異時聯體共生模型在年齡相關疾病研究中的應用

李嘯群 張榮佳 崔進 蘇佳燦

1. 第二軍醫大學附屬長海醫院學員管理大隊，上海 200433 2. 第二軍醫大學海醫系航空醫學教研室，上海 200433 3. 中韓生物醫學工程中心，上海 201802 4. 第二軍醫大學附屬長海醫院創傷骨科，上海 200433

隨著人類壽命的增長，越來越多的人受到年齡相關疾病的困擾，各種老年退行性病變的預防和治療日益受到重視。有研究表明，通過聯體共生的方法，運用外科手術的方式將兩只動物連接在一起從而建立起共同的循環系統，可有效緩解諸多老年退行性病變，使某些組織“再年輕化”。聯體共生模型作為一種實現不同個體間循環因子相互交換的有效手段，為機體衰老的機制研究和老年性疾病的治療與預防提供了新的思路。

1 聯體共生模型的歷史

聯體共生(parabiosis)一詞來源于希臘語“para”相鄰，和“bios”生物，是指運用外科手術的方法，將兩只動物連接在一起，使其形成一套獨立、共享的循環系統。聯體共生模型起源于19世紀，距今已有超過150年的歷史[1]。聯體共生的方法有很多，1957年，Andresen等人[2]就將家兔耳朵縫合進行聯體實驗研究。目前，應用最廣的聯體方法是1933年，Bunster等人使用的方法，通過外科手術的方式，將兩只小鼠橈骨至股骨的側面皮膚縱向切開，切口對合進行聯體，通過毛細血管間的再通及物質交換，實現了不同個體間的血液共享[3]。目前，聯體共生模型在腫瘤、內分泌、神經、口腔等方面的研究中均已有應用[4-7]。

近些年來，隨著世界老齡化趨勢的加重，各種老年退行性疾病如阿爾茨海默病、糖尿病、心血管疾病等受到人們越來越多的重視。2005年，Coonboy等人利用異時聯體共生模型，在NATURE上發表了《年輕環境使衰老干細胞重新年輕化》的文章，使聯體共生模型重回人們視野[8]。2013年，Francesco等人利用異時聯體共生模型在CELL雜志上發表了《GDF11循環因子可逆轉年齡相關性心肌肥厚》的文章，再次引起了廣泛關注[9]。隨后，2014年，Katsimpardi與Sinha等人分別證明，GDF11循環因子還具有改善小鼠由于衰老引起的大腦和骨骼肌相關的功能障礙的作用，并發表在SCIENCE雜志上[10-11]。2016年，Middeldorp等人[12]發現，通過異時聯體共生和靜脈注射血清的方法，將老年小鼠暴露于年輕血液環境中，可緩解阿爾茨海默病癥狀。目前，通過聯體共生模型的相關研究，已在干細胞、心血管、神經、骨折愈合等方面取得了諸多進展。

2 異時聯體共生可逆轉多種年齡相關疾病

隨著免疫調控、外科麻醉等技術的不斷發展及研究熱點的改變，從20世紀60年代開始，研究人員不再局限于使用同一年齡動物的聯體共生模型進行研究，而是運用異時共生模型，將年輕小鼠與年老小鼠進行聯體，探究年老個體暴露于年輕環境中后的機體變化情況。實驗發現，暴露于年輕血液的老年小鼠的生存狀態及壽命明顯優于對照組[13]。不僅如此，眾多研究表明，通過異時聯體共生，可逆轉多種年齡相關疾病(表1)。

2.1 異時聯體共生模型在衰老干細胞研究中的應用

通過對體內各種干細胞各項功能的評估，可以對機體衰老的情況進行大致的判斷。但干細胞功能的衰退是由于干細胞自身的衰老還是機體衰老環境所引起？這些因素的改變又是否可逆？這些問題都是需關注的。進入21世紀，研究者們再次開始運用異時共生模型進行抗衰老的研究。2005年，Conboy等[8]發現，在將老年小鼠暴露于年輕小鼠系統環境中后，老年小鼠體內的衛星細胞中Notch配體的表達顯著增加，并且其生長和再生能力明顯增強。同時，老年小鼠體內肝細胞增值及cEBP-α水平亦都恢復至年輕小鼠水平。隨后，Villeda等人[6]、Brack等人[14]分別在NATURE、SCIENCE上發表文章，證實年老小鼠體內干細胞在年輕血液環境下可恢復活力，分別使老年小鼠的肌肉再生能力和海馬突觸的數量和可塑性增強；同樣，年輕小鼠干細胞亦會受到老年環境影響，在對年輕小鼠注射老年小鼠血清后，年輕小鼠干細胞的再生能力顯著下降，其肌肉和海馬突觸的結構也會出現明顯改變。2012年，Ruckh等人[15]通過異時聯體共生模型發現，年輕血液可恢復神經干細胞髓鞘再生的能力。同時，這些研究也通過遺傳譜系追蹤技術證明，老年個體干細胞的“年輕化”是通過改變組織中的“原住”干細胞實現的，而不是由于聯體年輕個體中干細胞遷移至老年個體中導致的。

2.2 異時聯體共生模型在年齡相關性心血管疾病研究中的應用

在年齡相關疾病中，心血管疾病占據了相當的比例，而在這其中，老年性心衰又是其重要的組成部分。2013年，Francesco等人[9]在CELL上發表了一篇《GDF11循環因子可逆轉年齡相關性心肌肥厚》的文章，實驗發現，在將老年小鼠以聯體共生方式暴露于年輕血液后，心肌細胞的肥大狀況明顯改善。文章最后指出，未來可能基于GDF11循環因子的研究出現新的老年性心衰的治療方案，為減緩擴張性心力衰竭展現了良好的前景。2014年，Katsimpardi等[10]通過聯體共生模型，發現GDF11循環因子還可起到舒張腦血管，加強神經發生的作用，可有效改善老年認知障礙。在對小鼠進行聯體后，通過3D大腦重建和磁共振成像結果觀察，發現異時聯體與同時聯體的老年小鼠相比，異時聯體者大腦血管數量和血流量明顯增多；空間學習、記憶和條件判斷刺激測試發現，異時聯體老年小鼠的認知功能也得到了明顯改善。

2.3 異時聯體共生模型在老年骨折愈合研究中的應用

組織的修復與再生能力往往會隨著年齡的增長而減退，而2015年發表在NATURE雜志上的一篇文章為老年骨折難以愈合這一問題的解決提供了思路。Gurpreet等人[16]通過異時聯體共生模型，發現在老年小鼠與年輕小鼠建立起血液循環后，長骨的修復的能力和成骨細胞的分化能力都得到了明顯的改善。而在這其中，β-連環蛋白是成骨細胞分化過程中一條重要通路，它直接調控骨的早期修復過程，可以大大提高老年小鼠的骨折愈合質量。文章最后指出，通過對β-連環蛋白藥理學方面的研究，可能大大提高老年人骨折愈合的速度。為今后老年人骨折愈合和治療指明了方向。

表1 異時聯體共生模型在抗衰老研究中的應用

2.4 異時聯體共生模型在骨骼肌細胞抗衰老研究中的應用

Sinha等人[11]通過異時聯體模型，發現在將老年小鼠與年輕小鼠聯體后，老年小鼠肌肉強度明顯增強，而在閹割年輕小鼠-老年小鼠聯體模型和閹割年輕小鼠-睪酮處理的老年小鼠聯體模型中，第1組的老年小鼠肌肉強度并未發生改變，但第2組老年小鼠的肌肉強度卻明顯增強。從而得出結論，睪酮是影響骨骼肌細胞衰老的因素之一。

Katsimpardi等人[10]通過研究對比發現，GDF11分子在年輕小鼠中血液中自然濃度較高。Sinha 等人[17]以此為切入點，通過異時共生模型將年輕健康小鼠與具有由衰老引起的骨骼肌細胞功能障礙的老年小鼠連接，發現GDF11能逆轉骨骼肌細胞由衰老引起的功能紊亂。血液中較高的GDF11水平可改善肌肉的結構和功能特點，增加肌肉力量。Sinha認為，GDF11可系統地調節肌肉衰老，并可能成為一種有效的治療肌肉衰老和干細胞功能紊亂的療法。

3 聯體共生模型的限制與挑戰

通常，小鼠的聯體共生模型需要1～2 w時間來形成足夠的血管吻合從而建立起兩個體之間的循環[18]。作為目前年輕血液干預研究最有效的方法——異時聯體共生模型，其面臨的主要問題還是圍術期死亡率問題。但隨著麻醉及手術圍術期護理的改善，聯體共生模型小鼠的術中死亡率目前已降低至10%以下[19]。而“聯體病”作為另一項導致死亡的重要原因，卻還沒有得到有效的解決。

“聯體病”也被稱為“聯體中毒”，它與手術過程無關，而是在聯體手術兩周后，伴隨血管再通和體外循環建立而出現的一種狀況。聯體的兩只小鼠中，其中一只表現出貧血、蒼白的情況，而另一只則表現出多血癥和腫脹的癥狀，如同器官移植過程中出現的免疫排斥作用一般，而這種被排斥的器官，便是聯體后再通的血管。Hilgard比較了親代和子一代小鼠之間的“聯體病”發病情況，發現子一代小鼠更容易出現貧血、蒼白的狀況，而親代小鼠則出現多血癥的狀況。當對親代小鼠進行致死劑量的射線照射摧毀其免疫系統后，聯體病則不再出現，說明親代小鼠體內產生了對子一代小鼠的抗體，即“多血”個體的免疫系統對“貧血”個體進行了攻擊[20]。

過去，我們往往習慣性地以為在異時聯體共生模型中，老年小鼠會更容易患“聯體病”，然而，事實上，在聯體共生模型中，年輕的一方卻更容易受到影響，出現蒼白、貧血的狀況。目前，還沒有充足的研究可以解釋這種現象出現的原因，期待有后續研究能對這一現象進行闡釋[21]。

4 展望與小結

毫無疑問，異時聯體共生模型的應用為機體中循環因子對細胞或組織衰老影響的動態研究提供了巨大的幫助。近期的相關研究表明，血液中的細胞循環因子可通過多種方式來對組織和細胞的衰老產生影響，如參與WNT 和TGF-β通路中蛋白的合成來干預衰老相關進程[14,22]，或直接參與到對衰老過程的調控[6]。通過異時聯體共生模型，研究者可直接調控影響生物體內的各種通路并進行動態觀察，同時，通過直接靜脈注射血清或細胞、組織的血清培養，可對聯體共生模型所得到的結果進行體內外的驗證，證實其研究因子的作用，從而形成了一個嚴密的實驗體系。2016年，Jooseph等人[23]在SCIENTIFIC REPORT雜志上發表了一篇《評估聯體共生模型運動功能恢復和循環因子相互交換》的文章，為今后聯體共生模型的實驗設計和開展提供了準則，使今后聯體共生模型的構建能夠更加標準化。

隨著世界老齡化程度的不斷加重，各類老齡化疾病高發，高血壓，糖尿病，骨質疏松等已成為困擾老年人日常生活的常見疾病，抗衰老研究在醫學領域顯得愈發重要。最近幾十年內，尤其是最近幾年間，聯體共生模型對機體抗衰老的研究做出了突出的貢獻。在神經系統、心血管系統、骨骼肌及干細胞增殖分化等方面，通過異時聯體共生模型，均已證明“年輕環境”具有可一定程度上逆轉衰老，使細胞或組織“年輕化”的作用。目前，聯體共生模型在我國的應用還并非十分廣泛，雖然已有學者就聯體共生模型在腫瘤、移植、免疫耐受等方面的研究進行了一系列報道，但目前為止，還沒有研究者應用異時聯體共生模型對年齡相關疾病進行研究[24-26]。異時聯體共生模型作為有效連接青年與老年個體之間的“橋梁”，對研究一些老齡化疾病的緩解和治療具有重要意義[27]。可以預測，在不遠的將來，聯體共生模型必將極大地推動老齡化疾病研究的進程，為攻克各類年齡相關疾病做出巨大的貢獻。