猶記得幾年前，“換血逆轉(zhuǎn)衰老”的新聞著實大火了一陣，甚至還開展了輸血抗衰老的臨床試驗。不過在一些科學(xué)家看來，事情大概沒這么簡單，換血可能是“麻煩又難以奏效”的逆轉(zhuǎn)衰老的方法。搞清楚現(xiàn)象背后的機制，才是解決問題的根本。
在最近的《自然·衰老》雜志上，匹茲堡大學(xué)的研究人員發(fā)表了他們的最新發(fā)現(xiàn)，研究結(jié)果顯示，在肌肉衰老方面，輸注年輕血液帶來的衰老逆轉(zhuǎn)是由血液中攜帶“長壽蛋白”Klotho的細胞外囊泡介導(dǎo)的[1]。這項研究首次表明，細胞外囊泡的年齡相關(guān)變化會導(dǎo)致衰老干細胞中Klotho耗盡。
為什么要做這個研究呢？通訊作者Fabrisia Ambrosio博士表示，這個研究結(jié)果一定程度上幫助領(lǐng)域內(nèi)的科學(xué)家們了解肌肉隨年齡增長衰老的機制，以及肌肉再生該向哪個方向努力，進而，可以考慮繼續(xù)探索細胞外囊泡作為一種逆轉(zhuǎn)肌肉衰老的治療方法的潛力[2]。
此前的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)過，用年輕小鼠來源的血清培養(yǎng)衰老小鼠的肌肉干細胞，可以改善肌肉生成潛能[3,4]。這次，研究人員在實驗中復(fù)制了這一結(jié)果，同時，共培養(yǎng)后，衰老肌肉干細胞子代的MyoD和肌間線蛋白的水平也增加了，這兩種分子分別是肌肉生成的主要調(diào)節(jié)因子和肌肉特異性中間纖維。除此之外，Pax7的水平下降，這是肌譜系擴展的必要變化。
在衰老來源和年輕來源血清中培養(yǎng)的肌間線蛋白陽性肌肉干細胞的比例
年輕的血清還增加了衰老肌肉干細胞的耗氧量，改善了它們的線粒體超微結(jié)構(gòu)，線粒體內(nèi)膜磷脂——心磷脂的水平增加，它在維持線粒體膜完整性和調(diào)節(jié)氧化磷酸化方面起著關(guān)鍵作用。
血清中的分子影響線粒體和受體細胞的機制通常與膜封閉的旁分泌因子或細胞外囊泡（EV）的運輸有關(guān)[5]，對耗盡EV的年輕和衰老小鼠的血清進行免疫熒光實驗和活細胞呼吸實驗，研究人員發(fā)現(xiàn)，此前的種種變化都消失了，而分離出EV再重新補充進血清中后，“年輕的變化”就回來了。
在衰老小鼠經(jīng)受骨損傷后，研究人員通過尾靜脈給它們注射了年輕小鼠的血清，3天后，EV依賴性的MyoD增加，11天后，骨骼肌的再生和功能恢復(fù)顯著增強。同樣的，沒有EV的情況下，注射年輕小鼠的血清也不會有以上效果。
這表明，血液循環(huán)中的EV能夠被招募到受傷的位置，參與骨骼肌的再生。
為什么年輕的血清EV有這樣的“魔力”？研究人員量化了EV的年齡相關(guān)變化及其對靶細胞響應(yīng)的直接影響。他們發(fā)現(xiàn)，正常情況下，EV和/或攜帶的物質(zhì)會被受體細胞內(nèi)化，但這個過程會隨著年齡的增長而中斷。
研究人員分析了313個與EV年齡相關(guān)變化有關(guān)的表達發(fā)生變化的基因，在重要的變化過程中，離子通道調(diào)控，尤其是鈣離子和鉀離子，占據(jù)主導(dǎo)地位。
差異化表達基因涉及的通路及評分
與鈣離子/鉀離子通道活性、線粒體功能和衰老都有關(guān)的，研究人員想到了他們曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)過的長壽蛋白Klotho，也已經(jīng)有研究表明，Klotho對于維持肌肉干細胞的線粒體功能和骨骼肌再生能力是必要的[6-8]。
衰老小鼠的肌肉干細胞中Klotho mRNA拷貝相比年輕小鼠更少，導(dǎo)致Klotho蛋白的水平低于年輕小鼠。實驗顯示，給衰老細胞補充年輕來源的EV后，Klotho蛋白的水平增加。通過基因敲除構(gòu)建了Klotho缺失（Kl-/-）的小鼠后，補充年輕來源的EV仍然能增加小鼠的Klotho蛋白水平。
研究人員分別從Klotho能夠正常產(chǎn)生（Kl+/+）的小鼠和年齡、性別相匹配的Klotho產(chǎn)生受損（Kl+/-）的小鼠中分離出了EV，Kl+/-小鼠的EV中的Klotho mRNA水平顯著降低。
給衰老小鼠補充Kl+/-和Kl+/+來源的EV后，與Kl+/+組相比，Kl+/-組大的肌纖維（＞600μm2）數(shù)量明顯較少，纖維化程度高，力量恢復(fù)差。同時，線粒體標(biāo)志物琥珀酸脫氫酶亞基A水平也較低。這表明，EV攜帶的Klotho mRNA促進了功能性的骨骼肌再生。
Kl+/+組和Kl+/-組再生肌纖維的數(shù)量
總的來說，這項研究表明，EV中的Klotho蛋白隨年齡的逐漸耗盡，導(dǎo)致了肌肉的衰老，補充年輕的EV或許會成為肌肉再生，以及肌肉損傷修復(fù)的新療法。
Ambrosio博士透露，下一步，他們的目標(biāo)在于，開發(fā)基于EV的新技術(shù)，以及探索是否可以通過非侵入性方法，例如運動，增加衰老肌肉組織中的Klotho蛋白水平，以改善肌肉健康。
參考資料：
[1] https://www.nature.com/articles/s43587-021-00143-2
[2] https://www.eurekalert.org/news-releases/936590
[3] Conboy I M, Conboy M J, Wagers A J, et al. Rejuvenation of aged progenitor cells by exposure to a young systemic environment[J]. Nature, 2005, 433(7027): 760-764.
[4] Brack A S, Conboy M J, Roy S, et al. Increased Wnt signaling during aging alters muscle stem cell fate and increases fibrosis[J]. Science, 2007, 317(5839): 807-810.
[5] Picca A, Guerra F, Calvani R, et al. Mitochondrial dysfunction and aging: Insights from the analysis of extracellular vesicles[J]. International journal of molecular sciences, 2019, 20(4): 805.
[6] Sahu A, Mamiya H, Shinde S N, et al. Age-related declines in α-Klotho drive progenitor cell mitochondrial dysfunction and impaired muscle regeneration[J]. Nature communications, 2018, 9(1): 1-14.
[7] Ahrens H E, Huettemeister J, Schmidt M, et al. Klotho expression is a prerequisite for proper muscle stem cell function and regeneration of skeletal muscle[J]. Skeletal muscle, 2018, 8(1): 1-14.
[8] Wehling-Henricks M, Li Z, Lindsey C, et al. Klotho gene silencing promotes pathology in the mdx mouse model of Duchenne muscular dystrophy[J]. Human molecular genetics, 2016, 25(12): 2465-2482.
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