间充质干细胞早发现于造血器官,但后续研究证实间充质干细胞普遍存在于机体的多种组织器官中,并通过其多向分化潜能和自分泌功能参与组织修复和机体的免疫调节,西安脐带干细胞存储在衰老和很多疾病的发生发展中起着重要作用。因此,了解间充质干细胞等成体干细胞的衰老,就可以阐明衰老和很多疾病的发病机制。间充质干细胞的衰老主要表现在三个方面:①增殖能力变化:间充质干细胞具有自我更新能力但其分裂增殖次数是有限的随着间充质干细胞体外传代次数的增加,细胞逐渐呈现衰老细胞的特征,不仅有胞体增大、扁平和胞质内空泡等细胞形态学变化,还表现为细胞增殖和定向分化能力的降低甚至丧失,这些老化的细胞虽没有死亡但呈现静息状态,即 Hayflick限制。②分化能力变化:基础研究显示,人脂肪或骨髓来源的间充质干细胞在体外长期扩增后,其分化能力会明显下降;衰老大鼠肌肉组织或牙周膜来源的干细胞的增殖能力、分化能力、移行能力和克隆形成效率均明显降低。同样,在脑组织衰老的模型中,也观察到星形胶质细胞的特异性基因表达水平及细胞数量增加,而神经干细胞向神经元分化的能力下降。老年人的肌损伤后,组织修复能力明显低于年轻人。这些结果均表明成体干细胞的分化能力下降。③间充质干细胞的不稳定性增加:西安脐带干细胞存储很多研究认为,间充质干细胞在体外长期扩增后往往会出现DNA损伤、基因突变或者其他的细胞损伤,当这些损伤随着细胞增殖的增加累积到一定程度时,就可引发细胞周期调控的异常,甚至直接导致恶变。从这个意义上来说,可以很好地解释为什么老年人肿瘤、各种退行性疾病等干细胞疾病发病率较高。
上述这些间充质干细胞衰老的表现,体现的其实是衰老的结果。衰老作为一种复杂的生命过程,是内因和外因两方面众多因素共同作用的结果。科学家们采用传统的理论方法研究了间充质干细胞衰老的分子机制,发现是内在和外在多种因素通过氧化应激、DNA的损伤、端粒及端粒酶调控系统,以及衰老相关的ARF/p53及pl6ⅠNK4a/RB信号通路的激活等途径调控了间充质干细胞的衰老。然而,成体干细胞毕竟具有干性( stemness),明显不同于普通成体细胞,采用针对成体细胞衰老研究的理论和方法来研究成体干细胞,比如针对pl6INK4a/RB信号通路的调控机制,已经在成体干细胞取得很多进展,但这些机制研究似乎都忽视了成体干细胞特有的自我更新功能和相应的干性基因的作用。鉴于此,很多学者认为成体干细胞衰老的机制是由于成体干细胞的干性降低,导致成体干细胞的增殖能力降低,而且在基因调控层面干细胞干性基因与衰老相关基因表达水平之间存在相互拮抗关系。西安脐带干细胞存储这个观点是基于以下三个方面的研究发现:①间充质干细胞的衰老往往伴随着干性基因表达的下调:体内研究表明,与4个月龄的大鼠相比,15个月龄的大鼠骨髓间充质干细胞只检测到干性基因Oc4的表达,而检测不到Sox2和 Nanog的表达。体外进一步研究显示,多次传代的骨髓间充质干细胞增殖能力下降、自我更新的干性基因表达下调、干性基因Oct4和Nanog的表达量减少、成骨分化潜能退化,端粒酶活性丧失,但同时出现了β-半乳糖苷酶、p21等与衰老相关的基因的表达或表达量增加。②干性基因的表达抑制了间充质干细胞的衰老:细胞重编程研究显示,干性基因0ct4、Sox2、K4和c-Myc转染进入表皮细胞表达的同时,可以检测到细胞骨架、MHC-I基因和细胞凋亡相关基因的表达减弱,获得的iPS细胞端粒酶活性增强,但引人注目的是与衰老相关的pl5INK4B/pl6INK4a基因的表达受到了抑制,氧化应激的信号也受到抑制。间充质干细胞实验进一步显示,在间充质干细胞中过表达0t4和 Nanog两个干性基因,可以促进间充质干细胞的增殖和分化能力,并抑制自发分化。原来,Ot4和 Nanog与DNA甲基转移酶DNMT1的启动子结合,强化了DNMT1的表达,或许是DNMT1的表达导致p6NK4A和p21的启动子过度甲基化,其结果是抑制了衰老相关基因p6ⅠNK4A和p21的表达。③抑制衰老相关基因的表达可以增强间充质干细胞的于性:RNA干扰实验显示,抑制多次传代的骨髓间充质干细胞衰老相关基因p21的表达可以检测到干性基因O4和 Nanog的表达,同时观察到间充质干细胞增殖能力和成骨分化能力的增加。西安脐带干细胞存储类似的结果也在乳腺癌细胞的干扰实验中出现,即抑制pl6的表达,可以促进Nang、Oe4和Sox2的表达,降低乳腺癌细胞对化疗药物的敏感性。上述这些研究发现已见于间充质干细胞、乳腺癌细胞、成体细胞等多种细胞类型,但尚未见到造血干细胞的相关研究报道。
基于上述分子调控机制的研究发现提出的干细胞衰老学说认为,外因和内因共同诱发了成体干细胞的衰老,在成体干细胞维持组织器官的稳定和再生的过程中逐渐体现出机体衰老的特征。简单来说,相关环境因素影响了干细胞龛位的微环境,通过信号转导机制发挥了细胞增殖周期的调控效应或者表观遗传调控效应,其结果是抑制了细胞增殖或加快了细胞凋亡,或者在干细胞的DNA甲基化、组蛋白乙酰化、染色质重塑、非编码RNA调控等环节弱化了干细胞的干性相关蛋白的表达而强化了衰老蛋白的表达。尽管成体干细胞衰老究竟是通过干细胞的干性基因信号通路途径,还是通过p16、p21等经典衰老相关基因信号通路途径调控目前尚存争议,全面确立干性基因表达水平与衰老相关基因表达水平之间存在相互拮抗的关系也还需要更多证据的支持,但成体干细胞的衰老可能源于成体干细胞干性降低的观点,至少是传统的关于衰老学说的一种有益补充,这个观点也为体外分离和扩增间充质干细胞的过程中如何维持间充质干细胞的干性指出了努力方向。西安脐带干细胞存储更重要的是,越来越多的研究显示机体衰老的本质是成体干细胞的衰老,而间充质干细胞又普遍存在于机体的多种组织器官中,并在衰老和诸多疾病的发生发展中起着重要作用。延缓衰老甚至返老还童或长生不老一直是人类梦寐以求的人生梦想,深入研究衰老过程中维持成体干细胞干性基因的表达情况,可以更深入更全面地揭示成体干细胞衰老的调控机制,通过逆转或强化成体干细胞干性基因的表达,有望延缓成体干细胞的衰老或实现人类返老还童的梦想,尽管这样会增加促进肿瘤发展的可能。更令人鼓舞的是,衰老机制的研究发现,为延缓衰老或治疗与衰老相关的诸多疾病提供了新的思路和策略,比如间充质干细胞用于延缓衰老或治疗与衰老相关的诸多疾病成为可能,补充外来间充质干细胞可以通过自分泌功能和多向分化潜能,在延缓衰老或治疗与衰老相关的诸多疾病的多个环节或多个方面发挥干预或治疗作用。间充质干细胞的衰老如何影响到其分化能力,目前认为与基因调控、受损蛋白蓄积相关。研究发现随着年龄的增长细胞内p53的表达增加,并且p53的产物p21和Bax也相应地增加。p53能抑制间充质干细胞向成骨细胞、脂肪细胞以及肌纤维分化。还发现随着间充质干细胞传代次数增加,一些参与细胞周期调控,DNA复制及修复的基因表达显著下调因此会有很多的细胞发生凋亡。凋亡增加意味着具有分化能力的细胞数目减少。蛋白质受损以及异源性蛋白在细胞内的蓄积是细胞衰老的标志。西安脐带干细胞存储人骨髓从婴儿出生直到年老,经历了红骨髓向黄骨髓的转变。黄骨髓主要由脂肪组织构成,其造血功能甚微,而且大量的脂肪细胞会明显减慢骨髓中血细胞的形成速度,骨髓的脂肪化在骨质疏松症、股骨头坏死等常见老年疾病中尤为明显,这些变化将严重影响骨髓造血、进而影响人体健康。