细胞衰老和皮肤衰老的生物标志物

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细胞衰老是一种由损伤性刺激引起的不可逆的生长停滞，包括DNA损伤、端粒缩短、细胞功能障碍或致癌应激等都会引起不同程度的细胞损伤性刺激。从老化组织或肿瘤前病变组织中去除衰老细胞，可以延缓组织功能障碍，延长健康寿命。
衰老研究领域的一个重大难题是鉴定一种有助于在体外和体内明确检测和定量衰老细胞类型的通用生物标志物。本文讨论了在不同皮肤部位和细胞类型中，生物标志物用于检测衰老的效用，以及他们如何导致皮肤衰老和年龄相关的皮肤病理的各种表现。
1、细胞衰老和器官衰老
在细胞水平上，衰老最早是由Hayflick和Moorhead(1961)提出，他们证明了哺乳动物体细胞具有有限的细胞分裂倾向，随后进入细胞衰老的不可逆生长停滞。
如今研究发现几种类型的细胞应激源可以触发衰老，包括端粒缩短和功能障碍，癌基因诱导的衰老(OIS, oncogene-induced senescent)，染色质结构的变化和表观遗传应激，氧化应激，线粒体功能障碍，DNA损伤检查点的持续激活等。衰老细胞会在衰老组织和器官中积累，从而损害包括再生在内的生理过程，并导致器官衰老。
2、衰老生物标志物
◆衰老的细胞显示出扩大和扁平的形状，以及衰老相关的β-半乳糖苷酶(SA-β-gal)活性升高，是鉴定培养物和组织样本中衰老细胞的金标准。
除此之外，还有多种与细胞衰老相关的生物标志物，如：
◆细胞周期调节因子p16-INK4a,p21-Cip1和p53，常用于检测衰老细胞；
◆与全异染色质丢失有关的特征标记物H3K9me3和H3K27me3；
◆层粘连蛋白B1，一种在所有体细胞中表达的中间丝蛋白，层粘连蛋白B1的丢失是细胞衰老过程中一种潜在的重要生物标志物；
◆伴随着与衰老相关的染色质组织丢失，细胞衰老过程中总DNA甲基化和DNA甲基转移酶DNMT1表达下降。这些改变的DNA甲基化特征可基于细胞的发育潜力区分细胞，并可用于预测时间和生物学年龄；
◆持续性DNA损伤是细胞衰老的关键触发因素，可通过端粒相关病灶，线粒体DNA和染色质修饰加以识别；
◆衰老相关分泌表型(senescence-associated secretory phenotype, SASP) 衰老细胞通过分泌SASP来调节其环境，包含炎性细胞因子、趋化因子、基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases, MMPs)和生长因子。其中，HMGB-1是在组织损伤信号传导中重要的炎性介质，在衰老细胞中，HMGB-1从细胞核转移到细胞质和细胞外间隙，促进IL-1β、IL-6和MMP3等SASP因子的释放。
                                                             衰老细胞的生物标志物特征变化





衰老细胞的生物标志物特征变化图



衰老细胞的生物标志物特征变化图

3、皮肤衰老
皮肤衰老是一个多因素过程，它由内源性(如时间、遗传因素、激素)和外源性(如紫外线照射、污染)因素共同驱动。固有或随时间老化的特征包括可见表征，如皮肤薄而干燥、细小皱纹、弹性下降、异常色素沉着、头发变白和脱发等。



（皮肤衰老的形态变化）



（皮肤衰老的形态变化）

除了随时间老化外，暴露于阳光、污染物和香烟烟雾等外在因素也会加速皮肤老化。
1、光损伤皮肤的一个关键组织学标志是无定形弹性纤维的积聚(日光性弹性组织病变)，伴有真皮中碎裂和紊乱的胶原。太阳弹性丧失可能是弹性和原纤维蛋白产生受损、衰老细胞分泌的MMPs分解作用增强的结果，或紫外线暴露的直接结果。在体外，UVB暴露的皮肤细胞类型(成纤维细胞、角质形成细胞)表现出DNA损伤、细胞周期停滞和表达衰老生物标志物，如增加的SA-β-gal活性、p16-INK4a、p21-Cip1、p53活化和层粘连蛋白B1下调；在体内，UVB慢性低剂量暴露导致小鼠表皮内DNA损伤和层粘连蛋白B1-低衰老细胞积聚，但真皮内不积聚，毛囊中的干细胞数量减少，以及表皮和毛囊干细胞区域中的p21-Cip1累积。
2、烟草提取物在体外对皮肤和口腔成纤维细胞的应用触发了衰老的几个标志，包括过早的细胞周期阻滞、氧化DNA损伤、炎性细胞因子和MMPs的分泌以及细胞连接蛋白E-钙粘蛋白和紧密连接蛋白(zonula occludens 1, ZO-1)的下调。
3、遗传性疾病通过DNA复制、修复或信号传导受损以及在不可修复的位点如端粒处的DNA损伤而积累的持续性DNA损伤，导致细胞早衰和加速皮肤衰老，甚至发展为皮肤癌。这些表型可以在患者来源的成纤维细胞、基于细胞或基于iPSC的疾病模型和小鼠模型中体现。
                                                   常用的生物标志物及其体内体外模型


4、细胞衰老的多重影响
细胞衰老是把双刃剑：一方面，衰老细胞的聚集可能导致各种年龄相关性并发症；另一方面，复制衰老（replicative senescent,RS)  和癌基因诱导衰老(oncogene-induced senescent,OIS）抑制不受控制的细胞增殖，所述细胞具有肿瘤前转化的风险，从而限制肿瘤发生。
以SASP为例，众多关于抗衰老的研究，旨在防止衰老细胞在衰老组织中积聚。然而，涉及阻断p16-INK4a和p53，或激活端粒酶以延长细胞增殖能力，这不可避免地会增加癌症风险。更安全的方法可能是从组织中选择性地消除衰老细胞或调节其功能(特别是SASP)。除了促进非细胞自主生长抑制外，SASP有助于募集免疫细胞，相关免疫细胞产生对衰老细胞有重要意义的抗肿瘤微环境。
迄今为止，大多数SASP研究集中于真皮成纤维细胞，对其他皮肤常驻细胞类型(包括黑素细胞、角质形成细胞或来自皮肤附件的细胞类型，如皮脂细胞)的SASP效应知之甚少。在皮肤衰老的研究中，由于这些不同细胞类型之间的相互作用对于调节皮肤功能至关重要，因此与皮肤相关的色素沉着、屏障功能、皮脂生成、伤口愈合和癌症进展中更应关注细胞类型之间的相互作用。
5、结论
检测衰老细胞的改进方法和对衰老如何影响细胞功能的更好理解将使我们能够确定它们如何促成各种与年龄相关的皮肤变化和病理，包括受损的伤口愈合和肿瘤发生。此外，在动物模型和三维重建皮肤器官型中仔细评估衰老药物将有助于成功翻译衰老药物，干预并治疗皮肤衰老。


来源：doi:10.3389/fgene.2018.00247
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