細(xì)胞老化介導(dǎo)皮膚衰老的研究進(jìn)展

劉文杰 姜敏 項(xiàng)蕾紅

復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院皮膚科上海市皮膚病研究所 200040

衰老（aging）是指機(jī)體隨年齡增長(zhǎng)而出現(xiàn)的生理功能漸進(jìn)性喪失，細(xì)胞老化（cellular senescence）是特指細(xì)胞連續(xù)分裂后出現(xiàn)的細(xì)胞周期停滯及特定表型。二者既有區(qū)別又有聯(lián)系，本文從概念上闡明二者異同，并綜述細(xì)胞老化在皮膚衰老中的機(jī)制和意義。

一、概念

衰老是機(jī)體形態(tài)退化、功能減退、疾病易感性逐漸增加的過(guò)程，易伴發(fā)惡性腫瘤、糖尿病、心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病等諸多重大疾病。

細(xì)胞老化是細(xì)胞逐漸走向衰亡的形式之一，特征如細(xì)胞周期阻滯，DNA損傷及染色體變化，衰老相關(guān)分泌表型增加等。

關(guān)于二者的聯(lián)系，López-Otín等［1］歸納指出，細(xì)胞老化是衰老的9個(gè)基本生物學(xué)特征之一，更是衰老發(fā)生發(fā)展的重要機(jī)制。換言之，衰老是側(cè)重整體和結(jié)局的大概念，細(xì)胞老化是側(cè)重機(jī)制和過(guò)程的小概念，前者為果，后者是因。

二、皮膚衰老

人類(lèi)皮膚衰老的表現(xiàn)多樣，包括皮膚變薄，彈性下降，出現(xiàn)皺紋；附屬器萎縮、減少；屏障功能下降，經(jīng)皮水分丟失增加，皮脂分泌減少，易干燥；色素代謝異常，色素可脫失，亦可沉積；腫瘤傾向，如基底細(xì)胞癌等。

從病因?qū)W分類(lèi)，皮膚衰老主要有內(nèi)源性和外源性兩種表型。內(nèi)源性衰老又稱自然衰老，是與年齡直接相關(guān)的退行性變，遺傳背景、內(nèi)分泌等不可抗力是其主因［2］。內(nèi)源性衰老使表皮、真皮和皮下組織均萎縮。基底細(xì)胞分裂減少，棘細(xì)胞層萎縮，朗格漢斯細(xì)胞、黑素細(xì)胞減少，使表皮萎縮10%～50%。在真皮，成纖維細(xì)胞減少，膠原、彈性纖維等細(xì)胞外基質(zhì)的含量大幅降低，乳頭層變平，腺體稀疏，使得真皮萎縮［3］。除此之外，皮下脂肪的更新率及含量亦有下降。外源性衰老是在身體暴露部位，紫外線、吸煙、有毒物質(zhì)等的外在傷害使皮膚發(fā)生衰老［3］。外源性衰老并非單純?cè)趦?nèi)源性衰老的基礎(chǔ)上使得皮膚更加菲薄，而是使表皮角質(zhì)層局灶增厚，真皮內(nèi)出現(xiàn)病態(tài)成纖維細(xì)胞，其產(chǎn)生的異常彈性纖維和膠原纖維不能被及時(shí)降解，最終導(dǎo)致皮膚呈現(xiàn)皮革樣外觀［4-5］。

三、細(xì)胞老化

細(xì)胞老化指具有復(fù)制能力的細(xì)胞受到各種刺激（如活性氧簇、DNA損傷、端粒損耗等）后持久性細(xì)胞周期停滯［6-7］。1961年，由Hayflick提出此概念，他認(rèn)為哺乳動(dòng)物細(xì)胞都會(huì)有細(xì)胞分裂的極限，即復(fù)制衰老，亦稱為Hayflick極限［8］。

就皮膚而言，細(xì)胞老化的主要特征有：①細(xì)胞形態(tài)學(xué)改變，例如變大、變平、空泡化等；②衰老相關(guān)β半乳糖苷酶染色陽(yáng)性；亦有學(xué)者認(rèn)為，蘇丹黑B染色（Sudan-Black-B）或者蘇丹黑B類(lèi)似物GL13染色較β半乳糖苷酶染色更優(yōu)［9-10］；③細(xì)胞周期阻滯相關(guān)的蛋白表達(dá)上調(diào)，如p16INK4A、p21Waf-1等［11］；④細(xì)胞老化相關(guān)的DNA損傷及染色體變化，如DNA損傷反應(yīng)通路（DNA damage response pathway）激活，出現(xiàn)衰老相關(guān)異染色質(zhì)灶，核纖層蛋白B1丟失［12-13］；⑤產(chǎn)生更多衰老相關(guān)分泌表型，如白細(xì)胞介素（IL）6、IL-8及基質(zhì)金屬蛋白酶（MMP）等；⑥產(chǎn)生更多衰老相關(guān)的微小RNA（microRNA），如miR-34、miR-29家族與真皮衰老相關(guān)，miR130、miR181家族與表皮衰老相關(guān)［14-16］。

四、細(xì)胞老化和皮膚衰老的關(guān)系

在不同組織中，介導(dǎo)衰老的具體機(jī)制可能并不相同。2013年，López-Otín等［1］在歸納總結(jié)衰老的基本特征時(shí)，除細(xì)胞老化之外，還提到了基因組不穩(wěn)定性、端粒損耗、表觀遺傳學(xué)改變、蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)喪失、對(duì)營(yíng)養(yǎng)的感應(yīng)失調(diào)、線粒體功能障礙、干細(xì)胞耗竭和細(xì)胞間通訊異常等其余8項(xiàng)機(jī)制。

有學(xué)者報(bào)道，細(xì)胞老化并非所有衰老組織的普遍特征。通過(guò)對(duì)小鼠肝臟進(jìn)行精細(xì)量化分析發(fā)現(xiàn)，青年鼠肝臟中老化細(xì)胞約8%，老年鼠約17%；皮膚、肺和脾臟亦有類(lèi)似結(jié)果，但心臟、骨骼肌和腎臟中則未見(jiàn)類(lèi)似改變［17］。一種可能的解釋是，在肝臟、皮膚、肺和脾臟中，細(xì)胞老化是介導(dǎo)衰老的主要機(jī)制之一；而在心臟、骨骼肌和腎臟中，介導(dǎo)衰老可能另有其他機(jī)制。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，人類(lèi)皮膚與小鼠皮膚結(jié)果相似，其衰老程度與老化細(xì)胞數(shù)量存在平行關(guān)系。隨著皮膚的衰老，真皮及表皮中β半乳糖苷酶和p16INK4A染色陽(yáng)性的老化細(xì)胞數(shù)量均顯著上升［11，18］。

細(xì)胞老化不僅是衰老的基本特征，更是介導(dǎo)皮膚衰老的重要機(jī)制。老化細(xì)胞喪失了增殖能力，破壞微環(huán)境穩(wěn)定性，妨礙皮膚再生。在小鼠模型中，p16INK4A陽(yáng)性細(xì)胞的聚積確會(huì)導(dǎo)致其所在組織的衰退。構(gòu)建敲減p16INK4A的轉(zhuǎn)基因鼠或者在野生型小鼠中清除p16INK4A陽(yáng)性的老化細(xì)胞均可使小鼠的皮下脂肪增厚，毛發(fā)濃密，皮膚更為年輕［19］。另有實(shí)驗(yàn)利用特定的肽段靶向阻遏頭框轉(zhuǎn)錄因子O家族4與p53結(jié)合，誘導(dǎo)老化細(xì)胞凋亡，也可使早老小鼠毛發(fā)變黑、濃密，腎功能改善，壽命延長(zhǎng)［20］。類(lèi)似的，在人不同年齡的離體皮膚三維模型中，上調(diào)p16INK4A可使年輕人（30～40歲）表皮衰老菲薄，而在老年人（53～66歲）表皮中下調(diào)p16INK4A可使表皮增厚［18］。

五、細(xì)胞老化介導(dǎo)皮膚衰老的機(jī)制

皮膚細(xì)胞老化有多方面的特征和機(jī)制，其中細(xì)胞老化相關(guān)的DNA損傷、細(xì)胞周期阻滯蛋白上調(diào)、衰老相關(guān)分泌表型等方面與皮膚衰老的關(guān)系尤為密切。

（一）細(xì)胞老化相關(guān)的DNA損傷與皮膚衰老：DNA完整性對(duì)維持皮膚細(xì)胞正常狀態(tài)十分重要。外界因素如吸煙、紫外線、PM2.5等以及內(nèi)源性的氧化因子刺激易使細(xì)胞內(nèi)活性氧簇水平升高，進(jìn)而損傷DNA并使染色體的形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，出現(xiàn)衰老相關(guān)的異染色質(zhì)灶。衰老相關(guān)的異染色質(zhì)灶是常染色質(zhì)DNA凝集、聚結(jié)成為散在、致密、大小不一的異染色質(zhì)顆粒，其參與了老化過(guò)程中細(xì)胞周期調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄沉默，進(jìn)而在不可逆的細(xì)胞周期阻滯中發(fā)揮重要作用［1，12］。

DNA損傷（尤其是雙鏈斷裂）會(huì)激活DNA損傷反應(yīng)通路來(lái)啟動(dòng)修復(fù)。首先，損傷信息會(huì)被減數(shù)分裂重組11（MRE11）復(fù)合物（MRE11-RAD50-NBS1復(fù)合體）接收；隨后上游的毛細(xì)血管共濟(jì)失調(diào)突變基因（ATM）被激活，進(jìn)而激活細(xì)胞周期監(jiān)測(cè)點(diǎn)激酶2，導(dǎo)致p53蛋白激活、組蛋白磷酸化。除此之外，ATM亦作用于衰老調(diào)控因子可變閱讀框，并通過(guò)激活DNA損傷反應(yīng)通路共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張突變基因Rad3相關(guān)激酶（ATR）和細(xì)胞周期檢測(cè)點(diǎn)激酶1，使得核因子κB和p53激活并穩(wěn)定存在。因而作為抑癌基因，p53在大多數(shù)腫瘤中表達(dá)下降，但在老化的細(xì)胞中卻上調(diào)。亦有研究報(bào)道，在皮膚成纖維細(xì)胞中，甲基化的m6A RNA在紫外線誘導(dǎo)的DNA損傷中發(fā)揮重要作用，當(dāng)m6A甲基化相關(guān)的轉(zhuǎn)甲基樣酶3表達(dá)被抑制后，細(xì)胞的損傷修復(fù)急劇減緩。因此，包括上游放大反應(yīng)信號(hào)的激酶ATM、ATR，下游傳導(dǎo)信號(hào)的激酶細(xì)胞周期檢測(cè)點(diǎn)激酶1、2，以及效應(yīng)蛋白p53、磷酸化的組蛋白等，這些因子均可作為細(xì)胞老化的佐證［11］。皮膚細(xì)胞DNA損傷后，會(huì)進(jìn)一步引起細(xì)胞周期阻滯，另一方面也會(huì)導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定，易罹患年齡相關(guān)的皮膚腫瘤，如脂溢性角化病、日光性角化病、基底細(xì)胞癌、鱗狀細(xì)胞癌等。

（二）細(xì)胞周期阻滯與皮膚衰老：迄今為止，老化相關(guān)的細(xì)胞周期阻滯主要涉及兩條通路：一條是p19-p53-p21-周期蛋白依賴性激酶（CDK）2，另一條是p16INK4A-CDK4/CDK6。他們均能抑制視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤蛋白的磷酸化，非磷酸化狀態(tài)的視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤蛋白可與其下游E2F轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，使E2F無(wú)法激活，阻止細(xì)胞由G1進(jìn)入S期，使細(xì)胞周期停滯。有學(xué)者認(rèn)為，p53除衰老之外，還參與細(xì)胞凋亡等多種通路，在老化的表皮角質(zhì)形成細(xì)胞中并未高表達(dá)；相比而言，p16INK4A對(duì)預(yù)示細(xì)胞老化的特異度更高。當(dāng)然，衰老的相關(guān)通路并不局限于此，部分衰老過(guò)程依賴p21Waf-1信號(hào)通路的介導(dǎo)，但卻不引起p53或者p16INK4A的變化，這也說(shuō)明細(xì)胞老化還存在除p16INK4A和p53之外的其他通路［6-7，13］。

真皮中的成纖維細(xì)胞常作為研究皮膚衰老的體外模型。實(shí)驗(yàn)表明，離體長(zhǎng)波紫外線A處理的成纖維細(xì)胞可見(jiàn)明顯的細(xì)胞周期阻滯，細(xì)胞周期阻滯的相關(guān)蛋白p16INK4A、p21Waf-1及p53均可見(jiàn)明顯上調(diào)。角質(zhì)形成細(xì)胞周期阻滯后，出現(xiàn)表皮更新變緩，厚度變薄，經(jīng)皮水分丟失增加，屏障功能受損等衰老表現(xiàn)；成纖維細(xì)胞周期阻滯后，出現(xiàn)真皮成纖維細(xì)胞流失，真皮的膠原、彈性纖維等細(xì)胞外基質(zhì)的含量大幅減少［16，21］。

（三）衰老相關(guān)分泌表型與皮膚衰老：衰老相關(guān)分泌表型是由老化細(xì)胞產(chǎn)生的炎性細(xì)胞因子、趨化因子、生長(zhǎng)因子和蛋白酶等分泌性蛋白的統(tǒng)稱，既是細(xì)胞老化的標(biāo)志，又是導(dǎo)致皮膚衰老的重要機(jī)制。在皮膚中，衰老相關(guān)分泌表型主要包括MMP，炎性因子IL-1、IL-6以及富含半胱氨酸蛋白61等。老化細(xì)胞主要靠DNA損傷反應(yīng)通路依賴的p16INK4A途徑、p21-活性氧簇依賴的p38絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）途徑以及核因子κB途徑等上調(diào)衰老相關(guān)分泌表型的分泌，并通過(guò)自分泌和旁分泌等方式誘導(dǎo)鄰近細(xì)胞的進(jìn)一步老化。

1.MMP：主要由老化的成纖維細(xì)胞分泌，在外源性和內(nèi)源性衰老中均會(huì)顯著增加，是導(dǎo)致皮膚衰老尤其是真皮衰老的重要機(jī)制。活性氧簇聚集是老化成纖維細(xì)胞產(chǎn)生包括MMP在內(nèi)的衰老相關(guān)分泌表型的重要始動(dòng)因素之一。活性氧簇通過(guò)使蛋白酪氨酸磷酸酶失活，導(dǎo)致受體酪氨酸酶激活，進(jìn)而使其下游途徑MAPK家族（細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶、c-Jun氨基末端激酶、p38MAPK）活化，活化的MAPK再激活下游轉(zhuǎn)錄因子激活蛋白1，導(dǎo)致MMP-1、3、9等的產(chǎn)生［21］。MMP的升高可導(dǎo)致膠原（尤其是Ⅰ型膠原）的喪失，降低成纖維細(xì)胞和膠原的聯(lián)結(jié)，使皮膚成纖維細(xì)胞外基質(zhì)喪失，皮膚褶皺增加。

2.富含半胱氨酸蛋白61和IL-1β：富含半胱氨酸蛋白61是真皮成纖維細(xì)胞分泌促衰老的重要細(xì)胞因子。其可能的機(jī)制是富含半胱氨酸蛋白61與整合素結(jié)合后使胞內(nèi)活性氧簇水平上升，活性氧簇再激活核因子κB和MAPK，使IL-1β表達(dá)上調(diào)，進(jìn)一步導(dǎo)致MMP增多、Ⅰ型膠原減少。同時(shí)，IL-1β作用于老化成纖維細(xì)胞，使轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β受體的表達(dá)下調(diào)，削弱轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β/smad信號(hào)傳導(dǎo)，使膠原代謝紊亂［22-23］。

3.IL-6：廣泛認(rèn)為IL-6與衰老程度呈正相關(guān)，但對(duì)皮膚卻并非完全如此。在真皮中，IL-6陽(yáng)性成纖維細(xì)胞隨著年齡增長(zhǎng)含量明顯上升。IL-6上調(diào)MMP導(dǎo)致膠原表達(dá)量下降并可使無(wú)功能性膠原比例上升。但在皮脂腺中，IL-6陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)量隨著衰老卻明顯減少［24］。另有實(shí)驗(yàn)表明［25］，與年輕鼠相比，年老鼠受損表皮IL-6的下降更明顯；在外部給IL-6后，年老鼠的表皮修復(fù)效果要比年輕鼠獲益更大。這提示，雖然IL-6是一種衰老相關(guān)表型，但其仍是一種很重要的炎性因子，因此衰老皮膚與年輕皮膚相比油脂分泌減少、創(chuàng)傷后修復(fù)困難。

抑制衰老相關(guān)分泌表型的分泌可促進(jìn)機(jī)體健康和延長(zhǎng)壽命。目前，部分已知的具有抗衰老作用的藥物（如雷帕霉素、二甲雙胍、JAK 1/2抑制劑等）可通過(guò)不同的信號(hào)通路減少相關(guān)衰老相關(guān)分泌表型的分泌。如雷帕霉素是哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白抑制劑，能誘導(dǎo)細(xì)胞自噬，但同時(shí)其作用于DNA損傷反應(yīng)通路中的關(guān)鍵酶ATM以及線粒體中過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ輔助激活因子-1β等途徑亦可抑制核因子κB，在mRNA和蛋白水平抑制衰老相關(guān)分泌表型的產(chǎn)生［26］。需特別指出的是，不同衰老實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退a(chǎn)生的衰老相關(guān)分泌表型多種多樣，自然狀態(tài)下衰老相關(guān)分泌表型如何產(chǎn)生和發(fā)揮作用更是紛繁復(fù)雜，因此衰老相關(guān)分泌表型與衰老的關(guān)系及其作用機(jī)制尚需更多深入的探索。

六、細(xì)胞老化在創(chuàng)傷修復(fù)中的作用

盡管細(xì)胞老化具有促進(jìn)機(jī)體衰老等諸多不利影響，但在某些特定時(shí)期和特定狀態(tài)下，其亦能發(fā)揮積極作用，如維持胚胎正常發(fā)育、抑制腫瘤、組織再生和促進(jìn)胰腺β細(xì)胞分泌胰島素等［27-29］。就皮膚而言，細(xì)胞老化對(duì)于創(chuàng)傷皮膚修復(fù)具有重要的促進(jìn)作用。創(chuàng)傷早期，創(chuàng)傷部位富含半胱氨酸蛋白61含量明顯升高，誘導(dǎo)創(chuàng)傷周?chē)衫w維細(xì)胞和角質(zhì)形成細(xì)胞產(chǎn)生活性氧簇，使細(xì)胞老化，這些老化細(xì)胞通過(guò)分泌血小板來(lái)源生長(zhǎng)因子AA等，誘導(dǎo)成肌纖維細(xì)胞的分化并且預(yù)防組織機(jī)化，促進(jìn)創(chuàng)傷修復(fù)［23，30］。

七、結(jié)語(yǔ)

衰老是年齡相關(guān)的機(jī)體退行性變，每一個(gè)個(gè)體均無(wú)法避免，無(wú)法中止和逆轉(zhuǎn)，抗衰老是千百年來(lái)人們的心愿?，F(xiàn)有的研究提示，細(xì)胞老化既是衰老的重要標(biāo)志，也是衰老發(fā)生發(fā)展的重要機(jī)制，靶向清除老化細(xì)胞是一種很有前景的年輕化策略。但衰老的機(jī)制復(fù)雜，有關(guān)細(xì)胞老化的確切機(jī)制、對(duì)皮膚生理功能的全面影響還需進(jìn)行更深入的研究，以期今后能采取更有效的預(yù)防措施，提升人們的保護(hù)意識(shí)，研發(fā)新的防御方法，促進(jìn)皮膚健康。