跨物种药物发现平台加速寿命延长干预措施的鉴定

《Cell Reports》：A cross-species drug-discovery platform to accelerate the identification of lifespan-extending interventions

　　

研究人员开发了一种集成的高通量平台，用于在从单细胞到哺乳动物的五种模式生物（包括酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）、秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）、黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）、青鳉鱼（Nothobranchius furzeri）和小鼠（Mus musculus））中评估药理寿命延长干预措施。通过结合自动化成像、微型化检测和基于深度学习的死亡检测，研究人员在数千种条件下评估了超过400种化合物。在S. cerevisiae中，微型化PI/流式细胞术CLS检测实现了可扩展筛选并识别出关键检测混杂因素；在C. elegans和D. melanogaster中，紧凑成像平台结合基于YOLO的检测提供了无转移、高通量生存评分，并捕获化合物、饮食和性别依赖性效应；在青鳉鱼中，研究人员开发了内部药物颗粒配方用于大群体标准化口服递送；在小鼠中，研究人员结合纵向寿命研究与家笼活动监测评估晚年干预。跨物种整合识别出多物种老年保护剂，并揭示已知和新型保守长寿通路的收敛，说明该可扩展框架可优先选择具有高转化潜力的干预措施。

研究背景与立项依据：生物老年学（biogerontology）的核心目标是发现延缓老化并延长健康寿命的干预措施。过去二十年虽已有雷帕霉素（rapamycin）、二甲双胍（metformin）、白藜芦醇（resveratrol）等数百种小分子在单物种中被报道延长寿命，但领域受限于缺乏标准化流程、可重复性低以及跨物种评估物流成本高。公开数据库（如DrugAge）多依赖单物种、异质设计，难以横向比较。由于各模型寿命、饲养与药代动力学差异巨大，建立从酵母到小鼠的稳健跨物种测试管线，成为优先转化候选化合物的关键。该研究由Kevin Perez与Alessandro Ori等研究人员牵头，发表于《Cell Reports》，旨在用实验室自动化、机器学习与优化协议构建五物种（酵母、线虫、果蝇、青鳉鱼、小鼠）整合平台，提升临床前长寿研究的可重复性、可扩展性与转化相关性。

主要关键技术方法：研究采用五类模式生物队列——酿酒酵母W303（BMA64-1A同基因型）、秀丽隐杆线虫N2 Bristol、黑腹果蝇Canton-S（辅以Oregon-R与w¹¹¹⁸）、青鳉鱼GRZ品系、小鼠C57BL/6J及遗传异质性HET3雄鼠（15.5–20月龄起处理）。技术核心包括：酵母时序寿命（chronological lifespan, CLS）的96孔微型化与碘化丙啶（propidium iodide, PI）/流式细胞术（flow cytometry, FCM） viability读数；线虫与果蝇的自动成像结合YOLOv8目标检测与双时相图像配准（enhanced correlation coefficient, ECC）死体识别；果蝇采用平板扫描仪双帧像素减法与转移自由（transfer-free）氨苄青霉素（ampicillin）防腐饲喂；青鳉鱼与小鼠采用LC-MS/MS质控的口服药物颗粒（drug-pellet）配方；小鼠辅以数字通风笼（digital ventilated cages, DVC）24小时家笼自发活动监测。

研究结果：

微型化筛选平台在S. cerevisiae中发掘小分子寿命延长剂：研究人员将CLS从250 mL摇瓶缩至96深孔（200 μL/孔，OD₆₀₀～0.1，375 rpm湿度控制摇床），以PI/FCM替代菌落形成单位（colony-forming unit, CFU）读数，证实与CFU曲线一致。初筛354化合物加950 FDA获批化合物（10 μM）共超2000药物-剂量条件，获黄芩素（baicalein）、表小檗碱（epiberberine）、呋喃唑酮（furazolidone）、格尔德霉素（geldanamycin）、阿洛格列汀（alogliptin）、雷帕霉素类似物（rapalogs）等延长CLS。研究发现高浓度（mM级）二甲双胍、阿卡波糖（acarbose）、α-酮戊二酸等因缓冲胞外pH造成假延长；氯碘羟喹（clioquinol）等因早期毒性迟滞生长致表观延长；两两组合多数未超最高单药（highest single agent, HSA）效应。

深度学习赋能C. elegans高通量寿命化合物发现：以24孔板、FUdR抑增殖、每条件约45条N2线虫，隔日成像。ECC对齐双时相RGB通道合成（动体蓝绿/红、死体棕），YOLOv8检测死线虫（验证集RMSE 6.5%，mAP50～76%）。在活OP50与UV灭活OP50两种食性下筛查共超300化合物/3000条件， Forskolin（ cAMP激活剂）、taselisib、GNE-477（PI3K抑制剂）、ZSTK474、AM580（RAR激动剂）等显著延长寿命，resveratrol+forskolin呈相加效应；食性依赖混杂明确。

D. melanogaster自动化高通量寿命分析：以平板扫描仪每日两次成像、30秒双帧减法分辨死蝇（死蝇贴壁不动），两阶YOLOv8（管位+死蝇）评分（mAP50～62%）。以0.05%氨苄青霉素+12 mL/vial饲料实现全龄无转移饲养。雄/雌Canton-S筛查101/90化合物，rifampicin、astaxanthin、piperine、taurine、forskolin（雄13.6%/雌20%）、4-PBA（钠苯基丁酸盐，HDAC抑制剂）延寿，rifampicin+4-PBA相加。

青鳉鱼优化药物颗粒递送大群体筛选：自研乙醇/水吸附商用饲料粉（0.1–0.2 mm）再制粒（0.5–1.0 mm），LC-MS/MS确认载药均匀。雌鱼11药、雄鱼9药，resveratrol 600 ppm延雌鱼18%；baicalein雄鱼+30.5%、forskolin雄鱼+11.7%；baicalein+forskolin雄鱼中位+39.9%（相加趋势）。

小鼠自发活动追踪的高维老年保护剂筛选：C57BL/6J与HET3雄鼠（≥40/组，15.5–20月龄给药）颗粒给药LC-MS/MS验证。904天中位对照寿命下，rifampicin、17α-Estradiol、enalapril、benazepril、piperine+resveratrol、17α-Estradiol+rapamycin显著延寿；metformin与resveratrol未延寿（与NIA ITP一致）；DVC显示17α-Estradiol与selegiline恢复夜间活动年轻态。

跨物种寿命延长化合物优先化揭示保守药理靶点：酵母347、线虫315、果蝇101（共423深度评估）中，130单物种延长、32双物种、metformin、rifampicin、furazolidone三物种均显著延长。药物-靶点网络富集于PI3K-AKT-mTOR、PTGS/COX、NRF2、MAO、核激素受体、AGTR1、HDAC等。baicalein、forskolin、resveratrol在青鳉鱼+另两模型阳性；17α-Estradiol、enalapril、rifampicin在小鼠+多模型阳性。

讨论与结论翻译：研究人员描述了一个集成高通量平台的开发与应用，用以在酵母、线虫、果蝇、青鳉鱼和小鼠中评估小分子对寿命的影响。借助微型化自动检测、纵向成像与基于深度学习的死亡识别，筛查超400化合物及数千药物-剂量条件。这是迄今同规模的首类筛查战役。跨物种一致延长仅见于少数化合物，反映真正保守老年保护剂（geroprotector）之稀缺；但baicalein、doxycycline、forskolin、metformin、resveratrol、rifampicin等多物种阳性，且PI3K-AKT-mTOR轴反复涌现。除验证已知药，平台还发掘肿瘤激酶抑制剂taselisib、ZSTK474及驱虫剂fenbendazole、fluralaner等可能通过hormesis起效。研究警示酵母高浓度pH缓冲、线虫细菌食性、脊椎动物体重与载药损失等混杂。局限包括单背景、单剂量脊椎动物、FUdR潜在互作、小鼠晚龄起步耗时久。该框架证明无牺牲严谨性亦可大规模表型筛查，为推进人相关细胞模型与活体五物种桥接提供统一资源。