb通路被激活，细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK）和视网膜母细胞瘤蛋白（RB）被抑制，同时细胞周期检查点活性增强，导致G1/S（或G2/M）细胞周期停滞，从而引起细胞衰老。
图3 缺血再灌注损伤诱导的细胞早衰
（图源：Chen et al., Cell Death Discov 2022）
在高能量代谢的器官中，如肾脏、心脏、大脑，IR损伤后易引起适应不良修复（maladaptive repair），而细胞衰老在这一过程中起到重要作用。以肾脏为例，肾IR损伤后，衰老的TECs释放炎症因子和纤维化因子等SASP，促进肾脏的慢性炎症及纤维化。最近的证据发现，衰老的TECs可以阻断M2巨噬细胞的极化，增加M1的浸润，从而导致肾脏适应不良修复[5]。另一方面，肾IR引起的衰老TEC可能通过细胞间的缝隙连接进一步诱导邻近细胞的DNA损伤反应，并导致旁观者TEC的细胞衰老，进一步扩大衰老负荷[6]。IR诱导的衰老TECs中，klotho和Nrf2等抗氧化因子的下调进一步加重线粒体损伤、ROS形成，导致适应不良修复。肌成纤维细胞的活化是适应不良修复的另一个关键特征，衰老TECs产生的TGF-β1，促进间质成纤维细胞增殖和向肌成纤维细胞转化。此外，衰老的TECs和肌成纤维细胞之间可通过Wnt9a-TGF-β1通路发生相互作用，促进并加速了肾脏纤维化。在这些机制的共同作用下，肾脏IR损伤会发生慢性化。心脏、大脑在经历IR损伤后也会有相似的病理过程，最后也会导致心脏重塑和胶质瘢痕形成（图4）。
图4 衰老诱导急性损伤向慢性转化的机制。
（图源：Chen et al., Cell Death Discov 2022）
如上所述，IR损伤引起的细胞早衰在多器官的急慢性功能障碍中起着关键作用。因此，针对细胞衰老的治疗在IR损伤中具有广阔的前景。目前关于衰老药物大致有如下分类：清除衰老细胞的药物（senolytics）、防止衰老细胞有害影响的衰老药物（senomorphics）、刺激SIRT1缓解衰老的药物（rejuvenating agents）和干细胞治疗等。
Senolytics由“senescence”和“lytic”两个词组成，意在衰老细胞的裂解清除。报道最多的药物包括达沙替尼和槲皮素（dasatinib and quercetin，D + Q）、ABT-263（Navitoclax）和FOXO4-D-逆转录-转化肽（FOXO4-DRI）。D+Q可以减少IR诱导的肾脏疾病中的衰老细胞，促进TECs增殖，改善肾纤维化，减少肾炎症。Navitoclax（ABT-263）是一种Bcl-2抑制剂，可诱导衰老细胞凋亡，并促进干细胞再生，促进组织再生[7]。FOXO4-DRI作为一种新的细胞穿透肽，可干扰内源性p53-FOXO4的相互作用，并激活p53依赖性凋亡途径来靶向清除衰老细胞[8]。其他依赖于免疫系统介导的衰老细胞清除的方法正在不断出现，并可能在不久的将来成为缓解IR衰老负担的有希望的方法。
Senomorphics旨在防止细胞发生周期阻滞，同时阻断SASP的产生和分泌。最常见的Senomorphics是雷帕霉素和二甲双胍。雷帕霉素是一种mTOR抑制剂，可以通过调控Wnt信号通路来调节肾IR损伤中的细胞自噬，进而抑制细胞衰老[9]。二甲双胍是一种AMPK激活剂，可减轻IR诱导的线粒体功能障碍，降低p16和p21的水平，并抑制SASP相关细胞因子的释放[10]。
Rejuvenating agents特指SIRT1激动剂，在哺乳动物中，SIRT1是抑制p53乙酰化水平从而增强细胞增殖并抑制细胞衰老的关键因子。白藜芦醇（RSV）作为报道最多的SIRT1激动剂，已经在动物实验中广泛使用[11]。
间充质干细胞（Mesenchymal Stem Cells，MSCs）疗法是抑制IR诱导的细胞衰老的另一种有效方法。其作用机制十分复杂，一方面，MSCs可以通过分泌可溶性因子或与免疫细胞直接接触来发挥免疫调节功能，并将其转化为抗炎表型从而抑制炎症反应与细胞衰老。另一方面，MSCs可以分泌细胞外囊泡（EVs），以抑制衰老细胞中SASP的生成[12]。随着对间充质干细胞的进一步研究，越来越多的间充质干细胞衍生疗法被设计出来，例如联合应用senolytics、对干细胞进行预先修饰等，总的来说，干细胞疗法具有广阔的应用前景，但在其靶向性、伦理学等方面，仍需要进一步深入研究。
图5 靶向衰老细胞治疗IR损伤的方法。
（图源：Chen et al., Cell Death Discov 2022）
迄今为止，IR诱导的线粒体功能障碍与氧化应激、炎症反应、表观遗传修饰以及p53/p21和p16/pRb通路的激活是普遍公认的细胞衰老上游通路。同时，缺血灶的衰老细胞通过炎症反应、氧化应激与线粒体功能障碍以及肌成纤维细胞活化等病理过程介导器官急性损伤向慢性转化。然而，细胞衰老在IR中的作用仍未完全阐明，不同类型、不同亚群的细胞的衰老会带来不同的结局，如IR损伤中诱导的肝星状细胞和心脏成纤维细胞衰老在修复过程中起到了保护作用。因此，一些更加先进的技术如类器官模型和单细胞测序等已被应用于研究中，以揭示细胞衰老在IR损伤中承担的具体角色。随着细胞衰老在器官IR损伤中受到越来越广泛的重视，靶向衰老细胞治疗已经成为预防IR损伤的研究方向。然而，鉴于细胞衰老有助于防止DNA损伤的积累从而预防细胞恶变，因此未来仍需进一步全面评估这些治疗手段对减轻IR损伤的效果及安全性。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41420-022-01205-z
通讯作者：黑子清（左），张琪（中）；第一作者：陈潮金（右）
（照片提供自：黑子清/张琪/陈潮金团队）
通讯作者：黑子清，教授、研究员、主任医师。广东省医学领军人才，广州市“青托工程”导师，中山大学附属第三医院副院长；现为广东省医学会麻醉学分会主任委员；聚焦于围术期器官损伤机制研究30年，主持国家自然科学基金7项，省自然重点项目等省市级基金20余项，研究经费达2000余万；在Intensive Care Medicine、British Journal of Anesthesia、Anesthesiology等发表SCI论文200余篇，主持项目成果获广东省科技进步二等奖（2次）、中华医学三等奖和广州市科技进步二等奖。
通讯作者：张琪，中山大学教授/研究员/主任医师，博士生导师，广东省杰出青年基金和“珠江学者”特聘教授获得者，广东省医学领军人才，现任中山大学中山医学院党委书记，中山大学附属第三医院生物治疗中心主任，广东省细胞治疗工程研究中心主任。作为课题负责人承担国家自然科学基金6项，省部级科研基金10余项，研究经费逾1300万。作为通讯作者在Journal of Hepatology, Gut, Nature Communication, Genome Biology, Molecular Cancer等期刊发表SCI论文50余篇。
第一作者：陈潮金，中山大学副研究员，硕士生导师; 入选 “2022年广州市青托工程”人才计划; 中国心胸血管麻醉学会人工智能麻醉分会青年委员; 广东省精准医学应用学会精准麻醉分会委员; 主持国自然基金1项、省部级基金7项,研究经费200余万; 以第一作者发表SCI 20余篇。获授权中国专利12项，PCT专利1项，其中多项成果已转化。
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本文完