10.11 新研究发现:干细胞功能不受供体年龄影响

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我们的生命的起始从受精卵的分裂形成开始,胚胎干细胞分化发育成身体的各个组织器官。随着时间的迁移,胚胎干细胞彻底消失,人体内的干细胞种类只有成体干细胞。

主观意识上,我们认为越年轻,身体的干细胞质量越好。但是翔叔最近发现一项新的研究结论显示,供体年龄似乎不会影响源自成人身体组织的干细胞的功能,这可能将颠覆一部分人的想象。

对诱导多能干细胞(iPSCs)的研究分析发现,来自老年和年轻供体的细胞显示出分化成成熟体细胞的相同能力。 这使iPSC成为个性化再生医学中对胚胎干细胞的可行替代品。该研究发表在Frontiers in Cardiovascular Medicine,强调了老年患者iPSCs治疗其年龄相关疾病的巨大潜力,并指出了这一相对较新的未来研究领域。

新研究发现:干细胞功能不受供体年龄影响

“随着平均寿命持续上升,与年龄相关的慢性和退行性疾病的发病率也在上升,” 来自德国柏林医学院Charité的Nicolle Kränkel博士解释道。

器官再造与其他基于细胞的治疗可以延长患有心脏病,肾衰竭甚至阿尔茨海默病的老年人的寿命,并改善其生活质量。我们对诱导多能干细胞当前知识的分析表明,即使是来自老年患者的干细胞,依然适用于个性化再生疗法以及遗传性疾病建模。

与体内大多数细胞不同,干细胞能够发育成不同的细胞类型。这项发现开辟了培养特定细胞以治疗受损组织和器官以及遗传疾病的可能性。

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干细胞可以来自两个来源:胚胎和成体组织。人们普遍认为胚胎干细胞(ESCs)是唯一可靠的来源,因为这些“年轻”细胞尚未积累到与老年细胞相同的损伤水平。然而,胚胎干细胞也有局限性。这包括伦理问题,移植后的免疫排斥反应,以及捐赠者自身情况问题。

然而,关于供体年龄对iPSC功能的影响仍存在疑问。特别相关的一点是老年人从这些干细胞中是受益最多的。 因此,Kränkel及其同事对迄今为止的现有研究进行了批判性分析,总结了已有研究成果并确定了未来的研究方向。

1

供体年龄越大,

其体细胞被重新编程为iPSC的效率越低


要了解供体年龄是如何影响体细胞重编程效率的问题,我们首先要了解重编程的过程和重要影响因素。

在细胞重编程过程中,细胞内发生了许多内部变化,如端粒酶的重新激活、甲基化模式和线粒体形态的改变以及衰老标志物的减少。

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目前,多能干细胞(iPSCs)被认为可以无限传代,也就是说,它们保留着端粒酶活性和一个类似干细胞的表观基因组,细胞重编程后,iPSCs可分化为体细胞,如内皮细胞、心肌细胞或神经元。随着细胞向体细胞的分化,细胞衰老过程重新开始。

早期理论认为,不断积累的DNA损伤是衰老过程的唯一原因。随后,人们慢慢意识到衰老很可能是一个影响细胞多个层面的多因素过程。

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近年来,人们发现并阐述了衰老的9个特征,分别是:端粒损耗、基因组不稳定、表观遗传改变、线粒体功能障碍、细胞衰老、干细胞衰竭、细胞间通讯改变、营养感知失调和蛋白质失稳。

所以,衰老的过程包括多种细胞维持机制效率和功能的下降,其中下述几项影响因素尤为重要:

端粒损耗【Telomere attrition】:端粒是染色体末端的核苷酸重复帽。随着细胞的每一次分裂,端粒长度会因DNA复制的不完善而缩短,同时也会对细胞产生其他有害影响,如氧化应激。这种端粒缩短同样可在衰老过程中被观察到,这意味着来自年长个体的细胞所含端粒比年轻个体的细胞所含端粒要短。

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线粒体功能障碍【Loss of mitochondrial function】:细胞衰老的另一个迹象是线粒体功能障碍,据信主要是由于线粒体DNA与活性氧长期接触所引起的氧化应激反应引起的累积损伤所致,并且与细胞核相比,线粒体DNA修复机制效率也较低。


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基因组不稳定性【Genomic instability】:在细胞的生命周期中,细胞不断地暴露在DNA变化的刺激下,例如活性氧或辐射,尽管大多数损伤可以很快修复,但DNA突变会随着时间的推移而积累。这也与DNA修复效率降低有关。此外,错误的DNA复制和染色体分离也会导致DNA损伤。

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组蛋白修饰/表观遗传变化【Histone modifications/epigenetic changes】:在一个细胞的生命周期中,并不是所有的基因都需要被一次全部转录,而基因转录的抑制部分是由DNA甲基化传递的。表观遗传改变的模式可归因于不同的细胞特征,如衰老相关模式或年龄相关模式。这在细胞重编程中特别重要,因为并不是所有的表观遗传记忆都在细胞重编程过程中受到同样的影响。

而在一定程度上正因如此,才使得iPSCs成为一个有价值的研究工具,即供体特异性表观遗传特征在细胞重编程过程中保持不变,更重要的是在诱导多能干细胞来源的体细胞中保持不变。

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理论上讲,上述每一个步骤和产生的细胞都会受到供体年龄的不同影响。多种内外刺激均可诱导细胞衰老,引起细胞周期抑制因子(如p21)的上调,并最终导致重编程效率的降低。

通过多项以小鼠为研究对象的相关实验,人们已经证明供体年龄的确影响重编程效率,即与年轻供体相比,老年供体的体细胞重编程效率非常低。

不过一旦培养出来,干细胞就会恢复活力,出现衰老迹象逆转。

“与供体的常规体细胞相比,iPSCs显示出更强的功能,并且可以分化为成熟的体细胞,其效率与年轻的干细胞供体相似,”Kränkel说。“这意味着老年患者的干细胞可以发育成其他细胞并返回患者进行治疗。”

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2

诱导的多能干细胞,

并不会受到捐赠者年龄的影响


诱导的多能干细胞必须满足几个标准:强大的繁殖能力,从所有三个胚层中产生细胞的能力,以及畸胎瘤的形成。这些标准似乎都没有受到捐赠者年龄的负面影响。

事实上已经证明,即使是百岁老人的iPSC也可以传代超过110次,可以产生所有三个胚层的细胞,并且能够形成畸胎瘤。

Chang等人证明了这一点, 他比较了来自可变年龄供体细胞(胚胎,胎儿肝间充质干细胞和成人成纤维细胞)的iPSCs和iPSC衍生的红细胞质量,发现不同年龄组之间没有差异。另一项研究显示在iPSC衍生的成纤维细胞中也是如此,其中来自老年和年轻女性的成纤维细胞被重编程为iPSC并进一步分化成iPSC衍生的成纤维细胞。

两组iPSCs显现出相当水平的多能性,衰退性,以及细胞凋亡标志物。

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为了更精确地确定供体年龄对iPSC和iPSC衍生的细胞功能的影响,进一步将会使用来自在不同年龄段收集相同个体的细胞进行研究。

不过,另一个争论点是最常用于细胞重编程的组织,即皮肤。 在人的一生中,我们的皮肤会受到各种诱变影响,

例如紫外线辐射对重编程效率和iPSC衍生细胞质量的影响远超供体年龄本身。

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在老龄化社会中,再生疗法具有重要的科学和临床意义,并具有显着的潜在治疗益处。

它们不仅可以进一步延长寿命,更为重要的是能够显着改善患有糖尿病,慢性心力衰竭,慢性肾功能衰竭甚至神经退行性疾病等慢性疾病的老年患者的生活质量(例如 ,帕金森氏症或阿尔茨海默病),对于组织或器官的再生疗法,使用iPSC衍生的细胞也是最理想的选择。


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