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【学术前沿】从内部瓦解衰老细胞——邓宏魁团队创造性开发针对溶酶体β-半乳糖苷酶的前体药物

2020-04-30 02:52

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

以下文章来源于BioArt ，作者Volibear

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“自古美人叹迟暮，不许英雄见白头”，从古至今机体的衰老都是人类绕不开的话题。为延缓衰老，科学家近年来提出了Senolytic疗法，其核心就是及时清除已经衰老的细胞（详见Bioart解读：）。然而，该疗法在杀死衰老细胞的特异性和广谱性方面仍存在局限：由于不同细胞衰老程序的异质性，导致不同类型的衰老细胞对同种抗衰老药物的敏感性存在差异【1,2】。为克服这些挑战，迫切需要开发一种新的策略来选择性清除体内的衰老细胞。

2020年4月27日，来自北京大学的邓宏魁教授研究组与北京大学化学与分子工程学院罗佗平课题组合作在Cell Research上发表了题为Elimination of senescent cells by β-galactosidase-targeted prodrug attenuates inﬂammation and restores physical function in aged mice的文章，创新性的报道了一种新型的前体药物开发策略，即基于溶酶体β-半乳糖苷酶（β-gal）的活性增加（衰老细胞的主要特征）来设计新化合物。作者基于此开发了新的前体药物SSK1，该药物可以被溶酶体β-gal特异性切割成具有细胞毒性的物质并诱导衰老细胞凋亡，进而清除衰老细胞。在老年小鼠中，该化合物有效清除了不同组织中的衰老细胞，降低了与衰老相关基因的表达，减弱了轻度的局部以及全身炎症，并恢复了其身体机能。这项研究表明，溶酶体β-gal可以作为一个选择性清除衰老细胞的有效靶点，从而为开发抗衰老药物提供了新的策略。

细胞衰老是细胞周期停滞的一种持久状态，会在衰老的生物体中积累，导致组织功能障碍，并驱动与衰老有关的表型出现。在细胞衰老的过程中，一个主要特征就是溶酶体β-半乳糖苷酶的活性增加，这种β-gal又被称作衰老相关的β-半乳糖苷酶（Senescence-Associated β-galactosidase ，SA-β-gal）【3,4】。在不同类型的衰老细胞中以及在体内和体外的实验里，SA-β-gal都是识别衰老的广泛使用的标志物【5】。能不能利用SA-β-gal将无毒的前体药物加工成具有细胞毒性的药物，从而特异性杀死发生衰老的细胞？

为了开发这样的前体药物，作者首先筛选了已经被FDA批准的具有对衰老细胞良好杀伤性的药物，最终选定了Gemcitabine（中文名吉西他滨）。

选择它有以下几个原因：1.对小鼠和人衰老细胞均有明显的杀伤作用；2. 其4-氨基是一个完善的前体药开发位点【6】；3.血浆循环时间短，具有较低的全身毒性。基于Gemcitabine，作者开发了前体药物SSK1，其中的乙酰基和β-gal响应部分分别改善了细胞的通透性和特异性。研究人员验证了SSK1在衰老细胞被特异性裂解并释放具有细胞毒性的吉西他滨，而非衰老细胞不会发生这种情况，这表明，SSK1对衰老细胞有毒而对非衰老细胞无毒。为了证明SSK1对于衰老细胞的杀伤是依赖于β-gal的，作者首先测试了另一种缺少半乳糖部分的同样基于Gemcitabine的前体药（LY2334737），发现其在消除衰老和非衰老细胞方面无明显差异。进一步使用RNA干扰来降低编码β-gal的基因GLB1的表达，会削弱SSK1杀死SA-β-gal阳性衰老细胞的能力，这表明其对衰老细胞的特异性取决于溶酶体β-gal活性。那么SSK1在衰老细胞中作用的分子机制是什么呢？

由于Gemcitabine是通过激活p38丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）诱导细胞死亡，因此作者检测了细胞在接受Gemcitabine处理后MAPK的磷酸化状态。结果显示SSK1处理后，p38 MAPK和MKK3 / MKK6在衰老细胞中被磷酸化激活。这表明SSK1可以在衰老细胞中被加工成Gemcitabine并激活p38 MAPK信号通路。同时用p38 MAPK抑制剂Birb796，SB203580和SB202190的处理细胞削弱了SSK1特异性杀死衰老细胞的能力。因此，SSK1通过激活p38 MAPK信号传导途径杀死了衰老细胞。

SSK1处理老年小鼠的实验设计

（左）肝脏SA-β-gal染色（右）肝脏中衰老相关基因的表达

尽管作者在之后的实验中证明了在不同的小鼠和人类来源的细胞系中，SSK1均可以有效清除衰老细胞，但是还是缺乏来自于体内的证据。于是研究人员采用了两个独立的衰老体内模型：应激诱导的衰老（博来霉素诱导肺损伤）和自然发生的衰老。在小鼠肺损伤模型中，SSK1在体内清除了应激诱导的衰老细胞并减轻了相关症状。

在自然发生的衰老中，SSK1有效减少了衰老小鼠中天然存在的衰老细胞，并且降低了衰老和与年龄相关的标记基因的表达，在局部和全身减轻了衰老相关分泌表型，并且显著地恢复了身体机能。同时，作者也通过一系列实验证明了该药物的安全性。总体而言，这些研究结果表明，通过SSK1诱导SA-β-gal阳性衰老细胞的清除，是缓解与衰老相关功能衰退的安全有效的方法。

总之，该研究通过靶向SA-β-gal选择性去除多种类型的衰老细胞，证明了这种前体药物开发策略的优越性和安全性。该研究为开发抗衰老药物提供了新的策略，具有良好的应用前景。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41422-020-0314-9

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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.

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