來源： BioArt
「自古美人嘆遲暮，不許英雄見白頭」，從古至今機體的衰老都是人類繞不開的話題。為延緩衰老，科學家近年來提出了Senolytic療法，其核心就是及時清除已經衰老的細胞。然而，該療法在殺死衰老細胞的特異性和廣譜性方面仍存在局限：由於不同細胞衰老程序的異質性，導致不同類型的衰老細胞對同種抗衰老藥物的敏感性存在差異【1,2】。為克服這些挑戰，迫切需要開發一種新的策略來選擇性清除體內的衰老細胞。
2020年4月27日，來自北京大學的鄧宏魁教授研究組與北京大學化學與分子工程學院羅佗平課題組合作在Cell Research上發表了題為Elimination of senescent cells by β-galactosidase-targeted prodrug attenuates inflammation and restores physical function in aged mice的文章，創新性的報導了一種新型的前體藥物開發策略，即基於溶酶體β-半乳糖苷酶（β-gal）的活性增加（衰老細胞的主要特徵）來設計新化合物。作者基於此開發了新的前體藥物SSK1，該藥物可以被溶酶體β-gal特異性切割成具有細胞毒性的物質並誘導衰老細胞凋亡，進而清除衰老細胞。在老年小鼠中，該化合物有效清除了不同組織中的衰老細胞，降低了與衰老相關基因的表達，減弱了輕度的局部以及全身炎症，並恢復了其身體機能。這項研究表明，溶酶體β-gal可以作為一個選擇性清除衰老細胞的有效靶點，從而為開發抗衰老藥物提供了新的策略。
細胞衰老是細胞周期停滯的一種持久狀態，會在衰老的生物體中積累，導致組織功能障礙，並驅動與衰老有關的表型出現。在細胞衰老的過程中，一個主要特徵就是溶酶體β-半乳糖苷酶的活性增加，這種β-gal又被稱作衰老相關的β-半乳糖苷酶（Senescence-Associated β-galactosidase ，SA-β-gal）【3,4】。在不同類型的衰老細胞中以及在體內和體外的實驗里，SA-β-gal都是識別衰老的廣泛使用的標誌物【5】 。能不能利用SA-β-gal將無毒的前體藥物加工成具有細胞毒性的藥物，從而特異性殺死發生衰老的細胞？
為了開發這樣的前體藥物，作者首先篩選了已經被FDA批准的具有對衰老細胞良好殺傷性的藥物，最終選定了Gemcitabine（中文名吉西他濱）。
選擇它有以下幾個原因：1.對小鼠和人衰老細胞均有明顯的殺傷作用；2. 其4-氨基是一個完善的前體藥開發位點【6】；3.血漿循環時間短，具有較低的全身毒性。基於Gemcitabine，作者開發了前體藥物SSK1，其中的乙醯基和β-gal響應部分分別改善了細胞的通透性和特異性。研究人員驗證了SSK1在衰老細胞被特異性裂解並釋放具有細胞毒性的吉西他濱，而非衰老細胞不會發生這種情況，這表明，SSK1對衰老細胞有毒而對非衰老細胞無毒。為了證明SSK1對於衰老細胞的殺傷是依賴於β-gal的，作者首先測試了另一種缺少半乳糖部分的同樣基於Gemcitabine的前體藥（LY2334737），發現其在消除衰老和非衰老細胞方面無明顯差異。進一步使用RNA干擾來降低編碼β-gal的基因GLB1的表達，會削弱SSK1殺死SA-β-gal陽性衰老細胞的能力，這表明其對衰老細胞的特異性取決於溶酶體β-gal活性。那麼SSK1在衰老細胞中作用的分子機制是什麼呢？
由於Gemcitabine是通過激活p38絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）誘導細胞死亡，因此作者檢測了細胞在接受Gemcitabine處理後MAPK的磷酸化狀態。結果顯示SSK1處理後，p38 MAPK和MKK3 / MKK6在衰老細胞中被磷酸化激活。這表明SSK1可以在衰老細胞中被加工成Gemcitabine並激活p38 MAPK信號通路。同時用p38 MAPK抑制劑Birb796，SB203580和SB202190的處理細胞削弱了SSK1特異性殺死衰老細胞的能力。因此，SSK1通過激活p38 MAPK信號傳導途徑殺死了衰老細胞。
儘管作者在之後的實驗中證明了在不同的小鼠和人類來源的細胞系中，SSK1均可以有效清除衰老細胞，但是還是缺乏來自於體內的證據。於是研究人員採用了兩個獨立的衰老體內模型：應激誘導的衰老（博來黴素誘導肺損傷）和自然發生的衰老。在小鼠肺損傷模型中，SSK1在體內清除了應激誘導的衰老細胞並減輕了相關症狀。
在自然發生的衰老中，SSK1有效減少了衰老小鼠中天然存在的衰老細胞，並且降低了衰老和與年齡相關的標記基因的表達，在局部和全身減輕了衰老相關分泌表型，並且顯著地恢復了身體機能。同時，作者也通過一系列實驗證明了該藥物的安全性。總體而言，這些研究結果表明，通過SSK1誘導SA-β-gal陽性衰老細胞的清除，是緩解與衰老相關功能衰退的安全有效的方法。
總之，該研究通過靶向SA-β-gal選擇性去除多種類型的衰老細胞，證明了這種前體藥物開發策略的優越性和安全性。該研究為開發抗衰老藥物提供了新的策略，具有良好的應用前景。
原文連結：
https://www.nature.com/articles/s41422-020-0314-9
1.Zhu, Y., et al., New agents that target senescent cells: the flavone, fisetin, and the BCL-XL inhibitors, A1331852 and A1155463. 2017. 9(3): p. 955.
2.Baar, M.P., et al., Targeted apoptosis of senescent cells restores tissue homeostasis in response to chemotoxicity and aging. 2017. 169(1): p. 132-147. e16.
3.Dimri, G.P., et al., A biomarker that identifies senescent human cells in culture and in aging skin in vivo. 1995. 92(20): p. 9363-9367.
4.Debacq-Chainiaux, F., et al., Protocols to detect senescence-associated beta-galactosidase (SA-βgal) activity, a biomarker of senescent cells in culture and in vivo. 2009. 4(12): p. 1798.
5.Hernandez-Segura, A., J. Nehme, and M.J.T.i.c.b. Demaria, Hallmarks of cellular senescence. 2018. 28(6): p. 436-453.
6.Moysan, E., G. Bastiat, and J.-P.J.M.p. Benoit, Gemcitabine versus modified gemcitabine: a review of several promising chemical modifications. 2013. 10(2): p. 430-444.