Cell专栏：没想到缺氧竟然也能抗衰老、提高化疗效果...
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背景介绍
细胞的衰老是一种由破坏性信号触发的增殖停滞的状态，衰老细胞在衰老过程中持续存在，主要表现为形态扩大、细胞核和染色质重构、高溶酶体活性、易凋亡以及复杂的、由转录调控的分泌行为，统称为衰老相关的分泌表型 (Senescence-associated secretory phenotype, SASP)。SASP 包括多种细胞因子、趋化因子、蛋白酶和生长因子，它们可以通过促炎反应，促进衰老相关的病理特征。
SASP 受环境因素的影响，而在体内，一个主要的环境变量是氧含量，它在组织之间和组织内部是不同的。随着物种进化，哺乳动物细胞已能够通过不同的代谢途径迅速适应氧含量的变化。比如说，在低氧条件下，细胞通过激活 AMPK 信号通路和抑制 mTOR 的活性，从而使细胞的代谢模式由氧化磷酸化转变为糖酵解，并刺激血管生成。
前期也有研究表明，氧含量对衰老的发生有显著影响。低氧环境能够显著延缓培养细胞的各种类型的早衰，而极低氧 (0.2%) 则可以通过抑制 mTOR，使应激细胞保持静止状态，从而防止细胞衰老。然而，有关生理性缺氧中衰老相关表型调控的研究尚缺乏，仍待更加深入的探究。
2021 年 4 月 6 日，来自荷兰格罗宁根大学医学中心等单位的研究人员在 Molecular Cell 在线发表了题为 Physiological hypoxia restrains the senescence-associated secretory phenotype via AMPK-mediated mTOR suppression 的文章， 该研究证明了生理性缺氧环境中衰老细胞表达较低水平的促炎症因子 SASP。
机制层面，他们发现衰老细胞暴露在低氧条件下会使其 AMPK 通路激活，进而抑制 mTOR-NF-kB 信号通路。最后，利用模拟缺氧的化合物治疗可以显著降低细胞和组织中的 SASP，并提高化疗效果和衰老小鼠的状态。
总之，该研究强调了氧含量作为调控促炎 SASP 表达的重要性，并提供了一种潜在的减少衰老细胞引发的有害旁分泌的治疗策略。
图片来源：Molecular Cell
研究内容
缺氧抑制原代培养细胞的 SASP
首先，研究人员使用基因毒性药物阿霉素 (doxo) 处理人原代皮肤成纤维细胞 (BJ)，并以 1%（缺氧） 或 5%（常氧）的氧气浓度培养细胞。结果发现，在 doxo 处理后，缺氧和常氧状态下的细胞均丧失了增殖能力，表现为细胞增殖能力急剧下降的衰老表型；而缺氧和常氧的非衰老细胞则保持了相似的生长速度。
与此同时，doxo 处理的缺氧细胞出现了各种与衰老相关的特征，包括衰老相关的 β-半乳糖酶活性增强，持续的 DNA 损伤反应 (DDR)，以及形态学的扩大。
图片来源：Molecular Cell
随后，他们检测了 SASP 的表达水平，结果发现，与常氧条件下培养的细胞相比，缺氧及 dox 处理的 BJ 细胞表达较低水平 IL-6、CXCL1、CXCL10、CCL2, CCL5, IL-1α 和 IL-1β，这些均属于 SASP 促炎因子。因此，上述这些数据表明，低氧环境降低了促炎症的 SASP 的激活和建立，而不影响其他与衰老相关的特征。
图片来源：Molecular Cell
生理性低氧环境下衰老细胞的 SASP 较低
上述的实验是在体外的细胞培养体系下进行的，接下来，研究人员评估了生理条件下暴露于不同氧含量的组织和组织区域中 SASP 的表达。他们将自然衰老的老鼠作为研究模型，这些老鼠几乎在每个器官中都会积累衰老细胞。
前期的研究表明，老鼠皮肤的表皮层含氧量约为 1%，而在肝脏中的氧分压可达 7% ，这也就为研究生理条件下不同氧水平环境下衰老细胞 SASP 的表达提供了基础。检测结果显示，衰老小鼠肝脏（相对高氧）中各种 SASP 因子的蛋白和 mRNA 水平均显著升高，这和体外实验结果是一致的。
除此之外，肾脏存在组织内的生理氧压梯度，即从肾髓质的约 1.5% 到肾皮质区约 9% 的氧分压。免疫组化染色分析显示，通过测定含脂褐素 (GL13) 细胞的数量，衰老细胞在老年小鼠不同肾脏区域相当。然而，SASP 标记物 IL-6 和 CXCL1 在低氧分压的肾髓质的表达却显著低于皮质区，这一结果与人肾活检标本中测得的数据一致。这些数据表明，在小鼠和人类中，组织的生理性缺氧与 SASP 促炎因子表达的显著降低相关。
图片来源：Molecular CellSASP 抑制由 AMPK 介导
那么导致这种表型的内在分子机制又是什么呢？有研究报道，在 DNA 损伤诱导的衰老中，转录因子 NF-kB 在 DNA 损伤反应期间参与并调节 SASP 促炎因子的转录。因此，他们也测量了 BJ 细胞经 doxo 处理后 NF-kB 的转录活性，发现在缺氧时有增加，但没有统计学显著性。
mTOR 是蛋白质合成的关键调节通路，其活性受机体营养状态的调节，并受能量耗竭的抑制，如缺氧。通过测量肾脏切片中 mTOR 活性（磷酸化核糖体蛋白 S6 的水平），观察到皮质区 (相对高氧区域) 出现了显著的活性增强。Western blot 结果也证明了体外体系中高氧环境中的衰老细胞出现 S6 磷酸化和 S6 激酶的高水平，但这种信号在低氧下培养的细胞中却不存在。
图片来源：Molecular Cell
上述的实验证明，低氧环境下的衰老细胞表现为 mTOR 通路的下调，而 mTOR 通路的抑制可由多种机制实现，包括 AMPK，一种在低氧环境中帮助维持能量平衡的传感器。此前有报道指出，二甲双胍是一种具有激活 AMPK 等多种分子功能的抗糖尿病药物，可降低常氧衰老细胞的 SASP。
因此，研究人员通过基因过表达或选择性 AMPK 激活剂 A769662 对细胞进行处理，结果发现，在常氧衰老细胞中上调 AMPK 活性时，观察到衰老细胞中各种 SASP 因子 mRNA 水平的下降；而在缺氧条件下，衰老细胞表达更高水平的磷酸化的 AMPK。
那么，缺氧是否通过引起 AMPK 活性的增强进而阻止 mTOR 信号通路及 SASP 的表达呢？通过外源性添加抑制 AMPK 活性的药物 dorsomorphin，发现可以恢复 mTOR 信号及 SASP 因子的表达。因此，这些数据表明，在生理性缺氧条件下，通过 AMPK 介导的 mTOR 信号的抑制，是 SASP 促炎因子表达和分泌受抑制的内在机制。
图片来源：Molecular Cell
缺氧模拟化合物降低原代培养和体内 SASP 的水平
鉴于暴露在缺氧条件下的衰老细胞足以削弱 SASP 的表达，研究人员借助低氧模拟化合物（罗沙司他），以检测其是否也会产生类似的抑制作用。首先，缺氧模拟药物治疗的确能够增加缺氧标志物如 MIF-1 和糖酵解标志物 GLUT1 的表达。另外，缺氧模拟治疗还可以显著降低各种 SASP 因子的 mRNA 水平，而这种减少与 mTOR 信号和 NF-kB 活性的降低有关。
图片来源：Molecular Cell
最后，为了评估缺氧模拟药是否能在体内实现 SASP 抑制，他们使用了两种不同的衰老小鼠模型，发现罗沙司他治疗可显著降低肝、肾皮质区 SASP 的表达，在减少 mTOR 信号的同时改善肌肉力量。
图片来源：Molecular Cell
研究总结
促炎因子 SASP 的表达和分泌对细胞的衰老具有两面性，一方面，它是一种有利于衰老细胞清除、促进组织再生和重塑的免疫监测机制；另一方面，它产生的慢性炎症环境可以导致组织功能障碍，进而影响机体性能。
先前的研究表明 mTOR-NF-kB 轴是促炎因子 SASP 转录的重要调控机制，该研究也证明了在缺氧条件下衰老细胞无法激活 mTOR，从而导致 NF-kB 和 SASP 表达的减少。此外，他们还发现，缺氧环境中衰老细胞中的 mTOR 活性降低是由 AMPK 介导的。同时，间歇性使用模拟缺氧的化合物可以减少过早衰老或自然衰老小鼠的 SASP 表达，而不会干扰衰老细胞的生存。
综上所述，这项研究揭示了衰老相关表型是如何在不同氧条件下调节促炎性 SASP 的生成，并提供了衰老和抗炎作用之间可能的联系，可以为进一步的临床治疗提供理论基础，比如：缺氧模拟治疗或间歇性暴露于缺氧条件，以对抗衰老细胞的有害影响。
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