Nature Medicine：组织时钟可估算各个器官的生物学年龄

　　

有些人似乎衰老得更慢，60岁时看起来像45岁；而另一些人则似乎比实际年龄更显老。这究竟是为什么？身体内部究竟发生了什么？肝脏的衰老方式与大脑不同吗？

奥地利科学院分子医学研究中心（CeMM）等机构的研究人员近日发现，基于人工智能的“组织时钟”能够通过组织学图像估算人体器官的生物学年龄。

通过分析涵盖40种组织类型的25,000多份组织样本，他们发现不同器官的衰老速度存在差异，而且这些变化可通过血液样本检测出来。

这项研究成果于8月14日发表在《Nature Medicine》杂志上，为理解衰老提供了一个新框架，并有望为疾病监测和早期诊断开辟新途径。

时间不语，却见证了所有变化

为了弄清组织结构如何随时间而变化，研究人员转向了基因型-组织表达项目（GTEx），该项目收集了983名个体的40种不同组织类型的样本，涵盖大脑、心脏、肺、胰腺、皮肤和肠道等。

这些样本被转化为高分辨率的组织切片数字照片，每张照片都揭示了相关器官的显微结构。他们共获得25,712张图像，并利用深度学习技术定量了细微的形态学改变。

研究人员发现，器官的结构默默记录着时间的流逝。在此基础上，他们开发出“组织时钟（tissue clocks）”，这是一种预测模型，可根据每个器官的组织外观来估算一个人的生物学年龄。

这些组织时钟的平均预测误差仅为4.9年，并且在捕捉组织特异性病理方面优于现有的DNA衰老评估方法。重要的是，预测出的生物学年龄与已知的衰老标志物密切相关，包括端粒缩短、组织病理学以及个体患有的慢性疾病。

通讯作者、CeMM首席研究员André Rendeiro表示：“通过将组织学图像与人工智能相结合，我们可以检测到肉眼无法察觉的生物衰老模式，并开始了解不同部位的衰老是如何以不同方式进行的。”

每个器官的衰老进程各不相同

分析表明，衰老并非均匀发生：某些组织（如肺、肾、胰腺和肾上腺）在20至40岁之间就已出现加速衰老的迹象。而其他组织则呈现出更为复杂的衰老轨迹，加速衰老的高峰出现在晚年。子宫在更年期前后表现出尤为显著的变化。

研究人员还发现，组织特异性衰老与某些疾病或生活方式因素密切相关。例如，肾衰竭与多种组织中加速衰老的信号相关，而糖尿病则对胰腺产生了显著影响。

共同第一作者、CeMM的Ernesto Abila表示：“最值得注意的是每个器官的衰老有何差异，以及这种差异如何在组织结构中体现出来。深度学习让我们能够解读这些空间模式，将衰老视为组织结构的重塑，而不仅仅是分子变化。” 

然而，组织样本的采集并非易事。通过将基于血液的基因表达谱与分析得出的组织年龄差异关联起来，研究人员构建出一种预测模型，仅凭血液样本就能预测组织特异性的生物学年龄。

血液样本揭示了组织特异性的衰老

这些基于血液的预测模型成功鉴定出与多种疾病相关的衰老模式，包括阿尔茨海默病、克罗恩病、囊性纤维化、血管炎、糖尿病和中风。以阿尔茨海默病为例，最强烈的衰老信号出现在大脑中，而克罗恩病则表现为整个胃肠道范围内的加速衰老。

共同第一作者、CeMM的郑易民表示：“这项研究强调，衰老不仅仅是一个时间问题。不同器官的衰老方式各不相同，这些过程似乎既受全身性因素的影响，也受组织特异性因素的影响。”

研究结果显示，组织结构整合了与衰老和疾病相关的许多分子和生理变化。未来，人们有望通过此类方法实现微创诊断，通过血液检测来监测各器官健康状况和疾病进展。

这项研究还展示了人工智能在病理学和衰老研究领域的潜力。通过大规模整合组织成像、基因表达和临床数据，研究全面揭示了衰老在人体各部位的表现形式。