《Nature Biomedical Engineering》：Human microphysiological systems of aging recreate the in vivo process expediting evaluation of anti-geronic strategies
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为解决人类衰老机制研究因缺乏合适模型而停滞的困境，研究人员利用人诱导多能干细胞(hiPSC)构建了模拟白脂肪组织-肝脏轴的微生理系统(MPS)，并结合异时人血清，开展了人类衰老与年轻化研究。他们发现，该系统能在短短4天内重现人类数十年衰老的特征，并揭示了衰老过程中的信号网络、性别差异、组织间级联效应和组织年龄记忆，为快速建立人类组织衰老模型、发现临床相关机制和生物标志物以及测试抗衰老方法提供了新平台。
想象一下，如果能在短短几天内，在实验室的芯片上模拟出人类数十年的衰老过程，那将如何改变我们理解衰老、寻找抗衰老药物的方式？这并非天方夜谭。当前，全球老龄化趋势日益严峻，60岁以上人口已达10亿，预计到205年将升至22%，带来了紧迫的医学与社会挑战。然而，人类衰老的生物学机制研究却因缺乏合适的模型而进展缓慢。传统的临床研究周期漫长，而常用的啮齿动物模型与人类在物种间存在诸多不一致性，且无法直接转化用于研究人体衰老。因此，建立能够精准模拟人类衰老过程、并可用于快速筛选干预策略的临床相关模型，成为了抗衰老研究领域的迫切需求。
近期，一项发表于《自然·生物医学工程》的研究在此领域取得了突破性进展。研究人员成功构建了一种基于人诱导多能干细胞(hiPSC)的微生理系统(MPS)，该系统模拟了人体内重要的白脂肪组织(WAT)与肝脏之间的功能轴，并通过引入来自年轻或老年捐赠者的异时人血清，在体外“芯片”上快速诱导并逆转了人类组织的衰老过程。该研究不仅快速、准确地重现了人体内与衰老相关的多种分子与功能标志，还揭示了先前未知的人类组织衰老信号网络、脂肪组织衰老对肝脏的“级联”效应、衰老的性别二态性以及组织的“年龄记忆”，并开发了用于预测生物年龄的定制机器学习模型。这项研究为理解人类衰老的可塑性、发现新的生物标志物和机制，以及加速抗衰老疗法的临床前测试提供了强大的新工具。
研究人员开展这项研究主要运用了以下几项关键技术方法：首先，利用hiPSC定向分化为功能性的白色脂肪细胞(iADIPO)和肝细胞(iHEP)，并构建了可灌注培养的WAT MPS和肝脏MPS。其次，通过从商业供应商获取的、符合伦理的、来自撒哈拉以南非洲健康捐赠者的年轻(21-34岁)和老年(>62岁)血清样本，构建“年轻循环环境”(YCM)和“年老循环环境”(OCM)用于处理MPS。第三，建立了WAT MPS与肝脏MPS之间的单向灌注互联系统，以模拟脂肪-肝脏轴的组织间通讯。第四，采用了包括RNA测序、生物正交非经典氨基酸标记(BONCAT)技术进行新合成蛋白质组学分析、多种衰老标志物(如SA-β-gal、p16、8-OHdG)检测以及葡萄糖/脂质代谢功能测定在内的多组学与多功能评估体系。最后，基于公共基因表达数据库(GTEx)训练了机器学习模型，用于预测MPS的“生物年龄”。
研究结果
人血清诱导的WAT MPS和肝脏MPS衰老及衰老脂肪对肝脏的促衰老效应
研究发现，用OCM灌注hiPSC衍生的WAT MPS和肝脏MPS仅4天，就能快速、稳健地建立多种衰老表型。在WAT MPS中，OCM诱导了细胞衰老标志物(SA-β-gal、CDKN1A、CDKN2A、p16)增加、炎症/衰老相关分泌表型(SASP)因子(如TNF、IL-6)表达与分泌升高、氧化DNA损伤(8-OHdG)加剧。同时，OCM扰乱了脂肪生成、脂质代谢和胰岛素调节的葡萄糖代谢，呈现出类似胰岛素抵抗的状态。在肝脏MPS中也观察到了类似的衰老、炎症和代谢紊乱趋势。此外，研究还发现YCM和OCM均能根据血清捐赠者性别建立二态性模式。重要的是，预先用OCM处理（建立“年龄记忆”）的WAT MPS，即使在与肝脏MPS互联后改用基础培养基灌注，其分泌的因子也能快速诱导肝脏MPS出现衰老特征，证明了衰老可以从脂肪组织“级联”传播至肝脏。
片上衰老基于全基因组转录组学紧密重现自然人类衰老
对血清处理4天后的WAT MPS进行RNA测序分析显示，YCM和OCM处理形成了两个独立的基因表达簇。OCM诱导的差异表达基因涉及炎症、代谢、细胞命运、组织重塑等与衰老密切相关的通路。与人类皮下脂肪组织(GTEx)数据库的比较发现，片上衰老与人类体内衰老在基因本体(GO)术语上高度一致。更重要的是，研究人员基于GTEx数据库训练了脂肪组织特异性生物年龄预测机器学习模型，并应用该模型预测片上组织的年龄。结果显示，经过OCM处理的WAT MPS，其预测年龄迅速向老年血清捐赠者的年龄靠拢，表明片上系统的生物年龄受到血清捐赠者年龄的显著影响。
人类WAT衰老的可塑性生物标志物和机制
通过将MPS RNA-seq数据与公共衰老数据库(GTEx, CellGen, GenAge, Aging Atlas)进行交叉比对，研究人员鉴定出11个在人类群体中和在片上由OCM诱导均呈现表达上调的衰老生物标志物，包括CXCL8 (IL8)、JUN、FOS、CDKN2A、IL6等，它们构成了与TNF信号、细胞衰老等相关的核心网络。同时，还鉴定出37个转录噪音（基因表达变异）随衰老增加的生物标志物，其相关的蛋白互作网络提示mTOR和胰岛素信号通路在其中扮演关键角色。这些发现揭示了系统性因素影响下人类组织衰老可塑性的关键分子决定因素。
人类肝脏衰老的生物标志物和机制
研究比较了肝脏衰老的两种诱导模式：直接血清暴露(OCM)和通过OCM预处理的WAT间接诱导。两种模式均能诱导肝脏衰老，但具有不同的特征。直接OCM诱导的肝脏衰老与GTEx数据库中的人体肝脏衰老共享代谢和氧化DNA损伤特征，并表现出TGF-β超家族信号。而由OCM处理的WAT诱导的肝脏衰老则表现出更强的“炎性衰老”特征。在生物标志物层面，直接OCM诱导的基因主要是生长因子(如BDNF、GDF15)，而由衰老脂肪诱导的则包括了关键的炎症介质IL-6。两种条件共享CDKN2B，其与预测的伙伴基因构成网络，富集于TGF-β相关的衰老通路。
测试重要人体组织的年轻化策略
研究人员利用该片上衰老系统测试了多种抗衰老策略。在OCM持续存在的情况下，senolytics药物组合(DQ)、ALK5抑制剂、催产素(OT)和雷帕霉素(Rapa)均能部分减轻衰老表型。然而，当在4天OCM处理后再去除旧血清（模拟稀释衰老因子），并联合上述药物处理时，观察到了最显著的年轻化效果，其中催产素在减少衰老、炎症，改善葡萄糖和脂质代谢方面表现尤为突出。此外，靶向敲低核心衰老生物标志物CDKN2A (p16) 也能有效减轻衰老表型并增强代谢功能。最后，研究模拟了“异时血液交换”，将处理条件从OCM切换为YCM。结果显示，这种血清转换能够使WAT MPS和肝脏MPS的多种衰老指标得到逆转，恢复胰岛素敏感性并降低脂质积累，证明了年轻化在片上同样可以快速实现。
研究结论与重要意义
本研究深入探讨了衰老的可塑性范式，及其在离体重要人体组织中的可诱导性和可逆性。尽管WAT和肝脏MPS是对复杂组织的简化，但OCM驱动的片上人类细胞衰老准确地反映了生理性体内过程，并与临床观察一致，显著增进了我们对人类衰老的理解，超越了动物模型和传统细胞培养的局限。
研究首次报道了利用单一XY hiPSC系，仅通过血清捐赠者的生物学性别即可在iPSC衍生的脂肪细胞和肝细胞中诱导出性别偏向的基因表达。片上诱导的性别二态性转录特征具有组织特异性，并与已发表的人类数据库特征相符，表明片上性别差异是由具有组织特异性效应的复杂血清衍生因子驱动的，超越了单纯的炎症细胞因子。
全面的转录组学比较和机器学习年龄预测表明，片上受控的衰老紧密地重现了人类体内衰老。这转变了生物衰老的范式，降低了其对时间进程的依赖，并突出了循环环境在独立于时间的诱导和逆转人类组织衰老中的关键作用。
研究发现炎症细胞因子和生长因子是衰老的主要驱动因素，但它们在WAT和肝脏中的作用不同：OCM诱导的肝脏衰老更依赖于生长因子(BDNF, GDF15)而非炎症因子，并伴随TGF-β/SMAD通路激活；而WAT衰老则表现出明显的炎症倾向，涉及一个由即刻早期转录因子(JUN, FOS)、衰老中枢CDKN2A (p16)和关键炎症介质/SASP构成的衰老循环。
片上系统成功区分了由衰老血清诱导的炎症和由肥胖相关M1巨噬细胞浸润诱导的炎症之间的差异，突出了该系统区分临床相关细节（炎症、衰老、肥胖）的能力。
在测试的抗衰老策略中，稀释衰老血清（模拟治疗性血浆交换）被证明是减轻片上衰老表型、增强其他干预措施疗效的有效方法。催产素和ALK5抑制剂在片上展现了强大的年轻化效果，这与它们在小鼠体内延长健康寿命、减轻衰老相关病理的结果相呼应。
WAT MPS表现出了明显的衰老“组织记忆”，即使撤除衰老血清，部分衰老特征仍能持续至少4天，并且这种记忆能通过旁分泌/内分泌方式传播至相连的肝脏MPS。这种现象与人类肥胖后即使减重，脂肪组织仍长期存在炎症和胰岛素抵抗的“肥胖记忆”有相似之处。
总之，这项研究建立了一个快速、可控的人类组织片上衰老模型，它不仅加深了我们对人类衰老机制的理解，揭示了衰老的传播性、性别差异和组织记忆等新特征，更重要的是，它成为一个强大的临床前平台，可用于系统性发现衰老的生物标志物和信号通路，并高效筛选和评估潜在的抗衰老及年轻化治疗策略。这项突破性工作有望加速人类特异性长寿药物的研发进程，应对全球老龄化带来的健康挑战。
