从再生生态位到退行性生态位：骨骼肌衰老中的多细胞互作与群体动力学

《Aging Cell》：From Regenerative to Degenerative Niche: Multicellular Crosstalk and Population Dynamics in Skeletal Muscle Aging

　　

骨骼肌衰老越来越被认为是一种组织层面协调的失败，而非单个细胞类型孤立缺陷的结果。单细胞、空间和多模态组学的最新进展揭示，衰老重塑了肌肉驻留群体的丰度、功能状态和相互作用，将组织从一个再生生态位转向退行性生态位。在本综述中，研究人员通过聚焦衰老肌肉微环境中的多细胞互作和群体动力学，总结了支持这一概念转变的现有证据。研究人员讨论了年龄依赖性的肌肉干细胞（MuSCs）、纤维-脂肪生成祖细胞（FAPs）、免疫细胞、血管细胞和神经肌肉成分的重塑如何共同破坏有效再生所需的时间协调。这些群体并非独立作用，而是陷入适应不良的信号回路中，这些回路促进持续的炎症、纤维化、衰老、受损的血管支持和神经肌肉功能障碍，最终损害组织修复和肌肉功能。研究人员进一步将从单细胞图谱推断的配体-受体相互作用与已在体内经功能验证的信号通路区分开来，强调了建立细胞间通讯因果机制的重要性。最后，研究人员讨论了旨在恢复多细胞协调的新兴治疗策略——包括调节基质、免疫、血管和神经肌肉相互作用——而非孤立地靶向单个细胞群体。研究人员提出，重建再生通讯网络，而非简单地清除功能失调的细胞，代表了开发抗肌少症和年龄相关性肌肉衰退干预措施的一个有前景的框架。

2 衰老肌肉生态位的群体水平重塑

2.1 肌原性储备重塑与再生能力下降

在骨骼肌再生过程中，肌肉干细胞（MuSCs）位于基膜与肌膜之间的静息态。组织损伤后，MuSCs被快速激活，增殖为肌原性祖细胞，随后分化和融合形成再生的肌纤维。同时，一部分增殖细胞返回静息态以补充干细胞池。新近证据表明，时序性衰老并未完全废除这一再生程序，而是破坏了激活与分化步骤的高度协调进程，从而损害再生保真度。在多种衰老动物模型中，MuSCs总丰度和具备长期自我更新能力的亚群比例均呈渐进性下降。除数量减少外，剩余干细胞群体在生态位内的定性重塑构成了更严重的再生障碍。在20月龄及以上的老年小鼠中，部分MuSCs丧失可逆静息能力，转向前衰老态。这一转变伴随着后续激活、增殖和自我更新效率的显著受损。时间分辨轨迹分析显示，尽管衰老MuSCs大体维持了激活与分化的整体序列，但其初始反应常延迟，且状态转变进程缓慢，动力学高度异质。代谢和表观遗传网络的紊乱直接导致了这种细胞状态的异常进程。年龄相关的S-腺苷甲硫氨酸（SAM）耗竭导致抑制性组蛋白甲基化和异染色质蛋白1（HP1）水平下降，引起MuSCs内异染色质结构的不稳定。虽然这种表观遗传不稳定性促进了DNA损伤积累和凋亡，但旨在恢复细胞内SAM水平的代谢干预已被证明能够重建异染色质区域并减轻年龄相关的再生缺陷。近期研究进一步提示，再生能力下降可能代表一种进化权衡，以适应不利的衰老微环境，而非简单的功能丧失。在衰老MuSCs中，肿瘤抑制因子NDRG1的高表达强烈抑制雷帕霉素靶蛋白（mTOR）信号，这是一种调控细胞激活和扩增的主要通路。这种潜在的“细胞制动”机制优先保障长期细胞存活和资源保存，代价是短期组织修复动力学的牺牲。药理学抑制NDRG1可暂时恢复年轻态的激活反应并加速早期修复，但重复损伤周期会导致严重细胞应激和随后的MuSC池耗竭。这些发现阐明了一种“细胞生存偏差”模型，提示衰老肌肉中存活的MuSC池并非为快速再生而优化，而是在极端环境约束下优先选择持续存活。值得注意的是，利用急性小鼠再生图谱和慢性人类衰老数据集的独立跨物种分析显示出趋同的细胞行为。两种范式均表现出成功沿经典激活轨迹前进的细胞比例显著降低，同时伴随呈现衰老样特征或促炎转录特征的异常亚群的共同扩增。总之，年龄相关的再生能力下降不能完全由干细胞的简单数量损失来解释。衰老肌肉进入再生阶段时携带的是一个受损且不稳定的肌原性储备，导致执行有效增殖和自我更新的细胞比例减少，而以应激反应或未解决过渡态为特征的群体则在生态位内持续积累。这种群体水平重塑为肌肉衰老过程中观察到的肌纤维修复延迟、损伤后恢复不完全以及再生能力进行性丧失提供了首要的细胞基础。

2.2 免疫状态持续与消退失败

骨骼肌修复与局部免疫微环境的动态变化内在耦合。组织损伤后，血小板被迅速招募并脱颗粒释放趋化因子，建立强大的化学吸引梯度，引导循环中性粒细胞和单核细胞外渗至损伤生态位，启动早期清除机制。损伤后早期阶段以浸润的中性粒细胞和单核细胞为主，随后被表型多样的巨噬细胞群体取代，介导碎片清除和肌发生启动。随着再生推进，免疫区室必须从急性炎症状态向消退和调节性群体转变，这是减弱基质重塑和重建组织稳态的前提。这种免疫群体的时空分布在衰老骨骼肌中逐渐失调。人类衰老图谱和小鼠再生模型均显示炎症性、基质相关性和衰老相关免疫程序在有效修复窗口期之外持续存在。浸润衰老组织的单核细胞和巨噬细胞绕过了传统的M1-M2二分法，转而占据重叠的中间激活状态。值得注意的是，特定的衰老M2样巨噬细胞亚群表现出持续的促纤维化因子分泌，诱导邻近FAPs沉积过量胶原，驱动纤维化重塑。此外，对减弱急性炎症至关重要的调节性T细胞（Tregs）的局部积累在衰老肌肉中显著减少或延迟，导致促消退信号的缺乏。残留中性粒细胞产生的慢性氧化应激，加上衰老T细胞分泌的促炎细胞因子，直接损害MuSCs的分化能力。自然杀伤（NK）细胞在衰老过程中也可能发生功能改变，这种功能障碍可能导致衰老细胞在生态位内的异常积累。由此导致的再生失败并非单纯归因于炎症因子的定量增加，而是免疫状态组成与组织所需的序贯修复阶段之间的“时间错配”。当MuSCs需要抗炎、稳定的微环境来执行肌纤维形成时，衰老生态位仍充斥着早期炎症信号，传播组织破坏和纤维化。因此，肌原性分化和基质修复被迫在不兼容的免疫景观中进行，严重损害再生效能，最终导致组织修复不完全和持续性纤维瘢痕形成。

2.3 FAP状态重塑与基质可塑性丧失

成功的骨骼肌再生需要基质区室特别是纤维-脂肪生成祖细胞（FAPs）的动态状态转变。损伤后，FAPs在受损肌纤维周围快速积累并进行瞬时扩增。在此阶段，FAPs进入“修复支持状态”，分泌细胞外基质（ECM）成分，为肌原性祖细胞激活和分化构建允许性生态位。肌纤维成功恢复后，扩增的FAP群体必须经历程序性消除或返回稳态静息态，以促进正常组织结构的恢复。在衰老肌肉中，这种细胞可塑性严重受损。单细胞和空间转录组分析表明，衰老过程中FAPs并非作为同质群体存在，而是分化为与炎症、基质重塑、脂肪生成和衰老相关的异常转录状态的异质性连续体。在小鼠模型中，这表现为特定亚群的显著积累，与慢性炎症和纤维化密切相关。类似地，人类衰老图谱揭示了表现出促纤维化特性的CD90⁺ FAP亚群的特异性扩增。尽管分子标志物在不同物种间存在差异，但两种模型都表明时序性衰老阻碍了FAP群体沿其生理轨迹的有序进展。值得注意的是，并非所有衰老肌肉中的FAPs都经历了功能衰退。单细胞图谱一致识别出保留的抗炎和促再生基因特征的FAP亚群，继续分泌稳态ECM成分并支持肌发生。因此，衰老基质生态位的基本病理并非所有基质细胞固有的恶性转化，而是时间可塑性的丧失——FAP群体无法在状态间灵活转换并在修复完成后自行消除。短暂的胶原分泌以稳定伤口部位是成功修复的必要过程。然而在衰老肌肉中，致力于纤维化重塑的FAP亚群未能退出该状态，持续占据生态位。这些致纤维化FAP群体的长期滞留导致内膜间质中过量胶原沉积并促进纤维-脂肪重塑，推动整个微环境的逐步退化。