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细胞衰老与肿瘤相关研究进展

2024-01-10 75 上传者：管理员

摘要：衰老是一种持久的、不可逆的生长停滞状态，往往伴随着形态结构的改变、功能的减退以及衰老相关表型的分泌。近年来，越来越多的研究证实细胞衰老与肿瘤进展密切相关。本文就细胞衰老与肿瘤的关系，以及通过调控衰老治疗肿瘤的相关研究进展进行综述。

关键词：
SASP
免疫逃逸
细胞衰老
肿瘤进程
调控衰老
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中国国家癌症中心发布的最新癌症数据显示：2016年我国癌症新发病例数和死亡病例数分别为406.4万例和241.4万例[1],形势严峻。目前，除了手术治疗以外，以化疗为主的综合治疗是主要手段。研究表明，化疗可使胃癌IV期患者的中位生存时间从6个月延长到30个月[2],使失去手术机会的肿瘤患者获得更长的生存时间以及更好的生活质量。即便如此，肿瘤患者的病情并不能得到完全缓解，因此寻求应对肿瘤的有效疗法和药物迫在眉睫。

细胞衰老这一概念由美国生物学家HAYFLICK首次提出[3]。20世纪60年代，HAYFLICK 将人胚胎成纤维细胞进行体外培养，发现即使在最合适的培养条件下，成纤维细胞也不能无限次地增殖，而是在分裂了大概50代后就停止。他将所观察到的这种持久的、不可逆的生长停滞状态定义为衰老，其特征为稳定的细胞周期阻滞、形态结构(例如细胞扩大或扁平)和功能减退或丧失。细胞衰老可以阻止细胞增殖，一度被认为是阻止癌细胞恶性行为的有效手段。然而值得注意的是，持续的细胞衰老会导致大量衰老相关分泌表型(senescence-associated secretory phenotype, SASP)生成，促进邻近非衰老细胞增殖，引发免疫逃逸。不仅为肿瘤的发展创造了有利的微环境，还可以引起肿瘤治疗抵抗等诸多问题[4,5,6]。因此，深入探讨细胞衰老的形成机制，寻找靶向治疗衰老细胞的药物，并消除其带来的不利影响，可能是肿瘤治疗的新策略。

1、衰老的不同类型及其形成机制

1.1 复制性衰老

复制性衰老与端粒密切相关。端粒[7]是由位于染色体末端的DNA重复序列以及结合在这段序列上的核蛋白复合物所组成的结构，具有维持基因组稳定性的作用。细胞在增殖过程中不断地发生分裂，导致端粒缩短，当端粒DNA缩短到一定程度时，细胞会自动开启衰老程序，引发复制性衰老，因此复制性衰老又被称为端粒缩短诱导的细胞衰老[8]。常见的复制性衰老如在体外培养成纤维细胞，经过数次细胞分裂后，会呈现出增殖减缓、生长变慢、分化功能丧失等衰老表现[9]。

1.2 DNA损伤性衰老

近年来，肿瘤治疗技术的提高使得患者的生存率持续增加[10]。放疗和化疗是肿瘤治疗的主要方式，可以分别通过放射线、化学药物抑制快速增殖的肿瘤细胞，从而发挥杀伤作用，成为导致DNA损伤的因素。持续的DNA损伤会触发信号级联，驱动细胞进入衰老状态[11],以避免受损的基因组被复制，这一过程叫做DNA损伤性衰老[12]。研究表明[13,14],在DNA修复缺陷小鼠的组织中，受损的DNA迅速积累，从而导致小鼠出现衰老，这一研究支持了DNA损伤引发衰老的观点。另外研究发现，在使用上述治疗方法后，肿瘤病变部位及其周围的细胞发生了不同程度的衰老现象[15,16]。例如，蒽环类化疗药物会导致乳腺癌患者外周T细胞中p16INK4a-细胞衰老生物标志物表达量显著增加[17,18],孙宇等通过体内外实验证明化学治疗药物可以引起肿瘤微环境中的基质细胞被动进入衰老状态[4,5,6]。

1.3 癌基因诱导性衰老

癌基因诱导性衰老是指细胞受到癌基因(Ras、PTEN等)刺激后出现生长停滞的现象[19,20]。例如，致癌基因Ras可诱导体外培养的人原代肺成纤维细胞IMR90发生癌基因诱导性衰老[14],还可与ASPP2的N端结合，增强Raf/MEK/ERK通路的激活，促进正常人成纤维细胞和新生儿表皮角质形成癌基因诱导性衰老[21]。同时，致癌基因BRAF可以诱导人神经干细胞发生衰老[22]。有趣的是，不仅致癌基因的激活可以诱导细胞进入衰老程序，抑癌基因的缺失亦可以引发癌基因诱导性衰老，例如，抑癌基因PTEN的缺失可以诱导肺泡上皮细胞衰老[23]。

1.4 氧化应激性衰老

氧化是机体的一种化学反应，会产生大量的自由基。虽然机体有天然的抗氧化系统来对抗自由基的影响，但当氧化与抗氧化作用失衡时，自由基会破坏构成DNA、蛋白质和脂质的分子，引起组织损伤，破坏修复过程，从而导致氧化应激[24]。氧化应激往往伴随着中性粒细胞炎性浸润、蛋白酶分泌增加、大量氧化中间产物的产生，被认为是诱导衰老(即氧化应激性衰老)[25]的重要因素。有研究表明，氧化应激可以加速人原代软骨细胞的端粒缩短和细胞衰老[26]。

1.5 线粒体功能障碍相关衰老

因线粒体在细胞能量转化过程中起着关键作用，其功能障碍亦是引发衰老(即线粒体功能障碍相关衰老)的始动因素[27]。线粒体功能障碍相关衰老的特征主要包括：NAD+(NAD 的氧化形式)与NADH(NAD的还原形式)的比值降低、活性氧物质增加、ATP 合成减少、线粒体DNA损伤、线粒体形态结构的改变和动力学失衡。2018年Nature子刊《Cell Death & Disease》报道显示[28]:通过修复线粒体DNA,恢复线粒体功能，可以逆转线粒体DNA耗竭小鼠的衰老相关表现(皱纹、脱发等),证明修复线粒体功能可能是衰老的可逆调节剂。

1.6 旁分泌性衰老

由临近的衰老细胞分泌的SASP因子介导的非细胞自发性的细胞衰老即为旁分泌性衰老[29]。目前结合定量蛋白质组学和小分子筛选，已经鉴定出了多种介导旁分泌性衰老的SASP组分，主要包括细胞因子和趋化因子(例如IL1α、IL1β、IL6、IL8、CXCL1、CXCL2)、生长因子(例如双调蛋白、EGF、BMP、FGF、VEGF、Wnt)、细胞外基质成分(例如纤连蛋白)和蛋白酶(例如MMP、纤溶酶原激活剂),以及外泌体样小细胞外囊泡[30,31,32,33,34,35]。研究表明[36],经辐射诱导的衰老的骨髓间充质干细胞，可以通过旁分泌SASP的方式，加重成骨细胞分化功能障碍，衰老的不同类型及其形成机制，见图1。

图1 衰老类型及机制

2、细胞衰老与肿瘤进程

2.1 细胞衰老与肿瘤发生发展

虽然细胞衰老是细胞停止分裂，失去增殖能力的过程，在一定程度上发挥了抑瘤的作用，并且衰老细胞分泌的SASP因子，可以通过募集免疫细胞以促进免疫清除，进一步增强了抑瘤作用，但当衰老细胞的数量迅速增多，超过免疫细胞的清除速度时，SASP因子的大量积累会促进肿瘤细胞的生长[37]。NACARELLI T 等[38]研究发现，衰老细胞可以通过HMGA-NAMPT-NAD+信号通路，增强糖酵解和线粒体呼吸功能，引起更多的SASP分泌，改变肿瘤微环境，促进肿瘤发展。YASUDA T等[39]研究发现促炎细胞因子驱动肿瘤相关成纤维细胞衰老，分泌大量的SASP因子，通过JAK/STAT3信号通路，促进胃癌小鼠的腹膜转移。此外，衰老的成纤维细胞还可以通过旁分泌的方式，激活MMP-PAR-1信号通路，诱导早期皮肤癌的发生[40]。

2.2 细胞衰老与抗肿瘤免疫反应

机体的免疫系统具有强大的免疫监视功能，可以通过特异地清除体内“非己”细胞，抑制肿瘤的发生发展。然而，肿瘤细胞可通过多种方式逃避免疫系统的识别和攻击，从而维持其恶性增殖，即发生免疫逃逸。其中，细胞衰老在肿瘤免疫反应中发挥了重要作用。研究显示[41,42,43]多种应激源如缺氧、活性氧，会诱导肿瘤细胞发生衰老，衰老后的细胞可以通过SASP,募集免疫细胞以促进自身的免疫清除，从而增强机体的抗肿瘤免疫反应。同时，衰老的癌细胞还可以通过激活干扰素信号传导，增强MHC I类分子以及激活CD8+ T细胞的衰老特异性自身肽，高效激活树突状细胞和抗原特异性CD8+ T细胞，增强抗肿瘤免疫反应[44]。此外，有报道显示[45]在肝癌发生的早期阶段，癌基因诱导肝细胞衰老后，可通过CCL2/CCR2信号通路激活抗肿瘤免疫，起到肿瘤抑制作用。然而在肝癌晚期阶段，肿瘤周围组织中的衰老细胞可以引起NK细胞抑制，反而对小鼠肝细胞癌的生长发挥促进作用。

此外，胸腺是T淋巴细胞发育、分化、成熟的场所，是人体重要的免疫器官。研究显示[46],胸腺退化引起免疫系统衰老，T细胞发育、分化、成熟受限，从而促进肿瘤发生。然而一项有趣的研究表明[47],与年轻小鼠相比，老年小鼠的杀伤性T细胞显示出更快的溶解靶细胞的动力学，穿孔素和颗粒酶分析水平显著增加，可以快速进入细胞并启动靶细胞的细胞凋亡程序。但是，因为老年小鼠的免疫系统也在不断老化，形成的记忆CD8+ T细胞的数量也在减少，因此可用于抵御入侵病原体攻击的杀伤细胞数量减少。至此，免疫细胞衰老对于肿瘤进程究竟是促进还是抑制作用，仍待进一步探究。

2.3 细胞衰老与肿瘤干细胞

肿瘤干细胞是指肿瘤中的一小群具有无限增殖潜能的、能重建肿瘤发生的细胞。细胞衰老是机体维持稳态的重要机制，当机体严重受损时，细胞会启动基因重编程，诱导受损细胞进入衰老状态，使其分裂停止，防止潜在的有害细胞进一步增殖[48],这是大多数化疗药物发挥作用的机制[49,50],因此，癌细胞衰老对于抗肿瘤治疗来说是有益的。然而，许多与细胞衰老密切相关的基因，同时在干细胞活性的调节网络上占有重要地位，如p53蛋白，这使得衰老后的癌细胞获得干细胞的特性，从而表现出更强的恶性倾向[51]。MILANOVIC M等研究发现，化疗药物在诱导癌细胞进入衰老状态的同时，赋予了癌细胞的干性化活性，通过激活Wnt通路，使癌细胞具备了更强的增殖和侵袭能力[52]。在未来，应该更有针对性的清除衰老后的癌细胞，以阻止癌细胞通过衰老获得干细胞特性。

3、通过调控细胞衰老治疗肿瘤：衰老细胞清除疗法-肿瘤治疗的希望

3.1 抗衰老类药物-Senolytics

Senolytics, “seno”即“衰老”“lytic”即“摧毁”,Senolytics被直译为“摧毁衰老”,它是一大类能够通过干扰衰老细胞信号通路，暂时性使抗凋亡通路失效，从而选择性清除衰老细胞的药物。2015年由美国梅奥医学中心JAMES L.KIRKLAND博士团队提出[53],并报道了首个Senolytics类药物组合：达沙替尼(抗癌药物)和槲皮素(天然化合物),可以选择性地诱导衰老细胞死亡(达沙替尼可清除衰老的人脂肪细胞祖细胞，而槲皮素对衰老的人内皮细胞和小鼠骨髓干细胞具有杀伤作用)。WANG L等[54]将Senolytics应用于抗肿瘤的治疗中，将“诱导肿瘤细胞衰老-清除衰老细胞”作为抗肿瘤策略，发现联用“细胞衰老诱导剂+溴结构域包含蛋白2(bromodomain-containing protein 2,BRD2)抑制剂+死亡受体5(death receptor 5,DR5)激动性抗体”组合，可以清除更多的衰老的肿瘤细胞，从而提高衰老肿瘤细胞的清除效率，以改善由SASP的大量积累所引起的肿瘤细胞恶性行为学改变。

3.2 嵌合抗原受体T细胞疗法

嵌合抗原受体T细胞疗法又称CAR-T疗法，是英文chimeric antigen receptor T-cell immunotherapy的简称，即把人的T细胞经过基因工程手段进行体外修饰改造后，回输至患者体内以达到治疗疾病的目的，是一种新兴的肿瘤靶向治疗方法[55]。AMOR C等研究发现通过靶向衰老细胞的CAR-T细胞(针对衰老细胞表面特有受体-尿激酶型纤溶酶原激动剂受体),可以针对衰老细胞进行有效清除[56]。对于在肿瘤进程中发挥促进作用的衰老细胞，应用靶向衰老细胞的CAR T细胞疗法，或许可以达到更好的抑瘤效果。这不仅为抗癌药物的研发提供了方向，还丰富了肿瘤治疗的手段，为肿瘤患者提供了更多的治疗机会。

3.3 调控衰老相关通路抑制剂

通过调控衰老相关通路抑制剂亦可以进行抗肿瘤治疗。如JAK2/STAT作为一条经典的信号转导通路，广泛参与了肾小球系膜细胞、骨髓干细胞以及肿瘤细胞的衰老过程[57,58,59]。研究表明，WP1066(一种细胞渗透性的JAK/STAT3通路抑制剂),可有效抑制由衰老成纤维细胞诱导的胃癌细胞活性，逆转腹膜转移肿瘤形成[39]。

3.4 衰老细胞清除疗法的挑战

首先，需要考虑的是，衰老细胞清除疗法是否能够保证有害的衰老细胞被特异性地清除?前文已经提到，细胞衰老是一柄双刃剑，其因细胞类型、衰老诱导剂、组织来源和环境条件的不同，会产生不同(促瘤/抑瘤)的作用。只有识别特定的衰老细胞类型，才能有助于开发更特异、有效的肿瘤治疗方法。

其次，衰老细胞存在表型异质性，即因细胞类型和衰老刺激来源的不同，并非所有衰老生物学标记同时在一个衰老细胞之中表达。当前，已确定p16INK4a、p21WAF1/CiP1和SA-β半乳糖苷酶[60]等可用于鉴定衰老细胞，但这些标记并非特异，且单个生物学标记难以独立识别衰老细胞。因此，哪些生物标志物可精准、高效地用于检测体内衰老细胞，并评估衰老细胞清除疗法的疗效，仍然是亟待解决的问题。

最后，虽然衰老细胞清除疗法在肿瘤的治疗中已经显示出了希望，但是鉴于药物研发历史上世界范围曾多次出现重大的药物安全性事件(如20世纪30年代美国的“磺胺酏剂事件”[61]、20世纪60年代德国的“沙利度胺事件”[62]),药物的安全性仍是能否造福人类的前提。在未来，安全性仍是衰老细胞清除疗法“获益-风险评估”的重要基础。

4、总结和展望

本文从细胞衰老的角度，对肿瘤的治疗提供了新的思路。尽管近年来对衰老的研究已经取得了很大的进步，但是细胞衰老过程复杂，可因时间、空间和遗传环境改变，在肿瘤的发生发展和治疗中发挥不同的作用。因此，应进一步探索细胞衰老全程的动态变化，以及衰老细胞与肿瘤微环境之间的动态相互作用，以揭示细胞衰老及肿瘤发生发展的相关机制。此外，关注癌细胞及肿瘤微环境中的衰老表型，可能为肿瘤的诊断和预后评估提供潜在的生物标志物。综上，只有阐明衰老背后更详细的机制，衰老细胞与微环境之间的相互作用，以及衰老在癌症发展和治疗中的作用，才能使靶向衰老细胞在癌症的治疗当中发挥更大的价值。

基金资助:国家自然科学基金资助项目(编号:82074402,82305347);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目(编号:ZZ16-XRZ-037);

文章来源:王新苗,李杰,曹璐畅等.细胞衰老与肿瘤相关研究进展[J].现代肿瘤医学,2024,32(03):548-552.