衰老代谢与肠道

衰老，代谢与肠道

自从2009年Hans Clevers 实验室发明肠道类器官以来，肠道的研究如同插上了翅膀，在各个领域的研究都取得了令人瞩目的进展。

如今肠道类器官在国内的应用，也是遍地开花，甚至有专门的热心肠研究会。近期大神Hans Clevers 写了一篇Comments综述了类器官在病毒和covid-19中的应用（插入链接）。

今天给大家介绍一篇关于《衰老，代谢与肠道》的综述。顾名思义，本文主要综述代谢和衰老如何控制肠道干细胞的功能和上皮细胞的稳态。近期以果蝇和mouse为模式生物取得新的见解，本文聚焦衰老过程中代谢信号是如何导致肠道干细胞失去干细胞的可塑性和上皮细胞稳态的，以及最终如何影响机体的复原能力和寿命。同时比较了果蝇和mouse

之间的异同点。

民以食为天，消化食物的主要器官就是肠和胃。肠道上皮不但是外界环境的一个动态的屏障，同时也整合了多种信号，包括代谢产物，共生微生物，免疫反应和衰老压力。肠道每天都接收多种多样的生理和病理的刺激信号，这些刺激信号包括代谢物，免疫系统和肠道细菌的交流信号。所有的这些刺激信号都会影响小肠的对环境或者机体挑战的反应。而衰老又对肠道的自我更新和保护功能提出了额外的挑战。后果包括肠道干细胞增殖和分化的适应，干细胞耗竭，细胞衰老，免疫和炎症反应和上皮屏障功能的加强。重要的是这些因素影响了上皮的稳态与肠道的屏障功能，这些因素的异常调控可以导致上皮屏障功能的缺陷和对整个机体的损害。

肠道稳态，代谢和衰老的基本概念

肠道的稳态

上皮的稳态依赖于肠道干细胞的自我更新和分化，细胞的脱落和凋亡。mouse的肠道细胞3-5天就会更新一遍，维持mouse这种高速增殖的是潘氏细胞分泌的Wnt配体，在果蝇中内脏肌肉产生类似的Wnt 配体wingless(wg)。果蝇和小鼠的肠道组织平衡基于肠道干细胞分裂时两个对称分裂的子代细胞的中立的竞争，在分化的过程中，Notch信号抑制分泌细胞促进肠细胞的分化。

肠道的代谢

长生不老，青春永驻是人类永恒的童话，也有严肃的科学研究，前面有几期文章是关于这个主题的，点此回顾（插入链接）。

在多种生物中发现限制卡路里摄取，或者说节食，会延长寿命。肠道作为直接接触营养与代谢物的器官，最近一些研究对不同的营养状态对肠道干细胞的影响和上皮细胞的稳态获取了新的认识。有两种不同的模式，一种是代谢物通过信号通路直接的对肠道干细胞的影响，一种是间接影响肠道细胞种类的组成影响肠道干细胞。

肠道的衰老

作为一种快速更新的组织，肠道干细胞特别需要跟上增殖和分化的速度以维持自我更新。年龄增长带来的细胞和DNA损伤的累积，同样会对肠道干细胞造成损伤。肠道干细胞高度倾向于干细胞耗竭（衰老的典型的标志），自我更新能力的降低，丢失损伤后自我修复的能力，祖细胞分化的不平衡等。这些因素会影响肠道上皮的平衡和屏障功能，在老年人消化道泄漏综合症中很常见。

果蝇和mouse作为两个应用广泛的模式生物，本文中几乎所有提到的基因在人类中都有对应的同源基因，可以作为一个种属间进化中保守的机制和肠道稳态的基础概念的研究平台。

果蝇和mouse的肠道生理知识（略）

果蝇的肠道功能（略）

果蝇的代谢和衰老对肠道的影响（略）

略过果蝇直接说小鼠，毕竟小鼠和人类都是哺乳动物关系更近。

上面是mouse 肠道的解剖结构示意图：手指样的绒毛可以增大吸收面积，隐窝是肠道干细胞的微环境，从隐窝到绒毛有7种细胞。其中Tuft 和M细胞属于稀有细胞，可以用肠道类器官大规模扩增后研究（货号06005），这也是Hans Clevers在一篇文章中指明的方向和方法。肠道类器官的出现极大的方便了肠道上皮和干细胞微环境的研究，而且可以很方便的利用多种基因编辑技术。肠道类器官忠实的反应了肠道干细胞在体内的功能，因此可以直接用肠道类器官的生成效率测试肠道干细胞的再生能力。

肠道稳态和代谢

过去数年中，新的数据表明，除了众所周知的WNT 和Notch信号路径之外，能量代谢也对肠道干细胞功能和上皮细胞的稳态有贡献。肠道上皮受到内外两个方面的影响，细胞内的代谢状态和外源的代谢物和营养状态都可以影响肠道上皮。肠道干细胞会对现代生活中常见的如控制卡路里摄取和空腹，生酮和葡萄糖补充饮食，高脂肪饮食等措施，做出动态的响应和改变。

肠道干细胞和支持细胞潘氏细胞能量代谢的状态也不相同，肠道干细胞有更高的线粒体活性，而潘氏细胞以糖酵解为特征。这些不同的代谢状态会直接影响肠道干细胞，例如抑制肠道干细胞的线粒体活性，或者抑制潘氏细胞细胞的糖酵解，会导致无法形成肠道类器官，这已经作为一种肠道干细胞功能的检测方法。肠道干细胞和潘氏细胞的能量代谢差异似乎是本身固有的差异，并且能够相互帮助，例如潘氏细胞的糖酵解产生大量的乳酸，作为肠道干细胞线粒体代谢的原料。

能量代谢反过来也会影响肠道干细胞的增殖和分化，在机制的层级上，肠道干细胞的线粒体激活会驱使干细胞向不同的肠道细胞分化，抑制线粒体代谢或者删除线粒体的Mpc1的基因会增加干细胞的增殖，如何用能量代谢调控干细胞的增殖和分化是目前的研究热点，但是目前还是所知甚少。

营养状态也会对肠道干细胞有直接和间接影响，例如控制卡路里的摄取会增加肠道干细胞和潘氏细胞的数量，并且增强肠道干细胞的功能，可以通过提高类器官的生成得到证明。所以节食是有益健康的？文中还综述了不同的饮食控制手段对肠道干细胞的影响，不再一一赘述，可自行阅读原文。

不同饮食控制手段对肠道干细胞的影响

肠道稳态与衰老

衰老对肠道上皮的影响，从一开始的描述性的分析（结果和细胞类型的变化），到肠道干细胞功能的分析。肠道干细胞的功能分析，从检测组织修复能力和更新率，到用类器官技术检测肠道干细胞形成类器官的能力，和类器官的分化能力（每代类器官隐窝的数量）。也可以进一步进行分子生物学的研究分析，例如DNA损伤的研究。

由于技术手段的限制，衰老对干细胞数量的影响，出现了互相矛盾的结果，随着年龄的增加肠道干细胞数量增加，减少，和不变，都有文章报道过。

相对比较一致的结果是，随着衰老潘氏细胞和杯状细胞会增加，肠道干细胞的分化会偏向于分泌细胞类型。这些发现和Notch1表达降低是一致的。

近几年通过转录组分析研究了衰老对肠道上皮退化的影响，发现肠道干细胞的Wnt3的表达减少，潘氏细胞和间质细胞也减少。同时如果用WNT3A处理肠道类器官，可以恢复类器官的形成的效率。也有很多其他的研究用不同的因子或代谢物可以逆转衰老对肠道的影响。

肠道代谢与衰老

代谢对肠道干细胞和肠道上皮稳态有重要的作用，同样也会被衰老改变。代谢和衰老之间的有趣的相互作用，可能为阻止年龄带来的肠道上皮恶化提供了干预的方法。

例如，年轻mouse禁食可以提高肠道干细胞的功能，通过激活PPARd/FAO信号提高形成类器官的能力。老年mouse既可以通过禁食也可以用小分子激活PPARd/FAO信号提供肠道干细胞的功能，这种功能的提升可以通过检测类器官的形成能力证实。

但是研究发现虽然禁食对老年和年轻mouse都有好处，但是短期的24h的禁食对改善老年mouse年龄相关的恶化的效果就差了一些。虽然差一些，但是体内实验表明，短期的禁食之后，老年mouse的肠道祖细胞数目增加，说明短期禁食可能会增加了肠道上皮的更新率。

另外一个禁食的机制研究，表明禁食通过抑制mTORC1活性提高提升肠道干细胞功能。老年mouse的mTORC1和P53表达升高，导致了一系列的衰老的表型，例如干细胞耗竭，绒毛功能的降低（营养吸收功能的下降）。这些衰老表型可以部分的被雷帕霉素或者P38抑制剂逆转。

在分子水平上，Sirt1介导的NAD+的添加物可以让衰老的肠道干细胞返老还童。针对一系列Sirt1基因的敲除KO实验，Sirt1丢失后可以在年轻小鼠上重现衰老的表型，而且在衰老的时候可以加重衰老的表型。

高脂肪饮食实验也可以获得类似的结果，老年mouse转录反应更容易受到高脂饮食的影响，符合老年适应性整体下降的趋势。这种机能的变化是干预衰老的一个有趣的靶标，需要搞清楚是肠道特异性的还是一般的机制。

又闻到一股抗衰老，返老还童的味道。

果蝇和mouse对比（略）

肠道屏障功能在疾病和衰老中的作用

肠道屏障功能的维持，包括其代谢和免疫功能，对机体健康至关重要。肠道屏障衰竭已被描述为衰老的病理标志，肠屏障功能障碍与局部和全身性疾病有关，包括炎症性肠病，肥胖症，代谢性疾病，肝病以及肺和脑功能障碍等。年龄相关的肠道生态失调和肠道的屏障功能障碍有关。

读到这一段的时候，我在想到底是衰老导致了这些全身性的疾病，还是衰老导致肠道的功能失调后，导致了这些全身性的疾病？难道阻止了肠道的衰老，就能逆转全身的衰老？就像某个电影（怒火攻心之高压电）里面那样，有一个年轻的心脏，百岁老人也可以焕发青春？

当然返老还童的实验一直在探索，局部改善整体也并非不可能。

果蝇肠道的屏障功能（略）

Mouse肠道的屏障功能

肠道屏障功能的重要性不用多说，想想肠子里面的东西。如果屏障功能出问题，炎症疾病几乎是必然的。如果mouse缺乏JAM-A的粘附分子，肠道的通透性增加，会各种促炎症的特征，如CD4T细胞的累积和各种炎症因子的上调。同样紧密连接复合体相关基因的突变会导致肠道屏障功能点障碍，常常会导致远处器官的衰竭和严重的疾病。

这说明加强紧密连接的功能对改善禅道的生理非常关键，也许为炎症、全身感染和健康期延长提高了治疗的靶标。

衰老导致的肠道屏障功能障碍在动物和人类中都会出现，衰老不但导致了肠道功能的障碍，同时也导致炎症，微生物异位和全身感染。

衰老导致的肠道屏障功能障碍与相关的后果

展望

一个重要的前沿和目前研究的重点是：研究器官之间的通讯交流，以更好地了解肠道稳态与整体健康之间的关系。果蝇因为相对简单在器官通讯交流领域被作为模式生物。

体外3D类器官，以及和其他的器官的类器官组成器官芯片，或者body-on-chip, 也是目前的一个热点，在药物测试方面的应用未可估量。

另外一个研究的重点是肠道微生物组。虽然脑海中浮起各种美少女益生菌的广告画面，但仍然属于一个严肃的科学研究。肠道的微生物组非常的复杂，参与了食物的消化，代谢适

应和免疫调控。而且越来越多的证据表明宿主-微生物之间的相互作用在衰老过程扮演了重要的角色，是衰老相关的重要调控因素。总之要吃好！不要高脂饮食！

目前有待研究的几个问题

1 潘氏细胞研究的比较多了，那么肠道的基质细胞，免疫细胞，微生物如何影响肠道干细胞的能量代谢和行为？

2 很多人都在研究衰老过程中潘氏细胞如何影响肠道干细胞，很少有人研究衰老如何影响潘氏细胞，更进一步，衰老如何影响间质细胞，免疫细胞，肠道神经系统等对肠道上皮再生功能的影响。

3 衰老时，所有的细胞都发生了动态的代谢变化，不单单是肠道干细胞。可以用各种单细胞组学玩一把。

4 衰老相关的微环境的变化，炎症肠病或者癌症肠道干细胞微环境的变化影响。各种微环境，干细胞niche和基质细胞的通讯交流对疾病进程的影响。