衰老：永不开始愈合的伤口

Aging: the wound that never starts healing | Nature Communications

衰老：永不开始愈合的伤口

摘要

衰老是一个复杂的生物过程，导致功能衰退和疾病易感性增加。本文提出，组织损伤反应机制的慢性激活驱动了衰老过程，老年器官表现出与急性损伤后相似的特征，如组织溶解、炎症、免疫细胞浸润、脂滴积累和细胞衰老诱导。损伤与衰老表型之间的重叠得到证据支持，即减缓衰老的干预措施通常会损害愈合能力，反之亦然。这一观点为理解衰老提供了一个统一框架，并为治疗年龄相关疾病、癌症和衰老过程提出了新方向。

引言

衰老过程以器官功能逐渐衰退为特征，但其潜在生理机制仍知之甚少。我们目前对衰老过程的概念仅能解释有限的衰老表型子集，导致在哺乳动物模型中延长寿命的治疗方法仅能提高寿命百分之几至几十。在分子和细胞水平之外，更深入地理解组织层面的衰老，为描述衰老器官功能障碍的起源和潜在治疗方案提供了新概念。本文所述假说利用近期关于组织损伤反应（特别是急性组织损伤）的研究成果，来解释衰老过程的组织尺度表型。虽然文章主要关注皮肤、肝脏和大脑，但其大多数结论可外推至其他器官。

什么是组织损伤反应？

从生命早期阶段开始，我们就会经历组织损伤及其后续愈合过程，其有效执行保障了生存。愈合是一个旨在降低结构破坏风险并恢复组织功能的反应过程。尽管愈合常被视为单一过程，但实际上它是一系列复杂过程的组合，其具体表现因损伤后经过的时间、所研究的细胞类型及其与损伤部位的空间关系而异。愈合的时间特性各不相同，早期阶段（损伤检测和反应）与执行修复的后期阶段存在显著差异。

愈合很少能完全恢复组织功能或结构，而是以准确性为代价换取关键时间框架内的实用恢复。此处的实用恢复是指即使未能完全复原，也能实现基本功能和生存的愈合。因此，特别是对哺乳动物而言，及时预防损伤后果（如感染、伤口重新裂开或周围组织功能破坏等）似乎比恢复的准确性更有优势。例如，皮肤愈合从不能完全恢复其原始结构或功能，常常导致疤痕形成。相比之下，能准确恢复组织结构和功能的损伤反应（如无疤痕愈合和缺失附属物的再生）更常见于非哺乳动物物种，例如墨西哥钝口螈（Ambystoma mexicanum）。然而，即使在哺乳动物中也存在例外，例如多刺鼠（Acomys）。

损伤相关过程关联性的一个主要变因是自损伤诱导以来经过的时间，初始/早期阶段与晚期/最终阶段差异显著。传统上，愈合分为四个阶段：止血、炎症、增殖和重塑。虽然最后两个阶段的执行以及愈合结果在不同器官间存在显著差异，但细胞在炎症阶段的表型和行为似乎相似（表1）。对于所有细胞宏观结构而言，对损伤的早期反应即炎症阶段，归结为几个过程：炎症、细胞外基质（ECM）重塑、组织溶解和组织清创、免疫细胞浸润、脂滴（LDs）沉积以及细胞衰老诱导。

表1 选定组织中组织损伤反应和愈合过程的比较

简而言之，损伤会破坏血管、神经、骨骼结构等，这些结构需要通过组织溶解和清创过程在损伤直接范围之外进行"修剪"。这主要通过分泌分解组织结构的分子（组织溶解）和免疫细胞同时清除受损组织元素和碎片（清创）来实现。因此，即使是轻度受损的细胞和组织结构也会被降解，以便在愈合后期阶段重建。作为组织溶解的一部分，但在后续阶段也贯穿始终，ECM被重塑以使组织更适合血管生成和细胞迁移。此过程涉及降解ECM的酶（如蛋白酶）、其抑制剂以及胶原等ECM组分沉积之间的复杂相互作用。初始组织损伤伴随细胞死亡和ECM溶解，以及微生物入侵，导致损伤相关分子模式（DAMPs）和病原体相关分子模式（PAMPs）的释放。这些分子吸引并激活免疫细胞，使其释放促炎分子如细胞因子和二十碳烷酸。细胞衰老是一种由细胞周期阻滞介导的高分泌表型，有助于炎症和ECM重塑。营养和氧气可用性的变化，加上细胞表型向增殖、分泌和炎症的普遍转变，导致代谢重塑和脂滴沉积。虽然从机制上尚不清楚哪些信号通路是诱导这些表型的因果因素，但细胞周期抑制剂p21通过RB低磷酸化显著改变转录景观，影响几乎所有上述过程。在清除受损元素、DAMPs和PAMPs后，组织进入增殖和重塑阶段。下文将讨论几个组织损伤反应的示例。

皮肤损伤反应

皮肤完整性受损后会形成血凝块，随后用作临时基质以逐渐替代缺失的真皮。损伤最边缘的细胞死亡，边缘本身经历组织溶解和清创，有助于传播损伤信号和炎症，主要是IL-6和TNF-α。伤口触发周围基质细胞的快速激活、皮下脂肪组织动员以及毛囊参与。不仅免疫细胞，损伤部位的基质细胞也变得具有促炎性，这至少在短期内支持愈合过程。有效的皮肤修复需要分工合作，一些细胞分裂以填补空缺空间，而另一些则变得衰老。考虑到已发现清除衰老细胞对长期未愈合的伤口有益，衰老细胞可能在愈合的不同阶段对愈合产生不同影响。脂滴积累主要与免疫细胞的促炎激活相关，但也与损伤部位的皮肤基质细胞相关。

肝脏损伤反应

虽然通常被称为"再生"，但肝脏在损伤后的恢复过程与墨西哥钝口螈肢体截肢后的再生过程不同。区别包括生长缺乏方向性；即损伤后，肝脏显示所有类型肝细胞的无方向性代偿性增殖。在这方面，愈合模式存在差异，急性肝损伤通过肝细胞增殖愈合，而慢性肝损伤可通过胆管上皮干细胞激活愈合。如果肝损伤涉及肝叶切除，随后的代偿反应不会重新生长这些肝叶，而是增加剩余肝叶的大小以恢复原始肝体质量比。然而，由于器官大小和功能的完全恢复，这在某种意义上仍是再生。从最早阶段开始，肝脏再生就与源自DAMPs并由包括IL-6和TNF-α在内的细胞因子放大的炎症相关联。这些吸引并激活各种类型的免疫细胞，执行组织溶解和清创，并在后期通过生长刺激等方式参与肝脏再生。肝脏损伤的另一个早期反应与再生相关，是脂滴积累（常被称为TRAS：短暂再生相关脂肪变性）。细胞衰老在肝脏再生中的作用尚未得到充分研究，其对愈合不同阶段的影响仍不清楚。然而，在部分肝切除或化学损伤后的多项研究中已报告了细胞衰老标志物。

大脑损伤反应

与前面的例子相比，大脑可以说是愈合能力最差的，且在损伤后对原始结构的恢复非常不准确。尽管损伤会触发神经祖细胞的补偿性生长，但新生成的神经元无法整合到现有回路中，且经常无法存活。在这种情况下，胶质细胞主导损伤反应，导致胶质疤痕形成。炎症从大脑对损伤反应的最早阶段就存在，细胞因子包括TNF-α和IL-6等被释放。炎症信号和血脑屏障的破坏导致小胶质细胞激活和各种类型免疫细胞（如巨噬细胞、中性粒细胞、B细胞和T细胞）的浸润。它们参与涉及MMP9等蛋白酶的组织溶解，并与小胶质细胞一起执行受损脑组织的后续清创。在针刺损伤后的斑马鱼大脑以及创伤性脑损伤患者的尸检样本中均观察到脂滴积累。已在各种类型的脑损伤中显示细胞衰老的诱导，从损伤后一天到数月不等，尽管尚不清楚衰老细胞对愈合的影响是否基于损伤后经过的时间而变化。

虽然详细描述超出了本文范围，但在肺、心脏、骨骼肌和肾脏中也观察到了对损伤的类似反应。尽管这些表型与损伤部位和愈合过程相关的时空特性尚不清楚，但它们的存在巩固了器官间共享的与损伤相关的损伤反应这一概念。

衰老：永不开始愈合的伤口

该假说认为，上述器官如何响应损伤的过程不仅限于其完整性受损的情况，也深深植根于衰老的病理中。这些相似性并非偶然或无关；相反，器官对衰老的反应与其对损伤的反应相似（图1）。由于随后的"愈合"未能进展，器官始终被困在对损伤反应的早期阶段。以下是支持这一主张的几条证据。

图1：衰老器官表现出与急性损伤损伤反应相似的表型。

在愈合过程的四个阶段——止血、炎症、增殖和重塑中，第二阶段（炎症）表现出组织损伤反应，如：细胞衰老诱导、免疫细胞浸润、炎症、脂质（LDs）沉积、细胞外基质（ECM）重塑和组织溶解。这些表型在大脑、肝脏和皮肤等器官的衰老过程中也十分突出。

损伤反应与衰老的联系：分子和细胞表型

衰老几乎在细胞分子组成的各个层面都留下印记，包括表观基因组、转录组和代谢组等。虽然对损伤早期反应和衰老的组学谱直接比较较少，但最近一项利用多种组学的研究调查了在应激条件下和受伤后收集的动物和患者样本是否与衰老相似。研究表明，在表观遗传学、转录组学和代谢组学水平上，重大手术等条件（和其他损伤条件）显示出衰老过程的加速（尽管是暂时的），表明组织损伤反应确实与衰老条件有重叠。类似地，与衰老密切相关的特定表观遗传变化（即表观遗传衰老时钟）在感染和各种形式的组织损伤等条件下被加速。

在细胞层面，表征组织损伤反应的表型——炎症、脂滴形成、免疫细胞浸润和细胞衰老诱导——与衰老直接相关。炎症影响几乎所有衰老器官，以至于有时被认为是衰老的主要驱动因素。有趣的是，与衰老过程最密切相关的细胞因子是IL-6和TNF-α，这些也是在皮肤、肝脏和大脑损伤后释放的。细胞衰老本身就对炎症有贡献，被广泛认为是衰老过程的体现（正如其名称所示），衰老标志物几乎在迄今为止研究的所有与年龄相关的状况中都有发现。免疫细胞浸润同样如此，这在衰老的皮肤和肝脏中有充分记录，但即使是免疫特权器官（如大脑）也会经历T细胞等免疫细胞对其实质的侵入。最后，脂滴积累一直被观察到在包括大脑和肝脏在内的衰老器官中增加。尽管在衰老过程中已经很突出，但这些类似损伤的细胞表型在许多与年龄相关的病理中进一步加剧。例如，脂滴积累、细胞衰老、免疫细胞浸润和炎症在阿尔茨海默病和非酒精性脂肪肝病中加剧。

损伤反应与衰老的联系：形态学变化

衰老过程的形态通常与组织萎缩相关，这似乎是与愈合相关的组织生长相反的。然而，对损伤的早期反应实际上与组织溶解和清创相关，例如在皮肤、肝脏、大脑和截肢手指中。类似于损伤检测可导致受急性损伤影响结构的分解和后续替换，对受衰老影响结构的损伤检测也可能导致其分解，以便进行随后的修复/替换，而这种情况永远不会到来。因此，在衰老过程中，"类似组织溶解的过程"可能执行组织分解并导致器官萎缩。此外，在许多情况下，与衰老相关的组织功能下降涉及功能性组织向脂肪或纤维化组织的转化。ECM元素的重塑和降解和/或纤维化组织的沉积是包括皮肤、肝脏和大脑在内的器官衰老过程中最明显的特征之一，同时也是损伤反应的核心。虽然衰老过程中发生的ECM重塑可能已经提供了衰老器官行为如同受伤的潜在联系，但另一个联系在于损伤感知的慢性。受损肝脏在无疤痕的情况下恢复其质量，但如果损伤刺激持续存在，则会导致疤痕形成。类似地，像深伤口这样的皮肤愈合时间延长会加剧沉积胶原蛋白的量。因此，不仅是与衰老相关的损伤存在，而且其持续性都可能导致衰老器官的纤维化。关于衰老器官中功能性组织向脂肪转化或脂滴积累，它确实与在损伤中观察到的脂滴积累相似。最后，衰老还与某些支持组织和附属物的减少相关，例如皮下脂肪的减少和皮肤中毛囊数量的减少。由于两者的干细胞已知在愈合过程中被利用，因此在衰老中观察到的表型可能是大规模（非局部）类似愈合的衰老皮肤反应的反映。相应地，衰老期间毛囊干细胞的减少直接与皮肤损伤反应相关，类似于损伤的早期阶段。

损伤反应与衰老的联系：通路重叠

从抗衰老干预的角度传播这一概念，可以推断，基本上所有参与衰老的核心通路都被发现对有效处理器官损伤是必要的。换句话说，如果某种干预减缓了衰老，它很可能也会减缓愈合过程。用雷帕霉素抑制mTOR是已知能缓解衰老的干预措施。然而，它也会导致伤口愈合延迟，破坏愈合模型中的增殖和血管生成，并抑制肝脏再生。Erk通路是大多数器官共享的损伤反应和愈合过程的主要驱动因素之一，其抑制也被证明可延长多种模式生物的寿命。类似地，热量限制是一种被一致证明可延长寿命的干预措施，会减缓愈合过程。清除衰老细胞会延长急性伤口闭合所需的时间，同时延长寿命并缓解与年龄相关的疾病。最后，虽然我不了解免疫系统耗竭会减缓衰老的证据，但过度活跃的免疫系统会加速衰老过程，而免疫细胞耗竭会导致伤口愈合和再生速率下降，表明存在功能联系。

衰老器官"类似损伤"感知的分子基础

我们身体的细胞外成分在很大程度上是不可替换的，在衰老过程中获得异质性改变，包括氧化应激和糖基化导致的断裂和修饰等。这种损伤可能被感知为DAMPs，并导致损伤反应的慢性激活，与损伤感知一致。相应地，DAMPs在衰老器官中积累，并在老年人血液中浓度增加。或者，细胞内损伤的检测可能导致细胞对靠近损伤的错误感知。相应地，我们和其他人观察到损伤部位周围细胞中DNA损伤增加。细胞内损伤的存在导致与损伤相关的损伤反应，如免疫细胞激活和细胞衰老诱导。因此，衰老细胞中损伤的积累可能被感知为靠近损伤，导致类似损伤的损伤反应。与DAMPs类似，穿过衰老器官受损屏障渗漏的PAMPs也可能提供类似于损伤的刺激。相应地，已知PAMPs浓度在衰老过程中会增加。

衰老器官"类似伤口"感知的进化基础

在衰老过程中慢性利用组织损伤/损伤反应机制的概念与衰老的进化假说一致，特别是拮抗多效性（AP）。AP假说由George Williams于1957年提出，认为在生命早期有益的特征可能在后期产生有害影响，从而导致衰老。这里描述的概念可以被视为AP的一个例子，即身体对损伤的反应在青年时期对生存和繁殖至关重要，但在晚年慢性激活时变得适应不良。损伤和衰老之间共享的表型特征，如炎症、免疫细胞浸润和细胞衰老，在生命早期对生存和组织修复至关重要，但当在衰老过程中持续激活时可能变得有害。这种持续性可能是由于衰老引起的损伤，虽然在性质上与损伤引起的损伤相似，但缺乏适当处理的机制。这种思路与Peter Medawar提出的另一个衰老进化理论一致，即在衰老有机体中观察到的特征超出了进化选择。虽然将衰老视为"永不愈合的伤口"的假说需要从衰老的进化生物学角度进一步发展，但它可能为动物生理学结果与衰老的进化基础之间提供额外的有用联系。

应用"永不愈合的伤口"概念开发新的抗衰老方法

新的治疗选择

如前所述，许多已知能缓解衰老过程的治疗方法也被证明能对抗愈合过程。按照这一思路，测试已知减缓愈合过程的物质可能会揭示对抗衰老和与年龄相关疾病的新方法（表2）。一个明显的限制是，新药物并非精确选择用于减缓愈合速率的能力。然而，此类化合物的一个潜在来源可能来自以损伤标志物加剧为特征的状况，如大疱性表皮松解症或银屑病。事实上，一些常用于治疗这些疾病的药物，如阿达木单抗或阿普斯特，已显示出对某些与年龄相关的状况有希望，表明更多此类治疗方法可能治疗衰老的后果。开发抗衰老化合物的另一种方法可能涉及对抗损伤反应。虽然在开发针对炎症和细胞衰老的疗法方面已有显著进展，但可以更多地强调其他与损伤相关的组织特征，如组织溶解、DAMPs和PAMPs。相应地，最近在抑制TLR和NLRP3受体方面的进展已缓解了某些与年龄相关的状况。假设衰老的病理是由于在衰老器官中触发的损伤反应，抑制这些反应可能不会"治愈衰老"，但可以缓解与年龄相关的疾病，从而导致更健康且可能延迟的衰老（图2）。毫无疑问，抑制涉及愈合的过程会引发对组织再生能力降低的担忧。减轻这些影响的策略可能包括短时间治疗或最佳剂量（如雷帕霉素或禁食研究中所示），因为可能实现抑制早期组织损伤反应而不显著影响后续愈合过程的剂量。关于时间框架，间歇性方案（如癌症中衰老细胞清除剂的一二次应用）也可能最小化不良影响。

图2：衰老器官的"永不愈合的伤口"景观及应对方法。

衰老器官以急性损伤的损伤反应（蓝色）为主导，如细胞衰老、免疫细胞浸润和脂滴沉积（以及图中未显示的其他特征）。这些表型背后的因果因素可能包括（红色）细胞外和细胞内损伤的积累，以及损伤相关分子模式（DAMPs）和病原体相关分子模式（PAMPs）的浓度。已知能缓解衰老过程的干预措施抑制损伤反应，导致衰老病理的缓解，即健康衰老，但未解决衰老器官"类似损伤"表型的分子原因。相比之下，再生的潜在效果可能通过诱导再生和减少与衰老相关的各种损伤类型来实现。

表2 与"衰老：永不愈合的伤口"假说一致的对抗衰老过程的实验方法

与癌症的联系

癌症是最常见的与年龄相关的病理之一，几乎可能发生在所有细胞组织结构中。被称为"永不愈合的伤口"，癌症通常发生在损伤部位或作为愈合过程的结果。愈合和癌症的共同特征包括增殖、迁移和血管生成的升高，这一重叠的详细特征最近已被综述。我们的研究结果进一步支持这一概念，显示愈合的空间范围可以可视化为围绕伤口的组织质量团块，促进增殖和血管生成等，类似于肿瘤的特征。

有必要强调，衰老过程是跨组织癌症的主要风险因素。同时，癌症表现出通常与衰老相反的特征，后者因组织萎缩和细胞丧失而负担沉重。因此，回到愈合过程的阶段，癌症的行为与增殖阶段相匹配，而衰老更好地对应于炎症阶段。这一假说提出的一个问题是，衰老引起的癌症是否是衰老器官"类似损伤"外观的另一种表象。紧接着的问题是，癌症是否是试图推进愈合过程，从炎症阶段过渡到增殖阶段的结果。由于抗衰老治疗（减少"类似损伤"特性）降低了癌症风险，推测抑制衰老器官中的损伤反应可能会阻止从炎症阶段向增殖阶段的过渡是引人入胜的。同时，消除免疫细胞浸润或细胞衰老等与损伤相关的反应的诱导可能导致癌症。与之相符的是，缺乏功能性免疫系统或负责衰老诱导机制的小鼠显示出癌症发展风险增加。总之，癌症的"永不愈合的伤口"表型可能代表处理在衰老器官中诱导的损伤反应的失调过程，因此尝试将衰老器官从炎症阶段过渡到增殖阶段可能导致癌症。

诱导再生而非愈合

再生是一个相对 poorly understood过程，能准确重建受损组织。虽然再生至少共享一些组织损伤反应，如炎症、免疫细胞浸润和细胞衰老，但它在如何将这些反应过渡到重建受损区域方面有所不同。可以说，将再生与愈合区分开的成分是重新特化现有细胞以替换缺失细胞的能力。这可以直接通过现有细胞的重新特化（随后是补偿性生长）完成，如水螅的形态发生，或间接通过将细胞去特化为多能细胞并形成所谓的"胚基"，如墨西哥钝口螈的表型再生。虽然种间差异似乎不可逾越，但此类过程在哺乳动物中是可能的，并且可以在一定程度上人为诱导。对于后者，一种方法是引入分泌因子，如FGF和BMP家族成员，它们将损伤反应的轨迹从愈合转变为再生。另一种方法是使用重编程等方法强制细胞去特化。虽然据我所知，前者尚未针对衰老进行测试，但后者已显示出对抗衰老相关状况的一些希望。理论上，诱导再生应消除导致愈合炎症阶段的基础损伤，从而延迟或甚至预防衰老过程（图2）。这一假说与具有强大再生能力的生物表现出可忽略衰老的现象一致。总之，本文提出的假说将衰老定义为组织损伤的渐进形式，并提出了一套旨在缓解衰老（通过抑制损伤反应）或治疗衰老（通过解决这些反应和再生组织）的干预措施。

结论

本文认为，在衰老过程中，器官被困在"愈合过程"的早期阶段，其表型对应于炎症阶段。在此状态下激活的损伤反应包括细胞衰老诱导、炎症、脂滴沉积、ECM重塑、组织溶解和免疫细胞浸润。可能，经历衰老的组织的"类似损伤"感知源于积累的损伤或其直接后果，如DAMPs和PAMPs。虽然现有的抗衰老干预可以在一定程度上抑制某些损伤反应，但这里提出的概念可能为进一步发展提供额外的研究途径。理想情况下，近期的衰老研究将超越抑制衰老器官的类似损伤状态的损伤反应，转向通过再生解决衰老的根源。

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