背景：
Moiseeva等人最近在《自然》杂志上发表的文章中报道，衰老细胞是骨骼肌再生生态位的组成部分，他们在年轻小鼠中抑制了对不同类型损伤的再生，而这种再生在老年小鼠中更为显著。他们的观察指出，在细胞类型、再生时间和衰老状态之间，细胞特性的保存和两个普遍的衰老标志(即炎症和基质重塑/纤维化)之间有选择性的联系。
简介：
2023年2月13日，来自西班牙马德里大学的José M. Izquierdo教授课题组在Cell Mol Immunol（IF: 22.096）杂志上发表题为“Cellular senescence: is the problem a solution for muscle repair”的文章[1]。
主要结果：
人类衰老的特征是机体和生理稳态的逐渐丧失。具体来说，身体所有器官都在退化，骨骼肌也不例外:肌肉数量(质量)和质量(功能)随着年龄的增长而下降。一种有害的肌肉表型被称为肌少症。估计有5-13%的60岁以上人群和50%的80.5岁以上人群患有肌少症;可导致严重的不良临床结局。由于西方世界的人口老龄化，预计在未来几十年，肌肉减少症将会非常显著地增加。肌少症的增加将显著改变生活质量，因为它是老年人衰弱、髋部骨折、残疾、发病率和死亡率的主要预测因素。因此，开发治疗肌少症的药物备受期待。对增加药物开发的需求凸显出我们需要增加对肌少症基础细胞事件和分子机制以及调控枢纽的知识、识别和理解，这将有助于选择性和有效的治疗干预。尽管社会需求巨大，但欧洲药品管理局(EMA)或美国食品和药物管理局(FDA)尚未批准任何治疗肌少症的特异性药物。与肌肉骨骼系统的结构功能相关，肌肉骨骼系统组织易遭受创伤和损伤，衰老对其再生能力产生不利影响，导致组织修复延迟、残疾和疼痛。在过去的几年中，肌肉骨骼系统研究界对细胞衰老表现出了相当大的兴趣，这涉及一系列不同的、动态的和异质的细胞状态和衰老相关的分泌表型(SASP)(图1)。
Moiseeva等人在1月初的《自然》杂志上发表了一篇特别的文章，阐述了上述physio(病理)的逻辑场景。用p16-3MR小鼠模型研究骨骼肌细胞衰老。p16-3MR是一种独特的研究骨骼肌细胞衰老的模型，通过衰老敏感启动子p16INK4a与邻近基因p19Arf融合，与功能域LUC(海肾荧光素酶)、mRFP(单体红色荧光蛋白)和HSV-TK(短节型单纯疱疹病毒1型胸苷激酶)组成的三模态报告基因报告。采用野生型C57BL/6菌株进行实验。采用心肌毒素(CTX)肌肉注射的方法，对3 ~ 6月龄的年轻小鼠和28月龄及老年小鼠进行肌肉损伤实验。衰老相关β-半乳糖苷酶活性(SA-β-gal)和DNA损伤反应(γH2AX端粒免疫染色)分析表明，衰老细胞在老年小鼠的损伤肌肉中比在年轻小鼠的细胞或未损伤的肌肉中更丰富和持久。同样，SA-β-gal和CDKN2A阳性细胞存在于受损成年人类肌肉的活检样本中(图1)。因此，作者确定，在人类和小鼠的受损肌肉中，细胞衰老均被诱导。
接下来，使用了一种基于荧光探针SPIDER-β-gal的荧光激活细胞分选(FACS)方法来确定体内衰老细胞的性质，从而从组织中分离出衰老细胞。研究人员还对体内衰老细胞进行了单细胞绘图。因此，衰老细胞的主要群体主要由单核细胞和巨噬细胞(髓系细胞;称为MCs)、纤维脂肪生成祖细胞(FPAs;也称为间充质细胞)和骨骼肌干细胞(SCs;称为卫星细胞)。此外，他们通过对衰老细胞中差异表达基因进行转录组分析，鉴定出损伤后新的衰老细胞龛成分，揭示了与炎症和基质重塑/纤维化SASP因子相关的核心基因标签。为了确定衰老细胞在肌肉再生中的作用，作者用更昔洛韦治疗年轻和年老的p16-3MR小鼠，以减少损伤肌肉中衰老细胞的数量。这种治疗挽救了有缺陷的肌肉再生，减少了炎症和纤维化，加速了年轻小鼠的再生过程，并增强了老年小鼠的强迫再生。此外，每日使用解毒药物达沙替尼和槲皮素证实，衰老细胞对年轻和老年小鼠的肌肉再生均有害(图1)。
作者排除了他们对衰老细胞的观察取决于组织损伤严重程度的可能性，因此他们在mdx小鼠(杜氏肌营养不良的实验性小鼠模型)中研究了慢性衰老，例如与慢性受损肌肉相关的衰老。在急性(短暂)和慢性(永久)损伤的组织中，肌肉龛中存在衰老细胞对再生有害，这与年龄无关。这些发现挑战了长期以来的观点，即急性损伤后短暂衰老细胞的存在是有益的，特别是在年轻组织中。
对肌肉再生中三个主要衰老细胞群体的深入研究揭示了体内衰老细胞的异质性，每个群体的特征和特定的遗传特征突出了细胞的起源:SCs的肌肉收缩和整合素/细胞表面相互作用;FAPs的肌动蛋白细胞骨架和弹性纤维调节;免疫功能和高溶酶体含量的MCs。然而，随着年龄的增长，衰老细胞获得了不同的细胞命运表型，包括FAPs中的巨噬细胞特异性通路和补体/凝血级联反应，MCs的细胞外基质组织和胶原形成，以及SCs的免疫特性。老年小鼠衰老细胞的主要特征是细胞可塑性和促炎特性，这些特征以及这些细胞数量的增加可能有利于与衰老相关的肌肉再生失败。
图1：体内细胞衰老研究概述
在再生生态位中衰老是如何诱导的方面，与基底细胞相比，所有衰老细胞中富集的通路表明，DNA损伤增加，细胞周期调节和炎症通路激活，而稳态基因表达和蛋白翻译通路激活在衰老细胞中下调。此外，与非衰老细胞相比，衰老细胞富集了参与细胞应激的通路(即氧化和代谢应激(ROS和OXPHOS，以及脂质转运和代谢)，并伴随DNA损伤修复和线粒体反应通路的下调。因此，衰老细胞表现出对氧化应激反应能力的改变，导致脂毒性，从而增加/触发炎症和纤维化。此外，老年小鼠的损伤和衰老驱动基质沉积和应激源的积累，促进炎症/纤维化途径，导致组织损伤后的衰老更加明显。
接下来，通过分析衰老细胞随年龄和时间变化的保守特征，我们确定了体内衰老的两个明确特征:炎症和基质重塑/纤维化。这两种特征在体外的复制衰老中都是保守的。对三种主要衰老细胞的染色质分析(ATAC-seq)进一步证实了这些观察结果，并揭示了转录因子如NF-κB, C/EBPβ， STAT1/3和Smad3/4的参与。
此外，为了了解衰老细胞如何损害肌肉再生，作者使用通路富集分析和基于分泌蛋白阵列的分析研究了损伤后和衰老过程中的衰老相关分泌表型(SASP)。他们发现了一种共同的炎症分泌蛋白组(促炎细胞因子和基质金属蛋白酶)，在所有测试条件下均可模拟年龄相关的炎症，并且发现炎症在受伤的老年肌肉中加剧。硼替佐米和SIS3 (NF-κB和SMAD3的抑制剂)分别治疗年轻小鼠，表明这些靶向转录因子可能在体内将损伤诱导的衰老与炎症联系起来。
此外，作者将衰老细胞移植到组织中，表明SASP通过旁分泌促炎和促纤维化功能来抑制和减少肌肉干细胞的扩增，从而抑制肌肉再生。此外，他们使用干扰RNA降低了Cd36的表达，表明Cd36通过调节SASP因子的产生在衰老细胞对再生肌肉的旁分泌作用中是必需的。总之，Moiseeva等人的研究强调了细胞衰老在整个生命周期的组织再生中起着关键作用，并提供了体内衰老细胞的富集分选方案，以及体内具有共同SASP特征的主要特定衰老细胞类型的转录组图谱。
Moiseeva等人的发现有几个意义，并提出了有趣的问题。未来的目标应包括以下内容:(i)这些结果可否外推到其他细胞类型，特别是在细胞衰老不是衰老的普遍特征的组织中?(ii)为什么体内主要的肌肉衰老细胞没有受到严格的免疫监视，而是通过吞噬作用被有效清除?(iii)在肌肉老化过程中，普遍的应激诱导刺激是否会触发衰老?(iv)与体内衰老程序相关的内源性逆转录病毒的去抑制是否与损伤的肌肉有关? (v)维持衰老是一种有益的补偿性反应的范式所需的阈值参数是什么?在这种范式中，衰老是一种阻止受损细胞扩散并触发它们通过免疫系统消除的补偿反应。如何建立这种范式?(vi)实际上，这些发现转化为再生医学(用于运动损伤、肌少症和其他肌肉疾病，如肌病和营养不良)的可能性有多大?
结论和展望：
总之，Moiseeva等人“从概念上解释了肌肉损伤和衰老中体内衰老的发生、原因、定义、动力学和后果”，突出了促进再生医学的潜在治疗靶点。这项工作建立了概念证明，表明在体内选择性消除衰老细胞可以促进组织年轻化。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41423-023-00981-7
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