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深度长文 · 伟大的抗衰老之梦

Jerry发呆 Jerry发呆 来源:医药魔方
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如果你有空逛一逛家附近的药店,或者刷一刷淘宝,应该不难找到五花八门标着可以"延缓衰老"的保健品。对抗衰老是人类自古便有的永恒话题,无论是秦始皇的仙丹妙药还是炼金术士的贤者之石,都是人类追求长生最好的例证。但不管是道士的仙丹还是药店的保健品,纵使这些号称对抗衰老的产品更换成何种形式,有两条真理自始至终从未变过:他们是赚快钱的好门路,而且没有确实的科学证据证实他们对人体有效。

即使花费了成百上千年的努力,尽管广告商们不遗余力的吹嘘,我们依然没有找到使时光倒流的神奇药水。多年来类似注射人生长因子或者移植大猩猩睾丸组织的很多号称能够抗衰老的疗法,其实并不能产生预期的效果,相反它们经常产生意想不到的伤害。还有一些类似白藜芦醇这种连很多医生都对其“功效”深信不疑的化合物,其实科学研究结果并不能够支撑他们的商业宣传[1]。如果连无效的东西都能卖得这么好,谁要是真发现了安全有效的抗衰老产品一定会赚疯了吧。

考虑到巨大的市场需求,很多人会好奇为什么到现在我们还没有找到任何一种能够对抗衰老的药物。答案其实很简单,因为衰老过程超乎寻常的复杂。有上千个基因参与了人机体衰老的过程,无论我们是运动,禁食,吸烟,还是焦虑或者暴饮暴食,这些行为或多或少都有可能引起人基因组的变化进而影响衰老过程。而且每一次生物学的重大发现,无论是表观遗传学,还是miRNA的发现,亦或者微生物组,人们都会发现他们会对衰老过程产生影响。抗衰老的临床试验通常要花费数十年才能看到疗效,由此产生的后果是任何一款抗衰老药物的临床试验需要花费上巨额的投入才能完成,所以你应该能了解研究抗衰老领域科研工作者心里的痛了吧。

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抗衰老食物by CureJoy

尽管存在无数的挑战,但那些希望能够延长“健康寿命”的人并不必灰心,因为希望仍然存在。科研人员正寻找方法逆转衰老过程,而且已经有几款已经上市的药物正经历蜕变,成为潜在的抗衰老药物。这个领域的玩家包括类似谷歌这样烧得起钱的公司和Craig Venter这样杰出的生物学家。他们希望通过基因组、大数据、机器学习等手段来对抗衰老这一人类最强大的敌人。

衰老是几乎所有导致人类死亡原因的最重要风险因素。过去几个世纪以来,现代医学的发展以及其他创新使人类的寿命增长了一倍,但这些治疗方式只局限于治疗癌症和心血管疾病等老年人才容易出现的疾病,而很少去解析导致人们罹患这些疾病风险增加的内在细胞和分子生物学机制。人的寿命增加了,但却很难健康地享受这些因现代医学的发展而延长的寿命。很多年轻人因需要照顾由于患病而长期卧床生活质量极差的老人使自己的生活变得无比艰难。

根据世界卫生组织的报告,在多数国家60岁以上老人在总人口所占的比例比任何一个年龄层比例的上升速度都要快。到2050年,老年人口将会占到世界总人口的五分之一,比现在的数字高出一倍之多。很显然寻找有科学依据的、能让老年人口生活更加健康的方法,以及试图从科学角度解释人为什么衰老这一根本问题正成为科研领域急需解决的难题。那么,我们为什么会衰老呢?

01 

衰老的原因

上世纪50年代,Judy Campisi提出了一个很有意思的观点:拮抗性多效(antagonistic pleiotropy)进化理论。该理论认为人为了生存到正常繁衍的年纪,会进化出一些对处于老年期的人有害的特征,比如血液中钙含量有助于捕猎的人能够在骨骼受伤后快速愈合,以便尽快能够捕猎,但到了60多岁的时候,血液中的钙会在动脉沉积导致血管堵塞和硬化。对30岁的人有利的生理特征并不一定对60岁的人有利。

但上世纪90年代科研人员却发现,仅仅是单个基因突变便可导致线虫寿命两倍,三倍甚至更大程度地延长,在这之后能够延长果蝇,小鼠以及其他一些生物寿命的单个基因突变也陆续被发现。如果通过基因改变能影响动物的寿命以及健康存活时间,那么是不是能够设计药物来影响这些基因所表达的蛋白的功能呢?看似极其复杂的生理过程似乎很容易被干预,这让科学家们感到诧异,但同时也变得异常兴奋。于是科研人员开始研究这些基因在人体内的功能。他们发现这些基因参与的生化信号通路纵横交错,包括调节细胞核内或线粒体内功能,或者整体生理以及代谢过程的信号通路。

随着过去二十多年发现的与衰老过程相关的基因越来越多,对这些基因在体内参与的生化过程的研究也越来越深入。例如研究发现很多与衰老相关的基因参与了人体的整体代谢过程。而人体和实验动物的多项研究也表明运动以及控制饮食能够延长寿命和降低罹患衰老相关疾病的风险。影响衰老的基因同样能够影响人体激素参与的信号过程,干细胞分化形成新组织和血液细胞的能力,以及线粒体的功能。而且多种衰老相关基因能够通过影响端粒的长度干预衰老过程。综合以上科学发现来看,虽然通过各种干预手段来延长寿命可能并不容易,但减少衰老相关疾病的发生率/推迟发生时间,从而延长人的健康生存时间(健康寿命) 是可行的。

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Artist Unknown

虽然有了相对合理的证据证明健康生活方式能够通过影响体内多种信号通路来影响衰老过程,但考虑到人的饮食,锻炼等行为难以改变,因此科研人员希望通过使用药物来对抗衰老。截止目前,科学家已经发现了数以百计的能够影响参与衰老过程信号通路的的化合物。但同时需要注意的是,干预这些信号通路在多数时候并不是明智之举,细胞的正常生理过程通常是多因素的精细调节产生的平衡,如果干预的程度不足,则可能不会产生明显影响,如果太过,则可能引发其他问题。

端粒就是一个很好的例子。研究人员发现端粒越短,死亡和罹患衰老相关疾病的风险会越高,所以激活端粒酶来延长端粒的化合物可能对衰老有效。但科学家发现通过小分子化合物干预端粒酶活性来延长端粒会增加细胞癌变的风险。其实很多干预影响衰老的生理过程的疗法都会面临同样的问题:诱发细胞癌变。我们对影响衰老的生理机制了解的越深入,越会发现这其中的复杂难以想象。

02

靶向衰老细胞

虽然我们对于衰老过程的分子基础仍然不甚了解,但是很多人怀疑衰老与基因组损伤相关。随着年龄的增长,端粒不断的缩短,DNA暴露于致癌物的机会增多,病毒DNA整合进人基因组的概率也增加,从而产生进一步损伤,而DNA整合进染色体的方式也同样会受影响。由此会引发细胞进入衰老状态,而衰老的细胞会通过分泌细胞信号分子影响周围的细胞。因此研究衰老细胞也成了抗衰老领域的重要分支。

或许与人整体的衰老类似,经过漫长的演化过程使得衰老细胞对年轻的机体有利,而对于老年人衰老细胞则会产生诸多问题。当人年轻的时候,衰老细胞如果面临癌变的风险时会停止分裂,同时衰老细胞会分泌多种分子促进再生和损伤修复。但随着年龄增加,越来越多的细胞进入衰老状态,衰老细胞分泌的信号分子累积增多会引发炎症的形成,同时诱发周围细胞进入衰老状态。这些持续分泌的信号分子甚至可以引起一系列包括心血管疾病和特定类型癌症在内的多种衰老相关疾病。

由于衰老细胞在衰老过程中所扮演的重要作用,开发靶向衰老细胞的药物已成为热点研究领域。靶向衰老细胞的治疗策略主要分为以下几种类型:

选择性清除衰老细胞——senolysis(衰老细胞裂解?)

免疫系统介导的衰老细胞清除

细胞衰老分泌表型 (senescence-associated secretory phenotype,SASP) 中和。

如果进行比较的话,senolysis药物的开发前景可能更好,因为永久性清除衰老细胞将不会存在SASP的问题,而且理论上来讲衰老细胞被清除之后就不会存在癌变的风险。衰老细胞的生化过程与其他病理过程存在交叉,所以很多治疗其他疾病的药物也有可能成为senolysis药物。

现已报道的处于研发阶段的senolysis药物主要是靶向细胞凋亡系统,比如BCL-2家族蛋白。Unity Biotechnology试图利用化合物Navitoclax (ABT-263) 清除肾脏、眼睛、动脉以及关节等处的衰老细胞。国内的亚盛医药与Unity Biotechnology也建立了合作关系,共同开发抗衰老药物。魏茨曼科学研究所 (Weizmann Institute for Science) 的科学家使用的化合物与Unity Biotechnology类似——ABT-737。2016年他们发表文章称该化合物能够杀灭清除小鼠衰老皮肤细胞,导致毛囊干细胞的增殖 [2]。Navitoclax和ABT-737能够抑制性结合BCL-2、BCL-X以及BCL-W,抑制他们的抗凋亡功能,诱导衰老细胞凋亡。

随着人年龄的增长,免疫系统清除衰老细胞的能力也会下降。所以利用免疫系统清除衰老细胞也是比较重要的研究方向,最近科研人员也在尝试使用CART细胞来清除衰老细胞 (未进入临床研究阶段)。衰老细胞逃避免疫系统清除的机制包括使用诱骗受体和PD-1等策略,所以诱骗受体抑制剂和检查点抑制剂的使用也是潜在的治疗策略(虽然听起来不是很靠谱)。

清除衰老细胞实际上并不会像想象的那么简单。首先,细胞衰老对机体的作用并不全都是有害的,细胞衰老在抑制肿瘤形成、伤口愈合、胚胎发育、组织再生等过程中具有重要作用,而且能够在衰老过程中促进胰腺β细胞分泌胰岛素,因此必须注意选择清除衰老细胞的时间、位置、方式。其次,尽管现在已经报道了很多靶向衰老细胞的小分子药物,但这些化合物脱靶效应普遍存在。第三,不同组织内的衰老细胞对于不同疗法的敏感度不同,因此在药物设计的时候不仅需要选择靶向细胞的类型,还必须使药物能够在特定组织富集。

除了以上这些诱导衰老细胞清除的策略外,科学家还报道了一种很有趣的方式:通过清除衰老细胞的标志物使衰老细胞恢复到年轻状态。这一策略的灵感来源于著名的诱导多能干细胞技术。去年Cell杂志上的一篇文章报道了Belmonte课题组的相关工作[3]。他们通过短暂激活4个能够诱导多能干细胞的基因来重塑衰老细胞。这4个基因能够重塑细胞的表观遗传学标志,从细胞层面消除细胞衰老的迹象。实验小鼠的肌肉,胰腺,脾脏以及皮肤都恢复到更加年轻的状态,他们的寿命也更长。在这之后他们也在尝试使用小分子化合物组合以产生类似的效果。

部分抗衰老领域相关药物

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03

代谢过程

 

在衰老过程中存在一个非常重要的特征:代谢异常。老年人通常会经历瘦体积(fat mass) 与脂肪量 (fat mass) 比率降低,肌肉量减少,以及脂肪由皮下向内脏转移的过程。而脂肪内脏转移则与组织胰岛素敏感度降低,血清胰岛素水平升高相关。与此同时代谢异常也是多种疾病的风险因素,比如肥胖的程度与预期寿命负相关,而且高内脏脂肪含量的年轻人罹患高血压,心脏病等‘老年病’的风险也会增加。

研究发现,终生限制小鼠和大鼠热量摄取能够延长高达50%的寿命,其他诸如酵母菌、鱼类、犬等生物的研究也发现了同样的现象,在不引起营养不良的情况下限制热量的摄入能够延缓衰老相关的生化过程,维持机体年轻状态还能够延长寿命。

仅仅是饮食方案的调整就能够产生一系列的生理和代谢变化,甚至延长寿命,这听起来确实非常有吸引力。不仅如此,研究人员也发现单纯限制半胱氨酸的摄入也能够延长线虫、酵母、果蝇以及啮齿类动物的寿命。但需要注意的是限制半胱氨酸摄入对人体健康状况的影响还有待深入研究,有报道称半胱氨酸摄入量过低有可能导致脂肪肝、体重过低以及贫血等健康问题,

由于很多人的饮食方案调整比较困难,所以科研人员也在研究如何通过药物模拟饮食控制所影响的生化过程变化,该类药物被称为CRM(Caloric restriction mimetics,此处翻译为模拟热量限制作用的化合物)。目前该类药物的研发策略是寻找能够促进胞内蛋白去乙酰化从而引发自噬的小分子化合物。现在研究较多的是三类减少乙酰化的策略:降低胞内乙酰辅酶A浓度,抑制乙酰基转移酶,或者活化去乙酰酶。

这三类方法的目的都是为了减少胞内蛋白的乙酰化水平,从而激活胞浆内的营养感受器,激活AMPK、抑制mTORC1。同时细胞核内的表观遗传学调控也会受影响,引起细胞内一系列生化过程的改变最终引发细胞自噬。

乙酰辅酶A可在糖酵解过程以及脂肪分解过程中产生,由于它是乙酰基转移酶的乙酰基供体,所以乙酰辅酶A浓度下降会引起胞内蛋白乙酰化水平下降。而降低乙酰辅酶A水平可以通过抑制其生物合成过程来实现,比如抑制其合成通路中的MPC,PDH, CPT1等等。

乙酰基转移酶的种类非常多,但由于历史原因,我们只对组蛋白乙酰基转移酶的研究比较多,所以开发乙酰基转移酶抑制剂主要集中在组蛋白乙酰基转移酶领域。报道的泛组蛋白乙酰基转移酶抑制剂主要是一些天然产物,比如生姜中的姜黄素,绿茶中的EGCG,漆树酸,以及一些合成小分子比如MB-3,C646。

很多去乙酰酶是锌离子依赖性的,但包括sirtuin在内的另一类去乙酰酶却是锌离子非依赖且NAD依赖性的,其中SIRT1介导的去乙酰化过程对于保护性自噬的引发至关重要。一般认为白藜芦醇是第一个发现的SIRT1激动剂,但其活化作用是直接还是间接产生的存在争议。除此之外SIRT1激动剂还包括槲皮素,白皮杉醇,以及包括NR在内的多种NAD前体等等。需要指出的是这些化合物的作用机制和抗衰老效果并没有被证实,绝大多数相关实验数据都是invitro或者动物模型中获得的,而对于人体的有效性的临床研究非常少。尽管科学证据不足,由于保健品市场监管的问题,出售含有NAD前体的保健品的公司依然很多。美国的Elysium公司就是个很好的例子,但由于他们找了7个诺贝尔奖获得者作为公司的科学顾问因此引来了诸多非议。

04

神奇的小分子

如果你觉得以上这些抗衰老疗法的研究都是小打小闹,离上市还非常远的话,那接下来的两类小分子药物可能会颠覆你对该领域的认知。

自上世纪50年代以来,由于降低肝内葡萄糖生成和胰岛素增敏的作用,二甲双胍一直是二型糖尿病患者的常用药。2014年的一项关于该药物长期作用的研究发现,服用二甲双胍的二型糖尿病患者的寿命相较于不患病而且未服药的对照组人群更长。也就是说只要换糖尿病的人一直服用二甲双胍,他们的寿命可能会比不患病的人更长。而观察性研究也发现服用二甲双胍的患者患癌症及相关死亡风险降低,认知功能提升[4]。

由于二甲双胍的安全性以及以上抗衰老相关的研究数据,美国老年研究联合会(AFAR) 支持了一项二甲双胍的抗衰老临床研究项目 (TAME study)。毫无疑问该项临床研究需要巨额的资金以及时间投入,但如果临床试验成功将会对抗衰老领域的发展产生革命性的变化

除了二甲双胍,另一款非常重要的药物是雷帕霉素。雷帕霉素于上世纪80年代在复活节岛的土壤细菌中被发现,该药被用于抑制器官移植手术的免疫排斥反应。而多年前科研人员就发现雷帕霉素能够延长小鼠的寿命。前些年诺华的科学家们将抗衰老研究推向了另一高度:他们测试了雷帕霉素的类似物RAD001对人类衰老相关问题的影响。诺华Joan Mannick和他的同事发现RAD001能够使老年人的免疫系统恢复到年轻状态 [5]。

这项研究是基于老年人面对的一个常见问题:对流感疫苗的响应度不高。随着年龄的增长,人免疫系统识别新抗原的能力也逐渐钝化。基于小鼠的实验数据,诺华的科学家们让临床试验对象服用雷帕霉素类似物RAD001六周时间。接下来停药两周清除体内的药物残留并注射流感疫苗。他们发现病人对疫苗的响应度明显提高,体内抗流感病毒抗体的生成量明显增加。该工作也激起了很多人对雷帕霉素的作用靶点mTOR的兴趣。

该激酶是多条信号通路的关键组分,因此药物化学家们也在设计新的雷帕霉素抑制剂以适应不同的细胞环境。mTOR不仅能够影响免疫系统,还能够抑制衰老细胞生成多种有害的信号分子。同时研究也发现该酶也参与了节食所产生正向调节过程。

由于雷帕霉素能够作用于mTORC2产生代谢相关的副作用,而其抗衰老的作用主要与mTORC1抑制作用相关,所以mTORC1选择性抑制剂可能会成为非常有前景的抗衰老药物。

05

结语

衰老相关领域的研究远比我们想象的重要。在过去一百年里由于新生儿死亡率下降等因素人的预期寿命显著延长。但寿命延长的同时老年人却没有变的更健康,因此预防衰老相关疾病,延长人的健康寿命对于减少相关社会问题、减轻医疗负担会产生十分巨大的影响。

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由于衰老的过程太过复杂,现阶段我们对于该过程的认知并不足够深入。但尽管如此,我依然相信衰老的过程是可逆的。短暂表达Yamanaka因子OSKM就能够使小鼠机体回到相对年轻的状态[3],将衰老小鼠和年轻小鼠循环系统相连能够减轻衰老小鼠的衰老迹象 [6-7],这些实验都初步的证明了衰老小鼠能够重回年轻状态。

但最关键的问题是,如何在保证安全性的前提下通过药物或其他手段干预衰老过程?我相信这对于新药研发行业的科学家来说这会是一个很大的难题。尽管该领域已经有多个药物研发的方向,但整体来看短时间内取得突破性进展的可能性很低。此外进行抗衰老药物临床试验的资金和时间投入也会极其巨大,因此对于senolysis或者是CRM等领域的药物如果把衰老相关疾病的发生率作为临床试验的终点,而非寿命的延长,可能会极大降低资金和时间的投入。

二甲双胍和雷帕霉素类似物是目前为止抗衰老领域最具潜力的药物,但目前仍然没有足够的人体试验证据支持他们对人抗衰老作用的有效性。回想一下临床试验的总体成功率,有多少药物的药理理论基础完备,临床前实验数据异常漂亮,但依然死在二期/三期临床?

目前来看,对于大众来说最安全的潜在(注意是潜在) 抗衰老方式依然是适度运动和适当节制饮食等生活方式的改善。但对于像我这样的普通人而言,运动和节制饮食可能是比每天吃一两片二甲双胍要难得多的事情吧。

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参考文献:

1.   Precision Oncology. 1:35. 2017.

2.   Nature Communications. 7:11190. 2016.

3.   Cell. 7:p1719–1733. 2016.

4.   Cell. 23(6):1060-1065. 2016.

5.   Science Translational Medicine. 6:268ra179. 2014.

6.   Science. 344:649-652. 2014.

7.   Science. 344:630-634. 2014.

8.   Nature reviews drug discovery. 16:718–735. 2017

9.   Nature reviews drug discovery. 4:569-580. 2015

10. Nature reviews drug discovery. 13:727–740. 2014

11. C&EN: Frame of Article. 10:30-35. 2017.

12. Nature Medicine. 21:1400-1405. 2015.

13. Nature Medicine. 21:1416-1423. 2015.

14. Nature. 492, S2–S3. 2012.

抗衰老

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