延年益壽,對抗衰老,是人類社會一個永恆的命題。
為了打敗衰老,科學家們從各個角度做了不少努力,比如清除「衰老細胞(senescent cells)」。
這些細胞的存在是衰老的一個主要標誌,它們是一類「老而不死的殭屍細胞」,不但佔著地方不走,還阻礙組織再生,釋放促炎因子,促進慢性炎症[1]。此前,梅奧診所的研究人員已經開發出了一種名為senolytic的藥物用來清除它們,但是由於衰老細胞的異質性,使得現有藥物的使用都受到限制。
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為了打破限制,北京大學的鄧宏魁教授團隊與羅佗平教授團隊開展合作,他們發現,衰老細胞的一個主要特徵——溶酶體β-半乳糖苷酶(β-gal)活性增加可以作為藥物開發的一個切入點,基於此,他們設計出了一款前體藥物SSK1,能夠消除小鼠和人類的衰老細胞。
SSK1會被β-gal特異性特異性激活,在清除衰老細胞時也不受衰老細胞表型的影響。研究發表在了《細胞·研究》雜誌上[2]。
β-gal從名字上就能看出來,是個可以水解半乳糖苷的酶,那麼基於此來設計一種由半乳糖修飾的前體藥物,讓它在進入體內時不會引起反應,而只在遇到β-gal時,半乳糖被切割,釋放出藥物的真正有效成分,豈不完美?
於是,研究人員首先在FDA批准的藥物中篩選了對衰老細胞具有強細胞毒性的藥物,他們選擇了吉西他濱,一是因為它能夠有效殺死小鼠和人類的衰老細胞,二是它的4-氨基是公認的開發前體藥物的絕佳選擇,再者,它還有血漿循環時間短的特點,全身毒性低。
因此,研究人員以吉西他濱為基礎,合成了衰老特異性殺傷化合物1(SSK1),修飾的乙醯基和β-gal響應部分分別是為了改善針對細胞的通透性和特異性。
SKK1結構圖
實驗表明,SSK1會在衰老細胞中被特異性裂解,釋放4-(羥甲基)-2-硝基苯酚和吉西他濱,而對於非衰老細胞,SKK1則「無動於衷」。
4-(羥甲基)-2-硝基苯酚對於衰老細胞和非衰老細胞都沒有明顯毒性,而通過RNAi降低編碼β-gal的GLB1基因的表達後,衰老細胞中β-gal活性降低,其他衰老標誌物則不受影響,這導致了SSK1殺死衰老細胞的能力變弱,這也充分說明,SSK1是通過被β-gal切割,產生吉西他濱來發揮作用的。
吉西他濱一般是通過激活促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)來誘導細胞死亡的,實驗證明,SSK1裂解產生的吉西他濱也同樣如此,另外,SSK1還誘導了衰老細胞中的線粒體DNA損傷。
接下來,研究人員測試了SSK1對衰老細胞的特異性。他們用不同的方法誘導了小鼠胚胎成纖維細胞的衰老,包括電離輻射、癌基因過表達和幹擾細胞周期的藥物(依託泊苷),再用SSK1去治療。
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這些衰老的細胞都被SSK1殺死,而非衰老細胞幾乎沒有受到影響。在來自成年小鼠的肺組織中,SSK1成功殺死了纖維化部分的細胞,放過了正常組織中的細胞。
他們還用同樣的方法誘導了人的胚胎成纖維細胞衰老,用SSK1治療也得到了相同的效果。
這些實驗都是在體外進行的,為了更有說服力,研究人員在小鼠中進行體內實驗。他們選擇了兩種獨立的衰老模型,一種是自然衰老,另一種是應激誘導的。
在誘導模型中,小鼠氣管滴注博來黴素,誘導肺部損傷,產生衰老細胞。與安慰劑對照組相比,SSK1的治療輕鬆地殺死了肺部的衰老細胞,SSK1組衰老細胞減少的百分比是對照組的3.8倍之多!
對照組(左)和SSK1治療(右)後小鼠肺部衰老細胞的對比
而且,無論是肺纖維化,還是肝纖維化,SSK1都不辱使命,順利地清除了處於不同組織中的衰老細胞。接受了治療的小鼠,運動能力和肌肉強度顯著提高,在跑步機和握力測試中都取得了更好的成績,生存率也有了增加的趨勢。
為了進一步表徵SSK1對自然衰老的細胞的影響,研究人員選擇了20個月大的小鼠,進行了8周的治療。自然衰老的小鼠全身各個組織中都有衰老細胞的積累,SSK1的治療不僅清除了衰老細胞,還降低了一些衰老相關標誌物的表達,比如說CDK抑制蛋白p16和p21。
前面我們提到過,衰老細胞會分泌促炎因子等,促進局部和全身的慢性炎症,SSK1的治療也降低了炎症水平。
另外,SSK1不但殺死了衰老細胞,研究人員發現,它對表現出衰老特徵的巨噬細胞也有用,SSK1減少了積聚在衰老小鼠肝臟中的巨噬細胞的浸潤,炎症水平降低的效果也有一部分來自於這裡。
內在有了改善,外在也一定會有所表現。相比對照組,SSK1治療讓小鼠在轉棒實驗、跑步機實驗和握力實驗等一系列實驗中都表現得更好,說明它們的運動能力、平衡能力、耐力、骨骼肌量和主動探查意願方面都得到了改善。
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雖然SSK1看起來很強,但是有一個很重要的問題是我們不能忽略的。SSK1的構建相當於給吉西他濱安上了一個導向儀,讓它在固定靶標上發揮作用,那麼就不能不考慮脫靶問題,因為在一些非衰老細胞中,β-gal活性也會增加[3,4]。
通過分析GLB1在不同組織中的表達情況,研究人員發現,腎臟和頜下腺有較高的β-gal表達,大多數β-gal陽性的非衰老細胞是上皮細胞。在SSK1治療後,只有少數細胞被誘導凋亡,β-gal陽性非衰老細胞沒有明顯減少,這說明SSK1治療是安全的。
總的來說,這項研究表明,前體藥物SSK1清除衰老細胞是安全且有效的,未來,如果這個藥物能在人體試驗中獲得成功,那麼我們就會在延緩衰老上更進一步了~
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