10.11 新研究發現:幹細胞功能不受供體年齡影響

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我們的生命的起始從受精卵的分裂形成開始,胚胎幹細胞分化發育成身體的各個組織器官。隨著時間的遷移,胚胎幹細胞徹底消失,人體內的幹細胞種類只有成體幹細胞。

主觀意識上,我們認為越年輕,身體的幹細胞質量越好。但是翔叔最近發現一項新的研究結論顯示,供體年齡似乎不會影響源自成人身體組織的幹細胞的功能,這可能將顛覆一部分人的想象。

對誘導多能幹細胞(iPSCs)的研究分析發現,來自老年和年輕供體的細胞顯示出分化成成熟體細胞的相同能力。 這使iPSC成為個性化再生醫學中對胚胎幹細胞的可行替代品。該研究發表在Frontiers in Cardiovascular Medicine,強調了老年患者iPSCs治療其年齡相關疾病的巨大潛力,並指出了這一相對較新的未來研究領域。

新研究發現:幹細胞功能不受供體年齡影響

“隨著平均壽命持續上升,與年齡相關的慢性和退行性疾病的發病率也在上升,” 來自德國柏林醫學院Charité的Nicolle Kränkel博士解釋道。

器官再造與其他基於細胞的治療可以延長患有心臟病,腎衰竭甚至阿爾茨海默病的老年人的壽命,並改善其生活質量。我們對誘導多能幹細胞當前知識的分析表明,即使是來自老年患者的幹細胞,依然適用於個性化再生療法以及遺傳性疾病建模。

與體內大多數細胞不同,幹細胞能夠發育成不同的細胞類型。這項發現開闢了培養特定細胞以治療受損組織和器官以及遺傳疾病的可能性。

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幹細胞可以來自兩個來源:胚胎和成體組織。人們普遍認為胚胎幹細胞(ESCs)是唯一可靠的來源,因為這些“年輕”細胞尚未積累到與老年細胞相同的損傷水平。然而,胚胎幹細胞也有侷限性。這包括倫理問題,移植後的免疫排斥反應,以及捐贈者自身情況問題。

然而,關於供體年齡對iPSC功能的影響仍存在疑問。特別相關的一點是老年人從這些幹細胞中是受益最多的。 因此,Kränkel及其同事對迄今為止的現有研究進行了批判性分析,總結了已有研究成果並確定了未來的研究方向。

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供體年齡越大,

其體細胞被重新編程為iPSC的效率越低


要了解供體年齡是如何影響體細胞重編程效率的問題,我們首先要了解重編程的過程和重要影響因素。

在細胞重編程過程中,細胞內發生了許多內部變化,如端粒酶的重新激活、甲基化模式和線粒體形態的改變以及衰老標誌物的減少。

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目前,多能幹細胞(iPSCs)被認為可以無限傳代,也就是說,它們保留著端粒酶活性和一個類似幹細胞的表觀基因組,細胞重編程後,iPSCs可分化為體細胞,如內皮細胞、心肌細胞或神經元。隨著細胞向體細胞的分化,細胞衰老過程重新開始。

早期理論認為,不斷積累的DNA損傷是衰老過程的唯一原因。隨後,人們慢慢意識到衰老很可能是一個影響細胞多個層面的多因素過程。

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近年來,人們發現並闡述了衰老的9個特徵,分別是:端粒損耗、基因組不穩定、表觀遺傳改變、線粒體功能障礙、細胞衰老、幹細胞衰竭、細胞間通訊改變、營養感知失調和蛋白質失穩。

所以,衰老的過程包括多種細胞維持機制效率和功能的下降,其中下述幾項影響因素尤為重要:

端粒損耗【Telomere attrition】:端粒是染色體末端的核苷酸重複帽。隨著細胞的每一次分裂,端粒長度會因DNA複製的不完善而縮短,同時也會對細胞產生其他有害影響,如氧化應激。這種端粒縮短同樣可在衰老過程中被觀察到,這意味著來自年長個體的細胞所含端粒比年輕個體的細胞所含端粒要短。

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線粒體功能障礙【Loss of mitochondrial function】:細胞衰老的另一個跡象是線粒體功能障礙,據信主要是由於線粒體DNA與活性氧長期接觸所引起的氧化應激反應引起的累積損傷所致,並且與細胞核相比,線粒體DNA修復機制效率也較低。


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基因組不穩定性【Genomic instability】:在細胞的生命週期中,細胞不斷地暴露在DNA變化的刺激下,例如活性氧或輻射,儘管大多數損傷可以很快修復,但DNA突變會隨著時間的推移而積累。這也與DNA修復效率降低有關。此外,錯誤的DNA複製和染色體分離也會導致DNA損傷。

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組蛋白修飾/表觀遺傳變化【Histone modifications/epigenetic changes】:在一個細胞的生命週期中,並不是所有的基因都需要被一次全部轉錄,而基因轉錄的抑制部分是由DNA甲基化傳遞的。表觀遺傳改變的模式可歸因於不同的細胞特徵,如衰老相關模式或年齡相關模式。這在細胞重編程中特別重要,因為並不是所有的表觀遺傳記憶都在細胞重編程過程中受到同樣的影響。

而在一定程度上正因如此,才使得iPSCs成為一個有價值的研究工具,即供體特異性表觀遺傳特徵在細胞重編程過程中保持不變,更重要的是在誘導多能幹細胞來源的體細胞中保持不變。

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理論上講,上述每一個步驟和產生的細胞都會受到供體年齡的不同影響。多種內外刺激均可誘導細胞衰老,引起細胞週期抑制因子(如p21)的上調,並最終導致重編程效率的降低。

通過多項以小鼠為研究對象的相關實驗,人們已經證明供體年齡的確影響重編程效率,即與年輕供體相比,老年供體的體細胞重編程效率非常低。

不過一旦培養出來,幹細胞就會恢復活力,出現衰老跡象逆轉。

“與供體的常規體細胞相比,iPSCs顯示出更強的功能,並且可以分化為成熟的體細胞,其效率與年輕的幹細胞供體相似,”Kränkel說。“這意味著老年患者的幹細胞可以發育成其他細胞並返回患者進行治療。”

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2

誘導的多能幹細胞,

並不會受到捐贈者年齡的影響


誘導的多能幹細胞必須滿足幾個標準:強大的繁殖能力,從所有三個胚層中產生細胞的能力,以及畸胎瘤的形成。這些標準似乎都沒有受到捐贈者年齡的負面影響。

事實上已經證明,即使是百歲老人的iPSC也可以傳代超過110次,可以產生所有三個胚層的細胞,並且能夠形成畸胎瘤。

Chang等人證明了這一點, 他比較了來自可變年齡供體細胞(胚胎,胎兒肝間充質幹細胞和成人成纖維細胞)的iPSCs和iPSC衍生的紅細胞質量,發現不同年齡組之間沒有差異。另一項研究顯示在iPSC衍生的成纖維細胞中也是如此,其中來自老年和年輕女性的成纖維細胞被重編程為iPSC並進一步分化成iPSC衍生的成纖維細胞。

兩組iPSCs顯現出相當水平的多能性,衰退性,以及細胞凋亡標誌物。

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為了更精確地確定供體年齡對iPSC和iPSC衍生的細胞功能的影響,進一步將會使用來自在不同年齡段收集相同個體的細胞進行研究。

不過,另一個爭論點是最常用於細胞重編程的組織,即皮膚。 在人的一生中,我們的皮膚會受到各種誘變影響,

例如紫外線輻射對重編程效率和iPSC衍生細胞質量的影響遠超供體年齡本身。

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在老齡化社會中,再生療法具有重要的科學和臨床意義,並具有顯著的潛在治療益處。

它們不僅可以進一步延長壽命,更為重要的是能夠顯著改善患有糖尿病,慢性心力衰竭,慢性腎功能衰竭甚至神經退行性疾病等慢性疾病的老年患者的生活質量(例如 ,帕金森氏症或阿爾茨海默病),對於組織或器官的再生療法,使用iPSC衍生的細胞也是最理想的選擇。


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