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2013年诺贝尔生理学或医学奖颁给了美国科学家罗思曼、谢克曼以及德国科学家祖德霍夫，以表彰他们发现细胞的囊泡运输调控机制。美国抗衰老医学研究会主席Klatz博士称：“外泌体是干细胞技术的下一个发展方向”。 那么，人们面临衰老时，干细胞外泌体正在发挥着怎么样的作用？科学家们又是如何利用干细胞外泌体来对抗衰老？ 本期向大家介绍一项重要的外泌体抗衰老实验。 抗衰老系列二 | 科学家公布外泌体抗衰老实验结果 干细胞在再生医学中具有巨大的治疗潜力，如通过分泌抗炎、抗纤维化和促血管生成活性的因子，如可溶性分子（生长因子、细胞因子）或细胞外囊泡（微粒子、外泌体）等来改善创面愈合过程。随着研究的深入，干细胞外泌体成为备受青睐的“超级明星”。
干细胞外泌体，干细胞在生理活动过程中分泌出来的生理活性物质，是一种微小囊泡，直径大约在30-150nm。主要功效成分包括蛋白质类物质及micRNA类核酸物质。 外泌体一旦通过胞吐作用从干细胞中释放，复杂的混合因子能作为信号分子传递给其他细胞。 干细胞外泌体因在上皮组织的增殖、迁移、再生、炎症和瘢痕控制等方面的作用，成为「无细胞的细胞治疗」工具。 细胞老化是什么 除去部分的组织干细胞，构成我们身体的大部分细胞的分裂次数是有限的，正常的体细胞达到细胞寿命并不可逆地停止增殖的状态称为细胞老化。 另外，就算添加活性正常的细胞至有致癌危险的应激反应（染色体缩短、癌基因的活化、氧化应激等）中，还是会被细胞老化诱导而不可逆地停止增殖。 因此，我们认为细胞老化与细胞凋亡相同，有防止异常细胞增殖、抑制癌症的作用。 然而，细胞老化不同于细胞死亡，老化细胞会在生物体内长期生存，因此随着年龄的增长，体内的老化细胞会越来越多。 另一方面，老化细胞中的染色质结构会根据持续的DNA损伤应答而改变，如炎症性细胞因子、趋化因子、基质分解酶和增殖因子等各种炎症蛋白基因活化表达。 已知老化细胞会分泌炎症蛋白到细胞外，这样的细胞老化的表现型被称为SASP（Senescence-associated secretory phenotype）。从老化细胞中分泌出来的SASP因子会引发周围组织的慢性炎症，可以看出这很可能是形成老年病的原因5）。我们在分析老化细胞分泌的SASP因子的过程中发现，SASP因此还能促进老化细胞外泌体的分泌。 细胞老化和外泌体 使用人正常纤维细胞诱导的具有分裂寿命的细胞老化（eplicative senescence）和癌基因RasV12活化的细胞老化（Oncogene-induced senescence），用NTA（Nanoparticle Tracking Analysis）检测外泌体的分泌量后，老化细胞的分泌量比年轻细胞高约30倍6）。 因此，我们针对老化细胞中促进外泌体分泌的生物学机能进行了分析。分别敲除老化细胞中参与外泌体生物合成和分泌的Alix 和 Rab27a两个基因，切断外泌体的通道后诱导细胞凋亡状的细胞死亡。 令人惊讶地是，即使是年轻增殖中的正常细胞，切断外泌体的路径也会激活DNA损伤应答和诱导细胞死亡，所以正常的细胞有可能会通过外泌体通道将有些有害物质分泌到细胞外。 因此，我们在探索分泌外泌体的正常细胞中引发DNA损伤的诱导分子过程中，发现了其细胞质中的基因组DNA片段。细胞质中存在的DNA片段通过细胞质DNA传感（cGAS-STING 通道）被感知，从而引起自然免疫应答。 总之，正常的细胞通过外泌体将有害的基因组DNA片段分泌到细胞外，防止对自身DNA的自然免疫应答。外泌体还作为如腺病毒等的外来性DNA病毒感染的屏障，表明外泌体通道是维持细胞稳定性的重要的生物体防御机制之一。 实验和结论 以间充质干细胞（MSC）为例，大量实验数据显示，这种干细胞所释放的外泌体，能够创造出一种具有修复能力的微环境，帮助自身周边的组织细胞进行再生。 更酷的是，外泌体还能完美的避开某些干细胞在技术上的诸多限制，比如致癌问题，可谓是超越干细胞的黑科技。 最近，一支来自宾夕法尼亚大学的华人团队，就对间充质干细胞外泌体的抗衰老功效进行了一番测试，并将结果发表在了国际科研期刊《Journal of Dental Research》上。
这项结果于2020年10月17日发表在科研期刊《Journal of Dental Research》上 研究人员首先在人类的皮肤纤维母细胞和静脉内皮细胞上加入了大量的双氧水，利用这种强力的自由基对细胞造成急性氧化损伤，逼迫细胞进入衰老状态。然后他们又把从间充质干细胞上收集来的外泌体，加入到了这些受损的衰老细胞之中。 从结果上来看，所有衰老细胞上的SA-β-gal活性，γ-H2AX水平都出现了大幅降低，说明双氧水对细胞造成的DNA损伤的得到了充分的修复，而P53和P21标识数量的减少，则说明衰老细胞在接受了外泌体治疗后，全部都消失了。
在加入了间充质干细胞外泌体后，培养皿中的DNA损伤和衰老细胞数量显著降低 除了衰老细胞，外泌体在还降低细胞mTOR信号强度的同时，恢复了细胞的增殖能力。
间充质干细胞外泌体还降低了衰老细胞的mTOR活性，并且增强了其他细胞的增殖能力 虽然乍一看很美好，但这种通过氧化应激诱导的衰老细胞，和平时说的造成人体衰老的衰老细胞，根本就不是一回事啊？那你结果说的再天花乱坠又有什么用。 自由基的刺激确实是造成细胞衰老的关键，但实验中这种短期且急性的刺激，只会让细胞进入一种被称之为急性衰老（acute senescence）的状态。这与动物在年龄增长过程中，体内堆积的慢性衰老（chronic senescence）细胞完全不同，前者不仅不会促进衰老，就算你放着它们不管，人家也会自己脱离衰老状态重返健康。 换句话说，整个研究这一顿操作，听起来又是减少衰老细胞又是抑制mTOR的好像猛如虎，但其实和我们关心的衰老问题没有任何关系。 所以，科学是严谨的，又在老年小鼠身上测试了一遍外泌体的功效。经过8周治疗后，老年小鼠心肌细胞中的mTOR活性和P21表达水平，全部被大幅降低至了年轻小鼠水平。
老年小鼠心肌细胞中的mTOR活性和P21表达水平，全部被大幅降低至了年轻小鼠水平 更美妙的地方是，研究人员发现外泌体在抑制mTOR和清除衰老细胞方面的功效，甚至要优于直接注射干细胞。除了效果，再考虑到更小的副作用（甚至没有），更低的成本，外泌体有可能真的要成为凌驾于干细胞之上的抗衰老手段了。 外泌体可以影响多个过程、多种细胞促进皮肤的修复与再生。促进皮肤相关的成纤维细胞、角质化细胞再生，同时分泌胶原蛋白、弹性纤维蛋白和基质成分，达到修复皮肤的功能； 促进皮肤细胞生长营养供给所需的血管生成；抑制过度炎症反应；抑制疤痕形成！ 讲到这里，小伙伴要问了，我们在哪里可以得到外泌体？这是个好问题，小编这里想要科普和说明的是，外泌体来源于干细胞，外泌体是纳米级形态，需要大量的培养细胞，通过超级离心（100000g离心）等提取纯化技术才能获得到外泌体。 参考文献： [1]. Kalluri, R., & Lebleu, V. S. (2020). The biology, function, and biomedical applications of exosomes. Science, 367(6478). doi:10.1126/science.aau6977 [2]. Furuta, T., Miyaki, S., Ishitobi, H., Ogura, T., Kato, Y., Kamei, N., . . . Ochi, M. (2016). Mesenchymal Stem Cell-Derived Exosomes Promote Fracture Healing in a Mouse Model. STEM CELLS Translational Medicine, 5(12), 1620-1630. doi:10.5966/sctm.2015-0285 [3]. Fan XL, Zhang Y, Li X, Fu QL. 2020. Mechanisms underlying the protec- tive effects of mesenchymal stem cell-based therapy. Cell Mol Life Sci. 77(14):2771–2794. [4]. Shi, H., Zeng, J., Shi, S., Giannakopoulos, H., Zhang, Q., & Le, A. (2020). Extracellular Vesicles of GMSCs Alleviate Aging-Related Cell Senescence. Journal of Dental Research,002203452096246. doi:10.1177/0022034520962463 [5]. un JI, Lau LF. The matricellular protein CCN1 induces fibroblast senescence and restricts fibrosis in cutaneous wound healing. Nature Cell Biol. 2010; 12:676–685. [6]. Becker, T., & Haferkamp, S. (2013). Molecular Mechanisms of Cellular Senescence. Senescence and Senescence-Related Disorders. doi:10.5772/54120 [7]. Deursen, J. M. (2014). The role of senescent cells in ageing. Nature, 509(7501), 439-446. doi:10.1038/nature13193 |
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