幹細胞的衰老是人體衰老的根源
衰老是自然界的常見現象，伴隨着生命週期中遺傳損傷的累積，以及DNA損傷和修復之間失衡導致的基因突變。在這個衰老過程中，身體中的每個細胞和器官都會出現一定程度的功能衰退或惡化。
例如，隨着年齡的增長，皮膚失去彈性，傷口癒合的速度比童年時要慢，骨折時需要更長的時間才能癒合。簡而言之，受損組織或器官的再生能力降低是衰老的最顯著特徵。
人體衰老的特徵
人類機體衰老過程中出現九個特徵：基因組不穩定性、端粒縮短、表觀遺傳改變、蛋白質穩態的喪失、營養吸收能力下降、線粒體異常、細胞衰老、幹細胞耗竭、細胞通訊的改變。
衰老是細胞對內源性和外源性壓力的反應，並限制了受損和衰老細胞的修復和更新。DNA損傷、端粒縮短、致癌損傷、代謝應激、染色質重塑、表觀遺傳學改變和線粒體功能障礙等有害刺激均可誘導其發生。衰老是一個動態的過程，漸進的，多步驟的，最終不可逆。
幹細胞老化有幾個因素：端粒縮短、INK4a/ARF基因位點和細胞週期調節因子的下調、DNA損傷的積累、表觀遺傳學、線粒體結構的變化、信號通路以及全身性因素。
在許多人類組織中，隨着年齡的增長，細胞分裂能力的下降似乎與端粒隨着細胞分裂而逐漸變短有關。端粒功能障礙通過激活細胞固有的檢查點和誘導幹細胞的微觀和宏觀環境的改變來損害幹細胞的功能。端粒的維持是基因組完整性的關鍵因素之一，端粒功能失調或功能缺陷會導致增殖組織再生障礙並加速衰老。
組蛋白乙酰化控制染色質結構，從而影響基因表達的調節。具有組蛋白脱乙酰化酶（HDAC）活性的酶也在衰老過程中起作用，其中最重要的是SIRT1和SIRT2，它們的表達已被證明是年齡相關的。SIRT1在MSC生長和分化中的作用隨着年齡的增長而減弱。
線粒體DNA（mtDNA）突變的積累與衰老之間存在重要聯繫。在衰老過程中發生線粒體DNA突變的積累，會導致呼吸鏈功能障礙。值得注意的是幾個信號通路，如腺嘌呤激活蛋白激酶（AMPK）通路和磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）-AKT通路，以及過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1（PGC-1，是線粒體能量代謝的關鍵調節因子）。
成體幹細胞，存在於人體的不同組織中，為器官提供生長和再生的能力，以在其有生之年維持體內平衡。人體組織的再生能力取決於成體幹細胞取代受損組織或細胞的能力和潛能，故而幹細胞的衰老，會影響機體整體的衰老。所有的衰老現象--組織退化--都可以被解釋為機體幹細胞水平上的衰老跡象。
造血幹細胞的衰老
俄國科學家Alexander A.Maximow在1908年柏林的一次血液病大會上的提出幹細胞的概念，並於1909年正式發表闡述幹細胞內涵的文章。但現代幹細胞研究始於1963年，Lou Siminovitch團隊建立了檢測造血幹細胞的方法，並在小鼠的骨髓中發現了造血幹細胞（HSC）。
免疫衰老
骨髓中的造血幹細胞分化產生整個免疫系統的免疫細胞。適應性免疫系統無法產生保護性免疫，伴隨着免疫系統的保真度（fidelity）和效能（efficiency）下降，被稱為免疫衰老。免疫衰老的一個主要特徵是炎症和抗炎網絡之間的失衡，伴隨着持續的低度炎症和對自身免疫反應的更大易感性。
免疫系統的衰老，根源在於HSC的老化。
造血系統的老化表現為適應性免疫系統和先天免疫系統的功能衰退，這種免疫細胞的衰老導致對病原微生物的高度易感性、疫苗接種的低效，以及對自身免疫和血液系統惡性腫瘤發展的易感性增加。通過T細胞和B細胞共缺陷小鼠移植HSC的實驗，證明機體衰老時免疫系統的表型和功能變化主要是HSC在衰老過程中功能變化的結果，並且在很大程度上獨立於胸腺的功能。
衰老細胞產生促炎介質和蛋白酶，這被統稱為衰老相關分泌表型（SASP）。SASP因子招募免疫細胞，包括巨噬細胞、中性粒細胞、自然殺傷細胞和T細胞，並促進炎症。
SASP誘導的免疫細胞募集是一個基本的生理過程，它消除了不需要的細胞，並導致了發育和生理上必要的組織重建。然而，如果這些促炎信號和炎症過程沒有得到適當的調控，它們可能會促進病理性炎症，比如衰老的平滑肌細胞促進血管炎症和內皮細胞和平滑肌細胞的細胞衰老也可能導致動脈粥樣硬化中的炎症無法消退。巨噬細胞對清除衰老細胞也是必不可少的。與年齡相關的微環境變化會改變組織內的巨噬細胞功能，表現出與年齡相關的吞噬能力和抗原提呈能力降低。
造血幹細胞的衰老
大多數造血幹細胞（HSC）在動態平衡狀態下是靜止的，很少進行週期自我更新或分化為子代的細胞。造血過程受到內在和外在機制的嚴格調控，這兩種機制平衡了靜止、自我更新和分化，以維持正常的多譜系細胞的穩定和系統重建。
隨着每一次細胞分裂，HSC分化為血細胞的潛能下降，同時，潛能降低的子代造血祖細胞數量增加，以彌補單個幹細胞功能的喪失。因此，造血幹細胞自身的大量增殖，會導致造血幹細胞的耗竭；而靜息狀態有利於維持造血幹細胞的功能和年輕態乾性。
在多種慢性和生理相關的應激狀態下，DNA結合蛋白的抑制子1（Id1）的缺失可以保護HSC免於耗盡，並促進它們的靜止，因而靶向Id1可能會改善HSC在慢性應激和衰老過程中的存活和功能。
隨着年齡的增加，髓性HSC羣體的擴大，在整個老年HSC池中佔據主導地位。
HSC的衰老，主要表現在這幾方面：
- B細胞的產量隨着年齡的增長而顯著減少，B細胞譜系的多樣性也隨着抗體親和力降低和類別轉換受損而降低；
- 新生T細胞的產生也隨着年齡的增長而下降，部分原因是胸腺退化
- NK細胞顯示細胞毒作用和細胞因子分泌減少；
- 雖然髓系細胞數量增加，但其功能降低，例如，中性粒細胞對刺激的遷移減少，巨噬細胞的吞噬活性降低；
- 後期紅細胞生成也減少。
事實上，年輕的骨髓細胞在移植到老年受者體內時，植入效果比移植到年輕受者身上是要差不少的。儘管在粒細胞集落刺激因子(G-CSF)治療下釋放到循環中的老年和年輕HSC具有相似的動員效果，但將老年HSC靜脈移植到接受照射的受者體內時，老年HSC的骨髓歸巢效率顯著降低。因此，不建議老年人捐骨髓。在移植實驗中，年輕的HSC在造血功能上都優於年老的造血幹細胞。
HSC老化最不可逆的原因與隨機DNA損傷的積累有關。DNA修復相關蛋白質編碼基因突變的小鼠或患者常常表現出HSC過早老化的特徵。老化的HSC積累了更多的DNA損傷，可能是因為細胞內活性氧（ROS）水平較高，並自然產生了遺傳毒性代謝產物。老年HSC還因為長期積累的增殖壓力導致DNA複製效率低下和轉錄抑制。衰老被認為主要是由p16的激活引起的，事實上，p16的表達是衰老細胞存在的一個標誌。但是也有研究顯示p16介導的衰老增加對體內穩態HSC老化的影響很小。
由線粒體產生的高水平ROS在衰老的造血幹細胞中不斷積累，並最終損害造血幹細胞的功能。線粒體自噬，能清除過多的ROS，從而減少氧自由基對線粒體的損傷。很大一部分衰老的造血幹細胞表現出自噬水平受損，而一定程度的自噬流能維持造血幹細胞的年輕態。
間充質幹細胞（MSC）和內皮細胞是血管周圍的HSC巢（生態位，Niche）的主要成分，對HSC的增殖分化功能和衰老有重要的影響。在衰老過程中，骨髓微環境會發生許多細胞和結構的變化，這些細胞外在基質的變化可能會從本質上影響幹細胞的功能。
如上所述，隨着年齡的增長，造血幹細胞的衰老，導致免疫系統出現衰老，表現在體內免疫細胞吞噬功能下降，細胞遷移改變，產生特異性抗體的能力下降等變化；臨牀上，這些變化可能通過增加感染、惡性腫瘤和自身免疫率而增加老年人的發病率和死亡率。由於炎症和衰老都可能增加白血病發生的風險，消除不需要的炎症衰老因子是保持HSC和免疫功能的潛在途徑，從而防止造血功能下降和惡性克隆的出現。
間充質幹細胞的衰老
人和小鼠一旦出生後，骨髓裏面的MSC的含量持續下降，雖然身體機能在青春期達到巔峯，但是對於骨髓MSC來説，MSC出道面世即是顛峯！
不同年齡段的MSC功能比較
和年輕供體的MSC相比，年老的供體來源的MSC增殖能力明顯下降，老齡MSC的胞體因為衰老而增大。而且年紀大的供體來源的表達SA-β-gal陽性MSC數量增多。MSC的抗氧化能力也隨着年紀增大而逐漸下降。年齡相關衰老的骨髓MSC多種膜蛋白也表達下降：CD13、CD29、CD44、CD73、CD90、CD105、CD146和CD166。
有意思的是，MSC的成脂/成骨/成軟骨分化是MSC的一個基礎特性，並不受年齡的影響。成骨分化的效率和MSC的多項分化能力沒有必然的關聯性。
從多個供體來源的骨髓MSC在克隆形成、細胞大小、增殖潛能和免疫抑制方面均有個體化差異。根據克隆性CFU-F實驗，骨髓MSC的數量隨着年齡的增大而下降，導致不能有效地促進組織祖細胞的更新。成年骨髓MSC數量減少，衰老標誌物（ROS、p21、p53）增加。
MSC存在明顯的與年齡有關的細胞增殖的差異，老年MSC或衰老的MSC表現三個方面的下降：細胞質量、分化能力和遷移能力。與年輕供者分離的細胞相比，老年的MSC還表現出衰老的其他特徵，比如活力、增殖和分化能力的降低。因此，有研究發現老年MSC的臨牀治療效果欠佳。
肥胖者脂肪組織來源的MSC由於氧化和代謝應激的增加，這種應激影響脂肪MSC線粒體，導致DNA損傷、端粒縮短、增殖和乾性減少（表現為NANOG、SOX2和OCT4的表達減少），增加凋亡和衰老。
有趣的是，從不同解剖部位分離的脂肪MSC的功能特性出現不同程度的差異。肥胖環境還導致特定的DNA甲基化，導致線粒體形狀和數量的變化，從而影響脂肪MSC細胞的功能特性。與年輕的MSC共培養的巨噬細胞表達M2表型的標記Arg1和IL-10，而與衰老的骨髓MSC共培養的巨噬細胞表達M1相關的TNF-α。此外，年齡依賴性的脂肪生成增加，可能通過激活過氧化物酶體增殖物激活受體γ2（PPAR-γ2）和CCAAT/增強子結合蛋白（CCAAT/EBP）而導致SASP狀態。
不同年齡捐贈者的BM-MSC的EV在其含量和免疫特徵方面顯示出顯著的年齡差異。在小鼠模型中，來自年輕MSC的胞外囊泡（EV）含有更高水平的自噬相關mRNA和sirtuins，能使得衰老造血幹細胞（HSC）顯示出恢復的功能和活力。相反，來自老年捐贈者的骨髓MSC釋放SASP，促進了HSC的炎症狀態而導致年輕HSC的功能損害。
MSC的年齡性衰老（老化）
MSC經過一定數量的細胞分裂後進入衰老，其形態學特徵是細胞形態變大、不規則，最終停止增殖，而不適當的培養條件明顯加速了這一過程。老化的MSC降低了多項分化潛能和組織修復所需的生長因子的產生。衰老和氧化應激可顯著增加骨髓細胞外小泡的miR-183-5p載量，導致細胞增殖減少、成骨分化減少，並通過降低血紅素加氧酶-1（Hmox1）活性介導MSC衰老。
衰老的MSC表現出克隆生成和增殖能力降低，分化潛能偏向脂肪生成而減弱了成骨生成。在體內，MSC衰老意味着成骨能力降低，從而導致與年齡相關的疾病，如骨質疏鬆症。因此，MSC老化被認為是骨折癒合隨年齡增長而受損的原因。這也部分解釋了為何老年人容易出現骨質酥鬆症，也解釋了為何老年骨髓中的脂肪細胞增多。
有研究表明，自噬是維持幹細胞的乾性和分化能力所必需的，而自噬在幹細胞老化過程中會受到損害。隨着年齡的增長，骨髓MSC和骨細胞的自噬功能減弱；自噬的激活可以緩解骨髓MSC的衰老，恢復衰老的骨髓MSC的成骨分化和增殖。自噬可以保護MSC免受過度的氧化應激，但是，抑制自噬能減輕MSC長期培養過程中的衰老狀態。越來越多的證據表明，從MSC釋放的外泌體有能力挽救損傷細胞的自噬功能。
關於自噬和衰老之間關係的現有數據部分是矛盾的：實際上，自噬可能會促進衰老，也可能會抑制衰老，這取決於細胞環境和壓力的種類。
衰老相關分泌表型（SASP）
SASP是一種將細胞衰老與組織功能障礙聯繫起來的新機制。衰老細胞產生所謂的SASP分泌體，SASP通過自分泌/旁分泌調節環路來維持和放大衰老，涉及SASP產生細胞和周圍細胞，即SASP負責將衰老傳遞到相鄰細胞，從而引發致命的退行性疾病，並導致持續的低水平慢性炎症（定義為炎性衰老）。SASP呈現出一種動態的成分，包括促炎症細胞因子（如IL-1α、IL-1β、IL-6和IL-8）、趨化因子、生長因子和蛋白酶（如MMP-1、MMP-3和MMP-10），它們的組合取決於細胞類型、微環境和衰老誘導機制。
衰老的BMSC出現SASP狀態，過度釋放SASP相關的外泌體，包括IL-6、IL-8、IFN-γ、單核細胞趨化蛋白-1（MCP-1）和基質金屬蛋白酶（MMP-2、TIMP-2）；由這些分泌分子引起的全身性炎症反應降低了MSC的免疫調節功能，促進了癌症進展。體內骨髓衰老的MSC成脂分化增強，而成骨分化減弱，同時分泌外泌體（miRNA-146a）和SASP，刺激巨噬細胞的極化從M2型向M1型轉變，從而加劇了炎性衰老。
利用LC-MS/MS蛋白質組鑑定和隨後的基因組分析（GO）將SASP將SASP成分分為四類：細胞外基質/細胞骨架/細胞連接、代謝過程、氧化-氧化還原因子、以及基因表達的調節。
衰老與炎症：炎性衰老
組織和細胞在活細胞週轉和新陳代謝過程中產生的所有類型的物質，包括細胞碎片、代謝物、不完全降解或非酶處理的產物，被稱為“分子垃圾”。
為了處理分子垃圾和維持體內的動態平衡，已經開發出幾種適應性策略，如識別PAMP或MAMP（微生物相關分子模式），它們可以直接激活模式識別受體（PRRs）和下游的炎症級聯反應。動物中存在被稱為“自噬/有絲分裂吞噬”的救援機制，也是為了避免體內細胞排泄物堆積不足，但是其功能在炎症環境中變得有缺陷，包括泛素蛋白酶體系統的失調和DNA損傷反應的激活等。
炎症是抵禦有害物質入侵危及生命的一種防禦機制。在兒童和成人時期維持內環境穩定，但慢性炎症是心血管疾病、糖尿病、癌症和阿爾茨海默病等年齡相關疾病的共同病理基礎，並可能是增加老年人大多數退行性疾病的發病率和死亡率的重要危險因素。組織微環境的變化，如細胞碎片的積累，代謝和激素信號的系統性變化，也可能導致慢性炎症的發展。單核/巨噬細胞系細胞對這些與年齡相關的變化至關重要，這些變化最終導致慢性炎症性疾病的發展。
大多數與衰老相關的疾病都是由共同的和相互依存的條件導致的，這些條件包括：慢性炎症、細胞器功能障礙、幹細胞功能障礙和衰老細胞堆積。在動物模型中遺傳和藥物消除衰老細胞可以延長壽命並延緩與年齡相關的病理的發生。細胞水平上的衰老可能是炎症的原因。隨着年齡的增長，組織中積累的衰老細胞分泌促炎細胞因子，即為“衰老相關分泌表型”（SASP），有助於炎症的發生。
因此，長期以來，炎症一直被認為是許多組織癌症發展的驅動力。所以，清除體內慢性炎症很重要！
文末小結
長壽是人類的終極目標，而長壽意味着要對抗衰老。
有文章指出，目前有9種抗衰老（延緩衰老）的干預手段，即幹細胞治療、消炎藥物和血清年輕因子、減少損傷細胞、增強端粒酶活性、表觀遺傳學藥物、激活機體監視和蛋白降解系統、飲食限制、線粒體自噬、清除衰老細胞。
MSC在體內的老化，被認為是組織和器官功能隨機體老化而下降的部分原因。與年輕小鼠相比，老化的環境可以抑制成體幹細胞的功能和潛力。包被在細胞培養表面的透明質酸多糖能夠保持人MSC的分化潛能，提高增殖能力，刺激端粒酶活性，延緩衰老。
因此，人體的透明質酸含量豐富，可以初步反映出體內MSC的衰老程度。人體進入中年後，尤其是皮下的透明質酸含量下降，不僅出現皮膚皺紋，也提示體內的MSC逐漸衰老。
值得慶幸的是，輸注一定健康的MSC可以延緩機體的衰老。MSC可能會感受到從受損的體細胞釋放的線粒體，並隨後做出相對於的應答，啓動MSC自身對損傷細胞的適應性修復反應。健康的MSC細胞碎片可以被機體的免疫細胞所攝取，促進體內的巨噬細胞的極化從M1型向M2型轉變。輸入的MSC在體內凋亡後產生的凋亡小體刺激體內內源性MSC的增殖更新，使得骨髓中的MSC恢復到年輕態。MSC老化的關鍵調節因子仍未完全確定，可以作為對抗年齡相關疾病和機體衰老的治療靶點。
有意思的是，更年期和卵巢切除會導致輕度全身炎症狀態，血漿趨化因子水平升高，而雌激素治療會抑制這種狀態。因此，對於女性來説，擁有健康而且有良好功能的卵巢，是一件很重要的事。MSC同樣能維護卵巢的功能，甚至能治療卵巢早衰導致的不孕。
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