从"再生"到"恢复活力"：老年扁虫和小鼠成体定居干细胞的启示 - 干细胞与抗衰老

摘要

成体定居干细胞能够再生组织，在老年扁虫和小鼠中表现出"恢复活力"的迹象。这些发现表明从蠕虫到哺乳动物的成体定居干细胞可能具有保守的调控机制。在大型哺乳动物的特定组织和干细胞类型中，再生能力更为有限。理解并利用扁虫和小鼠中定居成体干细胞的恢复活力特性，可能对改善高龄人群各器官系统中干细胞功能和组织可塑性具有广泛的治疗意义。

1 老年期定居成体干细胞的再生能力

衰老与多种标志相关，这些标志涉及细胞和组织的结构与功能衰退，最终导致死亡（López-Otín等，2013，2023）。干细胞耗竭是其中一种标志，导致再生组织（如骨骼肌）在损伤后修复能力下降（Brunet等，2023；Sousa-Victor等，2022）。观察到成年（体细胞）干细胞数量和再生效率随年龄下降，引发了关于如何通过补充干细胞库可能通过替换老化细胞来促进组织"恢复活力"（Oh等，2014）——特别是在应对压力时的推测。我们将恢复活力定义为在组织或细胞水平上逆转与年龄相关的表型或过程，使其类似于年轻状态，或分子谱的显著改变，从而产生年轻的生物学功能和较低的生物学年龄。将年轻干细胞移植结合植入位点的药物或生物引物是一种恢复活力策略。遗憾的是，由于过程中的诸多障碍，这种方法可能无法扩展到所有组织和患者：生成足够数量的细胞用于移植、促进干细胞存活和植入、潜在的免疫反应以及长期植入的可行性（Oh等，2014）。尽管成年哺乳动物干细胞耗竭通常被视为初级衰老和/或活动水平下降的结果，但剩余的定居干细胞在损伤后仍能执行组织适应功能（Collins等，2007；Karlsen等，2020；Shavlakadze等，2010）。一些成年干细胞可能甚至对衰老具有抵抗力（Novak等，2021），定居干细胞仍能为老年动物贡献适应能力（Thomas等，2025）。然而，成体干细胞功能受到与年龄相关的炎症环境和免疫细胞调控失调的阻碍（Blanc等，2025；Hoang等，2025；Shavlakadze等，2010）。通过例如啮齿动物中的异时性连体共生将老年动物的炎症环境恢复为年轻状态，可以改善再生潜力（Conboy等，2005）；这些发现指出老年干细胞内在具有一定程度的恢复活力能力。在异时性连体共生后啮齿动物老化干细胞的分子恢复活力在各种组织和干细胞类型中是保守的（Ma等，2022；Zhang等，2023）。因此，一个引人深思的问题出现了：来自老年生物体的成体定居干细胞是否具有再生随后表现出恢复活力迹象的组织的能力？

2 老年期涡虫干细胞的恢复活力潜力

涡虫因其极长的寿命和非凡的再生能力而被认为是"不朽"的（Austad，2009；Petralia等，2014；Sahu等，2017）。Dai等最近使用地中海涡虫（Schmidtea mediterranea）研究再生对衰老的影响（Dai等，2025）。他们发现通过有性繁殖增殖的菌株在分子、细胞和生理水平上表现出衰老迹象。在对地中海涡虫进行表型分析以表征衰老迹象后，Dai及其同事报告说，老年生物体头部截肢并再生新头部逆转了眼睛的衰老。这一引人注目的观察表明，定居干细胞具有逆转常见年龄相关功能障碍的恢复活力能力。其他衰老的生理迹象，如生殖不育、运动能力受损以及自由基和氧化应激增加，也在老年生物体中通过再生得到逆转。在头部，老年涡虫的再生恢复了在衰老过程中丢失的一部分神经元和肌肉细胞。在分子水平上，涡虫衰老基因表达特征在再生后被逆转。组织特异性效应包括对与蛋白质稳态（溶酶体、蛋白质折叠）、转录和翻译、氧化应激、染色质重塑和线粒体调控相关的基因的影响。这些过程的破坏是衰老的标志（López-Otín等，2013，2023）。涡虫的再生能力归因于富含编码Piwi（Reddien等，2005）和Tert（Dai等，2025）基因的多能干细胞群。综合这些发现提供了引人深思的证据，表明定居成体干细胞可以将老化组织恢复到更年轻的状态，特别是在有性涡虫的新再生头部（图1）。

图1 涡虫再生后恢复活力迹象相关主要发现的总结图（Dai等，2025）和小鼠骨骼肌（Chambers等，2025）。

3 老年哺乳动物骨骼肌损伤恢复中的表观遗传恢复活力

骨骼肌是人类中可获取的固体组织，表现出明显的衰老迹象——质量减少和力量/产生能力下降——对行动能力、独立性和死亡率产生负面影响。

通过针头活检，某些肌肉可以在人类中相对容易地在细胞和分子水平上进行研究。骨骼肌的可获取性使其成为探索衰老影响的有吸引力的组织。骨骼肌的独特之处在于，按体积计算的主要细胞类型——肌纤维——是多核的，肌纤维核（肌核）是不分裂的细胞器。它还独特地在于骨骼肌在哺乳动物中具有再生能力，这要归功于一种相对稀少但高度复制且通常（在非病理情况下）为单能的定居干细胞群：Pax7+卫星细胞（Brack和Rando，2012）。这些细胞随年龄数量减少，这不会加剧与年龄相关的肌肉减少症，但在整个生命周期中对肌纤维再生至关重要（Fry等，2015；Keefe等，2015）。卫星细胞通常处于静止（休眠）状态，直到被外部刺激（如损伤）激活。它们用于重建受损肌纤维，在生长过程中增加肌核和线粒体池，并发挥各种旁分泌功能（Goh等，2025；Murach, Dungan等，2021；Murach, Fry等，2021；Murach等，2018）。一些证据表明，卫星细胞可以在基础稳态条件下融合到肌纤维中，以替换受损或功能失调的肌核（Keefe等，2015；Pawlikowski等，2015）。然而，衰老和其他条件与整个生命周期中某些骨骼肌的肌核丢失相关（Bruusgaard等，2006；Keefe等，2015；Kirby和Dupont-Versteegden，2022；Serrano等，2025），而长期卫星细胞耗竭不会在晚年导致或加剧肌核丢失（Fry等，2015；Keefe等，2015；Englund等，2020）。基础肌核周转的普遍性及其对肌肉衰老的影响因此仍不明确。表观遗传调控失调是衰老的一个标志（López-Otín等，2013，2023），衰老可以通过DNA甲基化年龄（DNAmAGE）的变化来评估，这被广泛用作跨物种生物学年龄的代理（Horvath，2013；Horvath和Raj，2018；Lu等，2023）。DNAmAGE的变化也可以在各种暴露和干预措施下进行量化。Chambers等最近询问了定居卫星细胞依赖的肌肉再生是否能改变老年小鼠肌肉组织中预测的DNAmAGE（Chambers等，2025）。直觉上，老年小鼠骨骼肌的再生可能不会影响组织的DNAmAGE，因为负责再生的卫星细胞（以及支持细胞类型）与生物体具有相同的实际年龄。换句话说，老年卫星细胞应在所有方面重建老年肌纤维。令人惊讶的是，在老年小鼠（24个月大）化学损伤后35天，肌肉组织（即所有细胞类型组合）的DNAmAGE急剧下降（图1）。这种年龄减少——根据所使用的DNAmAGE时钟，降幅高达68%——是文献中报告的最大降幅之一，仅次于山中因子的表观遗传重编程。将老年与年轻小鼠（4个月大）在再生后进行比较，与未受伤相比的基因表达差异幅度相当且具有明显的重叠；然而，年轻肌肉中的DNA甲基化状态和损伤后基因表达变化更为紧密耦合。后一发现值得进一步考虑，因为再生后年轻动物的DNAmAGE并未降低，根据所用时钟可能加速了。一些与干细胞表现相关的表观基因组-转录组改变——Axin2、Egr1、Fzd4、Meg3和Spry1的上调——在年轻肌肉损伤恢复后也是独特的（Chambers等，2025）。

4 老年小鼠中"更年轻"肌肉的定居干细胞的实际意义

一些证据表明，重复损伤可增强体细胞干细胞表现（Falick Michaeli等，2022；Morroni等，2023），这提供了关于适应性细胞对压力的弹性的信息。或者，损伤然后恢复可能导致年轻骨骼肌对后续压力源的组织可塑性受损（Bigard等，2001；Kawano等，2017）以及异常的细胞外基质积累（Sato等，2003）。老年肌肉组织（所有细胞类型组合）再生后"恢复活力"的分子特征表明，根据细胞类型——特别是干细胞——在组织内衰老速度不同（Buckley等，2023；Gorelov等，2024）。最初尝试量化通常静止的肌肉干细胞的表观遗传谱确实表明它们确实经历甲基化衰老，但与动物中的大多数其他组织和细胞类型（Hernando-Herraez等，2019；Trapp等，2021）以及整体肌肉组织（Gorelov等，2024）相比，它们明显更年轻。新出现的证据还表明，强制哺乳动物干细胞增殖会加速DNAmAGE（Gorelov等，2024）。肌核是不分裂的细胞器，具有适度的DNA合成能力（Borowik等，2022，2024），但通常构成肌肉中所有细胞核的大部分（Bagley等，2023；von Walden等，2020）；然而，骨骼肌组织整体上仍经历表观遗传衰老（Chambers等，2025；Gorelov等，2024；Jones III等，2023；Murach等，2022）。也许表观遗传衰老与细胞核的转录活跃程度（即其转录"历史"）更密切相关，而不是它是否经历了分裂。运动训练导致肌肉DNAmAGE降低（Jones III等，2023；Murach等，2022）可能部分取决于通常为单能的卫星细胞的贡献。这些细胞可以在肥大性机械超负荷或终身轮跑后在肌肉中引发独特的表观遗传效应（Murach, Dungan等，2021；Murach等，2025）。

5 跨物种定居干细胞的恢复活力潜力

与哺乳动物相比，成熟涡虫（即新生细胞）的定居干细胞是多能的，可以产生所有身体组织（Dai等，2025；Fincher等，2018；Plass等，2018；Zeng等，2018）。与年轻涡虫相比，3岁涡虫中这些干细胞的数量和转录状态表现出最小的变化（Dai等，2025）。这些发现与小鼠肌肉干细胞在整个约2年寿命期间发生的情况（Kimmel等，2020；Lazure等，2023；Walter等，2024）以及在老年人类卫星细胞中观察到的情况形成对比（Kedlian等，2024；Lai等，2024）。与哺乳动物肌肉干细胞不同，涡虫干细胞区室因此可以在衰老过程中基本保持年轻状态，并且比小鼠的典型寿命更长。最近的研究表明，操纵视黄酸产生可以赋予小鼠耳廓再生能力（Lin等，2025）。视黄酸合成对干细胞表现的重要性得到了再生斑马鱼鳍（Wehner等，2014）和老年小鼠成肌细胞（Fraczek等，2025）证据的支持。视黄酸信号在高度再生的墨西哥钝口螈中的可能益处已被认识一段时间（Maden，1982；Duerr等，2025；Khan等，2025）。视黄酸治疗是否能引发恢复活力效应尚不清楚。在年轻成年墨西哥钝口螈中，最近观察到再生导致新形成肢体的DNAmAGE降低（Haluza等，2024）。尾部再生的表观遗传恢复活力仍不清楚。重要的是要注意，肢体成纤维细胞是分化的，再生涉及一个主要的去分化过程，其中这些细胞获得胚胎转录状态（Gerber等，2018）。有趣的是，肢体（Sandoval-Guzman等，2014；Fei等，2017）和尾部（Wang等，2025）中的肌肉细胞均由Pax7+干细胞再生。此外，尾部中的Pax7+干细胞是多能的，可以产生非肌肉谱系（Wang等，2025）。再生后肌肉组织是否能在肢体和尾部中特定发生恢复活力，仍然是墨西哥钝口螈中的一个开放性问题（Haluza等，2024），尤其是在老年成年体中。由于尾部再生不涉及肢体观察到的去分化过程（Gerber等，2018），主要由Pax7+肌肉干细胞和Meox1+非体节干细胞驱动（Masselink等，2024），对尾部组织进行恢复活力迹象的更仔细检查将很有趣。基于这些跨物种的综合例子，深入了解涡虫干细胞如何在极长的相对寿命中保持其"分子年轻"和卓越的再生潜力，以及了解老年墨西哥钝口螈中的成体干细胞是否赋予恢复活力效应，有望指导可能进一步改善老年期哺乳动物成体干细胞表现和适应的疗法和干预措施。

6 居住干细胞进行组织恢复活力的前进道路

上述工作提出了未来研究的几个重要考虑因素：再生后的分子或细胞"恢复活力"效应是否因组织类型、细胞类型、生物性别或实际年龄而异？单次和重复损伤是否在再生后诱导相同程度的恢复活力？再生后不同时期（例如早期与晚期恢复）的恢复活力或衰老缓解程度是否不同？了解再生对年轻和老年小鼠DNAmAGE的不同影响很有趣。同样值得考虑的是，居住干细胞介导的组织恢复活力可能导致哪些分子和细胞信息丢失（例如适应性表观遗传记忆、获得的细胞弹性，和/或训练免疫），或者可能获得什么（例如仅来自干细胞内的突变）。随着在哺乳动物中诱导原本非再生组织再生的能力（Lin等，2025），再生驱动的恢复活力（Dai等，2025；Chambers等，2025）的概念从模型动物中的单纯发现转变为未来可能的治疗方法。我们并不是建议将损伤用作促进青春的策略。相反，我们认为再生诱导恢复活力背后的分子途径和细胞活动可以作为指导，在整个生命周期或老年群体中增强组织健康，也许作为运动或其他疗法的佐剂。此外，由于Pax7+细胞有助于墨西哥钝口螈肌肉再生（Sandoval-Guzman等，2014；Fei等，2017），更深入地了解这些和其他保守干细胞群体如何在整个生命周期中与哺乳动物干细胞进行比较，可能解锁人类愈合或组织青春的新触发因素（Dwaraka和Voss，2021）。因此，了解模型系统中再生诱导恢复活力的机制对于对抗人类衰老的目标至关重要。未来的工作应旨在在高度再生物种（如棘鼠、墨西哥钝口螈、鱼类和爬行动物）的老年期再生后深入表型整个组织和生物体。确定再生诱导的分子和细胞衰老谱缓和是否伴随着组织可塑性和压力弹性的改善，对于转化和治疗应用尤为重要。总体而言，最近的工作表明成体居住干细胞的可塑性可以是强大的，并且这些细胞在老年期具有促进成体组织年轻品质的某些内在能力。

作者贡献

本工作由K.A.M.起草，并由L.G.和K.A.M.修订。最终版本的手稿由所有作者编辑和批准。

致谢

本工作得到了美国国立卫生研究院R00 AG063944、R01 AG080047和K02 AG088465对K.A.M.的资助，R01 AG080047-02S1对K.A.M./T.L.C.的资助，以及Pew慈善信托基金和美国国立卫生研究院DP2 AG093207和R21 AG084959对L.G.的资助。V.N.G.得到了美国国立卫生研究院和Hevolution基金会的资助。本工作是在K.A.M.和L.G.担任Glenn基金会/美国衰老研究联合会青年研究员期间进行的。我们感谢Prayag Murawala博士对手稿的宝贵意见。该图使用BioRender生成。