細胞衰老在神經系統疾病發生發展中的作用

張燕秋，付佳琳，袁正偉，顧卉

（中國醫科大學附屬盛京醫院國家衛生健康委小兒先天畸形重點實驗室，沈陽 110004）

細胞衰老是一種永久性的細胞周期停滯狀態，主要發生在經受不同刺激的增殖細胞中。與凋亡不同，衰老的細胞仍保留著生存和代謝的活性［1］。衰老細胞的形態通常表現為整體體積變小，扁平、空泡狀，細胞核體積變大，偶爾伴隨著多核化［2］。衰老是細胞針對不同刺激的應激反應，包括DNA損傷、癌基因誘導、自噬損傷、氧化刺激、線粒體功能障礙等［3-4］。對于個體而言，短暫性細胞衰老在傷口愈合、組織重塑、胚胎發育和腫瘤抑制等方面有助于清除受損的細胞；反之，持續性細胞衰老會導致組織功能障礙而出現心腦血管疾病、肺纖維化、皮膚疾病、神經退行性疾病等一系列疾病［5］。近年來，與衰老相關的疾病發病率逐步上升，在影響患者生活質量的同時，也給患者家庭帶來巨大的經濟壓力。因此，明確細胞衰老在相關疾病發生發展中的作用對于疾病的預防和治療具有重要的意義。

神經系統疾病是由于各種因素導致腦與脊髓結構或者功能受損而引起的一系列疾病，包括神經退行性疾病、中樞神經系統腫瘤以及神經發育障礙等。目前，神經系統疾病診治困難、預后較差，因此明確其發病機制尤為重要。許多研究［6-7］表明，細胞衰老在神經系統疾病發生發展中起著重要作用。本文就細胞衰老在神經退行性疾病、中樞神經系統腫瘤和神經發育障礙發生發展中的作用進行綜述，旨在為疾病預防和治療提供依據。

1 細胞衰老

細胞衰老主要分為復制性衰老、應激誘導的過早衰老和發育程序性衰老三種類型［8］。細胞衰老是一個十分復雜的過程，不同類型的應激信號引起不同類型衰老。細胞通常通過p53/p21WAF1/CIP1或p16INK4a/Rb信號通路使視網膜母細胞瘤蛋白 （retinoblastoma protein，Rb） 處于去磷酸化或低磷酸化狀態，阻止細胞周期的進程，最終誘導細胞衰老。端粒損耗、氧化應激等引起DNA損傷的應激主要是通過p53/p21WAF1/CIP1途徑誘導細胞衰老，非誘導DNA損傷的應激主要通過p16INK4a/Rb誘導細胞衰老；其中與復制性衰老不同，發育程序性衰老的細胞中檢測不到DNA的損傷。并且研究［9-10］發現，發育程序性衰老并不依賴于p53，而依賴于p21WAF1/CIP1，由FOXO和TGF-β/Smad途徑調節。

目前使用最廣泛的檢測衰老細胞的生物學標志物包括衰老相關β-半乳糖酶 （senescence-associated beta-galactosidase，SA-β-gal）、衰老相關分泌表型（senescence-associated phenotype，SASP）、衰老相關的異染色質病灶、細胞周期依賴性蛋白激酶抑制劑（p21WAF1/CIP1，p16INK4a等）、lamin B1、γH2AX等［11］。由于目前沒有特異性的標志物可以識別衰老細胞，也并非所有的衰老細胞都表現出全部的細胞衰老生物學標志物，所以只能通過同時檢測多種衰老生物學標志物來識別衰老細胞。

2 細胞衰老在神經退行性疾病中的作用

衰老是許多神經退行性疾病發展的主要危險因素。隨著年齡的增長，細胞內的分子損傷不斷累積，衰老機制被激活以維持穩態，衰老細胞累積可能導致機體出現功能障礙引發疾病。目前，神經系統中已經鑒定出多種衰老細胞，并且已經證實了細胞衰老在阿爾茲海默病（Alzheimer’s disease，AD）、帕金森病 （Parkinson’s disease，PD） 等神經退行性疾病中起重要作用。

2.1 AD

AD是一種較為常見的神經退行性疾病。目前，AD的具體發病機制尚未明確。但相關研究明確揭示了有毒蛋白質β淀粉樣蛋白 （amyloid β-protein，Aβ）斑塊、Tau蛋白的聚集以及神經炎癥等都是AD的病理學標志［12-13］。在AD患者和小鼠模型中星形膠質細胞、神經元、少突膠質祖細胞、神經干細胞都檢測到了SA-β-gal活性［14-16］，這說明細胞衰老與AD的發病有很大的關聯。Aβ42可以激活FPR2來加速神經干/祖細胞 （neural stem/progenitor cell，NSPC） 的衰老，這限制了NSPC的功能，進而損傷神經系統加快AD的進程［17］。AD患者和小鼠模型中較高水平的SASP促使衰老的細胞釋放IFITM3來促進Aβ沉積［18］。另外Tau蛋白會激活小膠質細胞中的p38-MAPK信號，激活p53誘導細胞衰老［19］，同時Tau蛋白積累會誘導CDKN1A和CDKN2A表達促進SASP的分泌招募更多Tau蛋白積聚［20］，Tau蛋白積聚的神經元會通過釋放HMGB1和SASP誘導星形膠質細胞衰老，并且通過旁分泌途徑誘導鄰近的細胞衰老［21］。Aβ和Tau蛋白聚集會促進細胞衰老，同時衰老細胞會促進Aβ和Tau蛋白聚集，這增加了衰老細胞啟動正反饋回路的可能性，形成一個惡性循環，不斷加快AD發生發展的進程。

2.2 PD

PD是發病率僅次于AD的神經退行性疾病，突出的特征是神經膠質炎癥反應和神經退行性運動障礙［22］。目前，已知病理學標志是α-Syn蛋白異常積累和黑質多巴胺能神經元變性等。越來越多的證據表明，PD發病過程中起著重要作用的氧化刺激、線粒體功能障礙和異常蛋白清除率都與細胞衰老相關［23］，因此，細胞衰老可能在PD中有重要的影響。在PD患者腦組織樣品中檢測到明顯增強的SA-β-gal活性［24］，且鑒別出多種細胞衰老標志物［25］；同時還發現了大量活化的小膠質細胞和衰老星形膠質細胞的積累［26］。PD引發的退行性運動障礙是由于多巴胺能神經元衰老導致的運動功能的多巴胺水平降低引起的，同時氧化刺激引起的多巴胺能神經元衰老有助于黑質神經變性而加快PD發病［27］。RIESSLAND等［28］證明了SATB1能夠直接抑制多巴胺能神經元中衰老核心因子p21的表達，阻止PD進一步發展；CHO等［29］發現Reelin能夠減弱細胞的衰老、減少病理α-Syn聚集。可見，PD患者和小鼠PD模型中細胞衰老的出現為PD靶向治療提供了一個可行的途徑。

3 細胞衰老在中樞神經系統腫瘤中的作用

細胞衰老對于腫瘤的發生與發展是一把雙刃劍，一方面，細胞衰老可以限制異常細胞的增殖，可以阻止有惡性轉化風險的細胞增殖，從而減緩腫瘤的進展；另一方面衰老細胞分泌的SASP為腫瘤細胞逃逸提供了良好的微環境，可以將衰老細胞轉化為具有促進腫瘤進展能力的促炎癥細胞。目前，腫瘤的治療主要借助于靶向誘導細胞衰老，然后再利用SASP調節劑，從而達到治療腫瘤的效果。

3.1 髓母細胞瘤 （medulloblastoma，MB）

MB是起源于不同神經元祖細胞群的小腦胚胎腫瘤。已有研究［30-31］表明可以通過誘導細胞衰老來抑制MB生長，在MB細胞系里過表達OTX2可以通過激活p53途徑來誘導細胞衰老；miR-128a通過靶向Bmi-1癌基因促進細胞的衰老來抑制MB細胞的生長。TAMAYO-ORREGO等［32］研究發現腫瘤抑制因子Ptch1喪失會引起癌基因誘導的衰老并且引發p53突變，進入短暫的衰老狀態，逃避免疫系統的清理，加速腫瘤的形成并且增加MB發病率。在體外細胞實驗中，沉默CITK會導致DNA損傷，并通過TP53或TP73誘導細胞衰老和凋亡；小鼠模型中敲除CITK后衰老標志物的表達增加，并且會抑制腫瘤的生長和增加小鼠的總生存期［33］，這提示著CITK有希望成為MB治療的分子靶點。深入研究細胞衰老在MB中的雙向作用機制，可以為探索MB藥物治療靶點提供新的思路。

3.2 顱咽管瘤 （craniopharyngiomas，CPs）

CPs是由外胚層葉形成的顱咽管殘余的上皮細胞發展起來的一種胚胎殘余組織腫瘤，分為頑固型（adamantinomatous craniopharyngioma，ACP） 和乳頭型 （papillary craniopharyngioma，PCP） 2種。在ACP中β-連環蛋白積累導致衰老細胞簇形成［34］，這些細胞簇能夠檢測到一系列的衰老標志物；衰老細胞簇的旁分泌途徑可能會促進腫瘤上皮的重塑、鄰近細胞的增殖以及轉移［35-36］。高表達p16INK4a的衰老細胞會引起相鄰細胞中WNT信號通路靶基因的過度激活，從而促進腫瘤的形成，并且致癌的SOX2+干細胞產生衰老細胞簇會使細胞以非自主方式誘導腫瘤形成。最近的一項研究［37］顯示，在ACP小鼠模型中衰老細胞會產生一種促腫瘤生成微環境來促進腫瘤細胞的生長，并且通過SASP旁分泌方式來促進腫瘤轉移或向惡性發展。ACP中存在衰老細胞，這為研究ACP藥物治療靶點提供新的思路。

4 細胞衰老在神經發育障礙疾病中的作用

發育程序性衰老已被證實能夠促進組織塑造，有助于胚胎發育。例如，細胞衰老有助于胚胎肢體塑造，兩棲動物水泥腺和口腔發育，心臟形態塑造［38-40］。不過，發育程序性衰老具有時空特異性，僅發生在特定的區域和結構中，并遵循特定的時間過程［9-10］。在發育過程中，由內在因素或者外在刺激引起機體細胞提前發生衰老的過程稱為過早衰老，細胞的過早衰老會給機體帶來病理性變化誘發相關疾病。已有研究顯示，小頭畸形和神經管畸形 （neural tube defects，NTDs） 等神經發育障礙與發育過程中細胞衰老相關。

4.1 小頭畸形

小頭畸形是一種典型的神經發育障礙疾病，通常表現為智力遲鈍和行為異常。小頭畸形分為原發性和繼發性2種。小頭畸形主要是由于神經祖細胞增殖和死亡之間的不平衡導致大腦內神經元和神經膠質細胞數量減少而誘發的［41］。RBL2/P130是調節細胞分裂的關鍵因子，可以通過多種途徑促進細胞的衰老，RBL2突變的嬰兒中表現出了小頭畸形。在小鼠模型中，RBL2突變導致神經元因端粒功能失調而出現衰老，并且表現出頭圍小于正常值［42］。實際上，在神經發育期間，細胞衰老與神經細胞功能有很大的關系，Rack1缺失激活了TGF-β/Smad信號，激活了神經干細胞中獨立于p53的p21/Rb依賴性衰老途徑，神經干細胞衰老抑制了皮質的生成和海馬體的發育，從而導致小頭畸形出現［43］。此外，有研究［44］指出，胚胎早期發育中DNA損傷破壞了DNA2基因的完整性，細胞出現緩慢衰老，也可能導致小頭表型的出現。這些無疑都提示著小頭畸形與細胞衰老相關，為明確小頭畸形的具體發病機制提供了新的思路。

4.2 NTDs

NTDs是發生在中樞神經系統的嚴重出生缺陷，在胚胎的神經發育過程中，由神經管的閉合異常所致［45］。作為一種成因復雜的先天性疾病，NTDs發生的確切分子機制仍不清楚［46］。在脊柱裂和露腦畸形的小鼠模型中，LMNB1多態性變體導致C端谷氨酸殘基丟失，導致小鼠胚胎成纖維細胞核形態發生變化誘導細胞過早衰老，并且將卷尾與野生型LMNB1雜交可部分挽救脊柱裂和腦外畸形。研究［9-10］顯示，小鼠胚胎神經管閉合的時間為E8.5～E10.5，而正常的發育性細胞衰老則出現E11.5，因此，在神經管閉合的階段出現過早衰老神經細胞，就可能導致神經細胞增殖缺失，從而影響神經管閉合的各個階段，包括神經上皮的彎曲，神經褶皺的形成，褶皺背部中線的上升、相遇與融合。進一步研究［47］顯示，在丙戊酸誘導的NTDs模型中發現細胞壞死、內在凋亡和衰老都參與了NTDs的形成。近期的研究［48］明確指出在小鼠母體患有糖尿病的情況下，胚胎神經管形成過程中神經細胞出現過早衰老，導致了大量神經細胞被巨噬細胞清理，進而抑制了神經褶皺彎曲和尖端融合，造成神經管閉合失敗，最終出現 NTDs。事實上，以往對于NTDs發病機制的研究多數集中在細胞遷移、增殖、凋亡和分化上，而明確細胞過早衰老在NTDs發生中的重要作用，為NTDs的具體發病機制研究提供了新的方向。

5 總結與展望

綜上所述，眾多研究認為衰老細胞在神經退行性疾病、中樞神經系統腫瘤和神經發育障礙疾病的發病機制中起關鍵作用。在神經退行性疾病中，衰老細胞會加快疾病的進展，加速認知功能的喪失。在中樞神經系統腫瘤的發生發展中，一方面細胞衰老可以阻止腫瘤細胞的生長，另一方面衰老細胞可以通過旁分泌信號傳導促進腫瘤的轉移和進展，具體的作用取決于細胞所處的微環境。在神經發育過程中，細胞過早衰老導致神經細胞增殖減少，影響大腦的發育和神經管的閉合。

目前，關于衰老相關的治療主要分為兩種：一種是Senolytics藥物，主要的作用是選擇性清除衰老細胞。這類藥物包括酪氨酸激酶抑制劑 （達沙替尼和黃酮醇槲皮素）、BCL-2抑制劑 （ABT-263和ABT-737） 以及FOXO4干擾劑 （FOXO4-DRI） 等［49］；另一種是Senomorphics干預療法，主要是通過抑制SASP的分泌抑制衰老細胞的旁分泌途徑。這類藥物包括二甲雙胍、白藜蘆醇、雷帕霉素和芹菜素等［50］。因此，進一步了解細胞衰老在疾病中的作用才能更好設計針對特定疾病衰老的治療方法。實際上，目前仍未清晰闡明神經系統疾病的發病機制。細胞衰老作為神經發育過程中的重要一環，在諸多神經系統疾病中都出現了異常衰老的現象，這為明確神經系統疾病的機制以及尋找干預新靶點提供了新的方向。進一步明確細胞異常衰老在神經系統發育過程中的發生機制，對于降低疾病的發病率以及提高患者的生活質量均具有重要意義。