细胞衰老是指细胞进入永久性细胞周期停滞的状态，具有衰老相关分泌表型分泌、大分子损伤及代谢失调等特征。新近研究显示，细胞衰老与2型糖尿病之间有着密切的联系。一方面，2型糖尿病的糖脂毒性微环境可加速细胞的衰老和积累。另一方面，细胞衰老可促进2型糖尿病的发生发展，如胰岛β细胞衰老可造成β细胞功能障碍；脂肪细胞衰老可导致促炎细胞因子分泌，引起脂肪代谢障碍，加重胰岛素抵抗；此外，血管内皮细胞、视网膜内皮细胞等衰老可促进糖尿病慢性并发症的发生。细胞衰老既是2型糖尿病发病的重要因素，同时也是2型糖尿病进展的结果，靶向细胞衰老的措施有望成为治疗2型糖尿病的新策略。
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细胞衰老是指细胞受到各种刺激后出现永久性细胞周期停滞的一种状态。细胞衰老是整体衰老的生理基础，也是整体衰老在细胞水平的重要体现[1]。细胞衰老可发生在生命的各个阶段，在机体中常扮演双重角色，一方面具有促进组织修复、调节机体发育、抑制肿瘤等生理作用；另一方面，可导致多种衰老相关性疾病的发生，如动脉粥样硬化、骨质疏松症、肿瘤、糖尿病、神经退行性病变等[2]。2型糖尿病是最常见的衰老相关性疾病之一。据2021年国际糖尿病联盟统计，75~79岁人群2型糖尿病的患病率高达24.0%[3]。在确诊的成人糖尿病中，近一半为老年人群[4]。近年来诸多研究报道，细胞衰老是2型糖尿病发病过程中的关键环节[5]。深入探究细胞衰老与2型糖尿病之间的病理生理联系，或将为2型糖尿病的防治提供新靶点。
细胞衰老主要可分为复制性衰老和应激诱导性衰老，前者是由于端粒长度随着细胞的复制逐渐缩短，直至染色体末端完全裸露，最终导致DNA损伤以及细胞衰老的发生，这种端粒缩短导致的细胞衰老通常是生理性的；后者是由于外界各种刺激所诱导的细胞衰老，主要刺激因素包括不可修复的DNA损伤(如电离辐射、紫外线、化疗药物等)、癌基因激活、抑癌基因失活、氧化应激、表观遗传改变等，这些外界刺激诱导的细胞衰老通常是病理性的，导致机体过早衰老或发生衰老相关性疾病[6]。
当细胞发生衰老时，可出现细胞体积增大、细胞核内陷、染色质重组等形态学改变，此外细胞衰老还具有细胞周期停滞、衰老相关分泌表型(senescence associated secretory phenotype, SASP)分泌、大分子损伤及代谢失调等重要特征[7]。
细胞周期停滞是细胞衰老最重要的特征，也是体内或体外鉴定细胞衰老的重要标志。细胞衰老所表现的增殖抑制不同于静止期和终末分化期细胞，静止期细胞的增殖抑制是一种暂时状态，通过适当的刺激可恢复增殖；终末分化期细胞是执行特定功能的成熟细胞，虽伴随着持久的细胞周期停滞，但其介导的信号通路与衰老细胞不同[8]。在哺乳动物中，视网膜母细胞瘤(retinoblastoma, RB)家族和p53蛋白是衰老细胞建立细胞周期停滞的关键因子，可被细胞周期蛋白依赖性激酶(cyclin-dependent kinase, CDK)磷酸化后而激活。而在衰老细胞中，CDK2抑制因子p21WAF1/Cip1和CDK4/6抑制因子pl6Ink4a会不断积累，导致RB蛋白的持续激活，随之引起细胞周期停滞[8]。然而，目前尚无衰老细胞周期停滞的特异性标志物，RB和p53蛋白激活也可发生于其他形式的细胞周期停滞，即便是衰老特异性的pl6Ink4a，在某些非衰老细胞中也有表达[9]。因此，检测衰老相关的细胞周期停滞需要对多种标志物和特征进行考量。
衰老细胞虽出现增殖抑制，但仍具有代谢活性甚至表现出代谢增强。衰老细胞可分泌多种促炎细胞因子、生长因子、趋化因子、细胞外基质蛋白酶等，这些分泌的因子统称为SASP[1,7]。SASP可通过自分泌促进并维持细胞衰老，也可通过旁分泌改变周围细胞的微环境，从而加速其他细胞衰老。在特定背景下，SASP的组成和功能是多样的。例如，白细胞介素(interleukin, IL)-6和IL-8作为SASP的重要组分，一方面可激活免疫清除系统，促进伤口愈合和组织修复，抑制肿瘤进展，另一方面，可介导慢性炎症发生，反而促进肿瘤细胞增殖[1]。
细胞衰老的大分子损伤包括DNA损伤、蛋白损伤以及脂质损伤[7]。细胞衰老的一个重要分子特征是端粒缩短，增殖过程中的端粒缩短可引起端粒DNA环稳定性消失以及端粒进入非戴帽状态，产生端粒功能障碍性病灶，激活DNA损伤反应，最终导致细胞周期停滞[10]。蛋白损伤是机体以及细胞衰老的另一重要标志[11]。蛋白损伤的一个重要原因是活性氧簇(reactive oxygen species, ROS)积累，通过氧化蛋氨酸和半胱氨酸残基，从而改变蛋白质的折叠及功能[12]。许多蛋白质酪氨酸磷酸酶的活性位点含有半胱氨酸残基，可被氧化灭活，蛋白失活后过度激活细胞外调节蛋白激酶信号引发细胞衰老。需注意的是，即便细胞分裂停止，蛋白受损的积累仍会持续数月甚至数年，并且大多数蛋白的氧化损伤不可逆，受损的蛋白最终被泛素蛋白酶体系统降解或通过细胞自噬清除[13]。脂质是维持细胞膜完整性、能量的产生和信号转导的重要分子。脂质代谢变化是细胞衰老的重要特征，衰老过程中的线粒体功能障碍可导致ROS产生并驱动脂质损伤、脂质沉积以及脂褐素积累[14]。此外，脂类代谢物在不同表型的衰老细胞之间存在显著差异，虽有方法可检测组织和细胞中的脂质变化，但由于细胞衰老相关脂质谱的变异性大，目前将其作为细胞衰老生物标志物的应用仍然有限。
衰老细胞的代谢失调主要归因于线粒体和溶酶体功能障碍。衰老细胞中的线粒体功能、动力学和形态学均会发生变化。衰老细胞的线粒体丰富，但其产生三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP)的能力受损，细胞衰老过程中一磷酸腺苷∶ATP和二磷酸腺苷∶ATP的比值发生改变，通过激活一磷酸腺苷活化的蛋白激酶，导致细胞周期停滞的发生[15]。此外，在细胞衰老过程中，线粒体功能障碍与SASP调控有关。研究显示，衰老细胞的线粒体自噬可能会抑制SASP[16]。衰老细胞中氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)/还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)比值降低，可改变聚腺苷二磷酸核糖聚合酶和去乙酰化酶的活性，两者都可激活核转录因子-κB，从而调节SASP的分泌[15]。
衰老细胞中的溶酶体数量增加并且形态增大。虽然溶酶体数量增多，但活性并不一定增强，在自噬降解阶段其活性是下降的[17]。溶酶体-线粒体轴降解，可导致线粒体周转减少，从而增加ROS的产生。随后，ROS以溶酶体在内的细胞结构作为靶点，造成更多损伤，形成恶性循环[17]。溶酶体数量增加与衰老相关的β-半乳糖苷酶(senescence-associated β-galactosidase, SA-β-gal)活性有关，这是细胞衰老的关键标志物，可以通过检测SA-β-gal将衰老细胞与处于静止期和终末分化期的细胞区分开来[6]。然而，尽管SA-β-gal在衰老细胞中显著表达，但并非细胞衰老表型的必要条件，也不是其决定因素。另一个与溶酶体功能有关的衰老特征是脂褐素aggresomes在溶酶体内的积累[15]。据报道，脂褐素可刺激抗凋亡因子B淋巴细胞瘤2基因的表达，赋予细胞抗凋亡的特性，这是衰老细胞的另一重要特征[18]。总之，细胞衰老可导致线粒体和溶酶体功能障碍，进而引起代谢失调。
细胞衰老对生物体的作用是利弊并存的，这取决于细胞所处的环境。这种现象符合基因拮抗多效性假说，即部分基因在生命周期的不同时期表现出不同性状，通常在生命早期有利于生长繁殖，而晚期表达一些有害效应。细胞衰老在胚胎发育时即可发生，并且贯穿整个生命周期[19]。胚胎的衰老细胞只在特定的窗口期短暂存在，然后被巨噬细胞清除，是一个受到严格调控的程序化过程。此外，在伤口愈合中，衰老细胞可通过SASP发挥各种作用，如防止纤维化，收缩伤口，以促进组织修复[20]。
细胞衰老还参与多种病理过程，如加速机体衰老及促进衰老相关性疾病发生。首先，细胞衰老的DNA损伤积累可引起干细胞耗竭，阻碍衰老生物体的组织修复，从而干扰机体组织的功能[18]。其次，免疫细胞衰老可导致免疫系统功能失调，使机体清除衰老细胞的效率降低。如巨噬细胞减少后，其监视和清除衰老细胞的功能下降，衰老细胞不断累积，进而加速机体衰老的发生[21]。此外，免疫细胞衰老与SASP具有协同作用，使机体处于持续的低度炎症状态，从而促进衰老并导致组织损伤[22]。衰老细胞可分泌各种细胞因子和趋化因子，当免疫细胞衰老时，这些炎症信号将被放大，致慢性炎症的持续和衰老细胞的积累，临床上则促使动脉粥样硬化、2型糖尿病及骨质疏松症等疾病的发生[22,23]。
大量研究表明，高糖环境会加速细胞衰老。目前，高糖环境诱导细胞衰老的机制尚未明确，可能的原因包括高糖引起线粒体功能障碍、氧化应激、晚期糖基化终末产物(advanced glycation end products, AGEs)形成等[24]。高糖诱导内皮细胞衰老的研究较多，包括血管内皮细胞、人脐静脉内皮细胞(human umbilical vein endothelial cells, HUVECs)、视网膜内皮细胞等。Maeda等[25]报道，持续的高糖刺激比高血压或血脂异常更易引起内皮细胞衰老，能显著增加SA-β-gal活性。在间断高糖状态下，内皮细胞的SA-β-gal活性以及衰老蛋白p21和pl6Ink4a的表达更为明显。此外，持续的高糖可激活端粒酶并缩短端粒长度，提示其为复制性细胞衰老，但间断高糖刺激下端粒长度并未缩短，提示其属于应激诱导性细胞衰老。另有研究发现，高糖刺激可降低HUVECs中沉默调节蛋白(sirtuin, SIRT)3的表达，增加SA-β-gal阳性的细胞比例，并破坏细胞的小管形成能力。然而，转染SIRT3等腺病毒构建物可显著抑制高糖诱导的SA-β-gal活性，降低Lys 320(k320)位点p53乙酰化水平，过表达SIRT3可拮抗高糖诱导的血管生成功能障碍[26]。Gericke等[27]研究发现，在标准培养基中添加高浓度葡萄糖(20 mmol/L)，可加速人视网膜内皮细胞的衰老，表现出细胞倍增时间增加，p53表达增高，SA-β-gal活性及细胞内氧化应激反应增加。
除内皮细胞外，高糖还可加速成纤维细胞衰老。Zhang等[28]发现，高糖通过降低SIRT3水平促进成纤维细胞的衰老，而过表达SIRT3可阻止这种高糖诱导的细胞衰老。高血糖导致的AGEs形成可诱导细胞衰老，如Liu等[29]发现，用外源性AGEs处理肾近端小管上皮细胞时，可上调AGEs受体的表达，并通过p21信号通路介导内质网应激，导致肾近端小管上皮细胞的过早衰老，当阻断AGEs受体时可减弱上述反应。总之，高糖环境可促进多种细胞过早衰老，尤其是血管内皮细胞、视网膜内皮细胞、肾小管上皮细胞等与糖尿病并发症密切相关的细胞，并且这一过程可通过一些干预方式有效预防或延缓。
肥胖和糖尿病的组织微环境可导致神经酰胺合成上调，其被认为是脂毒性的主要因素[30]。早在2000年，Mouton等[31]研究发现，神经酰胺可诱导成纤维细胞SA-β-gal的表达增加并阻断DNA合成。Venable等[32]发现，外源性给予神经酰胺处理血管内皮细胞可抑制细胞增殖和DNA复制，同时增加SA-β-gal表达，表明循环或局部的高水平神经酰胺是细胞衰老的驱动因素。与糖毒性造成的细胞衰老类似，脂毒性对细胞衰老的影响可通过一些方式预防，如Yang等[33]对ob/ob小鼠和高脂饮食诱导的肥胖小鼠给予8周的肌酸豆蔻素，导致小鼠循环神经酰胺减少，2组小鼠的SASP因子脂肪纤溶酶原激活物抑制剂1和单核细胞趋化蛋白1表达降低。Onishi等[34]研究发现，高脂饮食喂养小鼠可加速细胞衰老，导致肌肉萎缩，并且随着年龄的增长，小鼠肌肉重量逐渐下降，而给予绿茶提取物后可阻断高脂诱导的肌肉质量下降。总之，糖尿病的脂毒性微环境是诱导细胞衰老的重要因素。
对于肥胖和糖尿病，高胰岛素血症可引起IGF-1水平的差异性调节，而生长激素/IGF-1信号通路的改变，可能在细胞衰老中发挥作用。据报道，该信号通路上的多个分子具有诱导细胞衰老的作用，包括生长激素、IGF-1和胰岛素样生长因子结合蛋白(insulin-like growth factor binding protein, IGFBP)[35]。Tran等[36]发现，IGF-1急性暴露会促进细胞增殖，但延长IGF-1处理时间可抑制SIRT1去乙酰化酶活性，导致p53乙酰化增加及p53激活，从而诱导细胞衰老。过表达SIRT1或抑制p53可阻断IGF-1诱导的细胞衰老，提示IGF-1-SIRT1-p53信号通路可能参与细胞衰老。蛋白激酶B(Akt)是胰岛素/IGF-1信号通路的主要效应因子，激活Akt可引起细胞生长阻滞，内皮功能障碍，反之，抑制Akt活性能延缓内皮细胞衰老进程[37]。IGFBP是IGF轴的重要组成部分，Kim等[38]发现，敲除老年HUVECs中的IGFBP-5可导致多种细胞衰老表型改善，如细胞形态改变、细胞增殖提高以及SA-β-gal染色减少等。反之，对幼龄细胞给予IGFBP-5处理或上调IGFBP-5表达均可加速细胞衰老。然而，目前胰岛素和生长激素信号影响细胞衰老的机制尚未完全明确，糖尿病、细胞衰老以及生长激素/IGF-1轴之间的交互作用尚待进一步研究。
近年来，胰岛β细胞衰老在糖尿病发病机制中作用越来越受到关注[5]。早在2005年，Sone等[39]通过高脂饮食建立2型糖尿病小鼠模型，发现在12个月时，高脂饮食组小鼠的胰岛素水平显著下降，增殖细胞相关的核抗原ki-67阳性的β细胞比例下降到对照组的1/3，而SA-β-gal阳性面积增加到对照组的4.7倍，提示长期高脂饮食诱导的2型糖尿病会发生胰岛β细胞衰老。2010年，Tavana等[40]构建了非同源末端连接装置缺失合并p53R172P突变的小鼠，观察到这些小鼠出现DNA损伤积累，同时伴有p53和p21表达增加，β细胞增殖显著下降，突变的胰岛发生衰老，3~5个月时小鼠发生糖尿病，该模型表明DNA损伤积累、胰岛细胞衰老与糖尿病的发病存在密切联系。Aguayo-Mazzucato等[41]研究发现，与正常对照组相比，老年小鼠的衰老β细胞增多并出现胰岛素分泌功能障碍，对高糖刺激的敏感性显著下降。该研究还显示，胰岛素抵抗可诱导胰岛β细胞衰老标志物pl6Ink4a、IGF-1R、骨形成蛋白和激活素的跨膜抑制剂(Bambi)等表达增加，加速β细胞衰老(图1)。
注：DNA：脱氧核糖核酸；ROS：活性氧簇；SASP：衰老相关分泌表型；SA-β-gal：衰老相关的β-半乳糖苷酶；p16、p21、p53为细胞衰老相关基因
胰岛β细胞增殖是一个年龄依赖的过程，年轻小鼠的β细胞增殖能力明显强于年老小鼠[42]。p16Ink4a是细胞周期的重要调节因子，一旦p16Ink4a过表达，β细胞会出现明显的衰老表型；反之，p16Ink4a缺乏可促进β细胞的增殖，尤其可使损伤的β细胞增殖和活性增强[42]。需指出的是，有研究发现，转基因小鼠中β细胞特异性激活p16Ink4a会诱导细胞衰老的特征，包括细胞增大、葡萄糖摄取以及线粒体活动增多，但同时促进胰岛素的分泌[43]。这一结果与其他研究并不一致，其可能的原因是β细胞中p16Ink4a的过表达仅模拟细胞衰老的一个方面，即仅部分反映β细胞衰老表型。此外，老年受试者的胰岛素合成和分泌可能受到多种因素的调节，而不仅是p16Ink4a的表达。
肥胖以及衰老相关的脂肪组织功能障碍可导致衰老细胞增加，前脂肪细胞是脂肪组织中成熟脂肪细胞的前体，是已知易发生衰老的细胞之一[44]。与消瘦人群相比，肥胖受试者的衰老前脂肪细胞丰度更大。此外，衰老前脂肪细胞的增加可导致成脂能力下降，从而引发年龄相关的脂肪营养不良，进而导致脂毒性和炎症的发生[44]。Minamino等[45]发现，摄取过多热量会导致小鼠脂肪组织中氧化应激增多并导致细胞衰老，包括SA-β-gal活性增强，p53的表达以及促炎细胞因子产生增多。抑制脂肪组织中p53活性可显著改善这些衰老样改变，减轻胰岛素抵抗。Xu等[46]发现，衰老小鼠的血液和脂肪组织中激活素A的水平升高，造成脂肪干细胞和脂肪组织功能障碍，在对22个月小鼠给予双面蛋白酪氨酸激酶抑制剂处理8周后，激活素A水平下降，脂毒性降低，胰岛素敏感性增加。衰老脂肪细胞分泌的SASP中包含单核细胞趋化因子等巨噬细胞趋化蛋白[47]。故脂肪组织中的衰老细胞可作为巨噬细胞浸润的驱动因子，参与脂肪组织的炎症过程，加重肥胖患者的胰岛素抵抗。总之，脂肪组织中的细胞衰老是糖尿病发病机制中不可忽视的环节。
综上所述，细胞衰老与糖尿病之间有着复杂又密切的联系。一方面，糖尿病的糖脂毒性微环境可引起线粒体功能障碍、氧化应激、端粒缩短、AGEs形成等，导致衰老细胞的形成和积累。另一方面，衰老的胰岛β细胞、脂肪细胞可引发炎症状态，加重胰岛素抵抗进而导致β细胞的胰岛素分泌功能障碍，此外，血管内皮细胞、视网膜内皮细胞、肾小管上皮细胞等发生衰老可导致糖尿病慢性并发症的发生及进展。鉴于细胞衰老在2型糖尿病的发病机制中扮演重要角色，靶向细胞衰老有望成为2型糖尿病治疗的新途径。已有研究报道，细胞衰老可被延缓和干预，故探索热量限制、选择性清除衰老细胞(senolytics)、调节衰老细胞的特性(senomorphics)等抗细胞衰老疗法在防治2型糖尿病及其并发症中的效果，或将在未来成为2型糖尿病研究领域的热点[48]。
所有作者均声明不存在利益冲突
1.关于细胞衰老的特征，以下哪项是不正确的( )
A.细胞周期停滞 B.衰老相关分泌表型
C.大分子损伤D.溶酶体数量减少
2.关于细胞衰老的生理学功能，下列说法不正确的是( )
A.细胞衰老在胚胎发育时即可发生，并且贯穿整个生命周期
B.衰老细胞可通过衰老相关分泌表型的分泌，收缩伤口，促进组织修复，有利于伤口愈合
C.细胞衰老可介导慢性炎症，促进肿瘤细胞增殖，因此没有抑制肿瘤的作用
D.衰老细胞可分泌各种细胞因子和趋化因子，使机体处于持续的低度炎症状态
3.细胞衰老与2型糖尿病之间关系的表述，以下哪项说法是正确的( )
A.高脂饮食诱导的2型糖尿病不会发生胰岛β细胞衰老
B.老年小鼠的衰老β细胞增多但不影响胰岛素分泌功能
C.胰岛素抵抗不会影响细胞衰老
D.脂肪细胞衰老可加重胰岛素抵抗
4.高血糖对细胞衰老的影响，下列说法不正确的是( )
A.高糖可诱导血管内皮细胞、人脐静脉内皮细胞、视网膜内皮细胞、成纤维细胞等发生衰老
B.高糖诱导细胞衰老的过程是无法延缓和干预的
C.高糖诱导细胞衰老的可能机制包括高糖引起线粒体功能障碍、氧化应激、晚期糖基化终末产物形成等
D.持续的高糖可激活端粒酶并缩短端粒长度，引发复制性细胞衰老
5.细胞衰老对2型糖尿病的影响，以下说法正确的是( )
A.脂肪组织中的衰老细胞可作为巨噬细胞浸润的驱动因子，参与脂肪组织的炎症过程，加重胰岛素抵抗
B.脂肪细胞衰老与2型糖尿病的发病无关
C.p16Ink4a过表达不会影响β细胞的衰老表型，也不影响其功能
D.延缓和干预细胞衰老对2型糖尿病并无获益
