近日,《衰老与疾病》(Aging and Disease)杂志发表了一项重要研究成果,揭示了清除衰老细胞药物对改善老年小肠再生的潜在作用。这项研究由华中科技大学深圳医院范刚博士和程春生博士团队完成,发表于2024年8月刊。
重点提示:
研究发现,达沙替尼和槲皮素(D+Q)联合用药可以清除小肠中的衰老细胞,改善老年小肠的再生能力。
D+Q治疗可以促进老年小鼠小肠绒毛和隐窝的生长,增加其高度和数量。
D+Q治疗可以增加老年小鼠小肠中隐窝中增殖细胞的数量,促进肠上皮再生。
D+Q治疗可以增加老年小鼠小肠中一氧化氮的含量,有助于维持肠上皮功能。
这项研究为改善老年人肠道功能提供了新的思路和潜在的治疗方法。下面让我们详细了解这项研究的具体内容。
一、研究背景
衰老是一个复杂的生物学过程,会导致大多数器官功能的逐步下降。以胃肠道为例,衰老可能导致肠道屏障功能障碍、肠神经肌肉系统功能障碍,甚至肠绒毛的退化。肠绒毛由一层肠上皮细胞和固有层组成,其主要功能是吸收营养物质,而吸收活性受绒毛大小和密度的影响。
上皮层每4-5天就会被肠隐窝中的肠道干细胞更新一次,这些干细胞产生暂时扩增的祖细胞,后者进一步分化为吸收细胞或分泌细胞。隐窝和绒毛的密度由肠道干细胞的分裂控制。有研究报道,衰老会导致小鼠绒毛和隐窝的大小和密度减少,这可能与衰老过程中肠道干细胞增殖受到抑制有关。
因此,老年人中常见的营养吸收不良可能导致疲劳、水肿、贫血等疾病。预防肠绒毛的衰老对改善老年人的营养吸收障碍具有重要意义。
衰老细胞在衰老过程中和多种慢性疾病发生的部位积累。令人信服的实验和临床数据支持靶向细胞衰老可能延缓衰老过程并改善与年龄相关的疾病。已经发现了几种清除衰老细胞的药物,它们有效地靶向不同的促生存通路,包括BCL-2/BCL-xL、p53/p21和PI3K/AKT,以及涉及蛇形蛋白的抗凋亡通路。这些蛋白的药理抑制剂可诱导小鼠和人类衰老细胞死亡。此外,这些药物在体内针对这些通路时也表现出清除衰老细胞的活性。
达沙替尼(D)和槲皮素(Q)的联合治疗(D+Q)是最广泛研究的清除衰老细胞药物之一,在许多疾病或障碍中都有应用,例如保护年龄依赖性椎间盘退变中的细胞活力、表型和基质含量,以及清除老年小鼠骨折愈合过程中的衰老细胞并加速骨折愈合。D+Q具有很高的临床转化潜力,因为这两种药物都已获准用于人体,并且已证明口服给药相对安全。
近年来,D+Q在与年龄相关的疾病临床试验中已经广泛研究,其抗衰老保护作用在特发性糖尿病肾病、肺纤维化和阿尔茨海默病患者中已经观察到并显示出前景。D+Q在胃肠道衰老中的作用很少被研究。最近的一项研究表明,D+Q治疗可以降低老年小鼠回肠、盲肠和结肠中衰老标志物水平和炎症,同时改变特定微生物群落特征。然而,D+Q对老年小鼠小肠上皮结构和生长的影响仍然未知。
鉴于其安全性已经得到证实,在这项研究中,研究人员调查了清除衰老细胞药物达沙替尼和槲皮素对衰老小肠上皮的影响。
二、研究方法
研究人员使用了3月龄的年轻小鼠、16月龄的老年小鼠(对照组)和16月龄的D+Q治疗老年小鼠。D+Q治疗方案为每周两次口服给药,持续4个月,剂量为达沙替尼5 mg/kg和槲皮素50 mg/kg。
主要研究方法包括:
西方印迹分析:检测小肠上皮细胞中p21和p16蛋白的表达水平。
TUNEL染色:检测小肠上皮细胞的凋亡情况。
组织学分析:测量小肠绒毛和隐窝的高度和数量。
免疫组织化学染色:检测Ki67阳性增殖细胞的数量。
一氧化氮检测:测定小肠组织中一氧化氮的含量。
RNA测序:分析D+Q治疗对小肠上皮细胞基因表达的影响。
三、研究结果
D+Q治疗可减少老年小肠中衰老细胞的数量
研究人员首先检测了小肠上皮中衰老标志物p21和p16的表达水平。结果显示,与年轻小鼠相比,16月龄老年小鼠的小肠上皮细胞中p21和p16蛋白表达显著增加。而D+Q治疗可以显著抑制老年小鼠小肠上皮中p21和p16的表达。这一结果与之前的研究一致,表明D+Q治疗可以减少老年小鼠小肠和大肠中衰老细胞的数量。
为了进一步阐明D+Q对老年小肠的影响,研究人员对16月龄小鼠小肠上皮细胞进行了RNA测序分析。结果发现,D+Q治疗组和对照组之间共有472个基因表达水平存在差异。基因集富集分析(GSEA)还发现了许多与D+Q治疗相关的信号分子和基因,包括细胞杀伤的正调控、多细胞生物生长的正调控以及胃肠上皮的维持。
肠上皮细胞以快速、持续的细胞更新为特征。小肠绒毛尖端周围衰老上皮细胞的清除定期发生,被认为是受控制的细胞死亡(即凋亡)的结果。为了研究D+Q治疗是否有助于老年小肠中的凋亡,研究人员分析了D+Q或对照处理的16月龄小鼠小肠中TUNEL的表达。TUNEL染色结果显示,与年轻小鼠相比,16月龄小鼠的凋亡细胞数量显著增加。然而,D+Q治疗有效抑制了老年小鼠中的这种凋亡活性。
这些结果表明,D+Q通过增强凋亡细胞的清除,显示出改善老年小肠衰老过程的潜力。
D+Q治疗可改善老年小肠的绒毛和隐窝结构
空肠由环形褶皱和吸收消化产物的绒毛组成。空肠黏膜表面为了最大化吸收而覆盖着突入腔内的绒毛,从而增加可用表面积。吸收能力直接受绒毛结构的尺寸和密度影响。
在这项研究中,GSEA结果揭示了D+Q治疗对14月龄小肠中多细胞生物生长的正调节和胃肠上皮的维持。研究人员通过测量3月龄小鼠和16月龄D+Q治疗/未治疗小鼠空肠中绒毛的高度和数量来确认这些结果。
与之前的研究一致,研究人员观察到16月龄小鼠空肠绒毛的结构完整性明显恶化,绒毛高度和数量显著减少。然而,D+Q给药有效缓解了老年小鼠绒毛和隐窝高度和数量的减少。
老年小鼠表现出隐窝高度和数量的降低,而隐窝中包含肠道干细胞和祖细胞,参与控制绒毛的大小和密度。结果表明,D+Q治疗可有效逆转绒毛和隐窝的减少。
此外,当祖细胞转变为吸收细胞或分泌细胞并向绒毛基部迁移时,细胞增殖停止,分化细胞离开隐窝。研究人员观察到,与年轻小鼠相比,老年小鼠Ki67阳性祖细胞数量减少,而D+Q治疗可以挽救这种减少。
D+Q治疗可增加老年小肠中一氧化氮的产生
一氧化氮通过复杂的细胞内和分子作用机制对肠上皮细胞的功能产生多重影响。维持平衡的氧化还原状态对于维持肠上皮细胞功能的关键通路至关重要。调节一氧化氮以维持细胞氧化还原稳态是确保肠紧密连接最佳功能的基本潜在机制。
因此,研究人员在D+Q或对照处理后检查了小肠中一氧化氮水平。与之前研究一致,结果显示老年小鼠肠道一氧化氮产生受损。有趣的是,研究发现,与对照组相比,D+Q治疗的小肠中一氧化氮浓度显著增加。
四、研究结论与展望
总之,这项研究为实施清除衰老细胞药物D+Q作为恢复衰老小肠的一种手段提供了支持性证据。这种作用很可能归因于D+Q减轻小肠上皮细胞程序性细胞死亡的发生,促进隐窝中祖细胞的增殖,从而导致小肠上皮结构完整性恶化的缓解。
这些发现为临床上通过药物逆转老年人肠道衰老提供了可能性。随着其他清除衰老细胞化合物的加入,这些药物在增强老年人群小肠功能方面展现出良好前景,有可能改善营养状况、健康寿命和老年人的剩余生存期,但这一推测需要进一步大量测试。
未来的体内和体外实验将调查D+Q促进小肠上皮隐窝中祖细胞增殖的分子机制,为其对抗肠道衰老的临床应用提供理论基础。