综述：细胞衰老与心血管疾病中的细胞治疗

《Stem Cell Research & Therapy》：Cellular senescence and cell therapy in cardiovascular diseases

本综述系统阐述了细胞衰老在心血管疾病（CVD）中的关键作用及再生医学疗法（如间充质干细胞MSC、诱导多能干细胞iPSC）的应用前景。文章详细解析了衰老心肌细胞、内皮细胞、成纤维细胞等的特征及其通过p53/p21、p16INK4a等通路和衰老相关分泌表型（SASP）促进动脉粥样硬化、心肌梗死（MI）、心力衰竭（HF）等疾病的机制，并探讨了靶向清除衰老细胞（如使用senolytics）和干细胞移植等策略在逆转心脏衰老、促进再生方面的巨大潜力。

　　

引言

心血管疾病（CVD）是全球首要死因，每年导致约1900万人死亡，而衰老是其重要的风险因素。心血管系统的衰老表现为细胞间通讯改变、端粒缩短、线粒体功能障碍、干细胞耗竭、心肌细胞数量减少、纤维化增加以及心脏细胞增殖、分化和修复能力下降。这些变化导致组织和器官功能退化，增加个体对年龄相关死亡的易感性。衰老还会引起心血管系统的炎症和氧化应激，导致结构和功能异常，从而增高动脉粥样硬化、心肌梗死（MI）、肺动脉高压和心力衰竭（HF）等心血管疾病的风险。尽管已有显著进展，但衰老与心血管系统关系的许多方面仍不清楚。证据表明，细胞衰老在这些疾病的发展中扮演着关键角色。

细胞衰老的特征

细胞衰老最初由Hayflick和Moorhead于1961年定义。衰老细胞体积变大，形态扁平，表现出不可逆的增殖潜能丧失。这些细胞基因表达谱的变化导致其分泌多种促炎分子。衰老细胞在与衰老和年龄相关疾病相关的各种组织和器官中积累，被认为通过引发慢性炎症和组织重塑而致病。近期文献重点突出了两大衰老相关通路。端粒位于染色体末端，在细胞分裂过程中不完全复制，导致端粒缩短。当端粒缩短超出生理范围，会被识别为DNA损伤，并主要通过p53或p16^INK4a信号通路激活复制性细胞衰老。p16^INK4a在有丝分裂过程中也起关键作用，它调控细胞周期的G1/S期转换，有助于维持细胞增殖的准确性。另一种形式的细胞衰老是应激诱导的过早衰老（SIPS），由各种内外应激信号触发，包括氧化应激、辐射、致癌基因激活和代谢应激。研究表明，p53/p21和p16^INK4a信号主要在响应DNA损伤和端粒功能障碍时被激活，而p16^INK4a信号主要与促有丝分裂信号和一般细胞应激相关。IGFBP7是IGFBP家族成员，是一个应激反应基因，可响应氧化应激和DNA损伤而上调。IGFBP7-p53通路是一个关键的应激-衰老通路，对于调控细胞命运（如细胞周期停滞、衰老和凋亡）至关重要。

衰老细胞表现出多种形态和生化特征，有助于其检测。目前，尚无单一标志物能明确鉴定衰老细胞；通常需要结合多种标志物和分析技术来提高检测特异性。许多诱导衰老的应激源会激活p53/p21或p16^INK4a通路。然而，激活这些信号通路并不能提供细胞衰老的确凿证据。目前，衰老相关β-半乳糖苷酶（SA-β-gal）被广泛用作衰老细胞的标志物，其最适pH为6.0；但已知SA-β-gal活性在血清饥饿培养的成纤维细胞中也会增加。另一类敏感的衰老指标包括DNA损伤反应（DDR）基因产物，通常通过免疫荧光观察。最常用于此目的的DDR蛋白是Ser-139位点磷酸化的γH2AX，它在双链DNA断裂处积累，并促进双链断裂修复通路中相关蛋白的检测。端粒处的DNA损伤表明，心肌细胞和各种非心肌细胞，包括肌成纤维细胞、内皮细胞和血管平滑肌细胞，都参与了心血管系统的衰老。这些细胞在微环境中相互作用，改变心血管功能并促进疾病进展。此外，一些研究监测了与衰老相关分泌表型（SASP）相关的细胞因子分泌，其特征是广泛释放促炎物质。衰老细胞分泌的常见SASP因子包括白细胞介素（IL-6, IL-1β, IL-8）等信号分子。

总之，显示阳性衰老标志物的细胞被公认在年龄相关疾病病理进展中起因果作用。研究提供细胞衰老直接证据的生物标志物仍然是一个重要的研究领域。

心肌细胞

心肌细胞约占心脏细胞总数的25-35%。其细胞周期停滞不能轻易定义心肌细胞的衰老，因为它们是终末分化细胞。心肌细胞由于出生后环境中暴露于较高氧浓度触发的DNA损伤反应而发生细胞周期停滞。积累的环境表明这些细胞保留了增殖能力。据报道，心肌细胞更新率每年<1%。衰老心肌细胞与正常心肌细胞相比，在功能、形态和代谢上存在显著差异。衰老心肌细胞的标志包括线粒体功能障碍、DNA损伤、收缩功能障碍、内质网（ER）应激、SASP和肥大性生长。P53促进线粒体功能障碍并抑制Parkin介导的线粒体自噬，导致活性氧（ROS）积累和端粒损伤，这是罕见分裂的终末分化细胞中DNA损伤的常见特征。DNA损伤诱导的聚[ADP-核糖]聚合酶1（PARP1）激活调控收缩功能障碍并积累ER应激。同时，也有报道称p53信号在血管内皮细胞中的激活会诱导心脏炎症并加剧心功能障碍和重塑。SASP在通过多种机制和病理变化影响心脏功能方面也起着至关重要的作用。衰老心肌细胞分泌可溶性信号因子、蛋白酶以及不溶性蛋白或细胞外基质（ECM）成分，包括IL-1、IL-6、TNF-α、Edn3、GATA4、GDF15、CCN1、MCP-1、TGF-β、基质金属蛋白酶（MMPs）和丝氨酸蛋白酶。SASP对于衰老信号从非心肌细胞传递到心肌细胞至关重要，从而调控心肌功能。衰老心肌细胞的收缩力和传导模式功能障碍可导致心肌病和室性心律失常。心肌细胞肥大与衰老相关。Anderson团队发现，在啮齿类动物中，心肌细胞内独立的端粒损伤导致与非经典SASP相关的促纤维化和促肥大反应因子。然而，SASP在特定条件下也提供保护作用。Cui团队最近研究表明，衰老心肌细胞在缺血条件下表现出保护性反应，通过GATA结合蛋白4（GATA4）依赖的细胞通讯网络因子1（CCN1）分泌增强心脏功能，防止急性MI后的纤维化改变和心功能障碍。

心脏成纤维细胞

成纤维细胞被认为是心脏的主要细胞成分。近期研究表明它们约占心脏细胞的10%。研究指出成纤维细胞有助于在生理和应激条件下维持心脏的稳态。机械微环境的转变可诱导成纤维细胞转化为肌成纤维细胞，其特征是表达α-平滑肌肌动蛋白（αSMA）。肌成纤维细胞兼具成纤维细胞和平滑肌细胞的特征，在心脏损伤后参与组织替代和间质纤维化。衰老心脏成纤维细胞呈现双刃剑效应：虽然它们能减少胶原蛋白表达并缓解慢性纤维化，但也限制了心脏重塑能力。研究表明，成纤维细胞通过p53/p21和p16/Rb通路调控心脏纤维生成。与心肌细胞类似，在SASP的影响下，通过CCN1和GATA4的心肌趋向性表达诱导心脏成纤维细胞衰老具有心脏保护作用，能减少纤维化并改善心脏功能。

内皮细胞

内皮细胞占心脏细胞的35%，其中超过95%是血管内皮细胞，其余为淋巴管内皮细胞。血管内皮通过释放细胞因子维持血管平衡来调节血管系统功能和健康。然而，功能失调的内皮失去这种调节能力，导致血管收缩、氧化、促炎和促血栓形成环境。内皮功能障碍通常是CVD的指标。衰老内皮细胞表现出常规的衰老特征，如DNA损伤、线粒体功能障碍、复制停滞、氧化还原稳态破坏、一氧化氮（NO）产生减少和氧化应激增加。与年龄相关的一氧化氮合酶（eNOS）功能障碍导致四氢生物蝶呤（BH4）和L-精氨酸减少，从而损害血管生成并破坏代谢通路，如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）生物合成和sirtuin 1（SIRT1）功能。改变的肾素/血管紧张素系统（RAS）和eNOS解偶联导致血管收缩应激和血管炎症。P53因子也参与内皮细胞衰老并对其调控机制有重要贡献。一项研究表明，内皮细胞中p53的敲低可缓解毛细血管稀疏，增强心脏功能，并减少心脏纤维化重塑。

血管平滑肌细胞

血管平滑肌细胞（VSMCs）是血管中膜层的主要细胞，对血管功能（如收缩、舒张、血压调节和动脉重塑）至关重要。VSMCs易受DNA损伤、炎症、氧化应激和血管紧张素II（Ang II）影响，导致衰老。衰老VSMCs表现出与其他衰老细胞相似的特征，包括生长停滞、信号通路改变以及标志物如SA-β-Gal升高、低磷酸化视网膜母细胞瘤蛋白（RB）和p16/p53/p21表达。衰老VSMCs的独特之处在于表型从收缩型向合成型转变，涉及特定信号通路的改变。

衰老VSMCs发展出SASP，其特征是慢性释放促动脉粥样硬化细胞因子和活性基质金属蛋白酶-9（MMP9）。它们还产生炎性细胞因子如CCL2、CCL3/4和IL-1/6/8，同时抗炎细胞因子和胶原蛋白下调。衰老VSMCs存在于老化血管、晚期动脉粥样硬化病变以及其他与血管老化相关的疾病中，如腹主动脉瘤（AAA）、高血压和糖尿病。Ang II诱导的VSMC衰老由ROS产生增加驱动。这些衰老VSMCs导致各种血管损伤，需要进一步研究。

免疫细胞

免疫细胞占心脏非心肌细胞的7%，包括0.3%的T细胞、0.8%的B细胞和7%的髓系细胞。免疫细胞在心血管衰老中的作用是复杂的，它们识别并清除功能失调的衰老细胞，同时自身也会衰老，导致免疫能力下降和慢性炎症。免疫衰老的特征是年龄相关的记忆T细胞积累、初始T细胞减少、抗原反应减弱以及持续的低度炎症。衰老T细胞经历遗传和表观遗传变化、蛋白质稳态丧失和胸腺萎缩。它们通常分化为记忆T细胞，产生更多的促炎细胞因子，加剧炎症。衰老T细胞的SASP包括IL-18、IFN-γ、肿瘤坏死因子（TNF）和骨桥蛋白，这些因子导致慢性炎症。T细胞受体（TCR）库减少、记忆T细胞积累和T细胞效率降低损害免疫反应，促进动脉粥样硬化和其他CVD。此外，衰老T细胞清除病原体和凋亡细胞的能力下降，导致血管中有害物质的积累。

晚期记忆B细胞随年龄增长而增加，显示出促炎能力和低增殖能力。它们还表达抑制性受体，从而降低B细胞受体信号、增殖和抗体产生。高亲和力抗体产生功能障碍会损害免疫反应，加剧动脉粥样硬化和其他CVD。髓系细胞随年龄增长而增加，在血液、骨髓和次级淋巴器官中积累，它们通过激活有缺陷的磷脂酰肌醇3-激酶-蛋白激酶B通路（PI3K-Akt）信号来损害T细胞功能，并促进免疫衰老。这种髓系偏移削弱了适应性免疫，包括T细胞介导的反应，并加剧慢性炎症，这是心血管疾病的关键驱动因素。

总之，衰老免疫细胞通过促进慢性炎症和损害免疫反应在心血管疾病中发挥作用。理解它们在心血管系统中的作用可以为制定延迟或预防年龄相关性心血管疾病的治疗策略提供信息。

心血管疾病中调控衰老的因素

内源性和外源性因素共同导致心血管衰老，包括但不限于环境、代谢、炎症和遗传因素。衰老过程的特点是生理系统复杂性降低，这削弱了对外部刺激的反应能力，并增加了年龄相关性心血管疾病的风险。

动脉粥样硬化

动脉粥样硬化的定义是受累动脉的病变始于内膜，随后是脂质积聚、纤维组织增殖和钙沉积，导致动脉中层进行性变性和钙化，继而发生斑块内出血、斑块破裂和局部血栓形成。在动脉粥样硬化发展早期，脂质和巨噬细胞与来自中膜的VSMCs一起聚集在血管内皮外空间。颈动脉随着老化显示血管壁显著增厚。

在衰老相关的动脉粥样硬化中，VSMCs、ECs和炎症细胞等不同衰老细胞表现出显著差异。它们共享几个特征，包括端粒缩短、DNA损伤和SASP。研究表明，一些心血管因素促进了动脉粥样硬化的病理过程。体内，意义未明的克隆性造血（CHIP）增加了IL-6的表达并加速了动脉粥样硬化循环。即使存在大的CHIP克隆，减少的IL-6信号也会降低CVD风险。MMPs是一个高度受炎症信号（包括血管紧张素II）激活的锌依赖性内肽酶家族。激活的MMPs可以降解胶原蛋白、弹性蛋白和其他细胞外分子，可能对动脉壁的老化和动脉粥样硬化效应有贡献。在一项病例队列分析中，动脉粥样硬化患者的MMP-9水平显著高于非患者。如上所述，内皮功能障碍与动脉粥样硬化的发展密切相关。增加的MMP-1会增强衰老内皮细胞的数量，这可以被p53通路抑制。此外，SASP分泌的促炎细胞因子导致端粒缩短。在斑块形成过程中的复制性衰老期间，在血管细胞中观察到了端粒缩短，这可能加速炎症反应。

细胞衰老的另一个显著特征是活性氧（ROS）产生增加。线粒体呼吸链是活性氧的主要来源，线粒体产生的活性氧可通过DNA损伤加剧细胞衰老。线粒体产生的活性氧自由基也会损伤线粒体自身，包括线粒体蛋白质、脂质和DNA被氧化修饰，导致线粒体功能障碍，这一众所周知的过程称为“ROS诱导的ROS”。正常情况下，内源性抗氧化剂调节这一ROS过程。然而，当发生氧化应激和ROS过量产生时，它会损伤动脉壁并启动动脉粥样硬化斑块形成过程。

肺动脉高压

肺动脉高压的特征是进行性肺血管重塑，导致右心室衰竭。肺血管结构和功能的改变是血流阻力增加和心衰发展的主要原因。在重塑过程中，肺动脉内皮细胞（PAECs）、肺动脉平滑肌细胞（PASMCs）和ECM在增殖和结构转化中发挥作用。在缺氧诱导的肺动脉VSMC衰老下，Nutlin-3a激活p53，减少了肺血管肌化。这种改变改善了右心血流动力学，有助于逆转肺动脉高压。与此一致，使用senolytics（ABT263）清除衰老的肺内皮细胞来治疗肺动脉高压动物模型反而会加重肺动脉高压。

激活的哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）通路诱导了具有SASP的PASMCs衰老。SASP鼓励过度细胞增殖和结构重塑，导致肺动脉高压。同样，ECM是一个相对平衡的动态环境，主要由胶原蛋白和多种其他蛋白质组成，包括基底膜（BM）、弹性蛋白、层粘连蛋白、胶原蛋白IV、纤连蛋白和腱生蛋白C蛋白聚糖。SASP释放促炎和促纤维化因子，可以吸引免疫细胞并导致ECM异常积聚，引起肺动脉系统细胞功能障碍。此外，衰老的PASMCs分泌一种称为骨桥蛋白的ECM蛋白，介导衰老PASMC培养基和基质对PASMC生长和迁移的刺激作用，促进肺动脉高压的进展。

心肌梗死

MI是涉及因持续缺血导致大规模心肌细胞损失的心肌损伤。MI后，p16^INK4a和p53的激活以及SA-β-gal酶活性上调导致心肌细胞衰老。这意味着衰老心肌细胞参与了心肌损伤和心功能受损的过程。当MI发生时，能量供应显著减少。PARP1和SIRT1增加了NAD+的消耗，导致细胞能量危机和细胞死亡。研究表明，肥大性生长和收缩功能障碍与衰老心脏的愈合缺陷有关。转化生长因子（TGF）-β是肥厚性和扩张性心室过程中的一个因子。从衰老心脏分离的成纤维细胞对TGF刺激的反应延迟，表明衰老损害了成纤维细胞对生长因子的反应，并导致了不良重塑。

此外，衰老心肌细胞阻碍非心肌细胞的功能，包括内皮细胞、成纤维细胞和免疫细胞，从而恶化MI。与此一致，MI后敲低p53可减少成纤维细胞衰老和炎症，这在早期增加了纤维化。T细胞是适应性免疫中的经典免疫细胞；然而，它们在心脏病理生理学中的功能作用仍不清楚。γδ T淋巴细胞主要产生IL-17A，IL-17A在心肌缺血/再灌注期间增强心肌细胞凋亡。衰老ECs在MI中也起着重要作用。衰老内皮细胞通过释放吸引血小板的内皮源性微粒来促进血栓形成。

心力衰竭

HF与衰老密切相关，保留收缩功能的心衰表现出左心室肥厚，在老年患者中非常普遍。在HF中，心脏衰老与左心室肥厚和纤维化相关；衰老的心脏细胞对心脏损伤的反应受损，导致不良重塑和功能下降。衰老细胞的积累抑制低氧诱导因子（HIF）-1的活性，并对心脏血管生成和收缩功能产生不利影响。心脏承受持续的压力超负荷，这增加了表达p53的细胞数量。心肌细胞重塑始于p53非依赖性的线粒体激活，并以肥大为特征。然而，容量超负荷刺激导致p53依赖性的心力衰竭。

衰老心肌细胞的经典特征——端粒长度，对心力衰竭有显著影响，心衰患者衰老心肌细胞中发生端粒缩短，并与线粒体功能障碍相关。同样，心衰患者白细胞中的端粒长度比健康个体更短。最短的端粒出现在射血分数（EF）降低的肥厚心脏中。敲除PIM1的小鼠在6个月时发生HF，PIM1是一种激酶，对线粒体和端粒长度具有保护作用，随着线粒体结构恶化和心功能降低，p16^INK4a、p53和SA-β-gal的水平随之增加。

研究表明，在免疫细胞参与HF的背景下，衰老与衰老免疫细胞的存在增加有关。这项研究声称，p16^INK4a/SA-β-gal阳性巨噬细胞流行率最高的情况