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[문형철]

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Cellular rejuvenation: molecular mechanisms and potential therapeutic interventions for diseases

• Review Article
• Open access
• Published: 14 March 2023

Cellular rejuvenation: molecular mechanisms and potential therapeutic interventions for diseases

• Shuaifei Ji, 
• Mingchen Xiong, 
• Huating Chen, 
• Yiqiong Liu, 
• Laixian Zhou, 
• Yiyue Hong, 
• Mengyang Wang, 
• Chunming Wang, 
• Xiaobing Fu & 
• Xiaoyan Sun 

Signal Transduction and Targeted Therapy volume 8, Article number: 116 (2023) Cite this article

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Abstract

The ageing process is a systemic decline from cellular dysfunction to organ degeneration, with more predisposition to deteriorated disorders. Rejuvenation refers to giving aged cells or organisms more youthful characteristics through various techniques, such as cellular reprogramming and epigenetic regulation. The great leaps in cellular rejuvenation prove that ageing is not a one-way street, and many rejuvenative interventions have emerged to delay and even reverse the ageing process. Defining the mechanism by which roadblocks and signaling inputs influence complex ageing programs is essential for understanding and developing rejuvenative strategies. Here, we discuss the intrinsic and extrinsic factors that counteract cell rejuvenation, and the targeted cells and core mechanisms involved in this process. Then, we critically summarize the latest advances in state-of-art strategies of cellular rejuvenation. Various rejuvenation methods also provide insights for treating specific ageing-related diseases, including cellular reprogramming, the removal of senescence cells (SCs) and suppression of senescence-associated secretory phenotype (SASP), metabolic manipulation, stem cells-associated therapy, dietary restriction, immune rejuvenation and heterochronic transplantation, etc. The potential applications of rejuvenation therapy also extend to cancer treatment. Finally, we analyze in detail the therapeutic opportunities and challenges of rejuvenation technology. Deciphering rejuvenation interventions will provide further insights into anti-ageing and ageing-related disease treatment in clinical settings.

노화 과정은 

세포 기능 장애에서 장기 퇴화로 이어지는 체계적인 쇠퇴 과정으로, 

악화된 질환에 대한 취약성이 증가합니다. 

회춘의학은

세포 재프로그래밍과 에피제네틱 조절 등

다양한 기술을 통해 노화된 세포나 유기체에 젊은 특성을 부여하는 것을 의미합니다.

Rejuvenation refers to giving aged cells or organisms

more youthful characteristics through various techniques,

such as cellular reprogramming and epigenetic regulation

세포 회춘의학 분야의 획기적인 진전은

노화가 일방적인 과정이 아님을 증명했으며,

노화 과정을 지연시키거나 심지어 역전시키는 다양한 회춘의학 개입 방법이 등장했습니다.

The great leaps in cellular rejuvenation prove that

ageing is not a one-way street, and

many rejuvenative interventions have emerged

to delay and even reverse the ageing process. 

노화 프로그램에 영향을 미치는 장애물과 신호 입력의 메커니즘을 규명하는 것은

노화 역전 전략을 이해하고 개발하는 데 필수적입니다.

본 연구에서는

세포 재생을 방해하는 내인성 및 외인성 요인,

이 과정에 관여하는 표적 세포 및 핵심 메커니즘을 논의합니다.

이어 최신 세포 회춘의학 전략의 최신 동향을

비판적으로 요약합니다.

다양한 회춘의학 방법은

세포 재프로그래밍, 노화 세포(SCs) 제거 및 노화 관련 분비 형질(SASP) 억제,

대사 조절, 줄기세포 관련 치료, 식이 제한, 면역 재활성화 및 이종 연령 이식 등

특정 노화 관련 질환 치료에 대한 통찰을 제공합니다.

Various rejuvenation methods also provide insights for treating specific ageing-related diseases,

including cellular reprogramming,

the removal of senescence cells (SCs) and

suppression of senescence-associated secretory phenotype (SASP),

metabolic manipulation,

stem cells-associated therapy,

dietary restriction,

immune rejuvenation and

heterochronic transplantation, etc

회춘의학 치료의 잠재적 응용 분야는

암 치료로도 확장됩니다.

마지막으로, 우리는

재생 기술의 치료적 기회와 도전 과제를 상세히 분석합니다.

회춘의학 개입 메커니즘을 해명하는 것은

임상 환경에서 노화 방지 및 노화 관련 질환 치료에 대한

추가적인 통찰을 제공할 것입니다.

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Introduction

Ageing is a dynamic and time-varying process, typically manifested by cell damage accumulation, degeneration of tissue and organ structure and function, and increased susceptibility to diseases.1 As the risk factor for human mortality, ageing is closely associated with many chronic diseases, like diabetes, Alzheimer’s disease (AD), chronic kidney diseases (CKD), cardiovascular diseases (CVD), and cancer.2 Therefore, enhancing the knowledge of ageing and the development of rejuvenation interventions are priority targets in biomedical research. Dietary restriction (DR) was found to prolong lifespan in mice and rats in 1934, and there are currently many emerging rejuvenation treatments to enhance health and lengthen lifespan, such as genetic, pharmacological, dietary, and lifestyle modifying approaches (Fig. 1).3 However, these breakthroughs were obtained in short-lived organisms from yeast model to mice model.4 Considering the complex anti-ageing mechanisms, it still takes a long translational phase to implement rejuvenation interventions into clinical applications.

서론

노화는

세포 손상의 누적, 조직 및 장기 구조와 기능의 퇴화, 질병에 대한 취약성 증가 등으로 특징지어지는

동적이며 시간에 따라 변하는 과정입니다.1

인간 사망의 위험 요인으로서 노화는

당뇨병, 알츠하이머 병(AD), 만성 신장 질환(CKD), 심혈관 질환(CVD), 암 등

많은 만성 질환과 밀접하게 연관되어 있습니다.2

따라서

노화에 대한 이해를 심화하고 재활 치료법을 개발하는 것은

생물의학 연구의 우선순위 목표입니다.

1934년 쥐와 쥐에서 식이 제한(DR)이 수명을 연장한다는 것이 발견되었으며,

현재 건강을 향상시키고 수명을 연장하기 위한 다양한 재juvenation 치료법이 등장하고 있습니다.

예를 들어

유전적, 약리학적, 식이적, 생활 방식 변경 접근법 등이 있습니다(그림 1).3

그러나 이러한 돌파구는

효모 모델에서 쥐 모델에 이르는 단명 생물체에서 얻어졌습니다.4

노화 방지 메커니즘의 복잡성을 고려할 때,

노화 역전 치료법을 임상 적용으로 전환하기 위해서는

여전히 긴 번역 단계가 필요합니다.

Considering the complex anti-ageing mechanisms,

it still takes a long translational phase to implement rejuvenation interventions into clinical applications.

Fig. 1

The milestone events for cellular rejuvenation research advances. Starting with the 1934 discovery of the influence of dietary restriction on lifespan extension, important findings on the subject of cellular rejuvenation are emphasized. More recently, the senolytics development and reprogramming technology have been widely applied for cellular rejuvenation. rhEGF recombinant human epidermal growth factor, iPSCs induced pluripotent stem cells, AMPK 5’-AMP-activated protein kinase, NF-κB nuclear factor-κB, STAT3 signal transducer and activator of transcription 3, mTOR mammalian target of rapamycin. Created with BioRender.com

세포 노화 역전 연구의 주요 사건들.

1934년 식이 제한이 수명 연장에 미치는 영향의 발견을 시작으로, 세포 노화 역전 분야의 중요한 발견들이 강조됩니다. 최근에는 세포 재생을 위해 세노리틱스 개발과 재프로그래밍 기술이 널리 적용되고 있습니다. rhEGF 재조합 인간 상피 성장 인자, iPSCs 유도 다능성 줄기세포, AMPK 5’-AMP 활성화 단백질 키나제, NF-κB 핵 인자-κB, STAT3 신호 전달 및 전사 활성화 인자 3, mTOR 포유류 라파마이신 표적 단백질. BioRender.com에서 생성되었습니다.

Rejuvenation usually refers to giving aged cells or organisms more “youthful” characteristics through various techniques, such as cellular reprogramming and epigenetic regulation.5 Especially, the technique using induced pluripotent stem cells (iPSCs) in vitro via Yamanaka transcription factors is becoming increasingly proficient in the methodology and applications.6 Different organisms share certain molecular and cellular characteristics that are indicative of ageing, such as cellular senescence, epigenetic changes, telomere attrition, genomic instability, stem cell exhaustion, deregulated nutrient sensing, loss of proteostasis, mitochondrial dysfunction, and altered intercellular communication.7 Targeting these hallmarks of ageing is thus a growingly crucial field of research for the development of innovative cellular rejuvenation strategies. Nevertheless, these interventions have been lacking core criteria of rejuvenation in anti-ageing development and human applications.8 It is necessary to accurately define rejuvenation and characterize the therapeutic effects systemically. To understand whether the ageing can be rejuvenated, it also needs to uncover the common or distinct mechanisms underlying rejuvenation in different cell types that build each organ.9 In addition, a complete framework that describes various rejuvenation strategies should be established, contributing to cellular rejuvenation applications in human diseases. Herein, we provide a systematic and comprehensive discussion of cellular rejuvenation mechanisms and therapeutic interventions. An in-depth understanding of the pivotal roles will provide further insights into cellular rejuvenation in human disease treatment.

회춘의학은

일반적으로 세포 재프로그래밍 및 에피제네틱 조절과 같은

다양한 기술을 통해 노화된 세포나 유기체에

더 ‘젊은’ 특성을 부여하는 것을 의미합니다.5

Rejuvenation usually refers to giving aged cells or organisms

more “youthful” characteristics through various techniques,

such as cellular reprogramming and epigenetic regulation.

특히,

야마나카 전사 인자를 통해 체외에서

유도된 다능성 줄기세포(iPSCs)를 사용하는 기술은

방법론과 응용 측면에서 점점 더 정교해지고 있습니다.6

다양한 유기체는

세포 노화,

에피제네틱 변화,

텔로미어 단축,

유전체 불안정성,

줄기세포 고갈,

영양 감지 조절 장애,

프로테오스타시스 상실,

미토콘드리아 기능 장애,

세포 간 통신 변화 등이 있습니다.7

Different organisms share certain molecular and

cellular characteristics that are indicative of ageing, such as

cellular senescence,

epigenetic changes,

telomere attrition,

genomic instability,

stem cell exhaustion,

deregulated nutrient sensing,

loss of proteostasis,

mitochondrial dysfunction, and

altered intercellular communication

이러한 노화의 특징을 표적으로 삼는 것은

혁신적인 세포 재생을 위한 전략 개발에서

점점 더 중요한 연구 분야로 부상하고 있습니다.

그러나 이러한 개입은

노화 방지 개발 및 인간 적용에서

재생의 핵심 기준을 충족하지 못했습니다.8

재생의 정확한 정의와 치료 효과를

체계적으로 특성화하는 것이 필요합니다.

노화가 재생될 수 있는지 이해하려면

각 장기를 구성하는 다양한 세포 유형에서

재생의 공통적 또는 독특한 메커니즘을 규명해야 합니다.9

또한 다양한 재생 전략을 설명하는 완전한 프레임워크를 수립하여 인간 질환에서의 세포 재생 적용에 기여해야 합니다. 본 논문에서는 세포 재생을 위한 메커니즘과 치료적 개입에 대한 체계적이고 포괄적인 논의를 제공합니다. 핵심 역할을 이해하는 것은 인간 질환 치료에서의 세포 재생을 위한 추가적인 통찰을 제공할 것입니다.

Roadblocks and targets for cellular rejuvenation

Intrinsic barriers limiting cell rejuvenationEpigenetic alterations and genetic instability

Alterations in physiological and pathological ageing, are frequently caused by disruptions in genetic and epigenetic mechanisms. The universal definition of epigenetics is heritable genomic functionally modifications without DNA sequence variations. Gene expression‎ and chromatin structure are connected with the major epigenetic alterations, which include DNA methylation, histone modifications, and noncoding RNA regulation. Defective transcriptional and chromatin networks have highlighted the contribution to cellular function, stress resistance, and ageing. Thus, epigenetic alterations and genetic instability might affect all cells and tissues in the anti-ageing process, but also provide opportunities for the design of novel rejuvenation treatments (Fig. 2).

세포 재생을 위한 장애물과 목표

세포 재생을 제한하는 내인성 장벽에피게놈 변화와 유전적 불안정성

생리적 및 병리적 노화는

유전적 및 에피제네틱 메커니즘의 장애로 인해 자주 발생합니다.

에피제네틱스의 보편적인 정의는

DNA 서열 변이 없이 유전적으로 전달되는 유전체 기능적 변형입니다.

유전자 발현과 염색질 구조는

주요 에피제네틱 변화와 연결되어 있으며,

이는 DNA 메틸화, 히스톤 변형, 비코딩 RNA 조절을 포함합니다.

결함 있는 전사 및 염색질 네트워크는

세포 기능, 스트레스 저항성, 노화에 기여하는 것으로 강조되었습니다.

따라서 에피제네틱 변화와 유전적 불안정은

노화 방지 과정에서 모든 세포와 조직에 영향을 미칠 수 있지만,

새로운 재생 치료법 설계의 기회를 제공할 수도 있습니다(그림 2).

Fig. 2

The epigenetic states of ageing and rejuvenation. Ageing and rejuvenation can be affected by intrinsic epigenetic alterations and genetic instability, like DNA methylation and chromatin remodeling. Moreover, many extrinsic factors, like microenvironmental cues, intercellular communication, and systemic factors, can also impact the epigenetic states of ageing and rejuvenation. miRNAs microRNAs, lncRNAs long noncoding RNAs, ECM extracellular matrix. Created with BioRender.com

그림 2

노화와 재생의 에피제네틱 상태.

노화와 재생은 DNA 메틸화 및 염색질 재구성 같은 내인성 에피제네틱 변화와 유전적 불안정에 의해 영향을 받을 수 있습니다. 또한 미세환경 신호, 세포 간 통신, 시스템적 요인과 같은 많은 외인성 요인도 노화와 재생을 위한 에피제네틱 상태에 영향을 미칠 수 있습니다. miRNA 마이크로RNA, lncRNA 장쇄 비코딩 RNA, ECM 세포외 기질. BioRender.com에서 생성되었습니다.

Histone variants and modification

Histone variants serve as non-allelic counterparts of canonical histones and are also a common feature in aged organisms. H2A, H2B, H3, and H4 are four core histones variants with different propensity to diversity, regulating specific chromatin regions and gene transcription programs.10 Numerous research on ageing have demonstrated that histone variations in mammals are associated with a high abundance of macroH2A, H3.3, and H2A.Z.11 These results all suggested that the histone variants could be potential biomarkers for the ageing state.

Histone modifications include acetylation, methylation, phosphorylation, ubiquitylation, sumoylation, ADP ribosylation, deimination, and proline isomerization, depending on the modification process.12 These alterations occur at many sites and have various regulatory effects, including DNA repair, DNA replication, transcriptional control, alternative splicing, and chromosome condensation. Most prominently, histone methylation and histone acetylation play crucial roles in epigenetic alterations during ageing. Transcription is activated by the methylation of H3K4, H3K36, and H3K79, whereas it is repressed by the methylation of H3K9, H3K27, and H4K20.13 Furthermore, numerous investigations have shown that the control of organismal longevity and tissue ageing involves the manipulation of histone methyltransferases or demethylases.14 Therefore, various histone modifications might be important ageing-associated markers with the potential of anti-ageing drug screening targets.

히스톤 변이체와 변형

히스톤 변이체는 정형 히스톤의 비알레릭 대안으로 작용하며, 노화된 유기체에서 공통적으로 관찰되는 특징입니다. H2A, H2B, H3, H4는 다양성 경향이 다른 4가지 핵심 히스톤 변이체로, 특정 크로마틴 영역과 유전자 전사 프로그램을 조절합니다.10 포유류의 노화에 대한 수많은 연구는 히스톤 변이체가 macroH2A, H3.3, H2A.Z의 높은 농도와 연관되어 있음을 보여주었습니다.11 이러한 결과는 모두 히스톤 변이체가 노화 상태의 잠재적 바이오마커가 될 수 있음을 시사합니다.

히스톤 변형은 변형 과정에 따라

아세틸화, 메틸화, 인산화, 유비퀴틴화, 수모일화, ADP 리보실화, 데이미네이션, 프로린 이성질화 등으로

구분됩니다.12 

이러한 변형은

다양한 부위에서 발생하며

DNA 복구, DNA 복제, 전사 조절, 대안적 스플라이싱, 염색체 응축 등

다양한 조절 효과를 가집니다.

특히 히스톤 메틸화 및 히스톤 아세틸화는

노화 과정에서의 에피게노믹 변화에 중요한 역할을 합니다.

H3K4, H3K36, H3K79의 메틸화는

전사 활성화를 유발하는 반면,

H3K9, H3K27, 및 H4K20의 메틸화입니다.13 

또한,

수많은 연구에서 유기체의 수명 조절과 조직 노화에는

히스톤 메틸전달효소 또는 데메틸화효소의 조작이 관여한다는 것이 밝혀졌습니다.14 

따라서

다양한 히스톤 변형은

노화 관련 표지자로서 항노화 약물 스크리닝 표적의 잠재력을 가질 수 있습니다.

DNA methylation clock

DNA methylation is widely appreciated as the reversible and inheritable epigenetic mark of the genome, participating in gene expression‎, biological regulation, and developmental processes in various eukaryotes.15 This common DNA modification is the synthesis of 5-methylcytosine (5mC), created when a methyl group is added to cytosine in a context involving a CpG dinucleotide. Long-term alterations in DNA methylation can be influenced by early-life environments and diet, increasing susceptibility to numerous diseases linked to ageing.16

Recent studies have discovered the mechanisms causing ageing-related DNA methylation changes and treated DNA methylation as the most promising biomarker of ageing.17 DNA methylation can directly facilitate transcriptome alterations in cells and tissues and also affect histone modification patterns to regulate gene expression‎ during ageing. Borghesan et al. demonstrated that DNA methylation signatures were the biomarkers of healthy liver ageing and hepatocellular carcinoma progression, and the epigenetic synergism between DNA methylation and histone variant macroH2A1 could control the cancer cell escape from drug-induced senescence.18 Hence, controlling the DNA or histone methylation machinery might contribute to precise drug delivery. Moreover, certain CpG sites spread across the genome can be used to identify the mammalian DNA methylomes in order to determine the organismal biological age.19 DNA methylation-based ageing provides an appealing method of pathology prediction due to its continual readout of molecular changes in development. Many rejuvenation interventions, like calorie restriction, dwarfism, and rapamycin therapy, have been shown to slow down the epigenetic clocks and block some ageing-related changes in DNA methylation.20 Thus, the identification and confirmation of efficient anti-ageing therapies in humans have considerable potential in the DNA methylation.

DNA 메틸화 시계

DNA 메틸화는 유전체의 가역적이고 유전 가능한 에피제네틱 표지로 널리 인정되며, 다양한 진핵생물의 유전자 발현, 생물학적 조절, 발달 과정에 참여합니다.15 이 일반적인 DNA 변형은 CpG 이뉴클레오티드 맥락에서 시토신에 메틸 그룹이 추가되어 생성되는 5-메틸시토신(5mC)의 합성입니다. 장기적인 DNA 메틸화 변화는 생애 초기 환경과 식습관에 의해 영향을 받을 수 있으며, 노화와 관련된 다양한 질환의 발병 위험을 증가시킬 수 있습니다.16

최근 연구들은

노화 관련 DNA 메틸화 변화의 메커니즘을 규명했으며,

DNA 메틸화를 노화의 가장 유망한 생물학적 지표로 제시했습니다.17 

DNA 메틸화는

세포 및 조직의 전사체 변화를 직접 촉진할 수 있으며,

히스톤 변형 패턴에 영향을 미쳐 노화 과정에서 유전자 발현을 조절합니다.

Borghesan 등(et al.)은 DNA 메틸화 서명이 건강한 간 노화와 간세포 암종 진행의 바이오마커임을 입증했으며, DNA 메틸화와 히스톤 변이체 macroH2A1 간의 에피게노믹 시너지 효과가 약물 유도 노화로부터 암 세포의 탈출을 조절할 수 있음을 보여주었습니다.18 따라서 DNA 또는 히스톤 메틸화 기전을 조절하는 것은 정밀 약물 전달에 기여할 수 있습니다. 또한, 유전체에 널리 분포된 특정 CpG 사이트는 포유류의 DNA 메틸로미를 식별하여 유기체의 생물학적 연령을 결정하는 데 활용될 수 있습니다.19 DNA 메틸화 기반 노화 모델은 발달 과정에서 분자 변화의 지속적인 모니터링을 통해 병리 예측에 매력적인 방법을 제공합니다. 칼로리 제한, 왜소증, 라파마이신 치료와 같은 많은 노화 역전 개입은 에피게놈 시계를 늦추고 DNA 메틸화 관련 노화 변화를 차단하는 것으로 나타났습니다.20 따라서 인간에서 효율적인 항노화 치료법의 식별과 확인은 DNA 메틸화 분야에서 상당한 잠재력을 가지고 있습니다.

Nucleosome remodeling

The nucleosome, consisted of pairs of core histones H2A, H2B, H3, and H4 and a DNA strand of 146 base pairs, is the basic unit of chromatin.21 In an ATP-dependent way, nucleosome remodeling controls DNA repair, replication, recombination, transcription, and cell cycle, as well as the expression‎ of genes important for development and cellular functions in anti-ageing processes.22 The highly conserved ATP-dependent chromatin remodelers, referred to as sucrose nonfermenting 2 (SNF2) or switch/ SNF (SWI/SNF)-related enzymes, could utilize the energy released during the hydrolysis of ATP, in order to rebuild the chromatin.23 One particular ATPase might bind with other types of proteins to form distinct remodeling complexes. ATP-dependent nucleosome remodelers have important roles in modulating lifespan in organisms ranging from yeast to humans.

The modifications of histone core residues perform specific recruitment of transcription factors and remodeling complexes, and also shape nucleosome functions themselves.24 With increasing age, the nucleosome positioning and occupancy could be inevitably changed, including the loss of core histones and the substitution of canonical histones with variant histones.25 The availability of DNA for transcription factor binding was proved to depend on different combinations of histone modifications for chromatin remodeling, which also allows the histone code to modify gene expression‎ with ageing.26 In addition, base excision repair (BER) is a vital DNA repair system for eradicating DNA lesions and maintaining the integrity of the genome.27 The deficient BER shows a strong link with ageing in human health. Nucleotide excision repair (NER) defects can also affect nucleosome remodeling, histone ubiquitination, stem cell reprogramming, and transcriptional activation, leading to ageing and developmental abnormalities in mammals.28 Therefore, DNA and histone contents within nucleosomes can go through chemical modifications that change the chromatin conformation and accessibility during ageing process.

핵소체 재구성

핵소체는

핵심 히스톤 H2A, H2B, H3, H4 쌍과 146 염기쌍의 DNA 가닥으로 구성되어

염색질의 기본 단위입니다.21 

ATP 의존적 방식으로 핵소체 재구성은

DNA 수리, 복제, 재조합, 전사, 세포 주기, 그리고

노화 방지 과정에서 발달과 세포 기능에 중요한 유전자 발현을 조절합니다.22 A

TP 의존적 염색질 재구성 효소인 sucrose nonfermenting 2 (SNF2) 또는 switch/ SNF (SWI/SNF) 관련 효소는 ATP 가수분해 시 방출되는 에너지를 활용하여 염색질을 재구성합니다.23 특정 ATPase는 다른 유형의 단백질과 결합하여 독특한 재구성 복합체를 형성할 수 있습니다. ATP 의존성 뉴클레오좀 리모델러는 효모부터 인간에 이르는 다양한 생물체에서 수명 조절에 중요한 역할을 합니다.

히스톤 핵심 잔기의 변형은 전사 인자의 특정 모집과 리모델링 복합체의 형성을 촉진하며, 핵소체 기능 자체를 형성합니다.24 연령이 증가함에 따라 핵소체 위치와 점유율이 불가피하게 변화할 수 있으며, 이는 핵심 히스톤의 손실과 표준 히스톤의 변이형 히스톤으로의 대체를 포함합니다.25 전사 인자 결합을 위한 DNA의 가용성은 염색질 리모델링을 위한 히스톤 변형의 다양한 조합에 의존한다는 것이 입증되었으며, 이는 또한 히스톤 코드가 노화 과정에서 유전자 발현을 조절하는 메커니즘을 가능하게 합니다.26 또한, 염기 절제 복구(BER)는 DNA 손상을 제거하고 게놈의 무결성을 유지하는 중요한 DNA 복구 시스템입니다.27 BER 결핍은 인간 건강에서의 노화와 강한 연관성을 보여줍니다. 핵산 절제 복구(NER) 결함은 뉴클레오좀 재구성, 히스톤 유비퀴틴화, 줄기세포 재프로그래밍, 전사 활성화에 영향을 미쳐 포유류의 노화와 발달 이상을 초래할 수 있습니다.28 

따라서

노화 과정에서 뉴클레오좀 내 DNA와 히스톤의 화학 변형은

염색질 구조와 접근성을 변화시킬 수 있습니다.

Transcriptional signature changes

Numerous transcription factors that control growth, metabolism, and stress resistance are evolutionarily conserved. They are also involved in intricate interactions within various cell types for entire organismal physiologic development and ageing.29 During ageing process, there are many linked genes to prove the senescence phenotype or type.30 These biomarkers are linked with the cell-cycle arrest and SASP, such as increased expression‎ of the cyclin-dependent kinase inhibitors p16 and p21, reduced expression‎ of the nuclear lamina protein LaminB1, increased secretion of many inflammatory cytokines, and others. Many transcriptional responses to oxidative stress and pathogens decrease with ageing, owing to the declining function of the stress-responsive NF-E2-related factor 2 (Nrf2).31 Forkhead box O (FOXO) transcription factors are also revealed as critical mediators in crucial cellular processes in mammals during ageing.32 Thus, ageing was accompanied by both increased transcriptional instability and an accumulation of genetic errors. Besides, RNA N6-methyladenosine (m6A) modification has uncovered a new domain in post-transcriptional epigenetic regulation. In intervertebral discs (IVDs) degeneration, the m6A and the crosstalk between m6A and histone/DNA modifications have been proved to facilitate nucleus pulposus cellular senescence and aggravate cartilage endplate degeneration.33 To determine the diverse biological senescence, the transcriptome signatures associated with senescence and variability of the senescence program contribute to the identification of particular senescence biomarkers in tissues and organisms.

전사 서명 변화

성장, 대사, 스트레스 저항성을 조절하는

수많은 전사 인자는 진화적으로 보존되어 있습니다.

이들은 전체 유기체의 생리적 발달과 노화 과정에서

다양한 세포 유형 내 복잡한 상호작용에 관여합니다.29 

노화 과정에서 노화 형질이나 유형을 증명하는

많은 연관 유전자들이 존재합니다.30 

이러한 바이오마커는

세포 주기 정지 및 SASP와 연관되어 있으며,

사이클린 의존성 키나제 억제제 p16 및 p21의 발현 증가,

핵 층 단백질 LaminB1의 발현 감소, 다양한 염증성 사이토카인의 분비 증가 등이 포함됩니다.

산화 스트레스와 병원체에 대한 많은 전사 반응은 스트레스 반응성 NF-E2 관련 인자 2(Nrf2)의 기능 저하로 인해 노화 과정에서 감소합니다.31 포크헤드 박스 O(FOXO) 전사 인자는 포유류의 노화 과정에서 중요한 세포 과정의 핵심 매개체로 밝혀졌습니다.32 따라서 노화는 전사 불안정성의 증가와 유전적 오류의 축적과 동반됩니다. 또한 RNA N6-메틸아데노신(m6A) 변형은 전사 후 에피게노믹 조절의 새로운 영역을 밝혀냈습니다. 추간판(IVD) 퇴화에서 m6A 및 m6A와 히스톤/DNA 변형 간의 교차작용은 핵 펄푸스 세포 노화를 촉진하고 연골 말단판 퇴화를 악화시키는 것으로 입증되었습니다.33 

다양한 생물학적 노화를 규명하기 위해

노화와 노화 프로그램의 변이성과 관련된 전사체 서명(transcriptome signatures)은

조직 및 생물체에서 특정 노화 바이오마커를 식별하는 데 기여합니다.

Noncoding RNA profiles

Noncoding RNAs (ncRNAs) are a broad and diverse group that produce non-protein-coding transcripts, including micro RNAs (miRNAs), long noncoding RNAs (lncRNAs), and circular RNAs (circRNAs). Several studies have discussed that the ncRNAs are able to bond to DNA, RNA, and protein, influencing cellular proliferation, quiescence, differentiation, apoptosis, and senescence.34 Specifically, ncRNAs can strongly implicate in controlling senescence at transcriptional, post-transcriptional, and post-translational stages. Especially, miRNAs are the best characterized small ncRNAs influencing ageing and lifespan. Multiple miRNAs, including miRNA-1, miRNA-145, miRNA-140, miRNA-34a, miRNA-106b, and miRNA-449a, are widely considered as critical regulators for cell senescence.35 They impact the SASP phenotype and modulate senescence through the classical p16, p53, and calcium signaling pathways.35 Furthermore, the lncRNAs expressions are known as a result of the disease-triggering stimulation in reduced cardiovascular vigor and cardiovascular ageing. There are increasing lncRNAs as indications of a deteriorating prognosis following cardiac events, such as the lncRNA MIAT, ANRIL, LIPCAR, and MALAT1.36 More importantly, the potential of circRNAs to serve as miRNA sponges and the interacting regulatory network between lncRNAs and miRNAs are all connected to ageing-related changes and the switching of the cell fate.37 In addition, extracellular RNAs in circulation and other bodily fluids also play vital roles within the context of ageing. The pericentromeric ncRNAs can be transported into neighboring cells via extracellular vesicles (EVs), and impaired the DNA binding of the CCCTC-binding factor to modify chromosomal accessibility and trigger an SASP-like inflammatory response.38

비코딩 RNA 프로파일

비코딩 RNA(ncRNA)는

마이크로 RNA(miRNA), 장쇄 비코딩 RNA(lncRNA), 원형 RNA(circRNA) 등을 포함하는

광범위하고 다양한 그룹으로,

단백질 코딩을 하지 않는 전사체를 생성합니다.

여러 연구에서 ncRNA가 DNA, RNA, 단백질과 결합하여

세포 증식, 휴면, 분화, 아포토시스, 노화에 영향을 미친다는 것이 논의되었습니다.34 

특히, ncRNA는

전사, 전사 후, 번역 후 단계에서 노화 조절에 강하게 관여합니다.

특히,

miRNA는 노화와 수명에 영향을 미치는

가장 잘 연구된 작은 ncRNA입니다.

miRNA-1, miRNA-145, miRNA-140, miRNA-34a, miRNA-106b, 및 miRNA-449a는 세포 노화의 핵심 조절자로 널리 인정받고 있습니다.35 이들은 SASP 표현형을 영향을 미치고 p16, p53, 및 칼슘 신호전달 경로를 통해 노화를 조절합니다.35 또한, lncRNA 발현은 심혈관 활력 감소 및 심혈관 노화를 유발하는 질병 유발 자극의 결과로 알려져 있습니다. 심장 사건 후 예후 악화의 지표로 작용하는 lncRNA가 증가하고 있으며, 예를 들어 lncRNA MIAT, ANRIL, LIPCAR, 및 MALAT1 등이 있습니다.36 더욱 중요한 것은 circRNA가 miRNA 스폰지 역할을 할 수 있는 잠재력과 lncRNA 및 miRNA 간의 상호작용 조절 네트워크가 모두 노화 관련 변화와 세포 운명 전환과 연결되어 있다는 점입니다.37 또한 순환 혈액 및 기타 체액 내의 세포외 RNA도 노화 맥락에서 중요한 역할을 합니다. 중심체 주변 ncRNA는 세포외 소포(EVs)를 통해 인접 세포로 운반되어 CCCTC 결합 인자의 DNA 결합을 방해해 염색체 접근성을 변경하고 SASP 유사 염증 반응을 유발합니다.38

Macromolecular damage

The specific complex of cell macromolecules, including telomeres, proteins, and lipids, possesses intrinsically high resistance to modification, contributing to superior longevity in species. Reducing macromolecular damage is associated with an improvement in the majority of ageing-related physiological activities. Thus, the single macromolecular regulator of ageing and the interconnectivity among molecular phenotypes can both induce alterations in ageing-related phenotypes, limiting cell rejuvenation.

대분자 손상

텔로미어, 단백질, 지질 등 세포 대분자의 특정 복합체는

본질적으로 높은 변형 저항성을 갖추어

종의 장수성에 기여합니다.

대분자 손상의 감소는

대부분의 노화 관련 생리적 활동 개선과 연관됩니다.

따라서

노화의 단일 대분자 조절자와 분자 형질 간의 상호연결성은

모두 노화 관련 형질의 변화를 유발하여 세포 재생을 제한합니다.

Telomere attrition

Telomeres are repetitive DNA sequences at chromosome ends. Telomerase adds repeats to the ends of the chromosomes during genome replication to counteract the loss of telomeric DNA. In most eukaryotes, the telomerase-based mechanism for telomere preservation is crucial for genomic stability and cell viability. The compaction of telomeric chromatin robustly protects the ends by limiting the accessibility of the DNA damage response machinery.39 However, telomeres are gradually shortened with cell division, and the cells enter a replicative senescence state when they cannot effectively guard the ends of the DNA.40 DNA damage accumulation with age also affects the genome randomly. Telomere dysfunction-induced foci and telomere-associated foci are two types of DNA damage that specifically target telomeres.41 Significantly short telomeres or changed telomere architecture can result in dysfunctional telomeres in ageing-associated pathology.42 This telomere dysfunction is closely associated with telomeropathies, telomere biology disorders, and telomere syndromes. In addition, ncRNAs also emerge as key inducers of telomere length maintenance in senescence and ageing-related diseases.43

텔로미어 소모

텔로미어는

염색체 끝부분에 위치한 반복적인 DNA 서열입니다.

텔로머레이스는

게놈 복제 과정에서 염색체 끝부분에 반복 서열을 추가하여

텔로미어 DNA의 손실을 보상합니다.

대부분의 진핵생물에서

텔로머레이스 기반 텔로미어 보존 메커니즘은

게놈 안정성과 세포 생존에 필수적입니다.

텔로미어 염색질의 밀집화는

DNA 손상 반응 기계의 접근을 제한함으로써 끝 부분을 강력히 보호합니다.39 

그러나

텔로미어는 세포 분열과 함께 점차 짧아지며,

DNA 끝을 효과적으로 보호할 수 없게 되면

세포는 복제 노화 상태에 진입합니다.40 

연령에 따른 DNA 손상 축적은 유전체에 무작위로 영향을 미칩니다. 텔로미어 기능 장애로 인한 초점(Telomere dysfunction-induced foci)과 텔로미어 관련 초점(Telomere-associated foci)은 텔로미어를 특정적으로 표적으로 삼는 두 가지 유형의 DNA 손상입니다.41 노화 관련 병리에서 텔로미어의 현저한 단축이나 구조 변화는 텔로미어 기능 장애를 초래할 수 있습니다.42 이 텔로미어 기능 장애는 텔로미어 병증, 텔로미어 생물학 장애, 텔로미어 증후군과 밀접하게 연관되어 있습니다. 또한, ncRNA는 노화와 노화 관련 질병에서 텔로미어 길이의 유지에 중요한 역할을 하는 것으로 밝혀지고 있습니다.43

Loss of proteostasis

Proteome homeostasis is maintained by the proteostasis network (PN), a macromolecular system that coordinates protein synthesis, folding, disaggregation, and degradation for organismal health and longevity. The autophagy-lysosomal system and the ubiquitin-proteasomal system (UPS) are two crucial mechanisms that regulate the turnover of organelles and aggregates.44 Proteasomes are also charged with removing normal and damaged proteins, participating in the evolutionarily conserved ageing mechanism and longevity regulation. However, ageing often shifts the balance between the protein lifecycle in organisms, resulting in pathology. UPS dysregulation occurs in the ageing process and several ageing-related diseases in mammals.45 PN component aggregation during ageing can elicit aberrant transcriptional procedures, reduced folding capacity, and the accumulation of misfolded species.46 This loss of proteostasis might further have profound consequences for ageing progression and age-related disease presentation. In addition, the increased ribosome pausing during ageing can also make the ribosome-associated quality control overloaded, leading to proteostasis impairment and systemic decline.47

단백질 항상성 상실

단백질 항상성은

유기체의 건강과 장수를 위해

단백질 합성, 접힘, 분해 및 분해를 조율하는 거대 분자 시스템인

단백질 항상성 네트워크(PN)에 의해 유지됩니다.

자가포식-리소좀 시스템과

유비퀴틴-프로테아좀 시스템(UPS)은

세포 소기관과 응집체의 전환을 조절하는 두 가지 중요한 메커니즘입니다.44 

프로테아좀은 또한 정상 및 손상된 단백질을 제거하는 역할을 하며,

진화적으로 보존된 노화 메커니즘과 수명 조절에 참여합니다.

그러나

노화는 유기체 내 단백질 생명 주기의 균형을 깨뜨려 병리를 유발합니다.

UPS의 조절 장애는 포유류의 노화 과정과 여러 노화 관련 질환에서 발생합니다.45 

노화 과정에서 PN 구성 요소의 집합은

비정상적인 전사 과정, 접힘 능력 감소, 잘못 접힌 단백질의 축적을

유발할 수 있습니다.46 

이 프로테오스타시스 상실은

노화 진행과 노화 관련 질환의 발현에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다.

또한 노화 과정에서 리보솜 정지 증가도

리보솜 관련 품질 관리 과부하를 유발해

프로테오스타시스 장애와 전신적 기능 저하를 초래할 수 있습니다.47

Lipid Damage

Lipids are crucial components of all cell types, and perform various biological functions, including energy storage, cell membrane construction, signal transduction, protection, and mitochondrial regulation. There are a variety of bioactive lipids with critical roles in influencing cell age and the progression of several age-associated diseases and metabolic abnormalities.48 Specifically, the lipid assemblies act as scaffolding for the construction and function of signaling complexes and play critical roles in the preservation of proteostasis, thus involving in the ageing process and neurodegenerative disease development.49 Cholesterol, phospholipids, ganglioside GM3, and sphingomyelin are lipid classes that are typically present in cell membranes, playing their respective roles in membrane fluidity and rigidity. The lipid-induced changes in membrane structure and remodeling of lipid composition are the causative agents of ageing phenotypes.50 Moreover, many pathways regulating ageing and longevity are also linked to lipid metabolism and lipid signaling. According to research on the serum and plasma lipidome in centenarians, descendants of centenarians and elderly people without age-related disorders, the lipid signature profile altered with ageing.51 It also showed changes in antioxidant capacity, lipid peroxidation levels, and inflammation along with modifications in lipid metabolic pathways with ageing.

지질 손상

지질은 모든 세포 유형의 필수 구성 요소로,

에너지 저장, 세포막 구성, 신호 전달, 보호, 미토콘드리아 조절 등

다양한 생물학적 기능을 수행합니다.

세포 노화와 여러 노화 관련 질환 및 대사 이상에 영향을 미치는

중요한 역할을 하는 다양한 생물활성 지질이 존재합니다.48 

특히,

지질 복합체는

신호 전달 복합체의 구조와 기능에 대한 골격 역할을 하며,

프로테오스타시스 유지에 중요한 역할을 하여 노화 과정과 신경퇴행성 질환 발병에 관여합니다.49 

콜레스테롤, 인산지질, 글리코지드 GM3, 스핑고마이엘린은

세포막에 일반적으로 존재하는 지질 클래스로, 각각 막 유동성과 경직성에 기여합니다.

지질에 의한 막 구조의 변화와 지질 구성의 재편은

노화 현상의 원인입니다.50 

또한 노화와 수명을 조절하는 많은 경로는

지질 대사 및 지질 신호전달과도 연관되어 있습니다.

장수자, 장수자의 후손, 연령 관련 질환이 없는 노인들의 혈청 및 혈장 지질체 연구에 따르면,

지질 서명 프로파일은 노화에 따라 변화했습니다.51 

또한 노화에 따라

항산화 능력, 지질 과산화 수준, 염증 변화와 함께 지

질 대사 경로의 변화가 관찰되었습니다.

Metabolic imbalance

Age-dependent alterations in the transcriptomes, proteomes, and metabolomes of different organisms and tissues reveal the imbalance of metabolic homeostasis. Remodeling of metabolic signals and metabolites in ageing and the control of lifespan is caused by organelle malfunction, redox imbalance, and changed signaling pathways.52 Both environmental and generated endogenous toxicants by metabolism are major contributors to macromolecular damage and physiological dysregulation during ageing. The metabolic phenotyping of ageing mice revealed the involvement of the adiponectin, growth hormone, and cytokine pathways in autophagy, stress response, genome integrity, mitochondrial biogenesis, energy balance, inflammation, and infection control.53

The main mechanism to foster ageing is the malfunctioning of vital cellular organelles, including the autophagosomal-lysosomal network and mitochondria. With advancing age, there is a reduction in autophagy activity, autophagosome production rate, and lysosome fusion activity.54 Insufficient protective autophagy during ageing might cause damaged cellular components to accumulate and dysfunction of cellular organelles, leading to metabolic imbalance and further ageing. Moreover, defective mitochondrias produce insufficient ATP and frequently produce more ROS to enhance oxidative stress.55 Aged cells commonly develop mitochondria with aberrant characteristics, such as point mutations and mitochondrial DNA (mtDNA) deletions.56 In addition, mitochondrial metabolism also includes carbon metabolism (the tricarboxylic acid (TCA) cycle), the biosynthesis of Fe/S clusters, and the metabolic consequences of mitophagy.57 These metabolic processes are highly dynamic and all influence different facets of ageing.

There are metabolic enzymes and pathways to maintain homeostasis, including acetyl-coenzyme A (acetyl-CoA), pyruvate, 2-oxoglutarate, glycolysis, the TCA cycle, the urea cycle, respiration, and oxidative phosphorylation.58 The dysfunctions of these metabolic enzymes and mechanisms trigger metabolic disorders and restricted lifespan. Many core metabolites are appearing as key regulators of ageing, including nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+), reduced nicotinamide dinucleotide phosphate (NADPH), α-ketoglutarate (α-KG), and β-hydroxybutyrate (βHB).59 A change in the NAD+/NADH ratio or the size of the NAD+ pool can cause the biological system to malfunction and result in a variety of metabolic diseases, ageing, and cancer.60 In addition, the telomere shortens and telomerase dysfunction might downregulate peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator (PGCs) and other metabolically relevant genes, which are linked to hampered mitochondrial biogenesis and function, reduced gluconeogenesis, cardiomyopathy, and elevated ROS.61 It has been demonstrated that altering the insulin/IGF-1 and mammalian target of rapamycin (mTOR) signaling pathways significantly slows down the ageing process in a variety of species.62 Metabolic interventions, like time-restricted feeding, ketone bodies, rapamycin, metformin, resveratrol, NAD boosters, glycolytic inhibition, mitochondrial-derived peptides, and poly (ADP-ribose) polymerase (PARP) activators, all target these conserved pathways and biological ageing mechanisms across species, to boost adaptability, rehabilitation, and postponed ageing.63

대사 불균형

다양한 생물체와 조직의

트랜스크립토ーム, 프로테오ーム, 대사체 변화는

대사 균형의 불균형을 드러냅니다.

Age-dependent alterations in the

transcriptomes, proteomes, and metabolomes of different organisms

and tissues reveal the imbalance of metabolic homeostasis

노화 과정에서 대사 신호와 대사물의 재편성 및 수명 조절은

세포 소기관 기능 장애, 산화환원 불균형, 신호 전달 경로의 변화에 의해 유발됩니다.52 

환경적 요인과 대사 과정에서 생성되는 내인성 독소는

노화 과정에서 대분자 손상과 생리적 조절 장애의 주요 원인입니다.

노화 마우스의 대사 표현형 분석 결과,

아디포넥틴, 성장 호르몬, 사이토카인 경로가 자가포식, 스트레스 반응, 게놈 무결성, 미토콘드리아 생합성,

에너지 균형, 염증 및 감염 제어에 관여하는 것으로 밝혀졌습니다.53

노화를 촉진하는 주요 메커니즘은

자가포식소체-리소좀 네트워크 및 미토콘드리아를 포함한

중요한 세포 소기관의 기능 장애입니다.

나이가 들면

자가포식 활동, 자가포식소체 생성 속도 및 리소좀 융합 활동이 감소합니다.54 

노화 과정에서 보호적인 자가포식이 부족하면

손상된 세포 성분이 축적되고

세포 소기관이 기능 장애를 일으켜

대사 불균형과 추가적인 노화가 진행될 수 있습니다.

또한 결함 있는 미토콘드리아는

충분한 ATP를 생산하지 못하고 ROS를 과도하게 생성하여

산화 스트레스를 증가시킵니다.55 

노화된 세포는

점 돌연변이 및 미토콘드리아 DNA (mtDNA) 삭제와 같은

이상적인 특성을 가진 미토콘드리아를 발달시키기 쉽습니다.56 

또한 미토콘드리아 대사에는

탄소 대사(트리카르복실산(TCA) 순환), Fe/S 클러스터 생합성, 미토파지 대사 결과 등이 포함됩니다.57 

이러한 대사 과정은

매우 동적이며 노화의 다양한 측면에 영향을 미칩니다.

대사 균형을 유지하기 위한 대사 효소와 경로에는

아세틸-코엔자임 A(아세틸-CoA), 피루vate, 2-옥소글루타레이트, 글리코lysis,

TCA 회로, 요소 회로, 호흡, 산화적 인산화 등이 포함됩니다.58 

이러한 대사 효소와 메커니즘의 기능 장애는

대사 장애와 수명 단축을 유발합니다.

노화의 핵심 조절자로서

니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드(NAD+),

환원형 니코틴아미드 디뉴클레오티드 인산(NADPH),

알파-케토글루타레이트(α-KG),

베타-하이드록시부티레이트(βHB) 등

많은 핵심 대사물이 등장하고 있습니다.59 

 Many core metabolites are appearing as key regulators of ageing,

including

nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+),

reduced nicotinamide dinucleotide phosphate (NADPH),

α-ketoglutarate (α-KG), and

β-hydroxybutyrate (βHB).

NAD+/NADH 비율이나 NAD+ 풀의 크기가 변화하면

생물학적 시스템이 이상을 일으켜

다양한 대사 질환, 노화, 암을 유발할 수 있습니다.60 

또한 텔로미어가 단축되고 텔로머레이스 기능 장애는

과산화체 증식 활성화 수용체 감마 코액티베이터(PGCs) 및

기타 대사 관련 유전자의 발현을 억제할 수 있으며,

이는 미토콘드리아 생합성 및 기능 장애,

글루코네오제네시스 감소, 심근병증, 활성산소종(ROS) 증가와 연관되어 있습니다.61 

인슐린/IGF-1 및 포유류 표적 라파마이신(mTOR) 신호 전달 경로를 변경하는 것이

다양한 종에서 노화 과정을 현저히 늦춘다는 것이 입증되었습니다.62 

시간 제한 식이요법,

케톤체, 라파마이신, 메트포르민, 레스베라트롤,

NAD 증강제, 글리콜리시스 억제, 미토콘드리아 유래 펩타이드, 폴리(ADP-리보스) 폴리메라제(PARP) 활성화제 등은

종을 초월해 이러한 보존된 신호전달 경로와

생물학적 노화 메커니즘을 표적으로 삼아 적응력, 재활, 노화 지연을 촉진합니다.63

Extrinsic factors impacting cellular rejuvenationLocal microenvironmental cues

Extrinsic cues are transmitted by different stromal cell types within their niche and tissues, resulting in an actively responsive microenvironment. The ECM, neighboring cells, and signaling molecules, such as hormones, growth factors, and metabolic products, all play roles in mediating the interaction between the cell and the microenvironment. With time, the microenvironment that maintains multicellular organization is chronically altered, which further remodels the intracellular processes and induces ageing and cancer development.64

MSC lineage shift in ageing is mostly caused by microenvironmental effects. The crucial microenvironmental cues that cause differentiation abnormalities in MSCs are caused by hormonal, immunologic, and metabolic variables. For example, BMSCs in ageing could misdirect the differentiation toward adipocytes to impair osteogenesis, leading to the pathogenesis of osteoporosis.65 Especially, bone-fat reciprocity and the development of mesenchymal progenitors toward an adipogenic fate were mostly caused by the microenvironmental changes that occurred with in vivo ageing.66 Therefore, distinct microenvironmental conditions are deciding on cell fate, including exogenous growth factor stimulation, adjacent cells communication, pH, osmolarity, oxygen concentration, temperature, air pressure, biomechanical and electromagnetical influence.67 These microenvironment changes might increase the difficulty for normal cells to maintain homeostasis and react to damage.

세포 재생을 영향을 미치는 외인성 요인: 국소 미세환경 신호

외인성 신호는

니치와 조직 내 다양한 간질 세포 유형을 통해 전달되어 적극적으로 반응하는

미세환경을 형성합니다.

ECM, 인접 세포, 호르몬, 성장 인자, 대사산물 등 신호 분자들은

세포와 미세환경 간의 상호작용을 매개하는 역할을 합니다.

시간이 지나면서 다세포 조직을 유지하는 미세환경은

만성적으로 변화되며,

이는 세포 내 과정을 재구성하고 노화와 암 발생을 유발합니다.64

노화 과정에서 MSC의 계통 전환은

주로 미세환경적 영향에 의해 유발됩니다.

MSC의 분화 이상을 유발하는 중요한 미세환경적 신호는

호르몬, 면역학적, 대사적 변수에 의해 발생합니다.

예를 들어,

노화 과정에서의 BMSC는

골형성을 방해하여 골다공증의 병리학적 기전을 유발할 수 있습니다.65

특히, 골-지방 상호작용과 중간엽 전구세포의 지방화 운명로의 발달은 주로 체내 노화 과정에서 발생한 미세환경 변화에 의해 주로 유발되었습니다.66 따라서, 외인성 성장 인자 자극, 인접 세포 간 통신, pH, 삼투압, 산소 농도, 온도, 공기 압력, 생체역학적 및 전자기적 영향 등이 포함됩니다.67 이러한 미세환경 변화는 정상 세포가 항상성을 유지하고 손상에 반응하는 것을 어렵게 만들 수 있습니다.

Age-associated changes in ECM structure and composition

As the three-dimensional macromolecular network without cells, the ECM is primarily made of an interconnected system of fibrillar and non-fibrillar collagens, elastic fibers, and glycosaminoglycan-containing non-collagenous glycoproteins (hyaluronan and proteoglycans). Certain enzymes that stimulate ECM destruction, like matrix metalloproteinases (MMPs), mediate the ECM remodeling process.68 ECM maintains tissue integrity, and its dysregulation during ageing leads to various disease disorders by altering its composition, morphology, rigidity, and abundance. Many ECM genes and remodelers can be directly regulated by the mTOR signaling pathway, SIRTs, and numerous longevity-promoting transcription factors, such as KLF4, MYC, and HIF1, which control ECM dynamics during ageing.69

The ECM is necessary for normal tissue repair, but excessive deposition can cause organ malfunction and the onset of fibrotic and degenerative diseases. Especially, the adult dermis quality following complete maturation gradually deteriorates with age, such as atrophy of the elastic network, disintegration of collagen fibers, and alterations modifying proteoglycans.70 Moreover, ageing causes localized flaws and superficial fibrillation of the articular surface to accumulate. For instance, osteoarthritis (OA) might occur due to the altered matrix component composition, declining water content in the tissue, and increased catabolism in the ECM.71 Age-dependent functional deficits of muscle stem cells (MuSCs) are attributed to extensive ECM remodeling during ageing.72 In cancer, the main biochemical, physiological, and mechanical factors associated with ageing ECM promoted invasive and cancer-like activity in both healthy and malignant cells.73

노화 관련 ECM 구조 및 구성 변화

세포가 없는 3차원 거대 분자 네트워크인 ECM은

주로 섬유질 및 비섬유질 콜라겐, 탄성 섬유, 글리코사미노글리칸을 함유한

비콜라겐성 글리코프로틴(히알루론산 및 프로테오글리칸)으로 구성된

상호 연결된 시스템으로 구성되어 있습니다.

ECM 파괴를 촉진하는 특정 효소인 매트릭스 메탈로프로테아제(MMPs)는

ECM 재모델링 과정을 매개합니다.68 

ECM은 조직의 무결성을 유지하며,

노화 과정에서 그 조절 장애는 구성, 형태, 경도, 양의 변화를 통해

다양한 질환을 유발합니다.

많은 ECM 유전자와 재구성 인자는 mTOR 신호 전달 경로, SIRTs, KLF4, MYC, HIF1과 같은 수명 연장 촉진 전사 인자에 의해 직접 조절되며, 이는 노화 과정에서 ECM 동역학을 조절합니다.69

ECM은 정상적인 조직 복구에 필수적이지만 과도한 침착은 장기 기능 장애 및 섬유화 및 퇴행성 질환의 발병을 유발할 수 있습니다. 특히, 완전 성숙 후 성인 진피의 품질은 점차적으로 악화되며, 이는 탄성 네트워크의 위축, 콜라겐 섬유의 분해, 프로테오글리칸의 구조적 변화 등을 포함합니다.70 또한 노화는 관절 표면의 국소적 결함과 표면 섬유화를 축적시킵니다. 예를 들어, 골관절염(OA)은 ECM의 구성 성분 변화, 조직 내 수분 함량 감소, ECM 내 분해 대사 증가로 인해 발생할 수 있습니다.71 노화에 따른 근육 줄기세포(MuSCs)의 기능적 결손은 노화 과정에서 발생하는 광범위한 ECM 재모델링에 기인합니다.72 암에서 노화된 ECM과 관련된 주요 생화학적, 생리학적, 기계적 요인은 건강한 세포와 악성 세포 모두에서 침습성과 암 유사 활동을 촉진합니다.73

Altered intercellular communication

Intercellular communication networks are essential for the coordination of biological processes in healthy and pathological settings of multicellular organisms. Senescence and ageing are influenced by interferences with intercellular communication caused by metabolic, mechanical, or biochemical triggers. To sustain physiologic function and respond to diseases, the many cell types that form the neurovascular unit (NVU) are in constant contact. The insufficient crosstalk between NVU cells impairs neurovascular coupling and blood-brain barrier dysfunction, thus leading to ageing and related neurological and neurovascular diseases.74 Moreover, there are also many organelle-organelle and organelle-cytosol communications impacting chronological ageing. These communications form an intricate network involving various movements of metabolites between cellular compartments. The process of stem cell ageing and tissue and organ functional declining is attributed to mitochondrial-ER crosstalk.75 Age-related diseases and the ageing process are linked to aberrant EV secretion and disturbance of the mitochondrial-lysosomal axis.76

Senescent cells are extremely proactive and interact with nearby cells through a variety of intercellular channels, including SASP. As the traditional soluble SASP, soluble factors, growth factors, and matrix remodeling enzymes are released. Intercellular communication during senescence via receptor or cell-ECM interaction is referred to as nonclassical SASP, and emerging SASP components include EVs.77 Furthermore, EVs are released into extracellular space and act as a cell-to-cell means of communication. EVs have negative impacts on downstream effectors at the levels of immunology, inflammation, gene expression‎, and metabolism in the ageing setting and age-related illnesses.78 Aged and senescent cells are proved to release more EVs than young cells.79 In addition, several environmental conditions, including air pollution, ultraviolet light, nutrition, and physical exercise, have been verified to impact the communication network via EVs, further impacting ageing.80

세포 간 통신 변화

세포 간 통신 네트워크는 다세포 유기체의 건강한 상태와 병리학적 상태에서 생물학적 과정의 협응력에 필수적입니다.

노화와 노화는

대사, 기계적 또는 생화학적 요인에 의한 세포 간 통신 방해의 영향을 받습니다.

생리 기능을 유지하고 질병에 대응하기 위해,

신경혈관 단위(NVU)를 구성하는

여러 세포 유형은 지속적으로 접촉하고 있습니다.

NVU 세포 간의 불충분한 교신은

신경혈관 결합과 혈관-뇌 장벽 기능 장애를 유발하여

노화와 관련된 신경학적 및 신경혈관 질환으로 이어집니다.74 

또한, 세포 소기관 간 및 세포 소기관-세포질 간 통신도

연령 관련 노화에 영향을 미칩니다.

이러한 통신은

세포 내 부위 간 대사물질의 다양한 이동을 포함하는 복잡한 네트워크를 형성합니다.

줄기세포 노화와 조직 및 장기 기능 저하는

미토콘드리아-내질망(ER) 간 교신에 기인합니다.75 

연령 관련 질환과 노화 과정은

비정상적인 엑소좀 분비와 미토콘드리아-리소좀 축의 장애와 연관되어 있습니다.76

노화 세포는

SASP를 포함한 다양한 세포 간 채널을 통해

주변 세포와 적극적으로 상호작용합니다.

전통적인 용해성 SASP로는 용해성 인자, 성장 인자, 매트릭스 재모델링 효소가 분비됩니다. 노화 과정에서 수용체나 세포-세포외 기질(ECM) 상호작용을 통해 이루어지는 세포 간 통신은 비전형적 SASP로 지칭되며, 새롭게 등장한 SASP 구성 요소에는 엑소좀(EVs)이 포함됩니다.77 또한, 엑소좀은 세포외 공간으로 분비되어 세포 간 통신 수단으로 작용합니다. EVs는 노화 환경 및 노화 관련 질환에서 면역학, 염증, 유전자 발현, 대사 수준에서 하류 효과기에 부정적인 영향을 미칩니다.78 노화된 세포와 노화 세포는 젊은 세포보다 더 많은 EVs를 방출한다는 것이 입증되었습니다.79 또한 대기 오염, 자외선, 영양, 신체 운동 등 여러 환경 조건이 EVs를 통해 통신 네트워크에 영향을 미쳐 노화에 추가적인 영향을 미친다는 것이 확인되었습니다.80

Systemic factors

Alterations in the systemic environment of cells and tissues play a role in the reversible process of ageing. Organ dysfunction with ageing is caused by blood-mediated cell-extrinsic alterations and important molecular mechanisms in the systemic environment. One of the cell types that reacts to young blood exposure is the hematopoietic stem cells (HSCs).81 The hematopoietic and immunological systems can be rejuvenated by the young transcriptional regulation system and cytokine-mediated cell-cell interactions in HSCs. Many agonists and antagonists of specific signaling pathways have the effective capability of resetting tissue stem cells in aged organs into rejuvenating state.82 In addition, systemic obesity, air pollution, exercise, and psychological stress have been clarified to accelerate ageing at molecular and epigenetic levels.83 Some biological techniques, such as heterochronic transplantation and parabiosis, might give cells and substances that are more abundant in young individuals to recover the function of aged tissue. Heterochronic parabiosis is the surgical method of young and aged organisms using a common vascular system, showing the significant impact of the systemic environment on ageing and rejuvenation. Many studies on neurogenesis have reported the pro-neurogenic “youthful” factors in the circulation and “ageing” substances that reduce stem cell activity in heterochronic parabiosis models of young and aged mice.84 Moreover, systemic transplantation of stem cells also displays the therapeutic potential of preventing age-associated degeneration. However, the systemic and hormonal changes with age, including pro-inflammatory cytokine profiles and sex steroid changes, also influence stem cell transplantation effectiveness.85

체계적 요인

세포와 조직의 체계적 환경 변화는

노화의 가역적 과정에 역할을 합니다.

노화에 따른 장기 기능 장애는

혈액 매개 세포 외적 변화와 체계적 환경 내 중요한 분자 메커니즘에 의해 유발됩니다.

젊은 혈액에 노출된 세포 유형 중 하나는

혈액 줄기세포(HSCs)입니다.81

HSCs의 젊은 전사 조절 시스템과 사이토킨 매개 세포 간 상호작용을 통해 혈액 및 면역 시스템이 재활성화될 수 있습니다. 특정 신호 전달 경로의 아고니스트와 안티아고니스트는 노화된 장기 내 조직 줄기세포를 재생 상태로 재설정하는 효과적인 능력을 갖추고 있습니다.82 또한 전신 비만, 대기 오염, 운동, 심리적 스트레스가 분자 및 에피게놈 수준에서 노화를 가속화한다는 것이 밝혀졌습니다.83 이종 연령 이식 및 파라바이오시스 같은 일부 생물학적 기술은 젊은 개체에서 더 풍부한 세포와 물질을 제공하여 노화된 조직의 기능을 회복시킬 수 있습니다. 이종 연령 파라바이오시스(heterochronic parabiosis)는 젊은 개체와 노화된 개체가 공통 혈관 시스템을 공유하는 수술적 방법으로, 시스템 환경이 노화와 재생에 미치는 중요한 영향을 보여줍니다. 신경 발생 연구에서는 이종 연령 파라바이오시스 모델의 젊은과 노화된 쥐에서 순환계에 존재하는 신경 발생 촉진 ‘젊은’ 인자와 줄기 세포 활성을 감소시키는 ‘노화’ 물질이 보고되었습니다.84 또한 줄기 세포의 전신 이식은 연령 관련 퇴화를 예방하는 치료적 잠재력을 보여줍니다. 그러나 연령에 따른 전신적 및 호르몬 변화, 특히 염증성 사이토킨 프로파일과 성 스테로이드 변화는 줄기세포 이식 효과에도 영향을 미칩니다.85

Rejuvenating-targeted cells for organismal youthful state

Stem cells

The major types of stem cells include adult stem cells, embryonic stem cells (ESCs), and iPSCs created by activating Yamanaka factors from various somatic cells. They have the unique capacity for self-renew and multipotency, and can differentiate into tissue-specific terminal cell types. MSCs are pluripotent cells developed from adult stem cells. Many studies have demonstrated that MSCs produced from various sources, such as bone marrow, adipose tissue, and umbilical cord blood, and MSC-derived compounds slowed ageing process and improved age-related conditions.86 Tissue stem cells are found in particular local tissue microenvironments called “stem cell niches,” which support stem cell maintenance. Tissue stem cells play key roles in facilitating organic tissue renewal and performing regenerative responses to injury.87 ESCs can self-renew and differentiate into multiple cell types of ectoderm, endoderm, and mesoderm lineages.88 More importantly, the iPSCs modified from autologous sources also have ESC-like states and pluripotent potential. iPSCs transform patient-specific samples from early cells into developed target tissues, showing potential for age reversal within the organism.89 These stem cells are excellent rejuvenation targets and all have promising potential in regenerative medicine.

With increasing age, decreased stem cell functionality can lead to diminished organ function and prolonged tissue repair. Targeting the age-related molecular basis of stem cells might reduce the deleterious effects of ageing. There are many rejuvenating approaches based on aged stem cells, such as delayed fasting, gene expression‎ modulation, medicinal intervention, and niche changes.90 However, Ho et al. found that some rejuvenating approaches had no observable renewed effects on aged HSCs and aged bone marrow niches.91 Some rejuvenation techniques might show temporary benefits, but show harmful long-term effects by prematurely diminishing the stem cell pool.92 Thus, it is also vital to strike a balance between the regenerative properties of stem cells and their potential to induce cancer.

신체적 젊음 상태를 위한 재생 표적 세포: 줄기세포

줄기세포의 주요 유형에는

성인 줄기세포, 배아 줄기세포(ESCs),

다양한 체세포에서 야마나카 인자를 활성화하여 생성된 iPSCs가 포함됩니다.

이들은 자기 재생 능력과 다분화 능력을 갖추고 있으며,

조직 특이적 최종 세포 유형으로 분화할 수 있습니다.

MSCs는

성인 줄기세포에서 개발된 다분화 세포입니다.

다양한 출처(골수, 지방 조직, 탯줄 혈액 등)에서 생성된

MSC 및 MSC 유래 화합물이

노화 과정을 늦추고 노화 관련 질환을 개선한다는 많은 연구 결과가 있습니다.86

조직 줄기세포는

줄기세포 유지에 필요한 환경을 제공하는 특정 국소 조직 미세환경인

'줄기세포 니치'에 존재합니다.

조직 줄기세포는 유기적 조직의 재생 촉진과 손상に対する 재생 반응 수행에 핵심적인 역할을 합니다.87 ESCs는 외배엽, 내배엽, 중배엽 계통의 다양한 세포 유형으로 분화할 수 있으며 자체 재생 능력을 갖추고 있습니다.88 더욱 중요한 점은 자가 유래 소스에서 유도된 iPSCs도 ESC 유사 상태와 다능성 잠재력을 갖추고 있다는 것입니다. iPSCs는 환자 특이적 샘플을 초기 세포에서 발달된 목표 조직으로 전환시켜 유기체 내 연령 역전 가능성을 보여줍니다.89 이러한 줄기세포는 우수한 재생 목표이며 재생 의학 분야에서 유망한 잠재력을 모두 갖추고 있습니다.

연령이 증가함에 따라 줄기세포 기능의 감소는 장기 기능 저하와 조직 회복 지연으로 이어질 수 있습니다. 줄기세포의 연령 관련 분자적 기전을 표적으로 삼는 것은 노화의 유해한 영향을 줄일 수 있습니다. 노화된 줄기세포를 기반으로 한 다양한 재juvenation 접근법이 존재하며, 예를 들어 지연된 단식, 유전자 발현 조절, 의학적 개입, 미세환경 변화 등이 있습니다.90 그러나 Ho 등(Ho et al.)은 일부 노화 역전 접근법이 노화된 HSCs와 노화된 골수 니치에 눈에 띄는 재생 효과를 보이지 않았다고 보고했습니다.91 일부 재생 기술은 일시적인 이점을 보일 수 있지만, 줄기세포 풀을 조기에 감소시켜 장기적으로 유해한 효과를 초래할 수 있습니다.92 따라서 줄기세포의 재생 능력과 암 유발 잠재력 사이의 균형을 유지하는 것이 중요합니다.

Vascular and connective tissue cells

Endothelial cells (ECs) and smooth muscle cells (SMCs) are critical building blocks of blood channels and are negatively impacted by premature or typical ageing processes. In ageing process, dysfunctional ECs and endothelial progenitor cells (EPCs) occur abnormal metabolism, the development into mesenchymal phenotype, vascular detachment, and myofibroblast formation, resulting in fibrosis and organ dysfunction.93 ECs and other neurovascular cells are key cells in maintaining blood-brain barrier function. Dysfunction of pericytes, astrocytes, and endothelial cells increases blood-brain barrier permeability during ageing.94 The intricate biological process of targeted EC regeneration involves migration, survival, proliferation, tube formation, and restoring blood flow to the ischemic organs for tissue homeostasis. EPCs might be obtained from the bloodstream or niches within the vascular wall and restored by the ectopic production of mediators that prevent senescence and the onset of ageing-related traits.95 Thus, targeting the endothelium via regulating the senescence-induced gene expression‎ and other emerging rejuvenation mechanisms is essential for homeostasis and tissue regeneration.

The major stromal cell type is the fibroblast, which regulates tissue morphology by depositing ECM, and promotes cellular and microenvironmental homeostasis by secreting soluble substances and signaling proteins. During the ageing process, fibroblasts lose contractility and exhibit an unbalanced production and degradation of ECM proteins, ultimately leading to reduced connective tissue stiffness and even age-related diseases.96 Activated fibroblasts and senescent fibroblasts secrete inflammatory cytokines with a different ratio, affecting complex reprogramming and wound healing in mice.97 Many studies have insisted that some anti-ageing compounds like triacetylresveratrol and cannabidiol, gene expression‎, signaling regulation, and cell-cell communication are all effective methods for targeting fibroblasts for rejuvenation, longevity, and health.98 Hence, as a cell type commonly used for iPSC reprogramming, fibroblasts are essential targets for rejuvenation techniques and regenerative medicine.

혈관 및 결합 조직 세포

내피 세포(ECs)와 평활근 세포(SMCs)는

혈관 구조의 핵심 구성 요소로,

조기 또는 일반적인 노화 과정에 의해 부정적으로 영향을 받습니다.

노화 과정에서 기능 장애를 보이는 EC와 내피 전구세포(EPC)는

대사 이상, 중간엽 형질 전환, 혈관 박리, 근육 섬유모세포 형성 등을 유발하여

섬유화와 장기 기능 장애를 초래합니다.93 

EC와 다른 신경혈관 세포는

혈관-뇌 장벽 기능 유지에 핵심적인 역할을 합니다.

노화 과정에서

페리사이트, 아스트로사이트, 내피 세포의 기능 장애는

혈관-뇌 장벽의 투과성을 증가시킵니다.94 

표적 내피 세포 재생의 복잡한 생물학적 과정은

이주, 생존, 증식, 관 형성, 허혈성 장기로의 혈류 회복을 통해

조직 항상성을 회복하는 것을 포함합니다.

EPC는 혈류나 혈관 벽 내의 미세 환경에서 유래될 수 있으며, 노화 및 노화 관련 특성 발현을 방지하는 매개체의 이소성 생산을 통해 재생될 수 있습니다.95 따라서 노화 유도 유전자 발현 조절 및 기타 신흥 재생 메커니즘을 통해 내피 세포를 표적화하는 것은 균형 유지와 조직 재생에 필수적입니다.

주요 간질 세포 유형은

ECM을 침착시켜 조직 형태를 조절하고,

용해성 물질과 신호 단백질을 분비하여 세포 및 미세환경의 균형을 유지하는 섬유아세포입니다.

노화 과정에서 섬유아세포는

수축성을 상실하고 ECM 단백질의 생산과 분해가 불균형하게 진행되어

결국 결합 조직의 강성 감소 및 노화 관련 질환으로 이어집니다.96 

활성화된 섬유아세포와 노화 섬유아세포는

염증성 사이토카인을 서로 다른 비율로 분비하여

쥐의 복잡한 재프로그래밍과 상처 치유에 영향을 미칩니다.97 

많은 연구는 트리아세틸레스베라트롤과 캐나비디올과 같은 일부 항노화 화합물이 섬유모세포를 표적으로 삼아 재생, 장수, 건강을 촉진하는 효과적인 방법이라고 주장해 왔습니다. 이는 유전자 발현, 신호 조절, 세포 간 통신을 조절하기 때문입니다.98 따라서 iPSC 재프로그래밍에 널리 사용되는 세포 유형으로서, 섬유모세포는 재생 기술과 재생 의학의 필수적인 표적입니다.

Senescent cells

Senescent cells (SCs) comprise a heterogeneous cell population because of their various cell-autonomous activation pathways and microenvironmental circumstances. Although cell-cycle arrested, SCs are still metabolically active and can perform various functions of the parent cells.99 At present, SCs, as organismal carriers of irreparable damage, are identified by the senescence-associated gene expression‎, SASP production, DNA damage, and β-galactosidase activity.100 MSC populations with a high number of SCs are found less productive during transplantation.101 The excessive accumulation and activity of SCs are also linked with chronic ageing and age-related illnesses, including atherosclerosis, cardiac and kidney dysfunctions, neurodegeneration, and pulmonary fibrosis.102 SCs are also able to trigger senescence in non-senescent cells. High quantities of SCs secreting chronically SASP are found in aged tissues, causing irreversible reprogramming of their adjacent cells.103 Hence, it also needs to prevent the subsequent development of SCs after the emergence of initial SCs. Partial reprogramming of SCs can reduce the persistent inflammatory state related to ageing and secondary senescence in surrounding cells by inducing the SASP.104 The specific gene expression‎ on the surface of SCs might lead to the advancement of senolysis techniques for selective elimination.105

노화 세포

노화 세포(SCs)는 다양한 세포 자율적 활성화 경로와 미세환경적 조건으로 인해 이질적인 세포 집단을 구성합니다.

세포 주기 정지 상태에 있지만,

SCs는 여전히 대사적으로 활성 상태이며

부모 세포의 다양한 기능을 수행할 수 있습니다.99 

현재 SCs는 회복 불가능한 손상의 유기체적 운반체로,

노화 관련 유전자 발현,

SASP 생산, DNA 손상, 및 β-갈락토시다아제 활성으로 식별됩니다.100 

SCs 수가 많은 MSC 군집은 이식 시 생산성이 낮게 나타납니다.101 SCs의 과도한 축적과 활성은 동맥경화, 심장 및 신장 기능 장애, 신경퇴화, 폐 섬유화 등 만성 노화와 연령 관련 질환과 연관되어 있습니다.102 SCs는 또한 비노화 세포의 노화를 유발할 수 있습니다. 노화된 조직에서 만성적으로 SASP를 분비하는 고농도의 SCs가 발견되며, 이는 주변 세포의 불가역적인 재프로그래밍을 유발합니다.103 따라서 초기 SCs의 출현 후 후속 SCs의 발달을 예방하는 것도 필요합니다. SC의 부분적 재프로그래밍은 SASP를 유도하여 노화와 관련된 지속적인 염증 상태 및 주변 세포의 2차 노화를 감소시킬 수 있습니다.104 

SC 표면의 특정 유전자 발현은

선택적 제거를 위한 세노리시스 기술의 발전에 기여할 수 있습니다.105

Immune cells

During ageing, the immune system progressively undergoes disorders of immune cell generation, differentiation, and function, leading to a chronically subclinical inflammatory condition. Several studies have proposed that targeting central immunological processes and specific immune subpopulations can reduce specific age-induced immune changes.106 Neutrophils are abundant immune cell populations in early injury and serve numerous functions in tissue regeneration. Macrophages reside in the bone marrow and are defective in efferocytosis and hyperactivated with ageing. Neutrophils can also function as an anti-inflammatory shift in macrophages by influencing the surrounding microenvironment or controlling the behavior of macrophages during tissue injury.107 The deficiency of immunosurveillance might hamper the SCs clearance and induce a microenvironment of chronic inflammation, leading to pro-tumorigenic events.108 Therefore, enhancing the immune surveillance ability of macrophages is also an effective rejuvenation target, due to the macrophage function of selectively SCs recognition and elimination.

The senescence in immune cells affects innate and adaptive immunity, particularly natural killer (NK) cells, B cell, and T cell function, potently driving age-related changes in solid organs. In vivo reprogramming might be significantly impeded by NK cells, which identify and eliminate partially converted cells in a degranulation-dependent mode.109 T cell generation is decreased because of thymic involution. Some hormones, signaling pathways, cytokines, and growth factors might display T cell reconstitution effects and reduce the negative effects of age-related T cell deficiency.110 Adoptive cell transfer of naive T cells can promote immunological responsiveness to new antigenic stimuli and limit the growth of pathogenic memory T cells.111 However, the quantity of naive T cell reconstitution required to boost immunological defense in ageing organisms still has quantitative constraints.112 Furthermore, B cell production also decreases with age due to the reduction of hematopoietic bone marrow. An in vitro B cell population with youthful characteristics and cellular reactivity to immunological stimulation can be revived after B cell depletion in elderly mice.113

면역 세포

노화 과정에서 면역 시스템은

면역 세포의 생성, 분화, 기능 장애를 점차적으로 겪으며

만성적 무증상 염증 상태로 이어집니다.

여러 연구에서 중앙 면역 과정과 특정 면역 하위 집단을 표적으로 삼는 것이

특정 노화 유발 면역 변화를 줄일 수 있다고 제안되었습니다.106

중성구는

초기 손상 시 풍부한 면역 세포 집단으로 조직 재생에 다양한 기능을 수행합니다.

대식세포는

골수에 거주하며, 세포장례식 기능에 결함이 있으며,

노화와 함께 과도하게 활성화됩니다.

호중구는 또한

주변 미세 환경에 영향을 미치거나

조직 손상 동안 대식세포의 행동을 제어하여 대식세포의 항염증 전환 역할을 할 수 있습니다.107

면역 감시 기능의 결핍은

SC의 제거를 방해하고

만성 염증의 미세 환경을 유도하여 종양 형성 사건을 유발할 수 있습니다.108

따라서

대식세포의 면역 감시 능력을 강화하는 것은

대식세포의 선택적 SC 인식 및 제거 기능 때문에 효과적인 노화 역전 표적이 됩니다.

면역 세포의 노화는

선천적 및 적응성 면역에 영향을 미치며,

특히 자연살해(NK) 세포, B 세포, T 세포의 기능을 강력히 변화시켜

고체 장기에서의 연령 관련 변화를 촉진합니다.

체내 재프로그래밍은

부분적으로 변환된 세포를 분비체 방출 의존적 방식으로 식별하고 제거하는

NK 세포에 의해 크게 방해받을 수 있습니다.109

T 세포 생성은

흉선 퇴화로 인해 감소합니다.

일부 호르몬, 신호 전달 경로, 사이토킨, 성장 인자는 T 세포 재구성 효과를 나타내고

연령 관련 T 세포 결핍의 부정적 영향을 줄일 수 있습니다.110

미성숙 T 세포의 채택 세포 이식은

새로운 항원 자극에 대한 면역 반응성을 촉진하고 병

리적 기억 T 세포의 증식을 제한할 수 있습니다.111 그

러나 노화 유기체에서 면역 방어를 강화하기 위해 필요한

미성숙 T 세포 재구성 양은 여전히 정량적 제한을 가지고 있습니다.112

또한, B 세포 생산도

골수 혈액 생성 감소로 인해 연령과 함께 감소합니다.

노화 마우스에서 B 세포 제거 후

젊은 특성과 면역 자극에 대한 세포 반응성을 갖춘 B 세포 군집이

체외에서 재활성화될 수 있습니다.113

Other somatic cells

Many specialized cells with different sources deserve further research for tissue and organ regeneration and rejuvenation. For example, in the vertebrate retinas, Müller cells serve as the primary supportive and protective glial cells. They can secrete various cytokines and exhibit the potential for self-renew and trans-differentiation into retinal neurons.114 Pathological ageing might impair β-cell function in the pancreas, thus causing the imbalance of glucose homeostasis in the organism. Targeting β-cell and restoration of function is of vital importance for effective therapeutic strategies.115 At present, there are emerging reprogramming strategies conversing differentiated somatic cells into another cell type. For instance, the astrocytes and pancreas exocrine cells can be respectively direct reprogrammed into neuroblasts and β-cells via lineage-specific transcription factors.116 Thus, these cells and related genes and pathways might facilitate the target-based gene delivery and development of effective rejuvenation approaches.

기타 체세포

다양한 출처의 특수 세포는 조직 및 장기 재생과 재생을 위해 추가 연구가 필요합니다. 예를 들어, 척추동물 망막에서 Müller 세포는 주요 지지 및 보호 글리아 세포로 기능합니다. 이들은 다양한 사이토카인을 분비하며 망막 신경세포로의 자기 재생 및 전분화 잠재력을 보여줍니다.114 

병리적 노화는

췌장의 β-세포 기능을 손상시켜 유기체의 포도당 균형 장애를 유발할 수 있습니다.

β-세포를 표적화하고 기능을 회복하는 것은

효과적인 치료 전략에 있어 매우 중요합니다.115 

현재,

분화된 체세포를

다른 세포 유형으로 재프로그래밍하는 새로운 전략이 등장하고 있습니다.

예를 들어, 아스트로사이트와 췌장 외분비 세포는

각각 계통 특이적 전사 인자를 통해 신경전구세포와 β-세포로 직접 재프로그래밍될 수 있습니다.116 

따라서

이러한 세포와 관련된 유전자 및 경로는

표적 기반 유전자 전달과 효과적인 재juvenation 접근법 개발을 촉진할 수 있습니다.

Common or distinct mechanisms of rejuvenation

Signaling pathways

There are various signaling pathways identified in the fields of ageing and rejuvenation, such as nutrient-sensing pathways, DNA damage pathways, ROS and mitochondrial unfolded protein response (UPRmt) pathways, inflammation-related pathways, transforming growth factor-β (TGF-β) pathways and Wnt/β-catenin pathways. The known role of these signaling pathways is complex and mutually connected. Given the prominent association of signaling pathways with rejuvenation and ageing, targeting these signaling systems pharmacologically and therapeutically has great potential for rejuvenation and human health (Fig. 3).

공통적 또는 독특한 회춘의 메커니즘

신호 전달 경로

노화와 재juvenation 분야에서 식별된 다양한 신호 전달 경로에는

영양소 감지 경로,

DNA 손상 경로,

ROS 및 미토콘드리아 미접힘 단백질 반응(UPRmt) 경로,

염증 관련 경로,

변형 성장 인자-β(TGF-β) 경로 및 Wnt/β-catenin 경로가 포함됩니다.

이러한 신호전달 경로의 알려진 역할은 복잡하고 상호 연결되어 있습니다. 신호전달 경로가 노화와 재생을 밀접하게 연관되어 있다는 점을 고려할 때, 약리학적 및 치료적 방법으로 이러한 신호전달 시스템을 표적화하는 것은 재생과 인간 건강에 큰 잠재력을 가지고 있습니다(그림 3).

Fig. 3

The target signaling pathways for cellular rejuvenation. Target signaling pathways for cellular rejuvenation are listed according to their biological functions. Many interventions, like dietary restriction and drugs, improve metabolism and extend longevity through nutrient-sensing pathways. In addition, targeting the pathways of damage-induced and developmental senescence can regulate the cell cycle and alleviate age-associated phenotypes. Modulating many inflammation pathways also provides an effective route to rejuvenation. IGF-1 insulin-like growth factor 1, PI3K phosphoinositide 3-kinase, AKT protein kinase B, AMPK 5’-AMP-activated protein kinase, NF-κB nuclear factor-κB, STAT3 signal transducer and activator of transcription 3, mTOR mammalian target of rapamycin, SIRTs sirtuins, FOXO forkhead homeobox type protein O, ROS reactive oxygen species, TGF-β transforming growth factor-β, CDKs cyclin-dependent kinase. Created with BioRender.com

그림 3

세포 재생을 위한 표적 신호전달 경로.

세포 재생을 위한 표적 신호전달 경로는 생물학적 기능에 따라 분류되어 있습니다.

식이 제한 및 약물과 같은 많은 개입은

영양소 감지 경로를 통해 대사 기능을 개선하고 수명을 연장합니다.

또한 손상 유발 및 발달성 노화 경로를 표적화하면

세포 주기를 조절하고 노화 관련 증상을 완화할 수 있습니다.

염증 경로를 조절하는 것도

재생으로 이어지는 효과적인 경로를 제공합니다.

IGF-1 인슐린 유사 성장 인자 1, PI3K 인산인오시타이드 3-키나제, AKT 단백질 키나제 B, AMPK 5’-AMP 활성화 단백질 키나제, NF-κB 핵 인자-κB, STAT3 신호 전달 및 전사 활성화 인자 3, mTOR 포유류 라파마이신 표적 단백질, SIRTs 시르투인, FOXO 포크헤드 홈박스 유형 단백질 O, ROS 활성산소종, TGF-β 변형 성장 인자-β, CDKs 사이클린 의존성 키나제. BioRender.com에서 생성되었습니다.

Nutrient-sensing pathways

Nutrient availability is crucial in regulating ageing and rejuvenation in mammals. Many growth factors, metabolites, amino acids, and carbohydrates can be recognized by several proteins, such as insulin/IGF-1, mTOR, SIRTs, and AMP-activated protein kinase (AMPK). The insulin/IGF-1 signaling pathway is an evolutionarily conserved glucose sensors mechanism, involving developmental defects and decreased adult functionality with age.117 The insulin/IGF-1 pathway participates in the regulation of many cellular functions, including the metabolism of lipids and carbohydrates, the cellular availability of glucose, gene expression‎, and cell differentiation, growth, and survival. The stimulation of insulin/IGF-1 receptors can stimulate STAT3 signaling via Janus kinase (JAK) and protein kinase B (AKT)-driven signaling pathways, then forming negative feedback to inhibit insulin/IGF-1 and induce cell immune senescence.118 The insulin/IGF-1 binding to membrane transporters can stimulate the phosphoinositide 3-kinase (PI3K)/AKT signaling pathway, followed by the downstream FOXO1 phosphorylation and mTOR upregulation, hence regulating cellular ageing and rejuvenation.119 Furthermore, the mTOR is also a conserved nutrient-sensing protein kinase that regulates eukaryotic cell growth and metabolism. There also remain AMPK/mTOR and PI3K/AKT/mTOR pathways implicated in the accumulation of unfolded and misfolded proteins and the regulation of the autophagy process during ageing.120 DR and rapamycin have been proved to inhibit the mTOR signaling pathway causing the downregulation of cell growth and lifespan extension.121 Hence, the insulin/IGF-1 and mTOR pathways are promising targets to suppress or delay ageing-associated diseases and extend lifespan.

SIRTs are a family of seven paralogous NAD+-dependent enzymes, that control cell proliferation, energy metabolism, stress tolerance, inflammation, circadian rhythms, neural function, and ageing.122 The activity of SIRTs in many or combinations of tissues might be necessary for lifetime extension and rejuvenation. Meanwhile, the AMPK pathway is a core mediator of energy homeostasis engaged in the pathobiology of ageing and age-linked disorders.123 AMPK is also considered as a crucial integrator of inflammation-controlling signals, including the inflammasome.124 It is well known that among different interventions to promote longevity, like exercise, intermittent fasting and DR, nutrient supply reduction activates AMPK to promote ATP production.125 Metformin can activate AMPK and SIRT1 and downregulates insulin/IGF-1 and mTOR, thus playing beneficial roles in energy metabolism and ageing.126 In general, the above nutrient-sensing pathways and the interaction between SIRT, AMPK, and mTOR all explain a mechanism for rejuvenation.

영양소 감지 경로

영양소 가용성은

포유류의 노화와 재생을 조절하는 데 필수적입니다.

인슐린/IGF-1, mTOR, SIRTs, AMP 활성화 단백질 키나제(AMPK)와 같은

여러 단백질에 의해 인식될 수 있는

많은 성장 인자, 대사산물, 아미노산, 탄수화물이 존재합니다.

인슐린/IGF-1 신호전달 경로는

진화적으로 보존된 포도당 감지 메커니즘으로,

연령에 따른 발달 결함과 성인 기능 저하와 연관되어 있습니다.117 

인슐린/IGF-1 경로는

지질 및 탄수화물 대사, 세포 내 포도당 가용성, 유전자 발현, 세포 분화, 성장, 생존 등

다양한 세포 기능 조절에 참여합니다.

인슐린/IGF-1 수용체의 자극은

Janus kinase (JAK) 및 protein kinase B (AKT)에 의해 조절되는 신호전달 경로를 통해

STAT3 신호전달을 자극하며,

이는 인슐린/IGF-1을 억제하고 세포 면역 노화를 유도하는 음성 피드백을 형성합니다.118

 인슐린/IGF-1이 막 운반체에 결합하면 phosphoinositide 3-kinase (PI3K)/AKT 신호전달 경로를 자극하며, 이는 하류의 FOXO1 인산화 및 mTOR 활성화로 이어져 세포 노화와 재생을 조절합니다.119 또한 mTOR는 진핵세포의 성장과 대사 조절에 관여하는 보존된 영양 감지 단백질 키나아제입니다. 또한, 노화 과정에서 unfolded 및 misfolded 단백질의 축적과 자가포식 과정의 조절에 관여하는 AMPK/mTOR 및 PI3K/AKT/mTOR 경로도 남아 있습니다.120 DR 및 라파마이신은 mTOR 신호 경로를 억제하여 세포 성장의 하향 조절과 수명 연장을 유발하는 것으로 입증되었습니다.121 따라서 인슐린/IGF-1 및 mTOR 경로는 노화 관련 질환을 억제하거나 지연시키고 수명을 연장하는 유망한 표적입니다.

SIRTs는 세포 증식, 에너지 대사, 스트레스 내성, 염증, 생체 리듬, 신경 기능, 노화를 조절하는 7개의 유사 유전자 NAD+ 의존성 효소 가족입니다.122 SIRTs의 활동은 많은 조직이나 조직의 조합에서 수명 연장 및 재생을 위해 필요할 수 있습니다. 한편, AMPK 경로는 노화와 노화 관련 질환의 병리생물학에 관여하는 에너지 균형의 핵심 매개체입니다.123 AMPK는 염증 조절 신호, 특히 염증체(inflammasome)를 통합하는 중요한 역할을 합니다.124 

장수 촉진을 위한 다양한 개입 방법 중

운동, 간헐적 단식, DR과 같이 영양 공급 감소는

AMPK를 활성화하여 ATP 생산을 촉진합니다.

영양 공급 감소는

AMPK를 활성화하여 ATP 생성을 촉진합니다.125 

메트포르민은 AMPK와 SIRT1을 활성화하고

인슐린/IGF-1 및 mTOR를 억제하여

에너지 대사 및 노화에 유익한 역할을 합니다.126 

일반적으로 위의 영양 감지 경로와

SIRT, AMPK, mTOR 간의 상호작용은

모두 재생을 설명하는 메커니즘을 설명합니다.

DNA damaging pathways

The cell functionality can be hampered by persistent DNA damage, which can also accelerate senescence and apoptosis.127 DNA damage response (DDR) pathway can protect against endogenous and exogenous damage and ensures the integrity of the genome.128 In response to stress, the established DDR contributes to the stimulation of p53 and p16 pathways and the depression of cyclin-dependent kinase (CDK) inhibitors to initiate and sustain the arrest of cell cycle.129 The genetic mutations that augment DDR and persistent DNA lesions can continuously activate the DDR. Moreover, the alterations in the integrity and efficacy of mtDNA repair contribute to DNA damage accumulation, illness, and ageing.130

The cytosolic DNA sensor cyclic GMP-AMP Synthase (cGAS) binds to the effector protein stimulator of interferon genes (STING), initiating a DNA sensing signaling pathway for innate immune responses.131 Misplaced cytosolic self-DNA and alteration of mitochondria structure and function can activate cGAS-STING signaling pathway, thus constituting age-related inflammation.132 The DNA mismatch repair system (MMR) is largely conserved across organisms and is essential for maintaining DNA integrity.133 Hence, MMR and related repair proteins are necessary for lifespan extension and rejuvenation targets. There are also a series of systems repairing the DNA, including BER, NER, and double-strand break (DSB).134 Thus, multiple interventions have been developed to lessen the DNA damage accumulation and alleviate age-associated phenotypes, such as lowering destructive molecules, restoring DNA damage, and responding to persistent DNA damage.

DNA 손상 경로

지속적인 DNA 손상은

세포 기능을 방해할 수 있으며,

이는 노화와 세포 사멸을 가속화할 수 있습니다.127 

DNA 손상 반응(DDR) 경로는

내인성 및 외인성 손상으로부터 보호하고 유전체 무결성을 유지합니다.128 

스트레스에 대응하여, 정립된 DDR은

p53 및 p16 경로의 활성화와 사이클린 의존성 키나제(CDK) 억제제의 억제를 통해

세포 주기 정지를 초래하고 유지합니다.129 

DDR을 강화하는 유전적 변이 및 지속적인 DNA 손상은

DDR을 지속적으로 활성화시킬 수 있습니다.

또한,

mtDNA 수리 과정의 무결성과 효율성 변화는

DNA 손상 축적, 질병, 및 노화에 기여합니다.130

세포질 DNA 센서인 사이클릭 GMP-AMP 합성효소(cGAS)는 인터페론 유전자 자극 단백질(STING)과 결합하여 선천 면역 반응을 위한 DNA 감지 신호 경로를 활성화합니다.131 세포질 내 자발적 DNA의 위치 이상과 미토콘드리아 구조 및 기능의 변화는 cGAS-STING 신호 경로를 활성화하여 노화 관련 염증을 유발합니다.132 DNA 불일치 수리 시스템(MMR)은 다양한 생물체에서 널리 보존되어 있으며 DNA 무결성을 유지하는 데 필수적입니다.133 따라서 MMR 및 관련 수리 단백질은 수명 연장 및 재활성화 목표에 필수적입니다. DNA를 복구하는 일련의 시스템에는 BER, NER, 이중 가닥 절단(DSB) 등이 포함됩니다.134 

따라서

DNA 손상 축적을 줄이고

노화 관련 증상을 완화하기 위해 파괴적 분자 감소,

DNA 손상 복구, 지속적 DNA 손상 대응 등

다양한 개입 방법이 개발되었습니다.

ROS and UPRmt pathway

Reactive oxygen species (ROS) are mainly generated from oxidative phosphorylation in mitochondria, and maintain a dynamic balance with antioxidation systems under physiological conditions. Low ROS levels enhance the defensive mechanisms by producing adaptive responses for stress tolerance and longevity, whereas high ROS levels create insufficient adaptive responses that may accelerate the onset and course of ageing.135 The key mediators of the ageing process are ROS and ROS-induced oxidative damage produced by cellular metabolic and respiratory processes. Besides, mtDNA is susceptible to damage by mitochondrial ROS.136 Thus, the ROS causes oxidative stress, damages mitochondria, and induces energetic obstacles that lead to accelerated ageing and various diseases. Peroxiredoxins have been shown to facilitate ROS-based redox signaling and to trigger many cellular stress responses.137 However, these beneficial effects of ROS might be proved to be a sign of toxic adaptation.138 Interventions to ROS pathways are widely proposed as anti-ageing and rejuvenation strategies.

Metabolic stress, hypoxia, protein damage, and mitochondrial ROS all can impair mitochondrial protein homeostasis and functions. The transcriptional activation program of mitochondrial chaperone proteins and proteases is known as the mitochondrial unfolded protein response (UPRmt), which is a mitochondrial response to stress.139 Studies have shown that UPRmt plays a significant role in many physiological processes and that its activation increases longevity and prevents ageing by regulating mitochondrial proteostasis.140 During mitochondrial dysfunction, there are many transcription factors necessary for the activation of UPRmt genes in mammals. Activating transcription factor associated with stress-1 (ATFS-1) participates in the upregulation of genes involved in multiple stress response pathways for organismal survival of acute stressors.141 But, chronic ATFS-1 activation also has a negative effect on longevity. Meanwhile, in the initial development stages of elderly individuals, age-dependent levels of histone 3 methylation partially influence UPRmt activation.142 UPRmt-mediated protective mechanism might be beneficial for rejuvenation mechanisms and therapeutics for diverse metabolic diseases and ageing-related disorders. However, prolonged UPRmt activation might also induce the propagation of mitochondrial damage.143 The mitochondrial permeability transition pore in the inner mitochondrial membrane, can also initiate UPRmt to promote ageing and age-related diseases.144

ROS 및 UPRmt 경로

반응성 산소 종(ROS)은

주로 미토콘드리아의 산화적 인산화 과정에서 생성되며,

생리적 조건 하에서 항산화 시스템과 동적 균형을 유지합니다.

낮은 ROS 수준은

스트레스 내성과 수명을 위한 적응 반응을 생성하여 방어 메커니즘을 강화하지만,

높은 ROS 수준은 적응 반응이 부족해 노화의 발병과 진행을 가속화할 수 있습니다.135 

노화 과정의 주요 매개체는

세포 대사 및 호흡 과정에 의해 생성되는 ROS와 ROS에 의한 산화적 손상입니다.

또한 mtDNA는

미토콘드리아 ROS에 의해 손상되기 쉽습니다.136 

따라서

ROS는

산화 스트레스를 유발하고 미토콘드리아를 손상시키며 에너지 장애를 초래하여

노화 가속화와 다양한 질환을 유발합니다.

페록시레독신은

ROS 기반 산화환원 신호전달을 촉진하고

다양한 세포 스트레스 반응을 유발하는 것으로 알려져 있습니다.137 

그러나

이러한 ROS의 유익한 효과는

독성 적응의 신호로 입증될 수 있습니다.138 

ROS 경로에 대한 개입은 노화 방지 및 재생 전략으로 널리 제안되고 있습니다.

대사 스트레스, 저산소증, 단백질 손상, 미토콘드리아 ROS는

모두 미토콘드리아 단백질 항상성과 기능을 손상시킬 수 있습니다.

미토콘드리아 분자 접힘 단백질과 프로테아제의 전사 활성화 프로그램은

미토콘드리아 스트레스 반응(UPRmt)으로 알려져 있으며,

이는 미토콘드리아의 스트레스 반응입니다.139 

연구 결과, UPRmt는

많은 생리적 과정에 중요한 역할을 하며,

활성화 시 미토콘드리아 프로테오스타시스를 조절하여 수명을 연장하고 노화를 방지합니다.140 미토콘드리아 기능 장애 시 포유류에서 UPRmt 유전자 활성화에 필요한 많은 전사 인자가 존재합니다. 스트레스 관련 전사 활성화 인자-1(ATFS-1)은 급성 스트레스 요인에 대한 유기체 생존을 위해 다중 스트레스 반응 경로에 관여하는 유전자 발현을 증가시키는 데 참여합니다.141 그러나 만성적인 ATFS-1 활성화는 수명에 부정적인 영향을 미칩니다. 한편, 노인 개체의 초기 발달 단계에서 연령에 따른 히스톤 3 메틸화 수준은 UPRmt 활성화에 부분적으로 영향을 미칩니다.142 UPRmt 매개 보호 메커니즘은 다양한 대사 질환 및 노화 관련 장애의 재생 메커니즘과 치료법에 유익할 수 있습니다. 그러나 UPRmt의 장기 활성화는 미토콘드리아 손상의 확산을 유발할 수 있습니다.143 미토콘드리아 내막의 미토콘드리아 투과성 전환 구멍은 UPRmt를 활성화하여 노화와 노화 관련 질환을 촉진할 수 있습니다.144

Inflammation-associated pathways

Multiple signaling cascades whose integration targets the induction of senescence, ageing, and associated disorders can be activated by the cycle of physiological interactions between inflammation and oxidative stress. In mammals, the major pro-inflammatory cytokines, which include interleukin-6 (IL-6), tumor necrosis factor-α (TNF-α), and IL-1α, significantly remodel the immune system.145 Damage-related stimuli cause the release of danger-associated molecular patterns (DAMPs) with ageing, and DAMPs that activate TLRs or the NLRP3 complex can be involved in sterile inflammation and age-related diseases.146 These age-related increases in chronic and low-level sterile inflammation are known as “inflammageing”, which shows a strong occurrence of various age-related diseases more than with ageing itself.147

The NF-κB signaling pathway is highly linked with the initiation and deterioration of tissue inflammation and ageing process. NF-κB can induce pro-inflammatory mediators, SASP, chemokines, and adhesion molecules, and the crosstalk between upstream signaling elements including MAPK, mTOR, and protein kinase B affects the transcriptional activity of NF-κB.148 Amplification loops for inflammatory processes are created when pro-inflammatory cytokines activate NF-B, which in turn can produce additional cytokines.149 The chronic activation of pro-inflammatory NF-κB/Rel and JAK/STAT signaling pathways contributes to the declined regeneration potential in mouse models.150 The JAK2 gene mutations in hematopoietic ageing can trigger abnormal involvement of downstream signaling pathways and the establishment of an inflammatory environment.151 Overactive JAK signaling is considered as a signature of immune disorders and has a significant impact on inflammation, coagulation, and thrombosis. Therefore, these shared pathways might provide a common route to rejuvenation by modulating inflammation, and some distinct pathways have great potential of targeting improving specific functions.

염증 관련 경로

염증과 산화 스트레스 사이의 생리적 상호작용 사이클에 의해 활성화될 수 있는 다중 신호 전달 경로는

노화, 노화 관련 질환의 유발을 목표로 통합됩니다.

포유류에서

주요 염증성 사이토카인인 인터루킨-6(IL-6), 종양 괴사 인자-α(TNF-α), IL-1α는

면역 시스템을 크게 재구성합니다.145 

손상 관련 자극은

노화와 함께 위험 관련 분자 패턴(DAMPs)의 방출을 유발하며,

DAMPs는 TLR 또는 NLRP3 복합체를 활성화하여

무균성 염증과 노화 관련 질환에 관여할 수 있습니다.146 

이러한 노화에 따른 만성적이고 저강도 무균성 염증의 증가는

“염증화(inflammaging)”로 알려져 있으며,

이는 노화 자체보다 다양한 노화 관련 질환의 발생률이 훨씬 높습니다.147

NF-κB 신호전달 경로는

조직 염증과 노화 과정의 발현 및 악화와 밀접하게 연관되어 있습니다.

NF-κB는 프로염증 매개체, SASP, 케모카인, 접착 분자를 유도하며, MAPK, mTOR, 단백질 키나제 B 등 상위 신호전달 요소 간의 교차작용은 NF-κB의 전사 활성에 영향을 미칩니다.148 프로염증 사이토카인이 NF-κB를 활성화하면 추가적인 사이토카인을 생성하는 염증 과정의 증폭 루프가 형성됩니다.149 염증성 NF-κB/Rel 및 JAK/STAT 신호전달 경로의 만성적 활성화는 마우스 모델에서 재생 잠재력의 감소에 기여합니다.150 혈액 생성 노화에서의 JAK2 유전자 변이는 하류 신호전달 경로의 이상적 관여와 염증 환경의 형성을 유발할 수 있습니다.151 과활성 JAK 신호전달은 면역 장애의 특징으로 간주되며 염증, 응고, 혈전 형성에 중요한 영향을 미칩니다. 따라서 이러한 공통 경로는 염증을 조절함으로써 재생의 공통 경로를 제공할 수 있으며, 일부 독특한 경로는 특정 기능 개선을 표적으로 삼는 데 큰 잠재력을 가지고 있습니다.

TGF-β signaling pathway

The transforming growth factor beta (TGF-β) superfamily is a vast protein group, including three TGF-βs (TGF-β1–3), bone morphogenetic proteins (BMPs), and growth differentiation factors (GDFs).152 The TGF-β family play roles through heteromeric combinations of type I and type II receptors, thereby activating many signal transducers, containing SMAD-dependent, SMAD-independent, and non-SMAD signaling pathways.153 These signaling pathways perform multiple functions in the development of embryo, tissue homeostasis and repair, immunological responses, tumor suppression, and metastasis. Many findings on age-related diseases have reported that TGF-β signaling dysfunction or increased levels of TGF-β ligands induce metabolic dysfunction, tissue fibrosis, inflammation, regeneration suppression, and cell degeneration.154 Besides, TGF-β signaling can induce specific epigenetic alterations further promoting senescence and ageing. Meanwhile, ageing also induces many abnormalities at the TGF-β receptor level. TGF-β signaling possesses dual functionality and versatility in some age-related disorders and cancer as a suppressor and a promoter.155 Hence, many strategies targeting TGF-β are mainly focused on inhibition of production, activation, binding to the receptor, and intracellular signaling.

TGF-β signaling can regulate matrix protein synthesis and matrix degradation, and alter cell-cell interaction. TGF-β overexpression‎ results in ECM deposition, epithelial–mesenchymal transition (EMT), and cancer-associated fibroblast (CAF) formation, then leading to fibrosis and cancer.156 More importantly, dysregulation of the TGF-β/SMAD pathway is reported as an essential causative agent in tissue fibrosis, like hepatic, pulmonary, and cardiac fibrosis.157 TGF-β modulates several intracellular signaling cascades to deliver profibrotic effects, and the numerous ways of TGF-β interacting with other profibrotic pathways all offer the potential for therapeutic intervention.158 Furthermore, TGF-β signaling regulates the levels of angiogenesis-related molecules, like VEGF and CTGF, and mediates immune regulation, inflammation, and other pathways.159 In addition, GDF11, one cytokine of the TGF-β superfamily, is identified as a rejuvenating element in neurodegenerative and neurovascular diseases, such as the reversal of senescence and age-related variations, and the modulations of organ regeneration after injury.160

TGF-β 신호전달 경로

변형 성장 인자 베타(TGF-β) 초가족은

세 가지 TGF-β(TGF-β1–3), 골형성 단백질(BMPs), 성장 분화 인자 (GDFs)를 포함합니다.152 

TGF-β 가족은 유형 I과 유형 II 수용체의 이종 결합을 통해 작용하며,

SMAD 의존성, SMAD 독립성, 및 비-SMAD 신호전달 경로를 활성화합니다.153 

이러한 신호전달 경로는 배아 발달, 조직 항상성 및 복구, 면역 반응, 종양 억제, 및 전이에 걸쳐 다양한 기능을 수행합니다. 연령 관련 질환에 대한 많은 연구 결과는 TGF-β 신호전달 장애 또는 TGF-β 리간드의 증가가 대사 장애, 조직 섬유화, 염증, 재생 억제, 세포 퇴화를 유발한다고 보고되었습니다.154 또한 TGF-β 신호전달은 노화와 노화를 촉진하는 특정 에피게노믹 변화를 유발할 수 있습니다. 한편, 노화는 TGF-β 수용체 수준에서도 많은 이상을 유발합니다. TGF-β 신호전달은 일부 노화 관련 질환과 암에서 억제제와 촉진제 역할을 하는 이중 기능성과 다기능성을 갖추고 있습니다.155 따라서 TGF-β를 표적으로 하는 많은 전략은 생산, 활성화, 수용체 결합, 세포 내 신호전달 억제에 주로 초점을 두고 있습니다.

TGF-β 신호전달은 매트릭스 단백질 합성 및 분해 조절, 세포 간 상호작용 변화를 유발합니다. TGF-β 과발현은 ECM 침착, 상피-중간엽 전환(EMT), 암 관련 섬유아세포(CAF) 형성을 유발하여 섬유화와 암으로 이어집니다.156 더욱 중요한 것은 TGF-β/SMAD 경로의 조절 장애가 간, 폐, 심장 섬유화에서 필수적인 원인 요인으로 보고되었습니다.157 TGF-β는 섬유화 촉진 효과를 전달하기 위해 여러 세포 내 신호 전달 경로를 조절하며, TGF-β가 다른 섬유화 촉진 경로와 상호작용하는 다양한 방식은 치료적 개입의 잠재력을 제공합니다.158 또한, TGF-β 신호전달은 혈관新生 관련 분자(예: VEGF 및 CTGF)의 수준을 조절하며, 면역 조절, 염증 및 기타 경로를 매개합니다.159 추가로, GDF11은 TGF-β 슈퍼패밀리에 속하는 사이토킨으로, 신경퇴행성 및 신경혈관 질환에서 노화 역전, 연령 관련 변화 조절, 손상 후 장기 재생 조절 등 재생 요인으로 식별되었습니다.160

Wnt/β-catenin signaling pathway

Wnt proteins are secreted glycosylated proteins, which are cysteine-rich and can initiate the transcriptional co-activator, β-catenin, leading to the target gene upregulation via the family of T cell factor/lymphoid enhancer factor (TCF/LEF) transcription factors.161 By building a stable compound with the cell adhesion molecules of cadherin family, β-catenin, a transcription cofactor with dual roles, participates in cell adhesion.162 The Wnt/β-catenin signaling pathway participates in the modulation of genetic stabilization, cell proliferation, migration, and apoptosis for developmental processes and tissue homeostasis.163 The transcriptional results of Wnt/β-catenin pathway activation change with various cell types. The canonical Wnt/β-catenin pathway as the core mechanism is essential for directing stem cell regeneration and differentiation. For preservation and transition from the pluripotent state during embryo development, stem cells need β-catenin to moderate the response to Wnt signaling.164 Wnt/β-catenin signaling can also regulate the expression‎ of telomerase reverse transcriptase (TERT) and change the telomere length, thereby affecting stem cells, ageing, and cancer.165 Wnt/β-catenin signaling can serve as a promising target to ameliorate the deterioration of stem cell function.

Research findings have verified that Wnt/β-catenin signaling regulates the ageing process of several tissues, performing different changes in different organs. Increased Wnt signaling has been found in aged organisms and excessive levels of Wnt are damaging to organism functionality.166 Wnt/β-catenin pathway is crucial for the growth and development of mineralized tissues, for the regulation of the skeleton in respond to loading and unloading, and for maintaining the viability and fitness of the adult and ageing skeleton.167 More importantly, the dysregulation of Wnt/β-catenin pathway is responsible for the fibrotic tissues associated with ageing, such as kidney, liver, lung, and heart fibrosis.168 Wnt/β-catenin signaling and TGF-β signaling can interact in the fibrosis process. Wnt/β-catenin superfamily members can be activated by TGF-β signaling and vice versa.169 Meanwhile, synaptic assembly, neurotransmission, and synaptic plasticity are all regulated by Wnt ligands, and neurodegenerative diseases are linked to deregulated Wnt signaling.170 Therefore, manipulating Wnt/β-catenin pathway might promote an efficient rejuvenation strategy versus ageing.

Wnt/β-catenin 신호전달 경로

Wnt 단백질은 시스테인 풍부한 당단백질로, 전사 공활성인자 β-catenin을 활성화시켜 T 세포 인자/림프구 증강 인자(TCF/LEF) 전사 인자 가족을 통해 표적 유전자 발현을 증가시킵니다.161 cadherin 가족의 세포 접착 분자와 안정적인 복합체를 형성함으로써, 이중 역할을 하는 전사 공인자 β-catenin은 세포 접착에 참여합니다.162 Wnt/β-catenin 신호전달 경로는 발달 과정과 조직 항상성을 위해 유전적 안정화, 세포 증식, 이동, 및 사멸의 조절에 참여합니다.163 Wnt/β-catenin 경로의 활성화에 따른 전사 결과는 다양한 세포 유형에 따라 달라집니다. 정규 Wnt/β-catenin 경로는 줄기세포 재생 및 분화를 유도하는 핵심 메커니즘으로 필수적입니다. 배아 발달 과정에서 다능성 상태의 유지 및 전환을 위해 줄기세포는 Wnt 신호에 대한 반응을 조절하기 위해 β-catenin이 필요합니다.164 Wnt/β-catenin 신호전달은 텔로머라제 역전사효소(TERT)의 발현을 조절하고 텔로머르 길이를 변화시켜 줄기세포, 노화, 암에 영향을 미칩니다.165 Wnt/β-catenin 신호전달은 줄기세포 기능 저하를 개선하기 위한 유망한 표적으로 작용할 수 있습니다.

연구 결과는 Wnt/β-catenin 신호전달이 여러 조직의 노화 과정을 조절하며, 다양한 장기에서 다른 변화를 일으킨다는 것을 확인했습니다. 노화된 유기체에서 Wnt 신호전달이 증가했으며, 과도한 Wnt 수준은 유기체 기능에 해로운 영향을 미칩니다.166 Wnt/β-catenin 경로는 광물화 조직의 성장과 발달, 부하 및 부하 해제에 대한 골격 조절, 성인 및 노화 골격의 생존력과 적응력 유지에 필수적입니다.167 더욱 중요한 것은, Wnt/β-catenin 경로의 조절 장애는 신장, 간, 폐, 심장 섬유화와 같은 노화와 관련된 섬유화 조직의 원인이 됩니다.168 Wnt/β-catenin 신호전달과 TGF-β 신호전달은 섬유화 과정에서 상호작용할 수 있습니다. Wnt/β-catenin 슈퍼패밀리 구성원은 TGF-β 신호전달에 의해 활성화될 수 있으며, 반대로도 작용합니다.169 한편, 시냅스 조립, 신경전달, 시냅스 가소성은 모두 Wnt 리간드에 의해 조절되며, 신경퇴행성 질환은 Wnt 신호전달의 조절 장애와 연관되어 있습니다.170 따라서, Wnt/β-catenin 경로를 조작하는 것은 노화에 대한 효율적인 재활성화 전략을 촉진할 수 있습니다.

Reprogramming-induced rejuvenation

Rejuvenation by induced pluripotent stem cells

iPSC reprogramming is widely defined as the rejuvenation of mature differentiated cells to an embryonic-like fate.171 By forcing the expression‎ of specific transcription factors, induced pluripotency is the potent capacity to differentiate into all cell types. The transcriptome, epigenome, and metabolome of differentiated cells can be significantly altered by the transient expression‎ of Yamanaka factors (OCT4, SOX2, KLF4, and cMYC; OSKM), which can also remodel the cells into iPSCs.172 The most common cell types for reprogramming to iPSCs are fibroblasts, which are greatly implicated in regenerative medicine and rejuvenation strategies. But in distinct subpopulations of fibroblasts, the change of fibroblast component and the level of secreted inflammatory cytokines might affect the in vitro reprogramming effectiveness and in vivo wound healing rate.173 In addition, the generation of iPSCs can realize the rejuvenation of MSCs and the iPSCs differentiation into desired cells via variations in DNA methylation, histone composition, and epigenetic models.174 Therefore, the iPSCs applications can minimize the genetic and epigenetic abnormalities associated with induced pluripotency. The iPSC reprogramming technique has extensive potential for molecular regeneration, disease modeling, and drug discovery.

The somatic cells of elderly donors can be utilized to generate human iPSCs, and cell reprogramming can reverse the key signs of ageing. By lengthening telomeres, reorganizing the mitochondrial network, alleviating oxidative stress, and recovering pluripotency, the reprogramming process transforms aged cells into young condition.175 iPSCs acquire ESC-like features, especially with similar mitochondrial properties, and can modulate mitochondrial or oxidative stress pathways leading to a state of rejuvenation.176 These transformation events can promote an extensive restructuring of mitochondria, including mitochondrial counts, morphology, viability, cellular metabolism, and the complexity of mtDNA. Telomere malfunction and chromosomal fragility can impair the ability of iPSCs to self-renew and the developmental pluripotency to differentiate.177 Telomere rejuvenation is an aspect of epigenetic reprogramming toward pluripotency and reprogramming can maintain or reverse telomere length and chromatin structure. Moreover, in the cells with telomere and mitochondria defects, somatic cell nuclear transfer (SCNT)-mediated reprogramming might be a better technology than current reprogramming factors.178 Therefore, the genetic foundation of ageing and rejuvenation can be modeled using iPSC lines, enabling the identification of new factors that prevent premature ageing or impact cell rejuvenation. In addition, iPSCs can be reprogrammed from patient cells via small molecules, miRNAs, and combinations of reprogramming factors, and be differentiated into somatic cells for drug testing and regenerative medicine.179

However, many studies clarified that ageing also might constitute critical barriers to cell reprogramming due to cellular senescence, inflammation, telomere reduction, and metabolic alterations.6 The aged or pathologic tissues are relatively inefficient at reprogramming and iPSCs derived from these tissue types might lack sufficient pluripotency and differentiation ability.180 Somatic cells produced from iPSCs might undergo premature senescence. The differentiated cells or premature termination of reprogramming can also carry the gene mutation and the full genetic heritage of the patient, which might contribute to long-term risk and tumor formation.181,182 Thus, the application of iPSCs needs efficient reprogramming and differentiation protocols, and the capability to maintain iPSC functionality in ageing microenvironment. Studies have proved that some longevity-promoting compounds and inhibition of age-related pathways enhance reprogramming in regenerative therapy. There are also many methods to boost the safety of iPSCs, such as using suicide genes to eradicate any undifferentiated iPSCs that remain after therapy, choosing younger donors, using appropriate cell sources, improving gene delivery techniques, replacing DNA delivery with proteins, mRNA, or regulatory miRNAs, using small-molecule DNA modifiers, and using low-passage iPSCs.183

재프로그래밍에 의한 노화 역전

유도 다능성 줄기세포를 통한 노화 역전

iPSC 재프로그래밍은

성숙한 분화 세포를 배아 유사 상태로 역전시키는 과정으로 널리 정의됩니다.171

특정 전사 인자의 발현을 강제함으로써 유도 다능성은

모든 세포 유형으로 분화할 수 있는 강력한 능력을 의미합니다.

분화된 세포의 전사체, 에피게놈, 대사체는

야마나카 인자(OCT4, SOX2, KLF4, cMYC; OSKM)의 일시적 발현으로 크게 변화될 수 있으며,

이는 세포를 iPSC로 재구성할 수 있습니다.172

iPSC로 재프로그래밍되는 가장 일반적인 세포 유형은

재생 의학과 노화 역전 전략에 크게 관여하는 섬유아세포입니다.

그러나

섬유아세포의 특정 하위 집단에서 섬유아세포 성분의 변화와 분비되는

염증성 사이토카인의 수준이 체외 재프로그래밍 효율성과

체내 상처 치유 속도에 영향을 미칠 수 있습니다.173

또한, iPSC 생성 과정은

DNA 메틸화, 히스톤 구성, 에피제네틱 모델의 변화를 통해

MSC의 노화 역전과 iPSC의 원하는 세포로 분화를 실현할 수 있습니다.174

따라서,

iPSC 응용은

유도 다능성과 관련된 유전적 및 에피게노믹 이상을 최소화할 수 있습니다.

iPSC 재프로그래밍 기술은

분자 재생, 질병 모델링, 약물 발견 분야에서 광범위한 잠재력을 가지고 있습니다.

노인 기증자의 체세포는

인간 iPSC를 생성하는 데 활용될 수 있으며,

세포 재프로그래밍은 노화의 주요 증상을 역전시킬 수 있습니다.

텔로미어 연장, 미토콘드리아 네트워크 재조직화, 산화 스트레스 완화, 다능성 회복을 통해

재프로그래밍 과정은

노화된 세포를 젊은 상태로 전환합니다.175

The somatic cells of elderly donors can be utilized to generate human iPSCs, and cell reprogramming can reverse the key signs of ageing.

By

lengthening telomeres,

reorganizing the mitochondrial network,

alleviating oxidative stress, and

recovering pluripotency, the

reprogramming process transforms aged cells into young condition

iPSCs는

특히 미토콘드리아 특성이 유사한 ESC 유사 특성을 획득하며,

미토콘드리아 또는 산화 스트레스 경로를 조절하여 재생 상태로 이끌 수 있습니다.176

이러한 변환 사건은

미토콘드리아 수, 형태, 생존율, 세포 대사, mtDNA의 복잡성 등

미토콘드리아의 광범위한 재구조화를 촉진할 수 있습니다.

텔로미어 기능 장애와 염색체 취약성은

iPSCs의 자기 재생 능력과 분화 능력을 저해할 수 있습니다.177

텔로미어 재활성화는

다능성으로의 에피게노믹 재프로그래밍의 한 측면이며,

재프로그래밍은 텔로미어 길이와 염색질 구조를 유지하거나 역전시킬 수 있습니다.

또한 텔로미어와 미토콘드리아 결함이 있는 세포에서 체세포 핵 이식(SCNT)을

매개로 한 재프로그래밍이 현재의 재프로그래밍 인자보다

더 우수한 기술일 수 있습니다.178

따라서

iPSC 계통을 활용해 노화와 재생을 모델링함으로써

조기 노화를 예방하거나 세포 재생을 촉진하는 새로운 인자를 식별할 수 있습니다.

또한 iPSC는

환자 세포에서 소분자, 마이크로RNA(miRNA), 재프로그래밍 인자의 조합을 통해 재프로그래밍될 수 있으며,

약물 테스트 및 재생 의학을 위해 체세포로 분화될 수 있습니다.179

그러나 많은 연구에서 세포 노화, 염증, 텔로미어 감소, 대사 변화로 인해 노화가 세포 재프로그래밍의 중요한 장애물이 될 수 있음을 명확히 했습니다.6 노화되거나 병리학적 조직은 재프로그래밍 효율이 상대적으로 낮으며, 이러한 조직에서 유래한 iPSC는 충분한 다능성과 분화 능력을 갖추지 못할 수 있습니다.180 iPSC에서 생성된 체세포는 조기 노화를 겪을 수 있습니다. 분화 세포나 재프로그래밍의 조기 종료는 환자의 유전자 변이와 전체 유전적 유산을 포함할 수 있으며, 이는 장기적 위험과 종양 형성에 기여할 수 있습니다.181,182

따라서 iPSC의 적용에는 효율적인 재프로그래밍 및 분화 프로토콜과 노화 미세환경에서 iPSC 기능성을 유지하는 능력이 필요합니다. 연구 결과, 일부 장수 촉진 화합물과 노화 관련 경로의 억제가 재생 치료에서 재프로그래밍을 향상시킨다는 것이 입증되었습니다. iPSC의 안전성을 높이기 위한 다양한 방법도 존재합니다. 예를 들어, 치료 후 남아 있는 미분화 iPSC를 제거하기 위해 자살 유전자를 사용하거나, 젊은 기증자를 선택하거나, 적절한 세포 소스를 사용하거나, 유전자 전달 기술을 개선하거나, DNA 전달을 단백질, mRNA, 또는 조절성 miRNA로 대체하거나, 소분자 DNA 조절제를 사용하거나, 저세대 iPSC를 사용하는 방법 등이 있습니다.183

Rejuvenation by lineage reprogramming

Lineage reprogramming, also described as direct reprogramming, is the procedure of switching somatic cells from one lineage to another with no transition for intermediate pluripotent states.184 This method of cell reprogramming generates particular cell types by ectopically expressing various lineage-specific transcription factors or miRNAs. For instance, recent research demonstrated that certain pro-neural transcription factors can directly reprogram non-neural somatic cells into neurons, skipping the pluripotent stage.185 Hence, lineage reprogramming techniques can be used to create a variety of cell types, including brain, cardiac, hepatic, and pancreatic cells. Meanwhile, because of the unique advantages of in situ conversion in live organs, lineage reprogramming is efficient and suitable for in vivo tissue repair and rejuvenation. Direct reprogramming in vivo may also benefit from minimizing hazards for genetic changes during prolonged in vitro culture, cancer development associated with de-differentiation, and immunological rejection following transplantation.116

The senescent program induced by ageing process and tissue damage can offer a beneficial microenvironment for in vivo lineage reprogramming. Chiche et al. suggested that tissue damage induced senescence and SASP secretion to promote the plasticity of resident cells, promoting in vivo reprogramming in tissue repair and regeneration.186 However, direct lineage reprogramming might retain epigenetic hallmarks of primary cells, like ageing hallmarks, which makes the reprogrammed cells suitable for modeling ageing-related disease.187 Thus, assigning a new cellular identity to terminally differentiated somatic cells, lineage reprogramming plays key roles in in vivo repair and rejuvenation. This technology can be built to utilize numerous and convenient autologous patient-derived cell types as a source, and is particularly crucial to replicate age-related traits and mimic the onset pathophysiology of diseases.

계통 재프로그래밍을 통한 재juvenation

계통 재프로그래밍(직접 재프로그래밍으로도 설명됨)은 중간 다능성 상태를 거치지 않고 체세포를 한 계통에서 다른 계통으로 전환하는 절차입니다.184 이 세포 재프로그래밍 방법은 다양한 계통 특이적 전사 인자나 miRNA를 이소성 발현시켜 특정 세포 유형을 생성합니다. 예를 들어, 최근 연구에서는 특정 신경 전구 전사 인자가 신경 세포가 아닌 체세포를 다능성 단계를 건너뛰고 직접 신경 세포로 재프로그래밍할 수 있음을 보여주었습니다.185 따라서 계통 재프로그래밍 기술은 뇌, 심장, 간, 췌장 세포 등 다양한 세포 유형을 생성하는 데 활용될 수 있습니다. 한편, 살아있는 장기 내에서의 현장 전환의 독특한 장점 때문에 계통 재프로그래밍은 체내 조직 복구 및 재생에 효율적이고 적합합니다. 체내 직접 재프로그래밍은 장기간 체외 배양 시 유전적 변화의 위험을 최소화하고, 분화 역전과 관련된 암 발생, 이식 후 면역 거부 반응을 줄이는 데도 도움이 될 수 있습니다.116

노화 과정과 조직 손상으로 유발된 노화 프로그램은 체내 계통 재프로그래밍에 유리한 미세 환경을 제공할 수 있습니다. Chiche 등(2023)은 조직 손상으로 인한 노화와 SASP 분비가 거주 세포의 가소성을 촉진하여 조직 복구 및 재생에서의 체내 재프로그래밍을 촉진한다고 제안했습니다.186 그러나 직접적인 계통 재프로그래밍은 원시 세포의 에피제네틱 특징, 예를 들어 노화 특징을 유지할 수 있어 재프로그래밍된 세포가 노화 관련 질환 모델링에 적합할 수 있습니다.187 따라서 최종 분화된 체세포에 새로운 세포 정체성을 부여하는 계통 재프로그래밍은 체내 수리 및 재생을 위한 핵심 역할을 합니다. 이 기술은 다양한 편리한 자가 환자 유래 세포 유형을 원료로 활용할 수 있도록 구축될 수 있으며, 특히 노화 관련 특성을 재현하고 질병의 발병 병리학을 모방하는 데 특히 중요합니다.

Rejuvenation by partial reprogramming

Cell reprogramming is a stepwise protocol. Studies have proved that somatic cell reprogramming mediated by OSKM for fewer than 7 days induced transient cellular alterations and reversible dysplasia, but partial reprogramming induction for more than 7 days could lead to tumor formation.188 Accordingly, the partially reprogrammed cells via short-term exposure to Yamanaka factors only partially lose their differentiated identity and undergo molecular rejuvenation without dedifferentiating to pluripotency.189,190 More specifically, partial cell reprogramming indicates that cells gain the ability to multiply and exhibit certain stem cell markers, but do not totally lose the cellular identity or receive all characteristics of pluripotent stem cells.189 Thus, partially reprogrammed cells have no risk of teratoma after transplantation. The cellular re-differentiation to the original phenotype with epigenome rejuvenation and the ability to react to optimum cocktails of certain differentiation factors is the representative feature of partial reprogramming.191

Generally, it is difficult to distinguish between the underlying epigenetic alterations that rejuvenate ageing cells and the changes that regulate the shift in cellular identity. Partial reprogramming is able to restore the common features of cellular ageing without altering the identity or function of the cells.192 Cyclic in vivo short-term induction of OSKM suppresses age-related phenotypes and histological alterations in different organs. Chondronasiou et al. demonstrated that partial and reversible reprogramming could improve the ageing states in cells, increase the ability of old mice to restore tissue damage, and lengthen the lifespan of progeroid mice.193 Potentially reversing the effects of ageing or tissue damage through organ-specific partial reprogramming could lead to the regeneration of the desired organ.194 In addition, partial reprogramming can generate a secretory phenotype that promotes cellular regeneration and improves the chronic inflammatory state linked to ageing and secondary senescence in nearby cells through enhancing SASP.104 Therefore, partial in vivo reprogramming can improve ageing-related traits, like the diminished capability to combat injury and the loss in the capacity of tissues and organs to regenerate during life.

부분 재프로그래밍을 통한 재활성화

세포 재프로그래밍은 단계별 프로토콜입니다. 연구 결과, OSKM을 통해 7일 미만의 체세포 재프로그래밍은 일시적인 세포 변화와 가역적인 이형성을 유발했지만, 7일 이상의 부분적 재프로그래밍 유도 시 종양 형성이 발생할 수 있습니다.188 이에 따라 야마나카 인자에 단기 노출을 통해 부분적으로 재프로그래밍된 세포는 분화 정체성을 부분적으로 상실하며, 다능성으로 분화되지 않고 분자적 재생을 겪습니다.189,190 구체적으로, 부분적 세포 재프로그래밍은 세포가 증식 능력과 특정 줄기세포 표지자를 획득하지만, 세포 정체성을 완전히 상실하거나 다능성 줄기세포의 모든 특성을 획득하지 않는 것을 의미합니다.189 따라서 부분적으로 재프로그래밍된 세포는 이식 후 테라토마 위험이 없습니다. 원래 표현형으로의 세포 재분화, 에피게놈 재활성화, 특정 분화 인자의 최적 조합에 반응하는 능력은 부분 재프로그래밍의 대표적 특징입니다.191

일반적으로 노화된 세포를 젊게 만드는 에피제노믹 변화와 세포 정체성 전환을 조절하는 변화 사이를 구분하기 어렵습니다. 부분 재프로그래밍은 세포의 정체성이나 기능을 변경하지 않고 세포 노화의 공통된 특징을 복원할 수 있습니다.192 OSKM의 주기적 체내 단기 유도은 다양한 장기에서 연령 관련 표현형과 조직학적 변화를 억제합니다. Chondronasiou 등(et al.)은 부분적이고 가역적인 재프로그래밍이 세포의 노화 상태를 개선하고 노화 마우스의 조직 손상 회복 능력을 증가시키며 프로게로이드 마우스의 수명을 연장할 수 있음을 보여주었습니다.193 장기 특이적 부분적 재프로그래밍을 통해 노화나 조직 손상의 효과를 역전시키는 것은 원하는 장기의 재생으로 이어질 수 있습니다.194 또한 부분적 재프로그래밍은 SASP를 강화하여 주변 세포의 노화와 2차 노화 관련 만성 염증 상태를 개선하고 세포 재생 촉진 효과를 갖는 분비형 표현형을 생성할 수 있습니다.104 따라서 체내 부분적 재프로그래밍은 노화 관련 특성, 예를 들어 손상 대응 능력 감소 및 조직 및 장기 재생 능력 상실 등을 개선할 수 있습니다.

Epigenetic rejuvenation

Reset of ageing molecular signatures by epigenetic rejuvenation

Epigenetic remodeling is associated with biochemical modifications to the genome, leading to an altered response of gene transcription to physiological stimuli. DNA methylation clocks might detect a wide range of ageing-related epigenetic modifications that are indicative of genomic, cell biological, and tissue changes that occur during life.195 Epigenetic clocks can be more accurate than chronological clocks at estimating biological age, which aids in predicting human lifetime via age-reprogramming therapies. Protein-protein interactions can induce allosteric regulatory sites in complicated epigenetic machinery.196 Hence, accessing allosteric sites can assist in the development of epigenetic medicines with improved druggability and pharmacological characteristics. In addition, there are many lifespan-extending conditions, like Prop1df/df dwarfism, calorie restriction, and rapamycin administration, slowing molecular variations linked to the epigenetic clock in mammals.197 Furthermore, reprogramming aged cells to a more youthful status carries the hazard of tumor formation. During reprogramming without de-differentiation, the mobility of heterochromatin protein 1β, an essential epigenetic modifier, has been proved to increase in SCs and promote epigenetic rejuvenation.198 The epigenetic rejuvenation with minimal de-differentiation can be realized by OSKM transduction in partial reprogramming. For epigenetic rejuvenation, distinguishing the rejuvenative features of reprogramming from dedifferentiation is a strong development.

에피제네틱 재활성화

에피제네틱 재활성화에 의한 노화 분자 서명 재설정

에피제네틱 리모델링은 유전체에 대한 생화학적 변형을 통해 유전자 전사 반응이 생리적 자극에 대한 반응을 변화시킵니다. DNA 메틸화 시계는 생애 동안 발생하는 유전체, 세포 생물학적, 조직적 변화를 나타내는 다양한 노화 관련 에피제네틱 변형을 탐지할 수 있습니다.195 에피제네틱 시계는 연대기적 시계보다 생물학적 연령을 추정하는 데 더 정확할 수 있으며, 이는 연령 재프로그래밍 치료를 통해 인간 수명을 예측하는 데 도움을 줍니다. 단백질-단백질 상호작용은 복잡한 에피제네틱 기계 장치 내 알로스테릭 조절 부위를 유도할 수 있습니다.196 따라서 알로스테릭 부위에 접근하는 것은 약물 개발 가능성과 약리학적 특성이 개선된 에피제네틱 의약품 개발에 도움을 줄 수 있습니다. 또한, Prop1df/df 왜소증, 칼로리 제한, 라파마이신 투여와 같은 수명 연장 조건은 포유류에서 에피제네틱 시계와 관련된 분자적 변화를 늦춥니다.197 또한, 노화된 세포를 더 젊은 상태로 재프로그래밍하는 것은 종양 형성의 위험을 동반합니다. 분화 역전 없이 재프로그래밍 시, 에피제네틱 조절의 핵심 단백질인 이질염색질 단백질 1β의 이동성이 SC에서 증가하여 에피제네틱 재생을 촉진한다는 것이 입증되었습니다.198 부분적 재프로그래밍에서 OSKM 전달을 통해 분화 역전 최소화로 에피제네틱 재생을 실현할 수 있습니다. 에피제네틱 재생을 위해 재프로그래밍의 재생 특성과 분화 역전을 구분하는 것은 중요한 발전입니다.

Epigenetic regulation of mitochondria during rejuvenation

Mitochondria role in epigenetic processes mostly involves alterations in DNA methylation, histone modification in nuclear chromatin, and posttranslational gene control by noncoding miRNAs.199 The modulation of mtDNA and mitochondrial proteins by epigenetic and post-translational alterations contributes to the preservation of cellular health and homeostasis. Differential mtDNA methylation is associated with various conditions, including ageing and ageing-related diseases, changed metabolism, alterations in circadian rhythm, and even cancer.200 Thus, removing or counteracting the effects of mtDNA mutations in mitochondria might extend human health and lifespan. Moreover, the conserved histone lysine demethylases JMJD-1.2 and JMJD-3.1 could target the H3K27me2/me3 sites, which is also important for UPRmt induction.201 MET2/ LIN65 histone methyltransferases were proved to mediate the chromatin remodeling and regulate the UPRmt-associated transcriptional networks.202 These findings revealed an epigenetic mechanism for regulating stress signaling and lifespan in response to mitochondrial abnormalities. Besides, all metabolic intermediates that serve as substrates or cofactors for epigenetic alterations originate from the Krebs cycle and other mitochondrial metabolic pathways.203 These metabolites contain acetyl-CoA, α-KG, S-adenosyl methionine (SAM), NAD+, and O-linked β-N-acetylglucosamine (O-GlcNAc) for DNA methylation and histone post-translational modifications, participating in controlling gene transcription and determining cell destiny.

Epigenetic regulation of retro-transposable elements during rejuvenation

Alternate splicing, different promoter or enhancer usage, ncRNAs, and epigenetic changes that impact the structure and function of chromatin all can modulate transcription. Retrotransposon-mediated promoters might also promote gene regulation and expand protein diversity for phenotypic variation and embryo development. During ageing, heterochromatin decay might upregulate the level of silent retrotransposons, leading to promoted mobility of retro-transposable elements (RTEs) within genomes and cellular homeostasis disruption.204 Chromatin of main retrotransposon classes, such as Alu, SVA, and long interspersed nuclear elements (LINEs), become relatively open in SCs and affect the evolutionarily recent elements, leading to increased transcription and ultimately transposition.205 Global hypomethylation of the genome can promote genomic instability and RTE activation, contributing to ageing.206 Hypomethylation of LINEs in cancer cells can restart the recruitment of many variant factors and is connected with an advanced disease stage and poor prognosis.207 DNA methylation can be oxidized by ten-eleven translocation (TET) enzymes as an aspect of the dynamic demethylation mechanism.208 TETs are responsible for LINE-1 demethylation in ESCs, but LINE-1s are negatively regulated by further TET-dependent activities. In nascent RNAs of human cells, m6A actively regulates the expression‎ level of both autonomous LINEs and co-transcribed LINE relics, facilitating the retrotransposition of LINE.209

미토콘드리아의 에피제네틱 조절 재활성화 동안

미토콘드리아는 에피제네틱 과정에 주로 DNA 메틸화 변화, 핵 염색질 내 히스톤 변형, 비코딩 miRNA에 의한 후전사적 유전자 조절을 통해 관여합니다.199 에피제네틱 및 후전사적 변화에 의한 mtDNA와 미토콘드리아 단백질의 조절은 세포 건강과 항상성 유지에 기여합니다. mtDNA 메틸화의 차이는 노화 및 노화 관련 질환, 대사 변화, 생체 리듬 변화, 심지어 암과 연관되어 있습니다.200 따라서 미토콘드리아 내 mtDNA 변이의 효과를 제거하거나 억제하는 것은 인간 건강과 수명을 연장할 수 있습니다. 또한 보존된 히스톤 라이신 데메틸레이즈 JMJD-1.2 및 JMJD-3.1은 UPRmt 유도에도 중요한 H3K27me2/me3 부위를 표적화할 수 있습니다.201 MET2/ LIN65 히스톤 메틸전달효소는 염색질 재구조화를 매개하고 UPRmt 관련 전사 네트워크를 조절하는 것으로 입증되었습니다.202 이러한 발견은 미토콘드리아 이상에 대한 스트레스 신호전달과 수명을 조절하는 에피게노믹 메커니즘을 밝혀냈습니다. 또한, 에피게노믹 변화의 기질이나 보조인자로 작용하는 모든 대사 중간체는 크렙스 회로와 다른 미토콘드리아 대사 경로에서 유래합니다.203 이러한 대사산물에는 아세틸-CoA, α-KG, S-아데노실 메티오닌 (SAM), NAD+, 및 O-연결 β-N-아세틸글루코사민 (O-GlcNAc)이 포함되며, 이는 DNA 메틸화 및 히스톤 후전사 변형을 통해 유전자 전사 조절과 세포 운명 결정에 참여합니다.

재생 과정에서 역전사 이동 요소(retro-transposable elements)의 에피제네틱 조절

대체 스플라이싱, 다른 프로모터 또는 증강자 사용, 비코딩 RNA(ncRNA), 및 염색질 구조와 기능에 영향을 미치는 에피제네틱 변화는 모두 전사 조절을 조절할 수 있습니다. 레트로트랜스포존 매개 프로모터는 유전자 조절을 촉진하고 형질 변이와 배아 발달을 위한 단백질 다양성을 확장할 수 있습니다. 노화 과정에서 헤테로크로마틴의 분해는 침묵 상태의 레트로트랜스포존 수준을 증가시켜 유전체 내 레트로트랜스포저블 요소(RTEs)의 이동성을 촉진하고 세포 내 항상성 장애를 유발할 수 있습니다.204 알루(Alu), SVA, 및 장간 핵 요소(LINEs)의 염색질은 SC에서 상대적으로 개방되어 진화적으로 최근에 발생한 요소들에 영향을 미쳐 전사 증가 및 최종적으로 전위를 유발합니다.205 유전체 전체의 저메틸화는 유전체 불안정성과 RTE 활성화를 촉진하여 노화에 기여합니다.206 암 세포에서의 LINEs 저메틸화는 다양한 변이 인자의 재활성화를 재개하며, 질병의 진행 단계와 예후 악화와 연관됩니다.207 DNA 메틸화는 동적 탈메틸화 메커니즘의 일환으로 텐-일레븐 트랜스포지션(TET) 효소에 의해 산화될 수 있습니다.208 TET는 ESC에서 LINE-1의 탈메틸화를 담당하지만, LINE-1은 추가적인 TET 의존적 활동에 의해 음성 조절됩니다. 인간 세포의 신생 RNA에서 m6A는 자율적 LINEs와 공전사된 LINE 잔류물의 발현 수준을 적극적으로 조절하여 LINE의 역전사를 촉진합니다.209

Epigenetic regulation of inflammation during rejuvenation

The inflammatory response can trigger epigenetic alterations, and epigenetics in turn can interfere with inflammation action. In reaction to severe inflammatory events, transitory activation of NF-κB-related innate immunity and senescence-related inflammatory elements might enhance reparative cellular reprogramming.210 The expression‎ of numerous pro-inflammatory modulators is regulated by epigenetic procedures, which might therefore play a role in the progression of chronic inflammation. DNA methylation and histone acetylation are correlated with TNF-α expression‎ during development and inflammatory disorders.211 Combinations of transcription factors maintain the identity of immune cells by controlling the hypo- and hypermethylation of cell-specific DNA. For instance, Sera et al. found that the X-chromosome-specific enzyme, UTX, maintained the expression‎ of downregulated genes during ageing via demethylase-dependent and -independent epigenetic modulation, contributing to hematopoietic homeostasis and inflammation regulation.212 There are many phytochemicals and short-chain fatty acids regulating DNA methylation and histone modifications, participating in preventing chronic inflammation that worsens neurocognitive and cardiac performance and leads to metabolic disorders.213

Restoration of youthful functions in aged cells by epigenetic rejuvenation

Ageing is unavoidably accompanied by a diminished capacity to maintain tissue integrity and function. Cell or tissue rejuvenation without dedifferentiation is known as epigenetic rejuvenation, and it leads to a more youthful functional state and reversed ageing molecular markers.214 The central epigenetic regulatory mechanisms are based on the enzymes that modulate DNA and histones (methyltransferases, demethylases, acetyltransferases, deacetylases).17 The epigenome reprogramming can initiate ageing plasticity during heterochronic parabiosis, caloric restriction, or cellular reprogramming.215 These epigenetic modifications exhibit a strong capability of youthful function restoration in aged cells. In addition, epigenetic modifications can target several druggable pathways. In addition, senotherapy can increase lifespan, restore the functionality of bone marrow, muscle, and skin progenitor cells, enhance vasomotor function, and decrease the onset of atherosclerosis.216

재생 과정에서의 염증의 에피제네틱 조절

염증 반응은 에피제네틱 변화를 유발할 수 있으며, 에피제네틱은 반대로 염증 작용에 간섭할 수 있습니다. 심각한 염증 사건에 반응하여 NF-κB 관련 선천 면역과 노화 관련 염증 요소의 일시적 활성화가 재생적 세포 재프로그래밍을 강화할 수 있습니다.210 수많은 염증 조절 인자의 발현은 에피제네틱 절차에 의해 조절되며, 이는 만성 염증의 진행에 역할을 할 수 있습니다. DNA 메틸화 및 히스톤 아세틸화는 발달 및 염증 장애 동안 TNF-α 발현과 관련이 있습니다.211 전사 인자의 조합은 세포 특이적 DNA의 저메틸화 및 고메틸화를 조절함으로써 면역 세포의 정체성을 유지합니다. 예를 들어, Sera 등(211)은 X 염색체 특이적 효소인 UTX가 메틸화 효소 의존적 및 비의존적 에피제네틱 조절을 통해 노화 과정에서 하향 조절된 유전자 발현을 유지함으로써 혈액 생성 균형과 염증 조절에 기여한다는 것을 발견했습니다.212 DNA 메틸화와 히스톤 변형을 조절하는 많은 식물 화합물과 단쇄 지방산은 신경인지 및 심장 기능 저하를 악화시키고 대사 장애를 유발하는 만성 염증을 예방하는 데 참여합니다.213

노화 세포의 젊은 기능 회복을 위한 에피제네틱 재활성화

노화는 조직의 구조와 기능을 유지하는 능력의 감소와 불가피하게 동반됩니다. 분화 역전 없이 세포나 조직의 젊어짐을 에피제네틱 재활성화라고 하며, 이는 더 젊은 기능 상태와 노화 관련 분자 표지의 역전으로 이어집니다.214 에피제네틱 조절의 중심 메커니즘은 DNA와 히스톤을 조절하는 효소(메틸전달효소, 데메틸화효소, 아세틸전달효소, 데아세틸화효소)에 기반합니다.17 에피제놈 재프로그래밍은 이형성 파라바이오시스, 칼로리 제한, 또는 세포 재프로그래밍 동안 노화 가소성을 유발할 수 있습니다.215 이러한 에피제네틱 변형은 노화된 세포에서 젊은 기능 회복에 강한 능력을 보여줍니다. 또한 에피제네틱 변형은 여러 약물 표적 경로를 표적으로 삼을 수 있습니다. 또한, 노화 치료는 수명을 연장하고 골수, 근육, 피부 전구 세포의 기능을 회복하며 혈관 운동 기능을 향상시키고 동맥경화증의 발병을 감소시킬 수 있습니다.216

Metabolic manipulationMitochondria-based metabolic remodeling

Mitochondria is responsible for the ATP production required for organisms and apoptosis, autophagy, the creation of iron-sulfur clusters, amino acid synthesis, copper and lipid metabolism.217 The rates of fission and fusion govern the shape, size, and network of the mitochondria, which vary according to both internal and external cues like metabolism and stress.218 The metabolic condition can affect the form and function of mitochondria, consequently influencing organ function. Conversely, the disturbed mitochondrial dynamics, like genetic ablation of mitochondrial fusion and fission components, also cause metabolic changes. Age-related disruption in energy balance and an increased propensity for age-related illnesses may be caused by the reduction in mitochondrial activity. The crosstalk between mitochondria and other organelles like lysosomes might also lead to increased oxidative stress, reduced ATP production, and breakdown of cellular catabolic mechanisms, ultimately inducing metabolic imbalance and ageing.219

The mitochondrial functions in energy homeostasis and metabolism are closely associated with protein quality control factors in disease and age-related disorders, such as PTEN-induced putative kinase 1 (PINK1), Parkin, and TNFR-associated protein 1 (TRAP1).220 SIRTs control the mitochondrial metabolic checkpoint which can control stem cell maintenance and quiescence, and dysregulation of the checkpoint can deteriorate the function of aged stem cells.221 Aiming at the mitochondrial metabolic checkpoint might rejuvenate ageing stem cells and improve the functions of ageing tissue. Mitochondria also segregate many critical metabolic pathways, like the TCA cycle, fatty acid β-oxidation, and the one-carbon cycle. The synthesis of mitochondrial metabolites in these pathways might be involved in additional mechanisms that control stem cell activity and fate decisions.222 Moreover, the mitochondrial UPRmt regulates many genes involved in protein folding, ROS defenses, metabolism, assembly of iron-sulfur clusters, and modulation of the innate immune response.223 Independent of the generation and aggregation of ROS, defective mitochondria also play a significant part in the ageing process. The Mitophagy pathway functions as a crucial mitochondrial switching that guides bioenergetic transition and metabolome remodeling attributes, to eventually define the effectiveness and quality of nuclear reprogramming and stemness transition in somatic cells.224 Mitophagy-induced rejuvenation of mitochondria governs the shift of bioenergetics and metabolome, hence facilitating a change in their capacity for cellular development. Thus, mitochondrial targeting or mitophagy regulation can promote metabolic remodeling, playing potential roles in rejuvenation and regeneration.

대사 조절미토콘드리아 기반 대사 재구성

미토콘드리아는 유기체에 필요한 ATP 생산과 세포 사멸, 자가포식, 철-황 클러스터 생성, 아미노산 합성, 구리 및 지질 대사를 담당합니다.217 분열 및 융합 속도는 미토콘드리아의 모양, 크기 및 네트워크를 결정하며, 이는 신진대사 및 스트레스와 같은 내부 및 외부 신호에 따라 달라집니다.218 신진대사 상태는 미토콘드리아의 형태와 기능에 영향을 미칠 수 있으며, 결과적으로 장기 기능에도 영향을 미칠 수 있습니다. 반면, 미토콘드리아 동역학의 장애(예: 미토콘드리아 분열 및 융합 구성 요소의 유전적 제거)는 대사 변화를 유발합니다. 에너지 균형의 노화 관련 장애와 노화 관련 질환의 발생 경향 증가가 미토콘드리아 활동 감소로 인해 발생할 수 있습니다. 미토콘드리아와 리소좀 같은 다른 세포 소기관 간의 상호작용은 산화 스트레스 증가, ATP 생산 감소, 세포 분해 메커니즘의 파괴를 초래해 결국 대사 불균형과 노화를 유발할 수 있습니다.219

미토콘드리아의 에너지 균형 및 대사 기능은 질병 및 노화 관련 장애에서 단백질 품질 조절 인자(예: PTEN 유도 잠재적 키나제 1(PINK1), 파킨, TNFR 관련 단백질 1(TRAP1))와 밀접하게 연관되어 있습니다.220 SIRTs는 미토콘드리아 대사 체크포인트를 조절하며, 이는 줄기세포 유지 및 휴면 상태를 조절할 수 있습니다. 체크포인트의 조절 장애는 노화된 줄기세포의 기능을 저하시킬 수 있습니다.221 미토콘드리아 대사 체크포인트를 표적으로 삼는 것은 노화된 줄기세포를 젊게 만들고 노화된 조직의 기능을 개선할 수 있습니다. 미토콘드리아는 TCA 회로, 지방산 β-산화, 일탄소 회로와 같은 많은 중요한 대사 경로를 분리합니다. 이러한 경로에서 합성되는 미토콘드리아 대사산물은 줄기세포 활동과 운명 결정에 관여하는 추가 메커니즘에 관여할 수 있습니다.222 또한 미토콘드리아 UPRmt는 단백질 접힘, ROS 방어, 대사, 철-황 클러스터 조립, 선천 면역 반응 조절에 관여하는 많은 유전자를 조절합니다.223 ROS의 생성 및 집적과 독립적으로, 결함 있는 미토콘드리아는 노화 과정에 중요한 역할을 합니다. 미토파지 경로는 생체 에너지 전환과 대사체 재편 특성을 안내하는 중요한 미토콘드리아 스위칭 역할을 하여, 결국 체세포에서 핵 재프로그래밍과 줄기세포성 전환의 효과와 품질을 결정합니다.224 미토파지에 의한 미토콘드리아의 재활성화는 생체 에너지와 대사체의 변화를 조절하여 세포 발달 능력의 변화를 촉진합니다. 따라서 미토콘드리아 표적화 또는 미토파지 조절은 대사 재구성을 촉진하여 재생 및 재생을 촉진하는 잠재적 역할을 할 수 있습니다.

Oxidative stress

Deregulation of the redox state causes a rise of peroxides, ROS, and free radicals, which are collectively known as oxidative stress. Adaptive cellular responses to pathogenic challenges in ageing and age-associated disease tolerance, such as ischemia tolerance, can also be greatly benefited by moderate oxidative stress caused by diverse stressors.225 However, an imbalance between the generation of ROS and cellular antioxidant defenses can result in excessive oxidative stress, which accelerates ageing and the pathogenesis of illnesses like cancer.226

It has been demonstrated in numerous human cohorts and animal experiments that oxidative damage and inflammation might promote a state of susceptibility and raise the possibility of unfavorable health outcomes.227 Studies have suggested that the declined ability in response to oxidative stress with ageing is involved with the activated expression‎ of Nrf2/EpRE signaling and its target antioxidant genes.228 Brahma-related gene 1 (BRG1) has been proved to protect cells from oxidative stress harm by encouraging the synthesis of antioxidants and inhibiting the generation of ROS.229 There are also many pathways, including MAPK pathway, PI3K/Akt pathway, heat shock proteins, p53, and NF-κB pathway, playing protective roles in combating oxidative stress for healthful ageing and longevity.230 Thus, these pathways might be effective mediators of oxidative stress for metabolic improvement and rejuvenation.

For oxidative damage regulation, bioactive exosomes have antioxidant effects on reducing the excessive ROS, promoting intracellular anti-oxidative stress defense, immunomodulation by blocking excessive ROS and changing mitochondrial function.231 Antioxidants targeting mitochondria, such as MitoQ and tiron, can penetrate the mitochondrial membrane and neutralize ROS at the core of the origin.232 Many compounds, like dibenzopyrone phenolic derivatives, caused the nuclear accumulation of Nrf2, stimulated Nrf2-governed cytoprotective gene expressions, and enhanced cellular antioxidant capacity.233 In addition, interventions including CR and exercise training targeted at restoring endogenous antioxidant ability and cellular stress reaction can contribute to successful vascular ageing and decreased risk for cardiovascular disease.234 In skeletal muscle, inflammation and oxidative stress are also the primary pathogenic features of ageing, and they are intimately linked to the onset and progression of sarcopenia. There are some promising antioxidant or anti-inflammatory substances, like minerals, vitamins, fatty acids, and antioxidant phytochemicals, to postpone skeletal muscle ageing and the onset of sarcopenia.235

산화 스트레스

산화 환원 상태의 조절 장애는 과산화물, ROS 및 자유 라디칼의 증가를 유발하며, 이는 산화 스트레스라고 총칭됩니다. 노화와 연령 관련 질환에 대한 병리적 도전(예: 허혈 내성)에 대한 적응적 세포 반응은 다양한 스트레스 요인에 의해 유발되는 적당한 산화 스트레스로부터 큰 혜택을 받을 수 있습니다.225 그러나 ROS 생성と 세포 항산화 방어 체계의 불균형은 과도한 산화 스트레스를 유발하여 노화 및 암과 같은 질환의 병리 과정을 가속화합니다.226

인간 코호트 연구와 동물 실험에서 산화 손상과 염증이 취약 상태를 촉진하고 불리한 건강 결과의 가능성을 높일 수 있다는 것이 입증되었습니다.227 연구들은 노화에 따른 산화 스트레스에 대한 반응 능력의 저하가 Nrf2/EpRE 신호 전달의 활성화된 발현과 그 표적 항산화 유전자와 관련이 있음을 제안했습니다.228 Brahma 관련 유전자 1 (BRG1) 는 항산화 물질의 합성을 촉진하고 ROS 생성을 억제함으로써 세포를 산화 스트레스 손상으로부터 보호하는 것으로 입증되었습니다.229 MAPK 경로, PI3K/Akt 경로, 열 충격 단백질, p53, NF-κB 경로 등 많은 경로가 건강한 노화와 장수를 위해 산화 스트레스와 싸우는 보호 역할을 합니다.230 따라서 이러한 경로는 대사 개선과 재생을 위한 산화 스트레스의 효과적인 매개체일 수 있습니다.

산화 손상 조절을 위해 생물활성 엑소좀은 과도한 ROS를 감소시켜 세포 내 항산화 스트레스 방어를 촉진하며, 과도한 ROS를 차단하고 미토콘드리아 기능을 변화시켜 면역 조절을 촉진합니다.231 미토콘드리아를 표적으로 하는 항산화제인 MitoQ와 tiron은 미토콘드리아 막을 침투하여 ROS의 발생 원천에서 중화시킵니다.232 dibenzopyrone 페놀 유도체와 같은 많은 화합물은 Nrf2의 핵 내 축적을 유발하고 Nrf2에 의해 조절되는 세포 보호 유전자 발현을 자극하며 세포 내 항산화 능력을 강화합니다.233 또한, CR(칼로리 제한)과 운동 훈련을 포함한 개입은 내인성 항산화 능력과 세포 스트레스 반응을 회복하는 것을 목표로 하여 성공적인 혈관 노화와 심혈관 질환 위험 감소에 기여할 수 있습니다.234 골격근에서 염증과 산화 스트레스는 노화의 주요 병리학적 특징이며, 사르코페니아의 발병과 진행과 밀접하게 연관되어 있습니다. 골격근의 노화와 사르코페니아의 발병을 지연시키는 유망한 항산화제 또는 항염증 물질로 미네랄, 비타민, 지방산, 항산화 식물성 화학물질 등이 있습니다.235

Autophagy modulation

Autophagy is a conserved, physiologic, and self-protective mechanism that supports cellular homeostasis and stress adaption. Autophagosomes with bilayered membrane vesicles can capture the degraded cellular components and subsequently merge with the lysosome to digest long-lived proteins, excess or damaged organelles, and misfolded or aggregation-prone proteins.236 There are three distinct forms of autophagy, namely macroautophagy, microautophagy, and chaperone-mediated autophagy. Depending on the selective autophagic degradation of several organelles, autophagy is subdivided into mitophagy, aggrephagy, pexophagy, reticulophagy, nucleophagy, lysophagy, xenophagy, lipophagy, ferritinophagy, and glycophagy.237 The autophagy process is important for maintaining cellular energetics, cellular reprogramming, organellar remodeling, immunity regulation, metabolism, and cellular survival.

Autophagy serves as one of the central pathways in the protection against functional loss and increased vulnerability to ageing process and age-related disorders. The activity of autophagy and the autophagy gene transcription by specific transcription factors, epigenetic changes, and microRNAs have emerged as crucially conserved pathways for promoting lifespan.238 In autophagy pathways, multiple points with age including autophagosome biogenesis, cargo loading, intracellular transport, and autophagosome-lysosome fusion or acidification have shown ageing or disease-associated deficits. Enhancing the function of the autophagy-lysosome system can eradicate age-related organelle degeneration, which might have regenerative benefits for cellular rejuvenation. The regulator of autophagy is the classical mTOR pathway and some mTOR-independent signaling cascades, such as MAPK-ERK1/2, STAT2, AKT/FOXO3, and CXCR4/GPCR, converge into PI3K signaling node.239 The histone deacetylase SIRT1 also regulates autophagy to influence ageing and age-related disorders.240 Furthermore, autophagy can eliminate the redundant production of ROS and maintain the cell proliferation capacity and regenerative ability.241 In addition, autophagy activation in ageing stem cells by genetic and pharmacological methods can improve cell properties and regenerative functions.242

자가포식 조절

자가포식은 세포의 항상성 및 스트레스 적응을 지원하는 보존된 생리적 자기 보호 메커니즘입니다. 이중막 소포를 가진 오토파고소좀은 분해된 세포 성분을 포획한 다음 리소좀과 합쳐져 수명이 긴 단백질, 과잉 또는 손상된 세포 기관, 잘못 접힌 단백질 또는 응집되기 쉬운 단백질을 분해합니다.236 자가포식에는 거대자가포식, 미세자가포식, 샤페론 매개 자가포식의 세 가지 형태가 있습니다. 여러 세포 기관의 선택적 자가포식 분해에 따라 자가포식은 미토파지, 아그레파지, 펙소파지, 레티쿨로파지, 뉴클레오파지, 리소파지, 제노파지, 리포파지, 페리티노파지, 글리코파지로 세분화됩니다.237 자가포식 과정은 세포 에너지, 세포 재프로그래밍, 세포 기관 재구성, 면역 조절, 대사 및 세포 생존을 유지하는 데 중요합니다.

자가포식은 기능 상실과 노화 과정 및 노화 관련 질환에 대한 취약성 증가를 방지하는 핵심 경로 중 하나입니다. 자가포식 및 특정 전사 인자, 후성유전적 변화 및 마이크로RNA에 의한 자가포식 유전자 전사의 활동은 수명 연장을 촉진하는 매우 중요한 보존 경로로 대두되고 있습니다.238 자가포식 경로에서, 오토파고좀 생합성, 화물 적재, 세포 내 수송, 오토파고좀-리소좀 융합 또는 산성화 등 여러 단계에서 노화 또는 질병과 관련된 결함이 나타나고 있습니다. 자가포식-리소좀 시스템의 기능을 강화하면 노화와 관련된 세포 기관의 퇴화를 막을 수 있으며, 이는 세포의 회춘에 재생적 이점을 가져올 수 있습니다. 자가포식의 조절 인자는 고전적인 mTOR 경로이며, MAPK-ERK1/2, STAT2, AKT/FOXO3 및 CXCR4/GPCR과 같은 일부 mTOR 독립적 신호 전달 계통이 PI3K 신호 전달 노드로 수렴합니다.239 히스톤 탈아세틸화 효소 SIRT1도 자가포식을 조절하여 노화와 노화 관련 질환에 영향을 미칩니다.240 또한 자가포식은 ROS의 과잉 생성을 제거하고 세포 증식 능력과 재생 능력을 유지할 수 있습니다.241 또한, 유전적 및 약리학적 방법을 통해 노화 줄기세포에서 자가포식을 활성화하면 세포의 특성과 재생 기능이 개선될 수 있습니다.242

Activation of circadian clockBasic molecular factors controlling circadian rhythms

The molecular circadian oscillator consists of transcriptional and translational feedback loops that are interlocked. BMAL1 and CLOCK (or NPAS2) have the ability to heterodimerize and bind to E-box elements of many clock-controlled genes to drive transcription.243 Early in the circadian night, PERIOD (PER) and CRYPTOCHROME (CRY) complexes are formed and suppress the transcription that is mediated by BMAL1 and CLOCK. As PER and CRY degrade over the night, negative regulation of BMAL1 and CLOCK is released, allowing the beginning of a new circadian day. These core clock proteins regulate 24 h oscillations in gene expression‎ and activity, and at protein levels. In addition, the molecular clock controls the rhythmic expression‎ of genes related to numerous cellular processes and nutrient-sensing pathways, which provides feedback to the primary clock system.244 The suprachiasmatic nucleus (SCN) in mammals serves as the body primary circadian clock, coordinating the timing of rhythmic activity with the light/dark cycle. Almost all the major genes implicated in the modulation of the circadian cycle have been found to induce alterations in circadian rhythms in their absence and to have an impact on health status.245 With increasing age, the transition toward morningness involves in epigenetics inside the molecular clock, modifications in the master clock, and downstream oscillator sensitivity to SCN signals.246 Many genes and proteins in circadian expression‎ occur in phase shifts and decreased amplitude.247 The circadian body temperature, melatonin release, sleep-wake periods, patterns of locomotion, and drinking behavior can all vary with age. Thus, improving intracellular synchronization and the synchronization between SCN network and central and peripheral clocks might restore accuracy and stability to the ageing circadian system. Melatonin, produced in the pineal gland and mitochondria, participates in complicated intracellular signaling pathways with anti-ageing, antioxidant, chemopreventive, immunostimulatory, and tumor-inhibitory functions.248 SIRT1 modulation is associated with the activity of clock machinery and might resynchronize the dysfunctional cellular key clock circuits.249 Moreover, many environmental factors, like light exposure, lifestyle, and societal factors, can modify the circadian clock phase.

일주기 리듬의 활성화 일주기 리듬을 제어하는 기본 분자 요인

분자 일주기 발진기는 상호 연결된 전사 및 번역 피드백 루프로 구성되어 있습니다. BMAL1과 CLOCK(또는 NPAS2)는 이종 이합체를 형성하고 많은 시계 조절 유전자의 E-박스 요소에 결합하여 전사를 촉진합니다.243 생체 리듬 밤의 초기 단계에서 PERIOD(PER)와 CRYPTOCHROME(CRY) 복합체가 형성되어 BMAL1과 CLOCK에 의해 매개되는 전사를 억제합니다. PER와 CRY가 밤 동안 분해되면서 BMAL1과 CLOCK에 대한 음성 조절이 해제되어 새로운 생체시계 날이 시작됩니다. 이 핵심 생체시계 단백질들은 유전자 발현과 활동의 24시간 주기적 진동을 조절하며, 단백질 수준에서도 조절합니다. 또한, 분자 시계는 수많은 세포 과정 및 영양소 감지 경로와 관련된 유전자의 리드미컬한 발현을 제어하여 1차 시계 시스템에 피드백을 제공합니다.244 포유류의 시교차핵(SCN)은 신체의 1차 일주기 시계 역할을 하며, 리드미컬한 활동의 타이밍을 빛/어둠 주기와 조율합니다. 생체 리듬 주기 조절에 관여하는 주요 유전자 대부분은 결핍 시 생체 리듬 변화를 유발하며 건강 상태에 영향을 미친다는 것이 밝혀졌습니다.245 연령이 증가함에 따라 아침형으로의 전환은 분자 시계 내 에피게노믹스 변화, 주 시계 수정, SCN 신호에 대한 하류 오실레이터의 감수성 변화와 관련됩니다.246 생체 리듬 발현을 보이는 많은 유전자와 단백질은 위상 이동과 진폭 감소가 발생합니다.247 생체 시계 체온, 멜라토닌 분비, 수면-각성 주기, 운동 패턴, 음주 행동 등은 모두 연령에 따라 변동됩니다. 따라서 세포 내 동기화 및 SCN 네트워크와 중추 및 말초 시계 간의 동기화를 개선하면 노화 생체 시계의 정확성과 안정성을 회복할 수 있습니다. 멜라토닌은 송과체와 미토콘드리아에서 생성되며, 항노화, 항산화, 화학 예방, 면역 자극, 종양 억제 기능을 가진 복잡한 세포 내 신호 전달 경로에 참여합니다.248 SIRT1 조절은 시계 기계의 활동과 연관되어 있으며, 기능 장애를 일으킨 세포 내 핵심 시계 회로를 재동기화할 수 있습니다.249 또한, 빛 노출, 생활 방식, 사회적 요인 등 많은 환경 요인이 생체 리듬 시계의 위상을 변경할 수 있습니다.

Circadian clock promotes stem cell rejuvenation

Stem cells contain a functional circadian clock whose rhythmicity contributes to the multipotent cell properties in constant renewal and injury response. Multipotent stem cells from various organs also have distinct clock gene expression‎ profiles with various amplitude ranges.250 Meanwhile, dephased oscillators can provide stem cells the source of heterogeneity, to respond effectively to varied cues.251 Numerous embryonic and adult stem cell-dependent activities, including hematopoietic progenitor cell migration, follicular cycle, osteogenesis, regenerative myogenesis, and neurogenesis, have been linked to rhythmic oscillations and circadian clock regulation.252 The regulation of stem cell division and differentiation by the circadian clock is crucial for adult tissue regeneration. Histone alterations, DNA modifications, non-coding RNAs, huge multisubunit chromatin remodeling complexes, and additional epigenetic changes are also significant points in the circadian modulation of stem cell destiny.250

With ageing, stem cells receive signals from endogenous and external factors operated through circadian rhythms and epigenetic clocks. The circadian output and oscillator system have adapted to the particular homeostatic requirements of the adult stem cell region in the young organism. But the circadian functions of ageing stem cells might switch toward a stress-dominated program.253 Liang et al. found that the overexpression‎ of CLOCK could rejuvenate physiologically and pathologically aged human MSCs.254 Mechanically, nuclear lamina proteins and KAP1 formed complexes with CLOCK, which preserved heterochromatin architecture and stabilized repeated genomic regions. Hence, circadian clock regulation provides opportunities to rejuvenate stem cells for various tissue engineering approaches.

생체 리듬 시계는 줄기세포의 재생을 촉진합니다

줄기세포는 기능적인 생체 리듬 시계를 포함하며, 이 리듬성은 지속적인 재생과 손상 반응에 기여하는 다능성 세포 특성에 기여합니다. 다양한 장기에서 유래한 다능성 줄기세포는 다양한 진폭 범위를 가진 독특한 시계 유전자 발현 프로파일을 가지고 있습니다.250 한편, 위상 차이가 발생한 진동기는 줄기세포에 이질성의 원천을 제공하여 다양한 신호에 효과적으로 반응할 수 있도록 합니다.251 혈액 생성 전구세포 이동, 난포 주기, 골형성, 재생성 근육 생성, 신경 발생 등은 리듬적 진동과 생체시계 조절과 연관되어 있습니다.252 생체시계에 의한 줄기세포 분열 및 분화 조절은 성인 조직 재생에 필수적입니다. 히스톤 변화, DNA 변형, 비코딩 RNA, 대규모 다중 서브유닛 크로마틴 재구성 복합체, 추가적인 에피게노믹 변화는 줄기세포 운명 조절의 생체시계 조절에서 중요한 요소입니다.250

노화 과정에서 줄기세포는 내인성 및 외인성 요인으로부터 생체시계 리듬과 에피제네틱 시계를 통해 신호를 받습니다. 생체시계 출력 및 진동자 시스템은 젊은 유기체의 성체 줄기세포 영역의 특정 항상성 요구사항에 적응해 왔습니다. 그러나 노화 줄기세포의 생체시계 기능은 스트레스 지배적 프로그램으로 전환될 수 있습니다.253 Liang 등(et al.)은 CLOCK의 과발현이 생리적 및 병리적 노화된 인간 MSC를 재생시킬 수 있음을 발견했습니다.254 기계적으로, 핵 라미나 단백질과 KAP1은 CLOCK과 복합체를 형성하여 이질염색질 구조를 유지하고 반복되는 유전체 영역을 안정화시켰습니다. 따라서 일주기 리듬의 조절은 다양한 조직 공학 접근법을 위한 줄기세포의 회춘에 기회를 제공합니다.

Tissue-specific circadian clocks influence organ rejuvenation

The oscillations of peripheral clocks in numerous peripheral tissues, including the heart, liver, adipose tissue, retina, and multiple brain regions, can be controlled by synchronizing the circadian clock produced by SCN neurons.255 Meanwhile, there is a portion of transcripts expressed cyclically in each peripheral tissue, controlling the function of peripheral tissues.256 These tissue-specific circadian genes govern biological processes necessary for the preservation and dynamic modification of organ functions during the circadian cycle. Cell-autonomous circadian oscillations also have a substantial impact on the physiology and pathology of peripheral organs.257 In addition, the diurnal pattern of the light-dark cycle has a significant effect on the central SCN clock, while the feeding-fasting rhythm constrains the circadian rhythm of peripheral tissues.258

Many studies have suggested that circadian rhythms might be in a noticeably different phase during development in one cell or tissue type compared to another part of the body.259 Circadian programs are tissue-specific and even varied in the same tissue under distinct physiological states.260 During ageing, diminished or asynchronous circadian oscillations can alter signaling networks and tissue-specific gene expression‎ profiles. These alterations in tissue-specific clocks might affect immune hyperactivation with ageing.261 Thus, the tissue-specific targeting of clock subunits by pharmaceutical techniques might aid to the treatment of age-related diseases and recover circadian coherence with a chronically disrupted clock. Besides, tissue susceptibility and reactions to toxicity also change during the circadian cycle, which indicates the development of drug timing administration.262

조직별 일주기 리듬이 장기 회춘에 미치는 영향

심장, 간, 지방 조직, 망막 및 여러 뇌 영역을 포함한 수많은 말초 조직에서 말초 시계의 진동은 SCN 뉴런에 의해 생성되는 일주기 리듬을 동기화하여 제어될 수 있습니다.255 한편, 각 주변 조직에서 주기적으로 발현되는 일부 전사체는 주변 조직의 기능을 조절합니다.256 이러한 조직 특이적 생체시계 유전자는 생체시계 주기 동안 장기 기능의 유지와 동적 조절에 필요한 생물학적 과정을 지배합니다. 세포 자율적 생체시계 진동은 주변 장기들의 생리학과 병리학에 상당한 영향을 미칩니다.257 또한, 빛-어둠 주기의 일일 패턴은 중앙 SCN 시계에 중요한 영향을 미치며, 식사-금식 리듬은 주변 조직의 생체시계 리듬을 제한합니다.258

많은 연구에서 세포나 조직 유형에 따라 발달 과정에서 일주기 리듬이 다른 부분의 신체와 비교해 눈에 띄게 다른 단계에 있을 수 있음을 제안했습니다.259 일주기 프로그램은 조직 특이적이며 동일한 조직에서도 다른 생리적 상태에서 다양할 수 있습니다.260 노화 과정에서 감소하거나 비동기화된 일주기 진동은 신호 전달 네트워크와 조직 특이적 유전자 발현 프로파일을 변경할 수 있습니다. 조직 특이적 시계의 이러한 변화는 노화와 함께 면역 과활성화를 유발할 수 있습니다.261 따라서 약물 기술을 통해 시계 서브유닛을 조직 특이적으로 표적화하는 것은 노화 관련 질환의 치료에 도움을 주고 만성적으로 교란된 시계의 생체 리듬 일치를 회복하는 데 기여할 수 있습니다. 또한, 조직의 독성 민감성과 반응은 생체 리듬 주기 동안 변화하며, 이는 약물 투여 시점의 최적화를 위한 전략 개발을 시사합니다.262

Designing strategies to promote youthful states in cells and organisms

The molecular mechanisms that mediate cellular and organ ageing provide therapeutic targets for cellular rejuvenation. The increasingly rejuvenative approaches have been developed, and the schematic overview of strategies for cell rejuvenation is shown in Fig. 4. It contains cellular reprogramming, clearance of SCs and SASP inhibitor, metabolic manipulation, the restoration of aged stem cell function, microenvironment remodeling, resetting the circadian clock, immune rejuvenation, and heterochronic parabiosis. Especially, cellular reprogramming can rejuvenate the terminally differentiated cells to the pluripotent state or epigenetically unstable intermediates, and also to another desired cell type for tissue repair. The reprogramming technology mainly includes iPSCs, partial reprogramming, and direct reprogramming (Fig. 5).

세포와 유기체의 젊은 상태를 촉진하기 위한 전략 설계

세포 및 장기 노화를 매개하는 분자 메커니즘은 세포 재생을 위한 치료 표적을 제공합니다. 점점 더 많은 재생 접근법이 개발되었으며, 세포 재생을 위한 전략의 개요는 그림 4에 제시되어 있습니다. 이는 세포 재프로그래밍, SC 제거 및 SASP 억제제, 대사 조작, 노화된 줄기세포 기능 회복, 미세환경 재구성, 생체리듬 시계 재설정, 면역 재생, 이형성 파라바이오시스 등을 포함합니다. 특히, 세포 재프로그래밍은 최종 분화 세포를 다능성 상태나 에피게노믹 불안정 중간 단계로, 또는 조직 복구를 위한 다른 원하는 세포 유형으로 재활성화할 수 있습니다. 재프로그래밍 기술은 주로 iPSCs, 부분 재프로그래밍, 직접 재프로그래밍(그림 5)을 포함합니다.

Fig. 4

Schematic overview of strategies for cell rejuvenation. Various strategies have been developed for cell rejuvenation that leverage intrinsic and extrinsic factors, including epigenetic reprogramming, genetic enhancement, autophagy modulation, and metabolic manipulation. Furthermore, small molecules, growth factors and cytokines, blood factors, iPSC technology, clearance of senescent cells and SASP, microenvironment regulation, and circadian clock modulation can also exert great influences on cell rejuvenation. iPSCs induced pluripotent stem cells, SASP senescence-associated secretory phenotype. Created with BioRender.com

그림 4

세포 회춘을 위한 전략의 개략적 개요. 에피제네틱 리프로그래밍, 유전적 강화, 자가포식 조절, 대사 조작 등 내인적 및 외인적 요인을 활용하는 다양한 세포 회춘 전략이 개발되어 왔습니다. 또한, 소분자, 성장 인자 및 사이토카인, 혈액 인자, iPSC 기술, 노화 세포 및 SASP의 제거, 미세 환경 조절, 일주기 리듬 조절도 세포 회춘에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. iPSCs 유도 만능 줄기세포, SASP 노화 관련 분비 형질. BioRender.com에서 생성됨.

그림 5

재생 위한 재프로그래밍 접근법. iPSC 매개 세포 재프로그래밍은 체세포를 먼저 iPSC로 분화시킨 후 원하는 체세포로 분화시키는 프로토콜입니다. 부분 재프로그래밍은 야마나카 인자에 짧은 시간 노출로 고가소성 중간체를 생성하는 것을 의미합니다. 중간 다능성 단계를 거치지 않고 한 계통에서 다른 계통으로 체세포를 직접 전환하는 것은 직접 계통 재프로그래밍으로 알려져 있습니다. iPSCs 유도 다능성 줄기세포, ESCs 배아 줄기세포; Oct3/4, Sox2, Klf4, c-Myc, OSKM. BioRender.com에서 생성됨

Fig. 5

Reprogramming approaches for rejuvenation. The iPSC-mediated cell reprogramming is a protocol that somatic cells are first dedifferentiated into iPSC and then differentiated into the desired somatic cells. Partial reprogramming refers to a short exposure to Yamanaka factors only generates intermediates with high plasticity. Transforming somatic cells from one lineage to another without transitioning through intermediary pluripotent stages is known as direct lineage reprogramming. iPSCs induced pluripotent stem cells, ESCs embryonic stem cells; Oct3/4, Sox2, Klf4, c-Myc, OSKM. Created with BioRender.com

Resetting epigenetic clock in aged somatic cells by reprogramming strategyReset epigenetic clocks by reprogramming to a fully pluripotent state

The biological age of our cells, tissues, and organs is determined by an epigenetic clock based on alterations in the DNA methylation profile. A change in permission for future development and a return to a more flexible and pluripotent state are made possible by the removed DNA methylation instruction, and the production of iPSCs can also get around epigenetic constraints and change DNA methylation patterns to support youthful states in cells.263 According to the extensive DNA methylation analysis, the aberrant hyper-methylation spread randomly over the genome during the long-term iPSC reprogramming and then gradually diminished. These cells eventually adapted to closely resemble ESCs.264 Another study that used global DNA methylation and hydroxymethylation analyses demonstrated that DNA demethylation was a miR-29a depletion-mediated process during early reprogramming, and iPSCs produced from miR-29a depletion were epigenetically more similar to ESCs.265 The reprogramming technology to generate iPSCs has matured greatly. iPSCs can be derived from different tissue-specific cell types, such as human endometrial cells, endothelial cells in the placental artery, amnion-derived cells, fibroblast, blood cells, and even cancer cells.264,266 In the terms of differentiation degree, terminally differentiated cells and adult stem cells also could be reprogrammed into iPSCs. Senescent and centenarian cells are revived through pluripotent reprogramming, and the iPSCs produced from these cells have reset telomere length, gene expression‎ profiles, oxidative stress, and mitochondrial metabolism.267 In addition, the fact that these SCs-derived iPSCs can re-differentiate into fully rejuvenated cells further demonstrated that reprogramming is not constrained by cellular senescence and that age-related cellular physiology is reversible.267 There are a variety of strategies to produce iPSCs, including viruses-mediated gene manipulation (e.g., adenoviral gene delivery), non-integrating episomal plasmids, proteins cell membrane-penetrating, the direct transfection of RNA and chemical reprogramming induced by small molecule compounds.268 The evolution of iPSC technology is around the improvement of reprogramming efficiencies and the avoidance of gene risk. Currently, given that each random integration event of a retrovirus poses a possible genetic risk, despite some of these approaches have produced lower efficiency than conventional reprogramming of retroviral administration, they constitute a step closer to therapeutic application.

노화된 체세포의 에피제네틱 시계 재설정 재프로그래밍 전략을 통해 에피제네틱 시계를 재설정하여 완전히 다능성 상태로 전환

우리의 세포, 조직, 장기 생물학적 연령은 DNA 메틸화 프로파일의 변화에 기반한 에피제네틱 시계에 의해 결정됩니다. DNA 메틸화 지시의 제거를 통해 미래 발달에 대한 허가가 변경되고 더 유연하고 다능성 있는 상태로 돌아가는 것이 가능해지며, iPSCs의 생산은 에피제네틱 제약을 우회하고 세포의 젊은 상태를 지원하기 위해 DNA 메틸화 패턴을 변경할 수 있습니다.263 광범위한 DNA 메틸화 분석에 따르면, 장기적인 iPSC 재프로그래밍 동안 유전체 전체에 걸쳐 비정상적인 과메틸화가 무작위로 확산된 후 점차 감소했습니다. 이 세포들은 결국 ESC와 매우 유사하게 적응했습니다.264 전장 DNA 메틸화 및 하이드록시메틸화 분석을 사용한 다른 연구에서는 초기 재프로그래밍 동안 DNA 데메틸화가 miR-29a 고갈에 의해 매개되는 과정임을 보여주었으며, miR-29a 고갈로 생성된 iPSCs는 에피제네틱적으로 ESC와 더 유사했습니다.265 iPSCs를 생성하는 재프로그래밍 기술은 크게 발전했습니다. iPSCs는 인간 자궁 내막 세포, 태반 동맥 내 내피 세포, 양막 유래 세포, 섬유아세포, 혈액 세포, 심지어 암 세포와 같은 다양한 조직 특이적 세포 유형에서 유도될 수 있습니다.264,266 분화 정도 측면에서 최종 분화 세포와 성인 줄기세포도 iPSCs로 재프로그래밍될 수 있습니다. 노화 세포와 100세 이상 세포는 다능성 재프로그래밍을 통해 재생되며, 이러한 세포에서 생성된 iPSCs는 텔로미어 길이, 유전자 발현 프로파일, 산화 스트레스, 미토콘드리아 대사 등이 초기화됩니다.267 또한, 이러한 줄기세포 유래 iPSCs가 완전히 재생된 세포로 재분화될 수 있다는 사실은 재프로그래밍이 세포 노화에 의해 제한되지 않으며, 연령 관련 세포 생리학이 가역적임을 추가로 입증했습니다.267 iPSC를 생산하기 위한 다양한 전략에는 바이러스 매개 유전자 조작(예: 아데노바이러스 유전자 전달), 비통합성 에피소말 플라스미드, 세포막 투과성 단백질, RNA 직접 전사, 소분자 화합물에 의한 화학적 재프로그래밍 등이 포함됩니다.268 iPSC 기술의 발전은 재프로그래밍 효율성 향상과 유전자 위험 회피에 초점을 두고 있습니다. 현재, 레트로바이러스의 무작위 통합 사건이 유전적 위험을 초래할 수 있다는 점을 고려할 때, 일부 접근법은 레트로바이러스 투여를 통한 전통적인 재프로그래밍보다 효율이 낮지만, 치료적 적용에 한 걸음 더 다가섰습니다.

Reduction in epigenetic age by partial reprogramming

Using partial reprogramming, the epigenetic age of cells can be reduced without losing cell identity, suggesting that full reprogramming of iPSCs is not necessary to reverse ageing of somatic cells. The previous study reported that OSKM + LIN28-mediated partial reprogramming in senescent human fibroblasts could result in the recovery of the high mobility of histone protein 1β, a feature characteristic for young fibroblasts.198 Likewise, multiple cellular features of dermal fibroblasts from middle age donors were rejuvenated following partial reprogramming with forced expression‎ of OSKM, including transcriptome, epigenomes such as histone methylation and DNA methylation, and functional rejuvenation.269

Using a non-integrative partial reprogramming protocol with a cocktail of mRNAs carrying OSKM + LIN28, naturally aged human fibroblasts and endothelial cells exhibited a multifaceted alleviation of cellular ageing, such as resetting the epigenetic clock, reducing inflammatory responses in chondrocytes, and restoring youthful regenerative responses to age, in each case without changing cellular identity.270 Besides, OSKM-mediated partial reprogramming also restored youthful gene expression‎ in adipocytes, MSCs, and myogenic cells, and the identity trajectory mapped by single-cell genomics revealed the temporary suppression of somatic identity programs.271 Partial reprogramming emerges as a powerful tool for the restoration of the cell youthful state.

In vivo reprogramming in ameliorating age-related physiological alternations

In vitro cellular reprogramming has observed alleviation of age-associated phenotypes and the reset of age clock. Due to the physiological complexity of the ageing process, it is necessary to study in vivo reprogramming to gain a deeper understanding of how it can affect cellular and organismal ageing. Ocampo et al. reported that transient cyclic induction of OSKM in vivo ameliorated age-associated hallmarks, extended lifespan in progeroid mice, and promoted tissue repair from streptozotocin-induced pancreatic damage as well as cardiotoxin-caused muscle damage, with no resulting teratoma formation.272 In the physiological ageing mice, the rejuvenating effects of long-term partial reprogramming are manifested in different tissues, including the skin and kidneys, as well as at the organismal level, and such effects were related to a reversion of the epigenetic clock and metabolic and transcriptomic changes, containing the decreased expression‎ of genes mediating inflammation, senescence, and stress response pathways.273 Similar studies in naturally aged mice also reported that a single period of OSKM expression‎ can alter epigenetics, transcriptomes, and metabolomes, resulting in a younger configuration in various tissues and in the serum, such as the reversal of DNA methylation changes and transcriptional changes, and the restoration of some ageing-related serum metabolites and biomarkers to young levels.193 In vivo reprogramming may represent an avenue for facilitating tissue repair. For example, expression‎ of OSKM specifically in hepatocytes can dedifferentiate adult hepatocytes into progenitor cells and promote cell proliferation concurrently, and functionally, short-term in vivo reprogramming increases liver plasticity and promotes regeneration.274 Heart-specific in vivo reprogramming also induces adult cardiomyocytes to a fetal state, conferring regenerative capacity to adult hearts. and the short-term OSKM expression‎ reduces myocardial infarction-induced damage and improves cardiac function.274 In vivo reprogramming might also hold a great promise against age-related diseases. In vivo reprogramming with short-term cyclic expression‎ of OSKM also inhibits the progression of intervertebral disc degeneration (IDD), and significantly improves senescence-associated phenotypes in ageing nucleus pulposus cells (NPCs).275 Exception for OSKM, in vivo cyclic expression‎ of the Forkhead box protein M1 (FOXM1) also ameliorates natural and progeroid ageing phenotypes and increases health span.276 Despite the great progress of in vivo reprogramming for cellular rejuvenation, there are some problems and limitations facing us. The first is teratomas, a type of tumor that could be cancerous, which may be attributable to too much OSKM induced by inappropriate dosage.277 Then, in vivo reprogramming is not enough for systemic rejuvenation, because the reprogramming factors fails to be delivered to certain tissues, which also explains why some study switched their focus to local rejuvenation such as NPCs.275 Finally, several ageing hallmarks such as nuclear and mitochondrial DNA mutations, metabolic aggregates in the cell and extracellular matrix, cannot be reset through in vivo partial reprogramming.

부분적 재프로그래밍을 통한 에피제네틱 연령 감소

부분 재프로그래밍을 통해 세포의 에피제네틱 연령을 세포 정체성을 잃지 않고 감소시킬 수 있으며, 이는 체세포의 노화를 역전시키기 위해 iPSC의 완전한 재프로그래밍이 필요하지 않을 수 있음을 시사합니다. 이전 연구에서는 노화된 인간 섬유아세포에서 OSKM+LIN28 매개 부분 재프로그래밍이 젊은 섬유아세포의 특징인 히스톤 단백질 1β의 높은 이동성을 회복시켰다고 보고되었습니다.198 마찬가지로, 중년 기증자의 피부 섬유아세포에서 OSKM의 강제 발현을 동반한 부분 재프로그래밍 후 전사체, 히스톤 메틸화 및 DNA 메틸화와 같은 에피제노믹스, 기능적 재활성화 등 다중 세포적 특징이 재활성화되었습니다.269

OSKM＋LIN28을 포함한 mRNA 칵테일을 사용한 비통합적 부분 재프로그래밍 프로토콜을 적용한 자연 노화 인간 섬유아세포와 내피세포는 세포 정체성을 변경하지 않고도 에피제네틱 시계 재설정, 연골세포의 염증 반응 감소, 연령에 따른 젊은 재생 반응 회복 등 다면적인 세포 노화 완화를 나타냈습니다.270 또한, OSKM 매개 부분 재프로그래밍은 지방세포, MSC, 근원세포에서 젊은 유전자 발현을 복원했으며, 단일 세포 유전체학으로 매핑된 정체성 경로는 체세포 정체성 프로그램의 일시적 억제를 보여주었습니다.271 부분 재프로그래밍은 세포의 젊은 상태 복원을 위한 강력한 도구로 부상하고 있습니다.

생체 내 재프로그래밍을 통한 연령 관련 생리적 변화 완화

체외 세포 재프로그래밍은 연령 관련 형질 완화 및 연령 시계 재설정을 관찰했습니다. 노화 과정의 생리적 복잡성으로 인해, 세포 및 유기체 노화에 미치는 영향을 이해하기 위해 생체 내 재프로그래밍 연구가 필요합니다. Ocampo 등(2023)은 생체 내 일시적 주기적 OSKM 유도(reprogramming)가 노화 관련 특징을 완화하고 프로게로이드 마우스의 수명을 연장하며, 스트렙토조토신으로 유발된 췌장 손상 및 카르디톡신으로 인한 근육 손상으로부터 조직 복구를 촉진했으며, 기형종 형성은 관찰되지 않았다고 보고했습니다.272 생리적 노화 마우스에서, 장기적인 부분 재프로그래밍의 재생 효과는 피부와 신장 등 다양한 조직 및 유기체 수준에서 나타났으며, 이러한 효과는 에피제네틱 시계의 역전과 대사 및 전사체 변화와 관련이 있었으며, 염증, 노화, 스트레스 반응 경로를 매개하는 유전자 발현 감소가 포함되었습니다.273 자연 노화 마우스에서의 유사한 연구에서도 OSKM 발현의 단일 기간이 에피제네틱, 전사체, 대사체 변화를 유발하여 다양한 조직과 혈청에서 젊은 구성으로 전환되는 것을 보여주었습니다. 예를 들어 DNA 메틸화 변화와 전사 변화의 역전, 일부 노화 관련 혈청 대사체 및 바이오마커의 젊은 수준으로의 회복 등이 포함됩니다.193 생체 내 재프로그래밍은 조직 복구를 촉진하는 새로운 접근 방식이 될 수 있습니다. 예를 들어, 간세포에서 OSKM을 특이적으로 발현하면 성체 간세포를 전구세포로 분화 역전시키고 동시에 세포 증식을 촉진하며, 기능적으로 단기 체내 재프로그래밍은 간 가소성을 증가시키고 재생 능력을 향상시킵니다.274 심장 특이적 체내 재프로그래밍은 성체 심근세포를 태아 상태로 유도하여 성체 심장에 재생 능력을 부여합니다. 또한 단기 OSKM 발현은 심근경색으로 인한 손상을 감소시키고 심장 기능을 개선합니다.274 체내 재프로그래밍은 노화 관련 질환에 대한 큰 잠재력을 지닐 수 있습니다. OSKM의 단기 주기적 발현을 동반한 체내 재프로그래밍은 추간판 퇴화(IDD)의 진행을 억제하며, 노화 핵수질 세포(NPCs)의 노화 관련 표현형을 유의미하게 개선합니다.275 OSKM을 제외하고, 체내에서 포크헤드 박스 단백질 M1(FOXM1)의 주기적 발현도 자연적 및 프로게이드 노화 표현형을 완화하고 건강 수명을 연장합니다.276 체내 재프로그래밍을 통한 세포 재생을 위한 큰 진전에도 불구하고, 우리 앞에 몇 가지 문제와 한계가 존재합니다. 첫째, OSKM의 부적절한 용량으로 인해 암성 종양인 테라토마가 발생할 수 있습니다.277 둘째, 체내 재프로그래밍은 시스템적 재생을 위해 충분하지 않습니다. 재프로그래밍 인자가 특정 조직에 전달되지 않기 때문이며, 이는 일부 연구가 NPC와 같은 국소적 재생으로 초점을 전환한 이유를 설명합니다.275 마지막으로, 핵 및 미토콘드리아 DNA 변이, 세포 내 대사 집합체, 세포 외 기질과 같은 여러 노화 표지자는 체내 부분 재프로그래밍을 통해 재설정할 수 없습니다.

Epigenetic drugs

Currently, “epigenetic drugs” such as those that modulate enzymes that cause epigenetic changes are being considered as potential treatments against ageing. DNA methylation-targeted drugs mainly contain DNA methyltransferase inhibitors, like 5-Azacytidine. The removal of DNA methylation is a prerequisite for epigenetic rejuvenation and the generation of iPSCs.265 5-Azacytidine was used to facilitate the reprogramming of human fibroblast into iPSCs by overcoming epigenetic barriers.268 Besides, brief methylation inhibition with 5-Azacytidine could confer human dermal fibroblasts a relaxed chromatin structure and short plasticity, and the 5-Azacytidine-treated fibroblasts exhibited the upregulation of pluripotency gene expression‎ and differentiation capacity towards other germ layers.278 Bromodomain and extra-terminal inhibitors (BETi) that work to repress transcriptional elongation of acetylated chromatin are also for stem cell rejuvenation. BETi has exhibited the effect to induce keratinocytes dedifferentiation, to enhance the migratory ability in keratinocytes in vitro, and to promote skin wound healing in vivo.279 Then, the high throughput chemical screening discovered I-BET151 can robustly contribute to the expansion of PDX1+NKX6.1+ pancreatic progenitors (PPs), and these expandable PPs (ePPs) maintain pancreatic progenitor cell status in the long term and can efficiently differentiate into functional pancreatic β (ePP-β) cells, which optimize the stem cell therapy in the amelioration of diabetes.280 Histone methylation inhibitors have been reported to re-activate stemness-related genes. The 3-deazaneplanocin A (DZNep) compound, which specifically inhibits H3K27me3 and H4K20me3, is crucial for activating OCT4 during iPSC reprogramming.281 Another intriguing family of anti-ageing drugs that can significantly contribute to the fight against ageing and age-related disorders are histone deacetylase (HDAC) inhibitors. HDAC inhibitors have the ability to reverse the deacetylation of histone tails and trigger the expression‎ of specific genes.282

Rejuvenating strategy by clearance of SCs and decreasing SASPElimination of SCs using genetic approaches

Recent advances in our understanding of gene manipulation against age and age-related diseases have prompted several distinct interventional strategies. The first one is the repression of senescence-associated genes to delay or reverse senescence. For example, identifying the driving role of the histone acetyltransferase gene KAT7 in senescence in the Werner syndrome (WS) and Hutchinson-Gilford progeria syndrome (HGPS) models via genome-wide CRISPR-Cas9-based screening. Intravenous administration of lentiviral vectors containing Cas9/sg-KAT7 reduced liver ageing and increased lifespan in progeroid and physiologically old mice.283 Many genes driving senescence and mediating ageing-related disease have been revealed in the past year, and some resource tools also have been developed to facilitate the identification of genes related to cellular senescence and age, including SeneQuest (available at http://Senequest.net) and GenAge: The Ageing Gene Database (available at https://genomics.senescence.info). These ageing-associated genes provide the therapeutic targets for rejuvenation via gene ablation Then, targeting the inhibition of anti‐apoptotic regulators to increase the susceptibility SCs to apoptosis is another approach to eliminating SCs. Analysis of proteomic and transcriptomic datasets revealed senescent cell antiapoptotic pathways (SCAPs), covering Bcl-2 family members, ephrins, PI3K isoforms, p21CIP1, HIF-1α, and plasminogen-activated inhibitors 1 and 2 (PAI-1 and -2), were indeed more highly expressed in senescent than non-senescent cells, which is responsible for the resistance of SCs to apoptosis.284 The small interfering RNAs (siRNAs) against these anti‐apoptotic regulators were effective in killing SCs.285 However, more than one SCAP pathway mediate the resistance to apoptosis, so the gene ablation targeting a single SCAP pathway may be poor. Furthermore, the dominant SCAPs also vary with different cell types, which expands the limitations of genetic silence of SCAPs to remove SCs. Genetic strategy against senescence also can be achieved by overexpression‎ of longevity gene to reset gene expression‎ in SCs. Telomerase reverse transcriptase (TERT) and follistatin (FST) gene therapy using high-capacity cytomegalovirus vector by intranasal inhalation or injection significantly improved phenotypes associated with healthy ageing and extended lifespan in mice without severe side effects.286 Specifically, glucose tolerance and physical performance were significantly enhanced. Further, TERT reduced the telomere shortening associated with ageing, and both therapies halted the degeneration of the mitochondrial structure.286 A clinical trial about TERT gene therapy with adeno-associated virus (AAV) vector to reverse ageing has been approved, and it is also the first clinical trial of genetic editing against ageing that was registered in Clinicaltrials.gov in the world (NCT04133649). Another study reported the gene therapy with three longevity genes (FGF21, sTGF-βR2, and αKlotho) treated multiple age-related diseases.287 In obese and diabetic mice, the findings demonstrated that FGF21 alone totally reversed weight gain and type II diabetes, and that when combined with sTGF-R2, renal fibrosis in mice reduced renal atrophy by 75%. Administration of sTGF-βR2 alone or in combination with two other genes improved cardiac function by 58% in mice with heart failure, indicating that the combination of FGF21 and sTGF-βR2 successfully treated all four diseases with improved health and survival. Importantly, the injected gene did not change the animal’s native DNA, remained separate from its natural genome at all times, or transmit between living things or to subsequent generations.287 These results demonstrate the potential of single or combination gene therapy to treat ageing and ageing-related diseases.

Pharmacological intervention targeting SCs

The association between SCs burden and health span helps to discover chemicals that selectively remove senescent cells. The fact that SCs exhibit resistance to apoptosis supports the idea that these SCs rely on antiapoptotic, pro-survival mechanisms to prevent self-destruction.288 Recent advances have evoked the development of senolytic compounds that work to target the SCAP network nodes and impair the defenses of SCs against apoptosis. Based on bioinformatic analysis, forty-six compounds that target SCAP pathways have been identified as possibly senolytic.284 Senolytic drugs with established safety profiles or FDA approval for additional human purposes were initially and purposefully chosen for further study in order to speed the transition from the bench to the bedside, such as SRC/tyrosine kinase inhibitor dasatinib (D), natural flavonoids quercetin (Q) and fisetin (F). D has the ability to trigger apoptosis brought on by dependency receptors, like as ephrins, in part through blocking Src kinase.289 Senolytic flavonoids primarily induce apoptosis by blocking members of the BCL2 family such BCLxL, as well as HIF-1 and other SCAP network elements.290 Because the different contributions of nodes across the SCAP network in SCs subpopulations, senolytic drugs have cell or tissue-specific sensitivity. For example, senescent human pre-adipocytes or MSCs are susceptible to D but not Q or F, while senescent HUVECs are susceptible to Q or F but not D.284 Likewise, targeting a single SCAP may not be effective in getting rid of SCs due to the heterogeneity of SCAPs among various types of senescent cells. Either D or Q alone has the inability to eliminate senescent mesenchymal embryonic fibroblasts from Ercc1−/− mice and bone marrow mesenchymal progenitors from old mice, but the combination of these agents can do that.284 In vivo experiment revealed that, both in senescent cell-transplanted young mice and naturally aged mice, intermittent oral administration of D + Q alleviated physical dysfunction and reduced mortality hazard to 65%, and meanwhile increased post-treatment survival by 36% while.291 Senolytic agents that focus on a single SCAP node tend to trigger apoptosis in a restricted range of SCs types. Navitoclax (ABT-263), a potent antagonist of BCL-2 and BCL-xL, eliminates senescent myocytes and hematopoietic stem cells but not senescent pre-adipocyte.292 As specific BCL-xL inhibitors, A1331852 and A1155463 have senolytic activity against HUVECs and IMR90 cells. albeit not senescent human pre-adipocytes.290 The discovery of SCAPs promotes the occurrence of more senolytic strategies, and senolytic drugs hold great promise in treating ageing-related diseases.

에피제네틱 약물

현재 에피제네틱 변화를 유발하는 효소를 조절하는 약물과 같은 “에피제네틱 약물”이 노화 치료제로 고려되고 있습니다. DNA 메틸화 표적 약물은 주로 DNA 메틸전달효소 억제제인 5-아자시티딘을 포함합니다. DNA 메틸화의 제거는 에피제네틱 재생을 위한 전제 조건이며 iPSC 생성에도 필수적입니다.265 5-아자시티딘은 에피제네틱 장벽을 극복하여 인간 섬유아세포를 iPSC로 재프로그래밍하는 데 사용되었습니다.268 또한, 5-아자시티딘으로 인한 일시적인 메틸화 억제는 인간 피부 섬유아세포에 이완된 염색질 구조와 짧은 가소성을 부여했으며, 5-아자시티딘 처리된 섬유아세포는 다능성 유전자 발현과 다른 배아층으로의 분화 능력이 증가했습니다.278 아세틸화된 염색질의 전사 연장 억제를 통해 작용하는 브로모도메인 및 엑스트라-터미널 억제제(BETi)도 줄기세포 재생을 위해 연구되고 있습니다. BETi는 케라티노사이트의 분화 역전, 체외에서 케라티노사이트의 이동 능력 향상, 체내에서 피부 상처 치유 촉진 효과를 나타냈습니다.279 이후 고효율 화학 스크리닝을 통해 I-BET151이 PDX1+NKX6.1+ 췌장 전구세포(PPs)의 확장에 강력히 기여한다는 것이 발견되었으며, 이 확장 가능한 PP(ePP)는 장기적으로 췌장 전구세포 상태를 유지하며 기능적 췌장 β 세포(ePP-β)로 효율적으로 분화되어 당뇨병 개선을 위한 줄기세포 치료를 최적화합니다.280 히스톤 메틸화 억제제는 줄기세포 관련 유전자의 재활성화를 유도하는 것으로 보고되었습니다. H3K27me3 및 H4K20me3를 특이적으로 억제하는 3-deazaneplanocin A(DZNep) 화합물은 iPSC 재프로그래밍 과정에서 OCT4 활성화를 위해 필수적입니다.281 노화 및 노화 관련 질환과의 싸움에 크게 기여할 수 있는 또 다른 흥미로운 항노화 약물 가족은 히스톤 탈아세틸화 효소(HDAC) 억제제입니다. HDAC 억제제는 히스톤 꼬리의 탈아세틸화를 역전시키고 특정 유전자 발현을 촉진하는 능력을 갖추고 있습니다.282

SC 제거 및 SASP 감소 통한 재활성화 전략유전적 접근법을 활용한 SC 제거

노화와 노화 관련 질환에 대한 유전자 조작에 대한 이해의 진전은 여러 가지 독특한 개입 전략을 촉진했습니다. 첫 번째 전략은 노화 관련 유전자의 억제를 통해 노화를 지연하거나 역전시키는 것입니다. 예를 들어, Werner 증후군(WS)과 Hutchinson-Gilford 조기 노화 증후군(HGPS) 모델에서 전장 유전체 CRISPR-Cas9 기반 스크리닝을 통해 히스톤 아세틸전달 효소 유전자 KAT7의 노화 촉진 역할을 규명했습니다. 정맥 내 투여된 Cas9/sg-KAT7을 포함한 렌티바이러스 벡터는 프로제오이드 및 생리적으로 노화된 쥐에서 간 노화를 감소시키고 수명을 연장시켰습니다.283 지난 1년간 노화 및 노화 관련 질환을 유발하는 많은 유전자들이 밝혀졌으며, 세포 노화와 연령과 관련된 유전자 식별을 돕기 위한 일부 자원 도구도 개발되었습니다. 이 중에는 SeneQuest(http://Senequest.net)와 GenAge: The Ageing Gene Database (https://genomics.senescence.info)에서 이용 가능) 등이 있습니다. 이러한 노화 관련 유전자는 유전자 제거를 통한 재생을 위한 치료 표적을 제공합니다. 또한, 세포 노화(SCs)의 세포 사멸에 대한 감수성을 증가시키기 위해 항아포토시스 조절 인자의 억제를 표적으로 하는 것은 SCs를 제거하는 또 다른 접근 방식입니다. 프로테오믹스와 트랜스크립토믹스 데이터셋 분석을 통해 세포 노화 항아포토시스 경로(SCAPs)가 밝혀졌으며, 이는 Bcl-2 가족 구성원, 에프린, PI3K 이소형, p21CIP1, HIF-1α, 플라스미노겐 활성화 억제제 1과 2(PAI-1과 -2)가 노화 세포에서 비노화 세포보다 훨씬 더 높게 발현되었으며, 이는 SCs의 아포토시스 저항성에 책임이 있습니다.284 이러한 항아포토시스 조절 인자를 표적으로 하는 소형 간섭 RNA(siRNA)는 SCs를 죽이는 데 효과적이었습니다.285 그러나 아포토시스 저항성을 매개하는 SCAP 경로는 하나 이상 존재하므로 단일 SCAP 경로를 표적으로 하는 유전자 제거 전략은 효과적이지 않을 수 있습니다. 또한 주요 SCAP은 세포 유형에 따라 달라지며, 이는 SCAP의 유전적 침묵을 통해 SC를 제거하는 데 한계가 있음을 의미합니다. 노화 억제를 위한 유전적 전략은 SC의 유전자 발현을 재설정하기 위해 장수 유전자의 과발현을 통해 달성될 수 있습니다. 고용량 사이토메갈로바이러스 벡터를 이용한 테로메라제 역전사 효소(TERT) 및 폴리스틴(FST) 유전자 치료는 비강 흡입 또는 주사 방식으로 투여 시 심각한 부작용 없이 건강한 노화와 관련된 형질 개선 및 수명 연장을 유의미하게 개선했습니다.286 구체적으로, 포도당 내성과 신체 성능이 유의미하게 향상되었습니다. 또한 TERT는 노화 관련 텔로미어 단축을 감소시켰으며, 두 치료법 모두 미토콘드리아 구조의 퇴화를 중단시켰습니다.286 TERT 유전자 치료를 아데노연관 바이러스(AAV) 벡터를 사용하여 노화를 역전시키는 임상 시험이 승인되었으며, 이는 세계에서 Clinicaltrials.gov에 등록된 첫 번째 노화 대비 유전자 편집 임상 시험입니다(NCT04133649). 또 다른 연구에서는 세 가지 장수 유전자(FGF21, sTGF-βR2, αKlotho)를 이용한 유전자 치료가 다중 노화 관련 질환을 치료했습니다.287 비만 및 당뇨병 마우스에서 FGF21 단독 투여는 체중 증가와 제2형 당뇨병을 완전히 역전시켰으며, sTGF-R2와 결합 시 마우스의 신장 섬유화를 75% 감소시켜 신장 위축을 억제했습니다. sTGF-βR2 단독 투여 또는 다른 두 유전자와 결합 시 심부전 마우스의 심장 기능이 58% 개선되었으며, 이는 FGF21과 sTGF-βR2의 조합이 건강과 생존율을 개선하며 네 가지 질환을 모두 성공적으로 치료했음을 나타냅니다. 중요하게도, 주입된 유전자는 동물의 원래 DNA를 변경하지 않았으며, 자연 유전체와 항상 분리되어 있었고, 살아있는 생물체 간 또는 후손으로 전달되지 않았습니다.287 이 결과는 단일 또는 조합 유전자 치료가 노화와 노화 관련 질환을 치료하는 데 잠재력을 가지고 있음을 보여줍니다.

Immune-mediated SC clearance

Despite the apoptotic SCs induced by senolytic strategies, such apoptotic cells are still finally removed by the immune system. NK cells, macrophages, and cytotoxic T cells are innate and adaptive immune cells that carry out immunosurveillance of SCs and play a crucial role in their elimination when they are young or under physiological conditions. The interaction between the activating NKG2D receptor and its ligands expressed on SCs determines the involvement of NK cells in the elimination of SCs. In cycling human endometrium, decidual senescence is required to support embryonic implantation, and acute decidual senescence can promote the release of IL-15 and attract uterine NKs, further selectively targeting and clearing senescent decidual cells through the interaction of NKG2D and DNAM1 receptors-mediated granule exocytosis.293 SCs can also be eliminated by tissue-resident macrophages or circulating monocytes (MOs). After delivery, MOs are crucial in removing senescent uterine cells to preserve postpartum uterine activity, which helps to maintain the likelihood that a second pregnancy would be successful.294 T cells are also essential players in immune surveillance and healthy longevity. Similar to NKs, CD8 + cytotoxic T cells can function by granular exocytosis and express the same receptor, NKGD2, to identify SCs.295 By identifying MHC II molecules, CD4+ cytotoxic T lymphocytes can directly destroy senescent tumor cells. Accumulating evidences have demonstrated that SCs could be cleared by immune cells, which could be a lever for lowering the burden of SCs. Future researches need to focus on new approaches, such as the use of chimeric antigen receptors (CAR) or modified T-cell receptors to enhance immune cells’ capacity to recognize and eliminate SCs, or explore various approaches including vaccines and small molecule immunomodulators, to enhance the selectivity and efficiency of immune clearance.

SC를 표적으로 한 약리학적 개입

SC 부하와 건강 수명의 연관성은 노화 세포를 선택적으로 제거하는 화합물을 발견하는 데 도움을 줍니다. SC가 아포토시스 저항성을 보인다는 사실은 이러한 SC가 자멸을 방지하기 위해 아포토시스 억제 및 생존 촉진 메커니즘에 의존한다는 가설을 지지합니다.288 최근 진전은 SCAP 네트워크 노드를 표적화하고 SC의 아포토시스 방어 메커니즘을 손상시키는 세노리틱 화합물의 개발을 촉진했습니다. 생물정보학 분석을 기반으로 SCAP 경로를 표적하는 46개의 화합물이 잠재적 세노리틱 화합물로 식별되었습니다.284 안전성 프로파일이 확립되었거나 FDA 승인을 받은 추가 인간 용도 세노리틱 약물은 벤치에서 병상으로의 전환을 가속화하기 위해 초기 단계에서 의도적으로 선택되었습니다. 예를 들어 SRC/티로신 키나제 억제제 다사티닙(D), 자연 유래 플라보노이드 케르세틴(Q) 및 피세틴 (F) 등이 포함됩니다. D는 Src 키나아제 차단 등을 통해 ephrin과 같은 의존성 수용체에 의해 유발되는 세포 사멸을 촉발하는 능력을 가지고 있습니다.289 세노리틱 플라보노이드는 주로 BCL2 가족의 구성원인 BCLxL, HIF-1 및 기타 SCAP 네트워크 요소를 차단함으로써 세포 사멸을 유도합니다.290 SCAP 네트워크 내 노드의 서로 다른 기여도로 인해 SC 하위 집단에서 세노리틱 약물은 세포나 조직 특이적 감수성을 보입니다. 예를 들어, 노화된 인간 전지방세포나 MSC는 D에 민감하지만 Q나 F에는 민감하지 않으며, 노화된 HUVECs는 Q나 F에 민감하지만 D에는 민감하지 않습니다.284 마찬가지로, SCAP의 이질성으로 인해 다양한 유형의 노화된 세포에서 SC를 제거하기 위해 단일 SCAP을 표적화하는 것은 효과적이지 않을 수 있습니다. D 또는 Q 단독으로는 Ercc1−/− 마우스의 노화 중간엽 배아 섬유아세포나 노화 마우스의 골수 중간엽 전구세포를 제거할 수 없지만, 이 두 약물의 조합은 이를 달성할 수 있습니다.284 생체 내 실험 결과, 노화 세포를 이식한 젊은 쥐와 자연 노화 쥐 모두에서 D＋Q의 간헐적 경구 투여는 신체 기능 장애를 완화하고 사망 위험을 65% 감소시켰으며, 동시에 치료 후 생존율을 36% 증가시켰습니다.291 단일 SCAP 노드를 표적하는 노화 세포 제거제는 특정 유형의 SC에서만 아포토시스를 유발하는 경향이 있습니다. Navitoclax (ABT-263)는 BCL-2 및 BCL-xL의 강력한 억제제로, 노화 근육 세포와 혈액 줄기 세포를 제거하지만 노화된 전지방 세포는 제거하지 않습니다.292 BCL-xL의 특정 억제제인 A1331852와 A1155463은 HUVECs 및 IMR90 세포에 대해 세노리틱 활성을 나타냅니다. 그러나 노화 인간 전지방세포에는 작용하지 않습니다.290 SCAP의 발견은 더 많은 노화세포 제거 전략의 개발을 촉진하며, 노화세포 제거 약물은 노화 관련 질환 치료에 큰 잠재력을 가지고 있습니다.

면역 매개 SC 제거

노화세포 제거 전략에 의해 유도된 세포사멸성 SC는 결국 면역 체계에 의해 제거됩니다. NK 세포, 대식세포, 세포독성 T 세포는 SC의 면역 감시를 수행하는 선천적 및 적응성 면역 세포로, 젊은 상태나 생리적 조건에서 SC 제거에 중요한 역할을 합니다. SC에 발현된 활성화 NKG2D 수용체와 그 리간드 간의 상호작용은 NK 세포의 SC 제거 참여를 결정합니다. 인간 자궁 내막의 주기적 변화에서 decidual 노화는 배아 착상을 지원하기 위해 필요하며, 급성 decidual 노화는 IL-15 분비를 촉진하고 자궁 NK 세포를 유인하여 NKG2D 및 DNAM1 수용체 매개 과립 분비 통해 노화된 decidual 세포를 선택적으로 표적화하고 제거합니다.293 SC는 조직 거주성 대식세포 또는 순환성 단핵구 (MOs)에 의해 제거될 수 있습니다. 분만 후 MOs는 분만 후 자궁 활동을 유지하여 두 번째 임신 성공 가능성을 높이기 위해 노화된 자궁 세포를 제거하는 데 필수적입니다.294 T 세포는 면역 감시와 건강한 장수에도 필수적인 역할을 합니다. NK와 유사하게, CD8+ 세포독성 T 세포는 소체 분비 작용을 통해 기능하며 동일한 수용체인 NKGD2를 발현하여 SC를 식별합니다.295 MHC II 분자를 식별함으로써 CD4+ 세포독성 T 림프구는 노화 종양 세포를 직접 파괴할 수 있습니다. 축적된 증거는 SC가 면역 세포에 의해 제거될 수 있음을 보여주며, 이는 SC의 부담을 줄이는 데 활용될 수 있는 잠재적 메커니즘입니다. 미래 연구는 면역 세포의 SC 인식 및 제거 능력을 강화하기 위해 키메라 항원 수용체(CAR)나 수정된 T 세포 수용체를 활용하는 새로운 접근법, 또는 백신과 소분자 면역 조절제를 포함한 다양한 방법을 탐구하여 면역 제거의 선택성과 효율성을 향상시키는 데 초점을 맞춰야 합니다.

Inhibition of SASP

SASP inhibitors, also named senomorphics, target pathways such as p38 MAPK, JAK/STAT pathway, and ILs, further attenuating the SASP of SCs. Suppressing the SASP also has been an alternative strategy for combating cellular senescence-associated phenotypes or diseases. p38MAPK is the MAPK family member and also an important regulator of the SASP, and p38MAPK inhibitors including SB203580, UR-13756, and BIRB 796, potently suppressed SASP expression‎ in SCs.296 JAK inhibitors repress SASP function, alleviate systemic inflammation, and eventually enhance physical function.297 Glucocorticoids act as potent inhibitors of selected pro-inflammatory cytokines (IL-6, IL-1α, and MCP-1).298 As a flavonoid, apigenin (4’,5,7,-trihydroxyflavone) could suppress the level of IL-1α, IL-6, and CXCL10, and attenuate inflammation as well as the related chronic diseases of ageing.299 ROCK inhibitor Y-27632 is also recognized as a senomorphic drug, which has the ability to reduce levels of pro-inflammatory cytokines secreted by senescent normal and dysplastic oral keratinocytes but with no effect on the permanent cell growth arrest.300 Alternatively, senomorphics may be achieved by specific neutralizing antibodies against individual SASP factors. Of note, unlike the intermittent administration of senolytic drugs, most SASP inhibitors are needed to maintain suppression of SASP in a manner of continuous treatment, which raises the likelihood of side effects compared to senolytics taken on an intermittent schedule.

Rejuvenating strategies to restore aged stem cell functionsImproving metabolism in aged stem cells

The metabolic disturbance is known to drive the function decline of adult stem cells with respect to ageing, and the mechanism by which nutrient-sensitive signaling pathways such as the mTOR and AMPK pathways play a central role.301 Targeting nutrient-sensitive signaling pathways to regulate metabolism homeostasis may be the alternative strategy to rejuvenate aged stem cells.

Rapamycin’s suppression of mTORC1 slows the ageing of mouse long-term stem cells (LT-HSCs) by maintaining their ability to self-renew and produce blood cells.302 Rapamycin also rescues adult EpSCs exhaustion and the resulting progressive hair loss in mice.303 In addition, rapamycin improves MuSCs function through induction of autophagy in the Ercc1-/Δ progeria mouse model.304 In the Zmpste24-/- progeria mouse model, rapamycin-treated primary MuSCs could restore differentiation and proliferation potential and reverse senescence.305 Despite the well-established effects of rapamycin on lifespan, it remains debated whether this drug is rejuvenating compound. Long-term (1 year) rapamycin treatment increased memory and learning in both young and old mice, but it also improved some of these traits in young animals, suggesting that rapamycin has beneficial effects that are age-independent.306

Metformin also contributes to metabolic-induced rejuvenation by regulating nutrient-sensitive signaling.306 Metformin has been shown to extend longevity and improve health in mice and C. elegans by activating AMPK in a LKB1-dependent mechanism.307 Metformin also prevents the AGEs-induced inflammatory damage and neuronal dysfunction in human neural progenitor cells through activating AMPK.308 Similarly, metformin rejuvenates ageing oligodendrocyte progenitor cells and restores CNS remyelination capacity by activating the AMPK-mediated mechanism.309 Metformin is also shown to directly inhibit mTORC1 for improving the stemness and alleviating senescence of stem cells, such as the reversal of ageing-associated characteristics in intestinal stem cells.310 Using metformin to improve metabolism for cell rejuvenation and the treatment of age and age-related diseases such as degenerative skeletal diseases is proved to be promising.311

SASP 억제

SASP 억제제(senomorphics)는 p38 MAPK, JAK/STAT 경로, ILs 등 경로를 표적화하여 SC의 SASP를 추가로 억제합니다. SASP 억제는 세포 노화 관련 표현형이나 질환을 극복하기 위한 대체 전략으로도 제시되고 있습니다. p38MAPK는 MAPK 가족의 일원이며 SASP의 중요한 조절자입니다. p38MAPK 억제제인 SB203580, UR-13756, BIRB 796은 SC에서 SASP 발현을 강력히 억제했습니다.296 JAK 억제제는 SASP 기능을 억제하고 전신 염증을 완화하며 결국 신체 기능을 향상시킵니다.297 글루코코르티코이드(glucocorticoids)는 선택적 프로염증성 사이토킨(IL-6, IL-1α, MCP-1)의 강력한 억제제로 작용합니다.298 플라보노이드인 아피제닌(4’,5,7-트리하이드록시플라본)은 IL-1α, IL-6, 및 CXCL10의 수준을 억제하며, 그리고 염증을 완화하며 노화와 관련된 만성 질환을 개선합니다.299 ROCK 억제제 Y-27632는 노화 유사 약물로 인정되며, 노화된 정상 및 이상 발달 구강 각질세포에서 분비되는 염증성 사이토카인의 수준을 감소시키지만 영구적인 세포 성장 정지에는 영향을 미치지 않습니다.300 대안으로, SASP 인자별 특정 중화 항체를 통해 노화 유사 효과를 달성할 수 있습니다. 참고로, 세노리틱 약물의 간헐적 투여와 달리 대부분의 SASP 억제제는 SASP 억제를 유지하기 위해 지속적인 치료가 필요하며, 이는 간헐적 투여 일정으로 복용하는 세노리틱 약물보다 부작용 발생 가능성이 높습니다.

노화된 줄기세포 기능 회복을 위한 재생 전략노화된 줄기세포의 대사 개선

대사 장애는 노화에 따른 성인 줄기세포 기능 저하의 주요 원인으로 알려져 있으며, mTOR 및 AMPK와 같은 영양소 민감성 신호 전달 경로가 이 과정에서 중심적인 역할을 합니다.301 영양소 민감성 신호 전달 경로를 표적화하여 대사 균형을 조절하는 것은 노화된 줄기세포를 재생시키는 대체 전략이 될 수 있습니다.

라파마이신은 mTORC1 억제를 통해 마우스 장기 줄기세포(LT-HSCs)의 노화를 늦추며, 자기 재생 능력과 혈액 세포 생산 능력을 유지합니다.302 라파마이신은 마우스에서 성인 EpSCs의 소진과 그로 인한 진행성 탈모를 회복시킵니다.303 또한, 라파마이신은 Ercc1-/Δ 프로게리아 마우스 모델에서 자가포식을 유도하여 MuSC의 기능을 개선합니다.304 Zmpste24-/- 프로게리아 마우스 모델에서 라파마이신으로 치료한 1차 MuSC는 분화 및 증식 잠재력을 회복하고 노화를 역전시킬 수 있었습니다.305 라파마이신이 수명에 미치는 효과는 잘 알려져 있지만, 이 약물이 회춘 화합물인지 여부는 여전히 논란이 있습니다. 장기(1년) 라파마이신 투여는 젊은 쥐와 노령 쥐 모두에서 기억력과 학습 능력을 향상시켰으며, 젊은 동물에서 일부 특성을 개선해 라파마이신이 연령에 독립적인 유익한 효과를 가질 수 있음을 시사합니다.306

메트포르민은 영양 민감성 신호전달을 조절함으로써 대사 유발 노화 역전에도 기여합니다.306 메트포르민은 LKB1 의존적 메커니즘을 통해 AMPK를 활성화함으로써 쥐와 C. elegans에서 수명을 연장하고 건강을 개선하는 것으로 나타났습니다.307 메트포르민은 또한 AMPK 활성화를 통해 인간 신경 전구 세포에서 AGEs 유발 염증 손상과 신경 기능 장애를 예방합니다.308 마찬가지로, 메트포민은 AMPK 매개 메커니즘을 활성화하여 노화된 올리고덴드로사이트 전구 세포를 젊어지게 하고 중추 신경계(CNS)의 재미엘린화 능력을 회복시킵니다.309 메트포민은 또한 mTORC1을 직접 억제하여 줄기 세포의 줄기 세포 특성을 개선하고 노화를 완화하며, 장 줄기 세포에서 노화 관련 특성의 역전과 같은 효과를 보여줍니다.310 메트포르민을 사용하여 세포의 젊어짐과 퇴행성 골격 질환과 같은 노화 및 노화 관련 질환의 치료를 위한 대사 개선은 유망한 것으로 입증되었습니다.311

Targeting DNA repair pathways to rescue aged stem cell functions

To maintain genomic integrity and tissue homeostasis, adult tissue-specific stem and progenitor cells have defensive mechanisms that reduce endogenous DNA damage. However, the DNA repair response in stem cells declines with ageing, which results in the loss of stem cell properties and DNA damage-caused cellular senescence and organ atrophy.312 Identifying a suitable target to promote DNA repair may contribute to rescuing the DNA damage-induced function loss in aged stem cells. NAD+, as hydride-accepting coenzyme, is involved in the DNA repair and preservation of genome stability, and the increased NAD+ level reduces DNA damage.313 NAD+ can act as a substrate for PARP and SIRTs and provide adenylate for DNA ligase IV, facilitating nuclear DNA repair.313 NAD+ levels can be increased by supplementation with nicotinamide mononucleotide (NMN), inhibiting NAD+-consuming enzymes, and regulating NAD+ biosynthetic enzymes, in which NMN is widely used. In telomere-dysfunctional animals, administration of the NMN preserves telomere length, inhibits the DNA damage response and p53, enhances mitochondrial activity, and reverses liver fibrosis.314 NMN alleviates retina damage, drops DNA damage by 50%, and eliminates SCs in age-related macular degeneration models.315 NMN protects skin cells such as keratinocytes from UV radiation-caused DNA damage by enhancing DNA repair, contributing to reverse skin ageing.316

Reversing stem cell ageing by improving protein homeostasis

The conducive effect of proteostasis loss on stem cell ageing inspires the strategy of protein homeostasis to protect stem cell function. Chemical/biochemical therapy is an important approach capable of inhibiting the protein aggregation process, and it has received extensive research in “protein misfolding neurodegenerative diseases (PMND)”. Numerous chemical chaperones, including 4-Phenylbutyric Acid (4-PBA) and its derivatives, have been shown to exhibit anti-amyloidogenic activity and to prevent misfolding protein aggregation. By increasing partially folded proteins and stabilizing their more compact native structures, 4-PBA can reduce the formation of unfolded aggregates and increase the pool of folding intermediates. It can also change the structure of Hsps to increase the exposure of hydrophobic surfaces, which improves Hsp chaperone activities.317 In the face of misfolding-induced stress, 4-PBA can elevate the proteostasis ability via activating the heat shock response (HSR) and UPRmt pathway.318 As dual-targeting drugs, chalcone-based derivatives, including nordihydroguaiaretic acid (NDGA), curcumin, resveratrol, quercetin, and isoliquiritigenin, can target both amyloid aggregations and the proteostasis network in vivo.319 The mechanism is partially linked to Hsps-containing protein complexes and ER stress-mediated cellular activity.

DNA 복구 경로를 표적으로 하여 노화된 줄기세포 기능을 회복하기

유전체 무결성과 조직 항상성을 유지하기 위해 성인 조직 특이적 줄기세포와 전구세포는 내인성 DNA 손상을 줄이는 방어 메커니즘을 갖추고 있습니다. 그러나 줄기세포의 DNA 복구 반응은 노화 과정에서 감소하며, 이는 줄기세포 특성의 상실과 DNA 손상으로 인한 세포 노화 및 장기 위축을 초래합니다.312 DNA 복구를 촉진하기 위한 적절한 표적을 식별하는 것은 노화된 줄기세포의 DNA 손상으로 인한 기능 손실을 회복하는 데 기여할 수 있습니다. NAD+는 수소화 수용 코엔자임으로 DNA 복구 및 유전체 안정성 유지에 관여하며, NAD+ 수준 증가가 DNA 손상을 감소시킵니다.313 NAD+는 PARP 및 SIRTs의 기질로 작용하며 DNA 리가제 IV에 아데닐레이트를 공급하여 핵 내 DNA 수리를 촉진합니다.313 NAD+ 수준은 니코틴아미드 모노뉴클레오티드(NMN) 보충, NAD+ 소비 효소 억제, NAD+ 생합성 효소 조절을 통해 증가시킬 수 있으며, 이 중 NMN은 널리 사용됩니다. 텔로미어 기능 장애 동물에서 NMN 투여는 텔로미어 길이를 유지하고 DNA 손상 반응 및 p53을 억제하며 미토콘드리아 활성을 향상시키고 간 섬유화를 역전시킵니다.314 NMN은 망막 손상을 완화하고 DNA 손상을 50% 감소시키며 그리고 연령 관련 황반 변성 모델에서 SC를 제거합니다.315 NMN은 DNA 수리 능력을 향상시켜 자외선 방사선으로 인한 DNA 손상으로부터 케라티노사이트와 같은 피부 세포를 보호하며, 피부 노화 역전에 기여합니다.316

줄기세포 노화 역전: 단백질 항상성 개선

단백질 항상성 상실이 줄기세포 노화에 미치는 유익한 효과는 줄기세포 기능을 보호하기 위한 단백질 항상성 전략을 제시합니다. 화학/생화학적 치료는 단백질 응집 과정을 억제할 수 있는 중요한 접근법으로, “단백질 변형 신경퇴행성 질환(PMND)” 분야에서 광범위한 연구를 받고 있습니다. 4-페닐부티르산(4-PBA)과 그 유도체를 포함한 수많은 화학 카프론은 항아밀로이드 활성을 나타내며 단백질 변형 응집을 예방합니다. 4-PBA는 부분적으로 접힌 단백질의 양을 증가시키고 그 더 밀집된 원본 구조를 안정화시켜 접히지 않은 응집체 형성을 감소시키고 접힘 중간체 풀을 증가시킵니다. 또한 Hsps의 구조를 변경하여 친수성 표면의 노출을 증가시켜 Hsp 분자 샤페론 활성을 향상시킵니다.317 변형으로 인한 스트레스 상황에서 4-PBA는 열 충격 반응(HSR)과 UPRmt 경로를 활성화하여 프로테오스타시스 능력을 향상시킵니다.318 이중 표적 약물로, 칼콘 기반 유도체(노르디히드로구아이아레틱 산(NDGA), 커큐민, 레스베라트롤, 케르세틴, 이소리퀴리티게닌 등)는 체내에서 아밀로이드 집합체와 프로테오스타시스 네트워크를 동시에 표적화할 수 있습니다.319 이 메커니즘은 부분적으로 Hsps를 포함하는 단백질 복합체와 ER 스트레스 매개 세포 활동과 연관되어 있습니다.

Restoring the stem cell pools in ageing tissues

The depletion of adult stem cell pool with age contributes to tissue degeneration, so maintaining tissue homeostasis into old age requires replenishing the stem cell pools. Stem cell transplantation is a therapeutic intervention, and it has been extensively researched as a way for the replenishment of regenerative cells to provide stem cells from an unaffected donor or gene-corrected autologous cells to the recipient. A large number of adult stem cells are available for autograft or allograft therapy, but only HSCs transplantation is widely accepted and used clinically, which has been demonstrated to be successful in treating hematologic disorders such as leukemia and lymphoma.320 Animal experiments revealed replenishing the stem cell pools with stem cell transplantation is also possible for other tissue. For example, EpSCs transplantation can regulate inflammation response, remodel the microenvironment of skin wounds, recapitulate tissue integrity and promote diabetic wound healing.321 MuSCs have the ability to facilitate myofibers regeneration, restore dystrophin expression‎, and markedly improve contractile function. More importantly, transplanted MuSCs also accessed the satellite cell compartment, replenishing the endogenous stem cell pool and taking part in injury repair.322 Of note, considering the susceptibility of stem cells to ageing, simple cellular replacement therapy with younger stem cells is insufficient. It may be worthwhile to pursue methods for reactivating residual stem cells or combining such procedures with stem cell transplantation. For instance, inhibition of the p38 MAPK signaling pathway in endogenous MuSCs can rescue muscle regeneration ability in ageing animals.323 Triboelectric stimulation boosts the pluripotency and differentiation potential of old BMSCs, enhances their proliferation and reverses senescence phenotypes. The mechanism by which is in a manner of MDM2-dependent p53 degradation.324 Therefore, triboelectric stimulation can be used to rejuvenate endogenously aged BMSCs and replenish the bone stem cell pool, further resulting in the acceleration of bone repair in elderly patients.325 In addition to adult stem cells, reprogramming-derived stem cells can act as alternative cell sources for transplants. A recent clinical trial reported implantation of iPSC-derived dopaminergic progenitors into the putamen (left hemisphere followed by the right hemisphere) of a patient with PD indeed improved clinical symptoms of PD after surgery.326 Reprogramming-derived stem cells are highly amenable to genetic correction and homogeneous than isolated adult stem cells, but there still exist major obstacles limiting the application, including low reprogramming efficacy and potential security concern.

Rejuvenating tissue-specific cells by targeting their microenvironmentTargeting extracellular signals to reverse stem cell ageing

Physiologically, extracellular signaling molecules are cues, such as EVs, neurotransmitters, growth factors, hormones, and cytokines, designed to transmit specific information to target somatic cells or adult stem cells. EVs function as a cutting-edge tool for stem cell rejuvenation because of their ability to transfer genes safely and with systemic effects. For instance, ESC-EVs can directly facilitate pressure ulcer repair in ageing mice through the rejuvenation of tissue-resided senescent endothelial cells.327 Neonatal MSCs-secreted EVs can deposit PCNA to reverse aged BMSCs and slow age-related degeneration.328 In addition, neurotransmitters have been reported to regulate the behavior of nerve-dependent tissue stem cells in wound healing.329 Lgr6+ EpSCs are a regionally restricted population of EpSCs that has the ability to generate all skin lineages and interact with nerves and specialize in wound re-epithelialization, and the activation of Lgr6+ EpSCs rely on neurotransmitters from neuroendocrine signaling and subsequently, promotes wound repair.330 These results suggested that targeting the activation of neuroendocrine signaling might be a promising approach to facilitate wound healing.

노화 조직에서의 줄기세포 풀 복원

노화에 따른 성인 줄기세포 풀의 고갈은 조직 퇴화에 기여하므로, 노년기까지 조직 항상성을 유지하려면 줄기세포 풀을 보충해야 합니다. 줄기세포 이식은 치료적 개입 방법으로, 재생 세포를 보충하기 위해 영향을 받지 않은 기증자나 유전자 교정된 자가 세포를 수혜자에게 제공하는 방법으로 광범위하게 연구되어 왔습니다. 성체 줄기세포는 자가이식 또는 동종이식 치료에 사용할 수 있는 대규모 세포원이지만, 현재 임상적으로 널리 수용되고 사용되는 것은 HSCs 이식뿐이며, 이는 백혈병 및 림프종과 같은 혈액 질환 치료에 성공적임을 입증되었습니다.320 동물 실험은 줄기세포 이식을 통해 다른 조직의 줄기세포 풀을 보충하는 것이 가능함을 보여주었습니다. 예를 들어, EpSCs 이식은 염증 반응을 조절하고 피부 상처의 미세환경을 재구성하며 조직의 완전성을 회복시키고 당뇨병성 상처 치유를 촉진합니다.321 MuSCs는 근육 섬유 재생 촉진, 디스트로핀 발현 회복, 수축 기능의 현저한 개선 능력을 갖추고 있습니다. 더 중요한 점은 이식된 MuSCs가 위성 세포 부위에 접근하여 내인성 줄기세포 풀을 보충하고 손상 복구에 참여한다는 것입니다.322 주목할 점은 줄기세포의 노화 취약성을 고려할 때 젊은 줄기세포를 단순하게 교체하는 세포 교체 요법만으로는 부족하다는 점입니다. 잔여 줄기세포를 재활성화하는 방법이나 이러한 절차를 줄기세포 이식과 결합하는 방법을 탐구하는 것이 가치가 있을 수 있습니다. 예를 들어, 내인성 MuSCs의 p38 MAPK 신호전달 경로를 억제하면 노화 동물에서 근육 재생 능력을 회복시킬 수 있습니다.323 트리보전기 자극은 노화된 BMSCs의 다능성과 분화 잠재력을 증진시키며, 증식을 촉진하고 노화 표현형을 역전시킵니다. 이 메커니즘은 MDM2에 의존적인 p53 분해 방식입니다.324 따라서 트라이보일렉트릭 자극은 내인성 노화된 BMSC를 재활성화하고 골 줄기세포 풀을 보충하여 노인 환자의 골 재생 속도를 가속화할 수 있습니다.325 성인 줄기세포 외에도 재프로그래밍 유도 줄기세포는 이식용 대체 세포원으로 작용할 수 있습니다. 최근 임상 시험에서 파킨슨병 환자의 좌측 반구(우측 반구 순서)에 iPSC 유래 도파민 신경 전구세포를 이식한 결과, 수술 후 파킨슨병의 임상 증상이 개선되었다고 보고되었습니다.326 재프로그래밍 유래 줄기세포는 유전적 교정에 매우 적합하고 성체 줄기세포보다 균일하지만, 재프로그래밍 효율이 낮고 잠재적 안전성 문제 등 적용을 제한하는 주요 장애물이 여전히 존재합니다.

조직 특이적 세포의 미세환경을 표적화하여 재활성화하기세포 노화를 역전시키기 위해 세포외 신호 전달을 표적화하기

생리적으로, 세포외 신호 분자는 엑소좀(EVs), 신경전달물질, 성장인자, 호르몬, 사이토킨 등 특정 정보를 표적 세포나 성체 줄기세포에 전달하기 위해 설계된 신호입니다. 엑소좀은 유전자를 안전하게 전달하고 전신적 효과를 발휘할 수 있어 줄기세포 재활성화의 최첨단 도구로 기능합니다. 예를 들어, ESC-EV는 노화 마우스의 압박성 궤양 치유를 촉진하기 위해 조직 내 노화 내피 세포의 재생을 통해 직접 작용합니다.327 신생아 MSC가 분비한 EVs는 PCNA를 침착시켜 노화된 BMSC를 역전시키고 연령 관련 퇴화를 늦춥니다.328 또한, 신경전달물질은 상처 치유 과정에서 신경 의존적 조직 줄기세포의 행동을 조절하는 것으로 보고되었습니다.329 Lgr6+ EpSCs는 모든 피부 계통을 생성하고 신경과 상호작용하며 상처 재상피화에서 특화되어 있는 지역적으로 제한된 EpSCs 집단입니다. Lgr6+ EpSCs의 활성화는 신경내분비 신호전달로부터의 신경전달물질에 의존하며, 이는 이후 상처 치유를 촉진합니다.330 이러한 결과는 신경내분비 신호전달의 활성화를 표적으로 하는 것이 상처 치유를 촉진하는 유망한 접근법일 수 있음을 시사합니다.

Rejuvenating aged cells by environmental preconditioning

Injured tissue has a hostile environment, including inflammation, immune impairment, hypoxic stress, and poor blood supply, which degrades stem cell function, promotes cellular senescence, and results in a low survival rate of transplanted stem cells in vivo. Therefore, it is essential for stem cells to remain viable and maintain their potency before inducing a strong repair response. The optimization of the culture environment, such as hypoxic pretreatment, may achieve preconditioning-induced protection for stem cells.331 The oxygen tensions in natural cell microenvironments appear to be substantially lower. Particularly, ESCs require low oxygen levels to survive, which start at embryonic implantation and last throughout fetal development. The absence of maternal circulation causes a hypoxic environment during embryo implantation, and in the early stages of pregnancy, the oxygen content of the uterine surface is typically only 2%.332 Placental oxygen levels only rise to about 8% even after the embryo forms the connection to the maternal vascular system.333 Relative hypoxia is a feature of the normal physiologic environment of ESCs, and thus, low oxygen concentrations enhance the more efficient growth of ESCs. Adult stem cells such as HSCs and BMSCs, similarly live in hypoxic conditions in vivo.334 For these reasons, hypoxic pretreatment in vitro promotes the long-term expansion of stem cells, delays replicative senescence, and improves the therapeutic potential.

Modulating ECMs for maintaining tissue homeostasis

The extracellular microenvironment’s chemical and mechanical characteristics are sensed by tissue-specific cells, which then produce responses that control a variety of cellular processes, such as expansion, migration, and differentiation, and activation, further maintaining tissue homeostasis. For example, integrin receptors-mediated cell adhesion to the ECM is necessary for cell cycle progression, particularly during G2 to M transition and early mitosis.335 In addition, the structural integrity of the ECM and integrin-associated proteins may also contribute to cellular energy metabolism, because the extracellular matrix proteins regulate nutrient and hormonal flux to balance the energy uptake.336 Changes in the biophysical characteristics of tissue affect how mechanical impulses are received by cells in a variety of disease states, inflammatory conditions, and ageing. Through the process of mechano-transduction, these mechanical cues are transformed into biochemical signals that affect immune cell functions such as cell activation, cytokine generation, metabolism, proliferation, and trafficking.337 As an integral component of all organs, the alternations of biomechanical and biochemical cues exhibit a huge effect on cell behavior and tissue homeostasis. ECM molecules are continuously produced and secreted throughout life, in both physiologically healthy and pathological states, and they regulate a wide range of biological functions, including stem cell differentiation, angiogenesis, innervation, and wound healing.338 Therefore, the modulation of ECM to induce desirable cell-specific responses for cellular rejuvenation is of great importance to tissue homeostasis. Because ECM has a more favorable pro-remodeling host immune response and can offer a natural, instructional microenvironmental habitat for functional tissue remodeling, ECM-based biomaterials have been emerging and exhibit great variability.

노화된 세포의 재활성화: 환경적 사전 조건화

손상된 조직은 염증, 면역 기능 저하, 저산소 스트레스, 혈액 공급 부족 등 적대적인 환경을 갖추고 있어 줄기세포 기능이 저하되고 세포 노화가 촉진되며, 이로 인해 체내 이식된 줄기세포의 생존율이 낮아집니다. 따라서 줄기세포가 강한 복구 반응을 유도하기 전에 생존 가능성을 유지하고 잠재력을 보존하는 것이 필수적입니다. 저산소 사전 처치와 같은 배양 환경 최적화는 줄기세포에 대한 사전 조건화 유도 보호 효과를 달성할 수 있습니다.331 자연 세포 미세 환경의 산소 농도는 현저히 낮습니다. 특히 ESC는 배아 착상 시부터 태아 발달 기간 내내 생존을 위해 낮은 산소 농도가 필요합니다. 모체 순환의 부재는 배아 착상 시 저산소 환경을 유발하며, 임신 초기 단계에서 자궁 표면의 산소 농도는 일반적으로 2%에 불과합니다.332 태반의 산소 농도는 배아가 모체 혈관 시스템과 연결된 후에도 약 8%까지 상승합니다.333 상대적 저산소는 ESC의 정상 생리적 환경의 특징이며, 따라서 낮은 산소 농도는 ESC의 더 효율적인 성장을 촉진합니다. 성체 줄기세포인 HSCs와 BMSCs도 체내에서 저산소 조건에서 생존합니다.334 이러한 이유로 체외에서 저산소 전처리는 줄기세포의 장기적 증식, 복제 노화 지연, 치료 잠재력 향상을 촉진합니다.

ECM 조절을 통한 조직 항상성 유지

세포외 미세환경의 화학적 및 기계적 특성은 조직 특이적 세포에 의해 감지되며, 이는 세포 확장, 이동, 분화, 활성화 등 다양한 세포 과정을 조절하는 반응을 유발하여 조직 항상성을 유지합니다. 예를 들어, ECM에 대한 integrin 수용체 매개 세포 부착은 세포 주기 진행, 특히 G2에서 M 단계 전환 및 초기 분열 단계에서 필수적입니다.335 또한, ECM의 구조적 안정성과 인테그린 관련 단백질은 세포 에너지 대사에도 기여할 수 있습니다. 이는 세포외 기질 단백질이 영양소 및 호르몬 유동을 조절하여 에너지 흡수를 균형 있게 유지하기 때문입니다.336 조직의 생물물리적 특성 변화는 다양한 질병 상태, 염증 조건, 노화 과정에서 세포가 기계적 자극을 받는 방식에 영향을 미칩니다. 기계적 신호는 기계-전달 과정을 통해 생화학적 신호로 변환되어 면역 세포 기능(세포 활성화, 사이토킨 생성, 대사, 증식, 이동 등)에 영향을 미칩니다.337 모든 장기의 필수 구성 요소로서 생체역학적 및 생화학적 신호의 변화는 세포 행동과 조직 항상성에 큰 영향을 미칩니다. ECM 분자는 생리적으로 건강한 상태와 병리적 상태 모두에서 평생 동안 지속적으로 생성되고 분비되며, 그리고 줄기세포 분화, 혈관新生, 신경 분포, 상처 치유 등 다양한 생물학적 기능을 조절합니다.338 따라서 세포 재생을 위해 바람직한 세포 특이적 반응을 유도하기 위해 ECM을 조절하는 것은 조직 항상성에 매우 중요합니다. ECM은 재형성 친화적인 호스트 면역 반응을 촉진하고 기능적 조직 재형성을 위한 자연적이고 지시적인 미세환경을 제공할 수 있기 때문에, ECM 기반 생체재료가 등장하고 있으며 큰 다양성을 보여주고 있습니다.

Restoring defective intercellular communications to extend healthy lifespan

Intercellular communication has double-edged–sword activities, contributing to tissue homeostasis maintenance but also detrimental in ageing and related diseases, and altered intercellular communication has been the hallmark of ageing.7,77 One of the most prominent and important changes in intercellular signaling that occurs with age is “inflammageing”. The dominant role of inflammation in ageing-related intercellular communication raises the potential of anti-inflammatory agents in lifespan. Aspirin is a common example because it can prolong mouse life and promote good ageing in humans.339 Moreover, age-related changes in the transcriptional landscape of tissues have highlighted the importance of NF-κB-induced inflammatory responses, and the targeted inhibition of this transcription factor may restore the altered intercellular communications for rejuvenation. The conditional expression‎ of an NF-κB inhibitor in transgenic mice’s aged skin rejuvenates the tissue’s phenotype and restores the transcriptional signature associated with youth.340 The novel relationship between inflammation and ageing is that NF-κB-mediated hypothalamic immunity causes neurons to produce less gonadotropin-releasing hormone (GnRH), and this decrease in GnRH can be a factor in several age-related changes, including decreased neurogenesis, muscle weakness, skin atrophy, and bone fragility. Correspondingly, GnRH treatment rejuvenates ageing-impaired neurogenesis and prevents ageing development.341

결손된 세포 간 통신을 복원하여 건강한 수명을 연장하기

세포 간 통신은 조직 항상성 유지에 기여하지만 노화와 관련 질환에서 유해한 이중적 역할을 하며, 변형된 세포 간 통신은 노화의 특징적인 현상입니다.7,77 노화와 함께 발생하는 세포 간 신호 전달의 가장 두드러지고 중요한 변화 중 하나는 “염증성 노화(inflammageing)”입니다. 노화 관련 세포 간 통신에서 염증의 지배적 역할은 수명 연장에 대한 항염증제의 잠재력을 제기합니다. 아스피린은 마우스 수명을 연장하고 인간에서 건강한 노화를 촉진하기 때문에 일반적인 예시입니다.339 또한 조직의 전사적 풍경에서 노화 관련 변화는 NF-κB에 의한 염증 반응의 중요성을 강조했으며, 이 전사 인자의 표적 억제는 변형된 세포 간 통신을 회복하여 재생을 유도할 수 있습니다. 전환형 마우스의 노화된 피부에서 NF-κB 억제제의 조건부 발현은 조직의 형질을 젊어지게 하고 젊음과 관련된 전사 서명을 복원합니다.340 염증과 노화의 새로운 관계는 NF-κB 매개 뇌하수체 면역이 신경세포가 성선 자극 호르몬 방출 호르몬(GnRH)을 덜 생성하도록 유발한다는 점입니다. 이 GnRH 감소는 신경 발생 감소, 근육 약화, 피부 위축, 골다공증 등 여러 노화 관련 변화의 요인이 될 수 있습니다. 이에 따라 GnRH 치료는 노화로 인한 신경 발생 장애를 재생시키고 노화 진행을 예방합니다.341

Restoration of proper circadian clock for anti-ageing

Rejuvenation of the circadian clock by dietary restriction

The use of DR, including time-restricted feeding (TRF) and calorie restriction (CR), has many profound beneficial effects on ageing through the regulation of circadian clock.342 TRF, also known as limiting the time and length of food availability with no calorie decrease, can trigger clock-associated gene expression‎ to drive rhythms in circadian mutant mice. For example, the transcripts, metabolites, and proteins in WT liver exhibit daily rhythms, whose rhythms are lost in clock gene knockout (CRY1-/CRY2-; PER1-/PER2-; BMAL1-) mice, while TRF partially rescues the disturbed rhythms in these mutant mice.343 In addition to the liver, TRF modifies the phase and amplitude of the skin’s circadian clock to rejuvenate ultraviolet radiation-caused skin ageing in old animals.344 For lifespan, TRF even drives a clock-dependent increase in autophagy activity to induce longevity extension.345 CR, a dietary regimen low in energy without malnutrition, can decrease the occurrence of age-related diseases and extends the lifespan via controlling circadian clock. It has been reported that the duration of two months for CR intervention in early life could enhance the amplitude of core clocks in liver.346 From the regulatory site, the central oscillator is impacted by CR, which also entrains the SCN clock. The SCN clockwork’s temporal organization, circadian outputs under the light-dark cycle, and circadian system photic responses are all influenced by CR during the daytime.347 BMAL1-dependent and BMAL1-independent pathways are the primary transcriptional and post-transcriptional mechanisms by which CR modifies the clocks. A functional circadian clock system is necessary for CR-mediated lifespan extension, as evidenced by the fact that CR fails to extend the lifespan of BMAL1 knockout mice.348 Comprehensively, the circadian clock system extends longevity through transmitting the anti-ageing signals brought on by DR.

Genetic regulation of the circadian clock rescues an aged phenotype

Circadian clock-associated genes modulate the extrinsic and intrinsic mechanisms in lifespan modulation and organ ageing. The circadian clock in intervertebral discs (IVDs) is functional and temperature-entrainable, and ageing disrupts the circadian rhythm of IVDs in an inflammation-dependent manner and leads to IDD.349 Restoring the dampened expression‎ of BMAL1 protects against IDD via inhibiting RhoA/ROCK signals.350 The expression‎ of CLOCK is increased in OA cartilage, and by reestablishing autophagic flow, ablation of CLOCK increases antioxidant enzyme activity, lowers ROS generation, and alleviates chondrocyte senescence.120 The downstream gene of CLOCK-BMAL1 complex CRY2 is suppressed in mice with ageing-related OA, which makes the loss of ECM homeostasis in cartilage.351 It also reported the low mRNA and protein expression‎ level of CRY in the old Drosophila melanogaster. The mRNA oscillatory amplitude of multiple genes involved in the clock mechanism was dramatically increased in elderly flies by restoring CRY using the binary GAL4/UAS system, and the flies with higher CRY also displayed a remarkable extension of health span.352

Pharmacological activation of circadian clock for anti-ageing

Numerous parts of human physiology are regulated by the circadian rhythm, opening up windows for interventions that can be made by only giving medications when their targets are at the proper expression‎ level to rescue. There is growing interest in developing small molecules that directly target the circadian system for medicinal benefits. Representative chemicals targeting core clock components include KL001, SR9009/SR9011, and Nobiletin. KL001 specifically interacts with CRY, which prevents ubiquitin-dependent degradation of CRY, leading to extending circadian time.353 KL001 suppressed glucagon-caused gluconeogenesis in primary hepatocytes and improved glucose tolerance in obese mice.353 KL001 also extends the lifespan and modifies the circadian rhythms of Drosophila melanogaster.354 The metabolic regulators SR9009 and SR9011 pharmacologically target REV-ERB receptors. By lowering fat mass and significantly enhancing dyslipidaemia and hyperglycemia, SR9009/SR9011 can change the circadian pattern of expression‎ of a variety of metabolic genes to enhance energy expenditure and lower obesity.355 Nobiletin, a natural polymethoxylated flavone targeting agonizing retinoid acid receptor-related orphan receptors (RORs), is a clock amplitude-enhancing small molecule that has the ability to directly engage circadian cellular clocks to support metabolic health in illness models and healthy ageing in naturally ageing mice.356 Nobiletin is capable of ameliorating steatosis in obesity by restoring aberrant hepatic circadian rhythm,357 and alleviating cognitive deficits as well as the pathological aspects of AD, such as Aβ pathology, hyperphosphorylation of tau, astrogliosis-associated neuroinflammation, and oxidative stress.358 There are other small-molecule modulators with the function to regulate circadian rhythm, which do not directly target core clock genes, such as CKI-7 (CK1 inhibitor), Lithium (GSK3β inhibitor), and OPC-21268 (antagonists for arginine vasopressin receptors V1a).359 The role of these chemical regulators of circadian clock in the rejuvenation of ageing or ageing-related diseases remains being explored.

Organismal rejuvenation via immune system-targeting therapeutic approachesTherapeutic targeting of immune cells

Immune system is interconnected with all the other systems in the body, and this systemic nature provides the potential opportunity that targeted modifications to a small group of cells (e.g., HSCs or T lymphocytes) for improving the health of various organ systems.

As the origin of blood cell lineages, HSCs are multipotent precursors population that can reconstitute the hematopoietic system and sustain immune homeostasis. Ageing HSCs have less self-renewal activity, fewer cell divisions, decreased homing efficiency and myeloid lineage-biased differentiation as well as reduced output of lymphoid progenitors.360 HSCs play a crucial role in the immune system, hence functional restoration of ageing HSCs has great significance to immune rejuvenation and organismal health. HSCs ageing is accompanied by alterations at the gene level, and genetic modulators by ablation of genes driving ageing or overexpression‎ of rejuvenative genes might be strategies to prevent HSCs dysfunction, such as the deletion of the imprinted gene Grb10 or forced expression‎ of Satb1.90 In addition, pharmacological intervention based on the pathophysiology of HSCs senescence also can promote rejuvenation of the HSC compartment, reconstitute the immune system activity and finally even increase overall lifespan. For example, supplementing elderly mice with a sympathomimetic that specifically targets the adrenoreceptor β3 (β3-AR agonist, BRL37344) greatly improved the in vivo function of aged HSCs.361 In progeroid mice, BRL37344 can decrease premature myeloid and restore the proximal association of HSCs to megakaryocytes.362

Immune lineage-mediated cellular rejuvenation mainly focuses on the restoration of T lymphocytes exhaustion caused by organismal ageing, due to its high susceptibility to ageing-associated changes to the immune system.363 Adoptive transfer of progenitor T (proT)-cells is the merging approach to facilitate T cells function recovery. Preclinical results have shown that proT cells could effectively engraft involuted ageing thymuses, achieve rapid long-term thymic reconstitution and accelerate T cell recovery.364 The process is regulated by receptor activator of NF-B (RANK) and receptor activator of NF-B-ligand (RANKL) interactions, which generate chemokine-rich niches within the cortex and medulla that probably encourage the recruitment of bone marrow-derived thymus seeding progenitors.365 ProT cells are limited to the recipient’s major histocompatibility complex (MHC) and produce host-tolerant T lymphocytes after undergoing positive and negative selection in the host thymus. Therefore, ProT cells avoid the clinical concerns brought on by graft-versus-host disease (GVHD), and it provides an alternative cell-based strategy to rejuvenate T-cell immunity clinically. Surprisingly, immunotherapy with T cell activation, such as the blockage of PD-1/PD-L1, provides a novel alternative to rejuvenate ageing phenotypes.366 In SCs, PD-1/PD-L1 axis inhibition could activate CD8+ T cells and improve senescence surveillance, further resulting in the reduced number of p16+ cells. Besides, anti-PD-1/PD-L1 administration also ameliorated age-associated function decline in vivo, including decreased SASPs and inflammation, and improved alveolar volume, fat accumulation in the liver, grip strength, and athletic ability.366 Clinically, immune checkpoint blockade (ICB) has been widely used, and thus, ICB against ageing is promising.

Other immune-targeting strategies

As the key site of T lymphopoiesis, the thymus orchestrates adaptive immune responses, and ageing-associated thymic atrophy or involution contributes to adaptive immune system deviations. Pharmacologic interventions to increase thymopoiesis have been reported, such as IL‐21, which exhibits beneficial effects on thymic function recovery and T cell output in the aged models.367 The effect is systemic but is also transient and limited. Cellular reprogramming provides an alternative avenue for thymus function restoration and immune rejuvenation. Chemical activation of thymus organogenesis program can direct human ESCs to differentiate into thymic precursor lineage, further promoting functional regeneration of human thymus in vivo.368 First treatment with activin A directs the fate of hESCs towards the definitive endoderm, and the subsequent regulation in signaling pathways of Wnt, TGF‐β, Shh, retinoic acid, BMP4 and FGF facilitates the generation of thymic epithelial progenitors (TEPs).368 hESCs-derived TEPs could yield functional thymic epithelial cells when engrafted into athymic mice. T cells produced in TEPs-recipient mice have functional properties capable of in vitro expansion and in vivo immune responses, and they were detected 10 weeks post-transplantation in the peripheral blood. However, the regenerative efficiency of hESCs-TEPs generated by these protocols is low and there is a progressive decrease in the quantity of T cells produced, which was not sustained over 22 weeks.368 Thymocyte lineage-specific gene FOXN1 manipulation can drive thymus regeneration and restore its function in the age murine.369 iPSCs also can be directed towards thymus fate by ectopic expression‎ of FOXN1.370 FOXN1-mediated iPSC-TEPs contribute to supporting T cell development, and antigen stimulation can cause the produced T cell to activate, which reveals that FOXN1 can promote the functional regeneration of human thymus from iPSCs.370 Similarly, FOXN1 mediates ectopic thymus regeneration from fibroblasts, and the fibroblasts-derived thymus also can revitalize the thymic architecture overall, boost the number of naive T cells, and decrease the number of senescent T cells and inflammatory.371

Targeting systemic signals for organismal youthful stateHeterochronic transplantation and parabiosis for regeneration

In 2005, heterochronic parabiosis was initially demonstrated to reverse the age-dependent loss in stem cell function by restoring the proliferation and regeneration capacity of aged satellite cells and hepatic progenitor cells in naturally aged mice.372 Since then, heterochronic parabiosis has been used as an experimental system to examine potential systemic influences on lifespan, age-related diseases, and the process of organismal ageing. For example, in the central nervous system, heterochronic parabiosis showed young mice exposed to an old systemic environment or plasma from old mice exhibited diminished synaptic plasticity, and worse contextual fear conditioning and spatial learning and memory, while systemic infusion of young blood plasma reversed that process.373 It also revealed that plasma levels of chemokines—including CCL11 were linked to decreased neurogenesis in aged mice. Young mice with elevated peripheral CCL11 chemokine levels in vivo suffered adult neurogenesis loss as well as learning and memory impairments., which provided a new therapeutic target to reverse ageing-caused precipitous decline in neurogenesis.374 Similarly, experiments using heterochronic parabiosis also identify another circulating factor, named β2-microglobulin (B2M), which damages adult hippocampal regeneration function and cognitive performance in an ageing-dependent manner. Aged mice and young heterochronic parabionts have high levels of B2M in their blood and hippocampus, and the ablation of endogenous B2M can alleviate age-related cognitive loss and improve neurogenesis.375 In addition, heterochronic parabiosis discovered the potential therapeutic value of GDF11 in age-related cardiac hypertrophy and age-dependent deterioration of the neurogenic niche,376,377 and the contribution of Ly6G+ plasma extracellular vesicle to improving fracture healing in the elder.378 Heterochronic parabiosis has been a valuable experimental system for addressing some of the fundamental issues surrounding the systemic regulation of cell and tissue ageing, which provide corresponding therapeutic opportunities for organismal rejuvenation. Nevertheless, the key obstacles of parabiotic experimentation facing include the difficulty to control experimental procedures, the influences of shared organs, uncontrollable exercise, and an ambiguous blood-sharing onset.

Blood factors to revitalize aged organs and tissues

The persuasive evidence that blood factors affect organismal ageing has been provided by heterochronic blood exchange (HBE), which has shown that circulating factors not only restore youthful traits to aged tissues but also cause systemic senescence in the young organism. Thus, defining the blood mediators of the rejuvenating effects is of great importance to revitalize aged organs and tissues. The deep proteomic analysis from the large-scale population has confirmed many increased plasma proteins with ageing, like sclerostin, pleiotrophin, and transgelin, while epidermal growth factor receptor (ERBB1) and a2‐antiplasmin were decreased with age.379 Quantification of proteomic alternations revealed ageing protein waves across the lifespan, and for example, structural pathways such as the ECM are downregulated at a young age but increased in middle and old age.379 Metabolomic analysis has identified the blood metabolic profiles that change with ageing or ageing-relevant conditions. A nontargeted, quantitative metabolomics analysis in the blood of 15 young and 15 elderly individuals reported that 14 metabolites showed significantly remarkable age-related alternations.380 The increasing metabolites comprised citrulline, pantothenate and N6-acetyl-lysine, and were associated with declining renal and liver function, while the decreasing counterparts included NAD+, nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP+) and UDP-acetyl-glucosamine, which mainly were associated with redox homeostasis. A longitudinal examination of the impacts of ageing on the blood plasma metabolome also identified pathways enriched for age-related metabolites embodied tryptophan, nucleotide, and xenobiotic metabolism.381 HBE also gives clues to the role of circulating EVs in ageing rejuvenation. It was reported that aged mice exposed to young blood showed muscle regeneration, in which serum EVs containing α-Klotho play a key role, and administration of Klotho-enriched EVs into ageing mice could promote muscle regeneration.382 Specifically, identifying blood factors that promote or antagonize ageing can provide therapeutic opportunities for systemic rejuvenation. For example, dilution of old blood plasma with saline that contained 5% albumin to create a “neutral” age blood exchange (NBE), which met or exceeded the rejuvenating effects of promoting muscle repair, lowering liver adiposity and fibrosis, reducing neuroinflammation, and boosting hippocampal neurogenesis in elderly mice.383 These results suggested that blood factors might be the key players in ageing process, and targeting blood factors is expected to yield robust resetting of the systemic signaling to youth.

The importance of cellular rejuvenation in treating human diseases

The accumulation of SCs during ageing accelerates the onset of ageing‐related disorders and chronic diseases, including metabolic disorders, degenerative disorders, inflammation, autoimmune diseases, cancers, etc. Deeper insights into the role of cellular senescence in disease pathogenesis highlight the significance of cellular rejuvenation in treating human disorders, and also provides cues for rejuvenation therapies (Table 1). In addition, a variety of pharmacological treatments with the elimination of SCs or reversal of tissue and organ ageing have been developed for cellular rejuvenation (Table 2). The discussion that follows will thus concentrate on the advances in rejuvenation strategies for alleviating human diseases, and the details of clinical trials in this study were shown in Table 3.

Table 1 The cellular rejuvenation used for various disease treatments

Rejuvenation strategySpecific interventionMechanismDisease treatmentRef

Cellular reprogramming	Reprogramming to a fully pluripotent state	1. Reprogramming from cancer cells to iPSCs with a benign phenotype 2. iPSCs modeling of diseases 3. The transplantation of iPSCs-derived functional cell	Cancer, AMD, AD, PD, ALS, diabetes, OA, osteoporosis and autoimmune disorders	326,473,474,475,476,477,478,479,480
	Lineage reprogramming	1. Cell replacement therapy of reprogramming-derived functional cells without the need for a pluripotent state 2. Reprogramming cancer cells to differentiated cells to alleviate tumorigenicity	Cancer, diabetes, AD, PD, CAD and fibrosis	438,481,482,483,484,485
	In vivo reprogramming	1. In vivo partial reprogramming (transient expression‎ of pluripotency-associated genes) for epigenetic rejuvenation and the amelioration of organismal phenotype associated with ageing 2. In situ trans-differentiation of targeted cells to functional cells	Ageing, diabetes, tissue regeneration, autoimmune disorders, CAD and fibrosis	272,419,486,487,488
SCs elimination and SASPs inhibition	Ablation of p16-positive cells	Pharmacological activation of transgene INK-ATTAC to induce apoptosis in p16(Ink4a)-expressing cells	Age-related functional decline of kidney, heart, cartilage and bone	489,490
	Senolytics	The targeted inhibition of the SCAP network to induce SCs apoptosis (e.g., Dasatinib, Quercetin, Fisetin and Navitoclax)	Cancer, diabetes, ageing, fibrosis, osteoporosis, obesity, NDD, CAD, IVDD and CKD	491,492,493,494,495
	Senomorphics	Suppressing the signaling from SCs and reducing systematic inflammation (e.g., p38MAPK inhibitor, JAK inhibitors, rapamycin, glucocorticoids and ILs mAb)	Cancer, diabetes, obesity, NDD, CKD, OA and fibrosis	406,496,497
	Immune clearance	Enhancing the function of immune cell to recognize and kill SCs (e.g., NK cells, MOs and T cells)	Cancer, fibrosis and tissue regeneration	294,498
Stem cells-associated therapy	Restoration of aged stem cell functions	1. Rescuing metabolism homeostasis (e.g., rapamycin, metformin and NMN) 2. Promoting DNA repair and preservation of genome stability (e.g., NMN) 3. Repairing tissue-specific stem cell to replenish the stem cell pool (e.g., HSCs and EpSCs) 4. Regulating extracellular signals (e.g., EVs delivery and neuroendocrine activation) and remodeling ECMs	Hematological disease, ageing, diabetes, ischemia-reperfusion injury, heart failure, AD and retinal degeneration	499,500
	Transplantation of youthful stem cells	1. The differentiation into tissue-specific cell with the stimulation of specific signals and local microenvironment 2. Paracrine effect with the release of soluble cytokines, chemokines and growth factors involved in immune regulation, angiogenesis, anti-apoptosis, anti-inflammation, anti-oxidation and anti-fibrosis	Hematological disease, graft-versus-host disease, organ transplantation, diabetes, inflammatory diseases, and diseases in the liver, kidney, and lung, as well as cardiovascular, bone and cartilage, neurological, and autoimmune diseases	501
Dietary restriction	Time-restricted feeding and calorie restriction	1. Nutrient-mediated mechanisms: metabolic regulators, nutritive metabolism pathways, epigenetic mechanisms and circadian clocks 2. Diet-responsive effectors: the diet-endocrine axis, the diet-immune axis, the diet-gut axis, the diet-senescence axis and the diet-nerve axis.	Metabolic syndrome, CVD, Intestinal malfunction, CKD, NDD, MTB infection, COPD, cancer and tissue regeneration	502
Immune rejuvenation	Activation of immune cells	1. Restoration of aging HSC to increase the number of immune lineages (e.g., myeloid and lymphoid precursors) 2. Rescuing T lymphocytes exhaustion for the reversal of immune-senescence	Cancer, ageing, age-related degeneration of the thymus, RA and tissue regeneration	503,504
	Recapitulation of immune organ	1. Direct differentiation of hESCs/iPSCs into thymic precursor lineage 2. Ectopic thymus regeneration for fibroblasts reprogramming 3. Adult stem cell-derived thymus organoids	Diseases associated with immunodeficiency and autoimmunity	505
Heterochronic transplantation	Parabiosis	Allowing the young and old organisms to share of the blood circulation surgically	Ageing, age-related functional impairment of skeletal muscle, liver and bone, cognization decline	372,377,506
	Blood or cerebrospinal fluid exchange	1. The delivery of rejuvenative factors by young blood injection, human umbilical cord plasma and young cerebrospinal fluid administration 2. The exchange of half old blood plasma with saline-albumin to dilute age-elevated systemic factors	Ageing, age-related impairment in cognitive function and AD	383,507
	Circulating plasma factors	Rejuvenative factors identified by heterochronic transplantation (e.g., GDF11, Apelin, Cadherin13, eNAMPT, SPARCL1, THBS4, TIMP2, Oxytocin, FGF17 and α-Klotho)	Ageing, age-related impairment in cognitive function, skeletal muscle ageing	508,509,510

1. HSCs hematopoietic stem cells, EpSC epidermal stem cell, MDSC muscle-derived stem cell, NMN nicotinamide mononucleotide, IVDD Intervertebral disc degeneration, NDD Neurodegenerative disease, CKD Chronic kidney diseases, MTB pulmonary mycobacterium tuberculosis, COPD chronic obstructive pulmonary disease, RA rheumatoid arthritis, AD Alzheimer’s disease, GDF11 circulating growth differentiation factor 11, TIMP2 tissue inhibitor of metalloproteinases 2, FGF17 fibroblasts growth factors 17

Table 2 Applications of pharmacological treatment for cellular rejuvenation

DrugsPharmacological characteristicsCellular or tissue targetRejuvenation on function (examples)Ref.

Procyanidin C1	Flavonoid	SCs	PCC1 appears to inhibit SASP formation at low concentrations and selectively kills senescent cells at higher concentrations, possibly by promoting production of ROS and mitochondrial dysfunction. Intermittent administration of PCC1 to either irradiated, senescent cell-implanted or naturally aged old mice alleviates physical dysfunction and prolongs survival.	511
BPTES	GLS1 inhibitor	SCs	Selective removal of senescent cells via glutaminolysis inhibition and improving age-related tissue dysfunction. Moreover, GLS1 inhibitors can alleviate symptoms of obese diabetes, arteriosclerosis, and nonalcoholic steatohepatitis (NASH) in elderly mice.	512
P5091	USP7 inhibitor	SCs	The promotion of the human homolog of MDM2 ubiquitination and degradation by the ubiquitin-proteasome system, further increasing p53 levels and inhibiting the interaction of BCL-XL and BAK to selectively induce apoptosis in SCs.	513
Gallic acid	ROS inhibitor	Premature ageing	Gallic acid is a geroprotective compound that has beneficial effects against WS hMSC aging, in which the mechanism containing enhanced antioxidant response, elevated DNA repair ability, improved cell cycle kinetics and inhibited NF-κB pro-inflammatory pathway.	514
Rapamycin	mTOR inhibitor	Hematopoietic ageing	Rapamycin promotes ex vivo expansion and long-term hematopoietic reconstitution of HSCs. The increase in long-term hematopoiesis of expanded HSCs is likely attributable in part to rapamycin-mediated inhibition of HSCs senescence by the upregulation of Bmi1 and downregulation of p16.	499
Metformin	AMPK agonist	Brain ageing	Fasting or treatment with metformin can reverse the impaired metabolic function and increased DNA damage and restore the regenerative capacity of aged OPCs, improving remyelination in aged animals following focal demyelination.	309
Urolithin A	Natural postbiotic compound	Cartilage ageing	Urolithin A improves mitophagy and mitochondrial respiration in primary chondrocytes, and reduces disease progression in a mouse model of OA, as well as decreasing cartilage degeneration, synovial inflammation and pain.	515
UK-5099	Hair follicles	Hair follicles ageing	The promotion of lactate production via blocking the entry of pyruvate into mitochondria to activate HFSCs and induce the hair cycle.	516
Melatonin	Indole heterocyclic compounds	Ovarian ageing	Melatonin delays ovarian aging by multiple mechanisms including antioxidant action, maintaining telomeres, stimulating SIRT expression‎ and ribosome function, and by reducing autophagy.	517
Resveratrol	Polyphenol antioxidant	Cardiac ageing	Resveratrol can exert an adaptive stress response and induce autophagy, forcing the expression‎ of cardioprotective genes and proteins such as heat shock and antioxidant proteins,	518
Nicotinamide	NAD (+) ADP-ribosyltransferase inhibitor	Vascular ageing	NMN supplementation increase SIRT1 activity, improves endothelial function and reverses age-related vascular dysfunction by decreasing oxidative stress.	519
Y27632	Rock inhibitor	Skin ageing	Y27632 increases COL17A1 expression‎ and regulates epidermal stem cell competition, resulting in the orchestration of skin homeostasis and reversal of skin ageing.	450
SGI-1072	DNMT inhibitor	Renal ageing	SGI-1072 contributes significantly to epigenetic renal aging via derepressing NRF2/Klotho pathway.	520
BGE-175	PTGDR antagonists	Immune ageing	BGE-175 inhibits the crosstalk between PGD2 and its receptor and rejuvenate immune system in the old, which shows increased migration of dendritic cells from the lungs to the lymph nodes, decreased neutrophil levels in lung tissue, and greatly improved overall survival of COVID models.	521
Ginsenoside Rb1	Ingredients of Panax ginseng	Intestinal ageing	GRb1 could improve the intestinal aging via regulating the expression‎ of Sirtuins family and modulating the gut microbiota in the old models.	522
Ginsenoside Rd	Ingredients of Panax ginseng	Skeletal muscle ageing	GRd ameliorates aging- and cancer-induced muscle wasting via the inhibition of STAT3 nuclear translocation, scavenging ROS and improving mitochondrial integrity.	523

1. PCC1 procyanidin C1, SCs senescent cells, GLS1 glutaminase 1, USP7 ubiquitin-specific peptidase 7, NASH nonalcoholic steatohepatitis, MDM2 mouse double minute 2, MPC mitochondrial pyruvate carrier, DNMT DNA methyltransferase, HSCs hematopoietic stem cells, HFSCs Hair follicle stem cells, OPCs oligodendrocyte progenitor cells, PGD2 prostaglandin D2, OA osteoarthritis

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Table 3 Clinical trials of developed therapy in ageing and ageing-related diseases

Treatment categoryInterventionDrug targetDrug doseClinical applicationPhaseNCT numberRecruitment status

Gene therapy	AAV-hTERT	TERT	Unknown	Ageing	Phase 1	NCT04133649	Recruiting
Senolytic agents	D + Q	D: bcr/abl, src; Q: sirtuins	D: 100 mg; Q: 1000 mg	OS	Phase 2	NCT04313634	Recruiting
	D + Q	D: bcr/abl, src; Q: sirtuins	D: 100 mg; Q: 1000 mg	CKD	Phase 2	NCT02848131	Enrolling by invitation
	UBX0101	MDM2/p53	Unknown	OA	Phase 1	NCT03513016	Completed
	Fisetin	Sirtuins	100 mg	OA	Phase 1/2	NCT04210986	Active, not recruiting
Stem cell therapy	AD-MSCs	Unknown	2 10e8 cells	AD	Phase 1/2	NCT03117738	Completed
	AD-MSCs	Unknown	Unknown	CKD	Phase 1	NCT02266394	Completed
	AD-MSCs	Unknown	Unknown	CKD	Phase 1	NCT01840540	Completed
	BMSCs	Unknown	2 × 106 cells/kg	CKD	Phase 1	NCT02166489	Completed
	BMSCs	Unknown	2 × 106 cells/kg	CKD	Phase 1	NCT02195323	Completed
	UC-MSCs	Unknown	1 × 109 cells	AD	Phase 1	NCT04040348	Active, not recruiting
	UC-MSCs	Unknown	2 × 108 cells	AD	Phase 1/2	NCT02672306	Active, not recruiting
	CNS10-NPC-GDNF	Unknown	5.25 × 106 cells 1.05 × 107 cells	ALS	Phase 1	NCT05306457	Recruiting
Small molecule agents	GSK3008348	αvβ6 integrin	1000 μg	IPF	Phase 1	NCT03069989	Terminated
	PLN-74809	αvβ6 and αvβ1 integrin	Unknown	IPF	Phase 2	NCT04072315	Completed
	IDL-2965	αvβ1, αvβ3, and αvβ6 integrin	Unknown	IPF	Phase 1	NCT03949530	Terminated
	Cenicriviroc	CCR2/CCR5	150 mg	NSLF	Phase 2	NCT02217475	Completed
			150 mg	NSLF	Phase 3	NCT03028740	Terminated
			150 mg	NSLF	Phase 2	NCT03059446	Terminated
			150 mg	NSLF	Phase 2	NCT02330549	Completed
			150 mg	Obesity	Phase 2	NCT02330549	Completed
	Rilonacept	IL-1 receptor	320 mg, 160 mg	SS	Phase 1/2	NCT01538719	Completed
Monoclonal antibody	Tocilizumab	IL-6 receptor	8 mg/kg	OA	Phase 3	NCT02477059	Completed
			162 mg	SS	Phase 3	NCT02453256	Completed
	QAX576	IL-13	10 mg/kg	IPF	Phase 2	NCT01266135	Terminated
			Unknown	Keloid	Phase 2	NCT00987545	Terminated
			Unknown	PFSSS	Phase 2	NCT00581997	Terminated
	Lebrikizumab	IL-13	250 mg	IPF	Phase 2	NCT01872689	Completed
	Tralokinumab	IL-13	400 mg, 800 mg	IPF	Phase 2	NCT01629667	Terminated
	SAR156597	IL-4/IL-13	200 mg	SS	Phase 2	NCT02921971	Completed
			Unknown	IPF	Phase 1/2	NCT01529853	Completed
	Carlumab	CCL2	1 mg/kg, 5 mg/kg, 15 mg/kg	IPF	Phase 2	NCT00786201	Completed
	Olokizumab	IL-6	64 mg	RA	Phase 3	NCT02760407	Completed
			64 mg	RA	Phase 3	NCT02760433	Completed
			64 mg	RA	Phase 3	NCT03120949	Completed
	Clazakizumab	IL-6	Unknown	RA	Phase 2	NCT02015520	Completed
	Vobarilizumab	IL-6 receptor	75 mg, 150 mg, 225 mg	RA	Phase 2	NCT02518620	Completed
	Mirikizumab	IL-23p19	125 mg, 250 mg	PS	Phase 3	NCT03482011	Completed
			125 mg, 250 mg	PS	Phase 3	NCT03535194	Completed
			Unknown	PS	Phase 3	NCT03556202	Completed
	Bimekizumab	IL-17	Unknown	PS	Phase 3	NCT03598790	Active, not recruiting
			Unknown	PS	Phase 3	NCT03766685	Completed
	Secukinumab	IL-17A	300 mg	ALN	Phase 3	NCT04181762	Recruiting
	Tildrakizumab	IL-23p19	Unknown	PsA	Phase 2/3	NCT03552276	Active, not recruiting
			Unknown	PsA	Phase 3	NCT04314544	Recruiting
			Unknown	PsA	Phase 3	NCT04314531	Recruiting
			Unknown	PsA	Phase 3	NCT04991116	Active, not recruiting
	Abatacept	CTLA4	125 mg	PSS	Phase 3	NCT02067910	Completed
			125 mg	PSS	Phase 3	NCT02915159	Completed
	Iscalimab	CD40	Unknown	PSS	Phase 2	NCT03905525	Active, not recruiting
	Ublituximab	CD20	150 mg, 450 mg	RMS	Phase 3	NCT03277261	Completed
			150 mg, 450 mg	RMS	Phase 3	NCT03277248	Completed
			150 mg, 450 mg	RMS	Phase 3	NCT04130997	Enrolling by invitation
	Ianalumab	BAFF receptor	Unknown	SLE	Phase 3	NCT05126277	Recruiting
Chemotherapeutic drugs + senolytic agents	E/C + N	E: topoisomerase-II C: DNA N: bcl-2	E: 100 mg/m2 C: 75 mg/m2 N: 150 mg	Solid tumors	Phase 1	NCT00878449	Completed
	E + N I + N	E: topoisomerase-II I: topoisomerase I N: bcl-2	E: 150 mg I: 75/180 mg/m2 N: unknown	Solid tumors	Phase 1	NCT01009073	Completed
	P + N	P: tubulin N: bcl-2	P: 175 mg/m2 N: 150 mg	Solid tumors	Phase 1	NCT00891605	Completed
	D + N	D: microtubule N: bcl-2	D: 75 mg/m2 N: 150 mg	Solid tumors	Phase 1	NCT00888108	Completed
	G + N	G: DNA N: bcl-2	G: 1000 mg/m2 N: 150/325 mg	Solid tumors	Phase 1	NCT00887757	Completed

1. TERT telomerase, AAV adeno-associated virus, D dasatinib, Q quercetin, OA osteoarthritis, AD Alzheimer’s disease, ALS amyotrophic lateral sclerosis, AD-MSCs adipose-derived mesenchymal stem cells, UC-MSCs umbilical cord-derived mesenchymal stem cells, CNS10-NPC-GDNF human neural progenitor cells expressing glial cell-derived neurotrophic factor, CKD chronic kidney disease, IPF idiopathic pulmonary fibrosis, CCR2/CCR5 chemokyne receptor-2 and 5, CCL2 CC-chemokine ligand 2, BAFF B-cell activating factor, OS osteoporosis, PFSSS pulmonary fibrosis secondary to systemic sclerosis, SS systemic sclerosis, NSLF nonalcoholic steatohepatitis with liver fibrosis, SS systemic sclerosis, PS psoriasis, PsA psoriatic arthritis, PSS primary Sjögren’s syndrome, RMS relapsing forms of multiple sclerosis, ALN active lupus nephritis, N navitoclax, E etoposide, I irinotecan, C cisplatin, P paclitaxel, D docetaxel, G gemcitabine

Metabolic disordersDiabetes

Diabetes, as a metabolic disorder featured by increased blood glucose, result from defective insulin function, impaired insulin secretion, or both, which has increased mortality in recent years. The known etiological basis of diabetes can provide hints for rejuvenation strategy for treatment. SCs contribute to the pathophysiologies of diabetes via their direct impact on pancreatic β-cell function, involvement in adipose tissue malfunction, and SASP-associated tissue inflammation.384 Senolytics for removing SCs and senomorphics capable of attenuating the SASP of SCs can ameliorate diabetes and its complications by alleviating insulin resistance and reducing tissue inflammation.385 Awaking immune cells to kill SCs is conducive to improving blood glucose regulation function in diabetes treatment.386 The increasing exhaustion and senescence of β cells with age is also the driver of diabetes, and the reversal of senescent β cells and enhancing its function contribute to the treatment of diabetes, such as novel drugs for antagonizing β cell senescence,387 regulating metabolism burden to protect β cell function,388 the inhibition of islet inflammation,389 in vivo reprogramming for β cell regeneration390 and epigenetic modifications to rejuvenate senescent β cell, etc.391 Despite various rejuvenation approaches for diabetes treatment, most are still primarily in a developing, preclinical stage. Currently, systemic interventions for diabetes treatment seem to be more likely from bench to bedside, which have been explored in the diabetes population. Intensive lifestyle therapy at the workplace has been conducted on the diabetes population, and it exhibited great beneficial effects on improving the diabetes symptoms, such as significant weight loss and conducive changes in fat mass, glycemic controlling, and multiple organ insulin sensitivity, in which the underlying biological mechanism contains muscle NAD+ production, SIRTs pathways, mitochondrial activity and adipose tissue remodeling.392

Obesity

Obesity is characterized as an abnormal or excessive accumulation of fat that presents a health risk. The signal transduction pathways mediating obesity pathophysiology have been widely explored. Currently, a variety of anti-obesity drugs targeting obesity-related regulation pathways have been explored and even under clinical trials, such as melanocortin-4 receptor (MC4R) agonists, neuropeptide y receptor y5 (NPY5R) antagonist and glucagon-like peptide 1 receptor (GLP-1R) agonist, etc. The mechanisms of these interventions against obesity are mainly related to the control of calory intake, glucose balance and thermogenesis.393 Inflammation and metabolic disturbances associated with obesity could be caused by cellular senescence, and thus elimination of SCs with senolytic interventions may help improve obesity clinically. The previous reported that, in obese mice, the combination of D + Q reduced circulating inflammatory mediators, increased insulin sensitivity, boosted glucose tolerance, and promoted adipogenesis.394 Metabolic disorders in obese are also attributable to adipocyte senescence and unhealthy adipose tissue remodeling, and likewise, senescent adipocyte ablation alleviates adipose tissue inflammation and improves insulin resistance.395 All the results suggest that the emerging strategy with the removal of SCs have the potential to address obesity-associated metabolic dysfunction as well as its complication.

Tissue regeneration

Tissue regeneration refers to the partial regeneration of an organism’s tissue that has been injured by external stimuli, which resulted from the regulation of tissue-residing cells and tissue microenvironment. Cellular rejuvenation for tissue regeneration is devoted to the enhancement of tissue-specific cell function and the regulation microenvironment. The repair of endogenous tissue-specific stem cells was observed in various damaged tissue, like lens stem (LES) cells for lens regeneration after cataract surgery,396 activations of Lgr6+ EpSCs to generate all cell lineage of skin,397 endogenous liver progenitor cell-driven liver regeneration,398 etc. These encourage the development of exogenous activation of tissue-residing stem cells to recapitulate damaged tissue, such as biomaterials-based delivery system featured by controlled and sustainable drugs or other biologically active substances release, in osteochondral regeneration, wound healing, and spinal cord repair, and so on.399 The dysfunction and senescence of differentiated tissue-specific cells and microenvironment imbalance are other key players that impact tissue regeneration. For example, SCs-matrix interaction is responsible for the difficulty in healing in chronic wounds, because the SASP and ROS production from SCs results in increased matrix proteolysis and inflammation, dysfunction in stem cell, impaired vascular endothelial cells and exacerbated inflammatory microenvironment, and in turn, the microenvironment disturbance further accelerates cellular senescence.400 Therefore, the strategies with the elimination of SCs, improvement of tissue cell function, or restoration of microenvironment homeostasis are promising in tissue regeneration. These approaches contain clearance of SCs with senolytics, exogenous stem cell transplantation for replenishing the stem cell pool, EVs and their engineered derivatives for alleviating cellular senescence, and wound inflammatory and chemical compounds for rejuvenating SCs, etc. However, targeting tissue cells and microenvironment fails to achieve the functional regeneration of the large tissue defect or other severe and irreversible tissue damage, such as deep second-degree skin burns, diabetic ulcers, and massive liver defects. Recent advancements in somatic cell reprogramming technology have brought to light the possibility of functional repair of damaged tissue. Impressively, the regeneration of sweat gland cells by epidermal cell, fibroblasts, and MSCs reprogramming not only promotes wound healing in deep second-degree burned skin, but also confers the sweat function, which achieves the functional repair of damaged skin.401,402,403 Ex vivo reprogramming has the disadvantages including the dependence on startling cell sources and potential contamination of in vitro manipulation. Currently, to overcome this obstacle, in situ regeneration based on in vivo reprogramming has developed rapidly, which is applicated to the regeneration of pancreatic β cells, induced cardiomyocyte-like cells, expandable neural stem cells, and sensory hair cells.184 Despite the great leap that has been made, in vivo reprogramming is still in its infancy and lots of bottlenecks need to be overcome.184 Comprehensively, functional tissue regeneration still remains great challenge facing us.

Degenerative disorders

Bone-degenerative disease

The term “bone-degenerative disease” refers to conditions that progressively deteriorate bones and are primarily defined by degeneration, in which osteoporosis is more preval‎ent. Clearance of SCs has become lucrative methodology for osteoporosis treatment. Age-related osteoporosis has been demonstrated to be improved by genetic elimination of p16,404 and a combination of D and Q also performed well in repairing bone microstructure as seen in radiation-related osteoporosis.405 D + Q for the treatment of osteoporosis is being tested in the clinical trial (NCT04313634). Senomorphics that prevent the production of pro-inflammatory proteins, like the JAK inhibitor ruxolitinib, significantly reduce age-related osteoporosis by possibly suppressing certain factors like IL6, IL8, and PAI1.404

OA is a degenerative disease of the cartilage that develops with ageing and shares a pathogenesis with the SASP and senescence of joint tissue cells. SASP has been linked to cartilage deterioration, and age-related mitochondrial dysfunction and accompanying oxidative stress may cause senescence in joint tissue cells.406 Senolytic agents and senomorphic therapy have potential therapeutic value and implications in OA treatment. Navitoclax and UBX0101 are potential senolytic agents that work to alleviate OA, and the trial of UBX0101 in OA has been completed clinically (NCT03513016). Fisetin is a more selective senolytic candidate with lower hematological toxicity, which can activate SIRT1 to block the inflammatory response in OA chondrocytes,407 and Fisetin is now undergoing a clinical trial as a treatment for OA (NCT04210986). Senomorphic agents targeting MMPs can reduce OA symptom, increase type II collagen and inhibit chondrocyte degeneration in WT mice.408 IL-6 receptor inhibitor tocilizumab is presently being tested in phase III trial for hand OA (NCT02477059).

Neurodegenerative diseases

Alzheimer’s disease (AD), Parkinson’s disease (PD), and amyotrophic lateral sclerosis (ALS) are three of the neurodegenerative diseases. The accumulating evidences have indicated the contributions of cellular senescence to AD pathophysiology, by which telomerase deficiency and telomere shortening, accumulation of β-amyloid (Aβ), tauopathy, and oxidative stress get involved.409 Removal of SCs pharmacologically can improve memory of AD by reduction of brain Aβ load and tauopathy. The first-generation senolytic ABT263 is able to clear senescent astrocytes and microglia, modulate tau aggregation and inhibit tau-associated cognitive decline.410 Likewise, D + Q senolytic treatment reduced Aβ-related oligodendrocyte senescence, improved cognitive impairments, and decreased Aβ load and neuroinflammation in AD mice.411 In another way, D + Q also decreases cortical Tau‐containing neurofibrillary tangles (NFTs) burden, brain atrophy and neuron damage.412 However, senolytic therapy is rarely reported in treating PD and ALS. Stem cell-based therapies against neurodegenerative diseases hold promise. MSCs can enhance spatial learning and prevent memory impairment in AD via various mechanisms including reducing Aβ plaques and tau hyperphosphorylation, reversing microglial inflammation, and promoting anti-inflammatory response.413 Currently, many clinical trials of MSCs in AD treatment have been approved (e.g., NCT03117738, NCT04040348, and NCT02672306). The transplantation of NSCs with paracrine effect can decrease tau and Aβ levels, alleviate neuroinflammation, improve neurogenesis and enhance cognitive function via releasing neuroprotective or immunomodulatory factors.414 Current stem cell sources that have been implicated in PD include NSCs, human ESCs, iPSCs, as well as directly induced dopamine neurons.415 In addition, some clinical trials for treating ALS with stem cells were completed and it also gained desired results in various countries, including autologous MSC, endogenous MSC mobilization, NSC (NCT05306457), T-cell vaccination combined with autologous MSC and NSC therapy offers proof-of-concept that stem cell grafting as a therapy for ALS is doable and supports a continuous emphasis on perfecting stem cell-based therapeutic techniques to gain maximum benefit in ALS.416 Despite certain results of stem cell therapies that have been achieved neurodegenerative diseases, the disadvantages of this approach including the demand for immunosuppression and a neurosurgery operation, the poor maintenance of stem cell properties, and imperfect cell delivery systems, still need to be solved.

Cardiovascular diseases

The incidence and preval‎ence of a wide range of cardiovascular diseases (CVD) increase as a function of age. Molecular pathways involved in cellular senescence, oxidative stress, insulin signaling, autophagy, and inflammation may link the cardiovascular homeostasis deterioration.417 Cellular reprogramming is an emerging technology for cardiac regenerative medicine, and it works to treat CVD following three ways: (1) in vitro reprogramming of startling cells such as fibroblasts into cardiomyocytes via initiating cardiac development program, which provides cell source for cardiac regeneration;418 (2) in vivo cardiac reprogramming by lineage transcription factors or microRNA manipulation, in which resident cardiac fibroblasts are converted into cardiomyocytes in situ;419 (3) Partial reprogramming of cardiomyocytes into a fetal state to restore the function of senescent cells via temporarily reactivating the nascent developmental program in mature cardiomyocytes.420 The management of cardiac inflammation, such as targeting inhibition of IL-1 and inflammasome, also work to alleviate CVD, and oral NLRP3 inflammasome inhibitors and IL-1 signaling antagonist including Rilonacept, Canakinumab, and Anakinra have been under the clinical trials.421 Senolytics therapy is another potential approach to attenuate or prevent several CVD, which can improve myocardial function and alleviate atherosclerosis by clearance of senescent endothelial cells, senescent foam cells, and senescent T cells.422

Chronic lung diseases

Chronic lung disease (CLD) refers to a spectrum of persistent lung conditions that impair quality of life and are typically resistant to treatment. The conventional therapy regime for CLD treatment with nasal medications, immune-suppressive drugs, and surgery (in severe cases) only supports the decrease of disease progression rate. Cellular rejuvenation strategies based on stem cell therapy have ushered an alternative in the treatment of CLD. People with CLD may benefit from stem cells in the following ways: (1) lowering airway inflammation and preventing additional harm; (2) creating new, healthy lung tissue to replace any damaged tissue in the lungs; (3) promoting the development of new capillaries with tiny blood channels to enhance lung function.423 The candidate cell sources rejuvenating CLD include HSCs, ESCs, MSCs, and bronchoalveolar stem cells), and desired efficacy in stem cell therapies promotes more related clinical trials to be developed. Based on the differentiation potential of stem cell therapy, ex vivo lung bioengineering also offers exciting new therapeutic approaches for CLD, which contains physical stimuli such as air ventilation and blood perfusion and stem cell to create a functional lung organ.424 In the 3D microenvironment, physical stimuli relevant to lung biology and soluble factors can facilitate the establishment of bioengineered lungs through modulating stem cell fate, which is expected to be a future alternative for transplantation to treat CLD. However, the most important issues to be resolved are how to provide the lung with the ideal conditions of ventilation, perfusion, and oxygenation during the biofabrication process, as well as the best cell types, media, and growth factors (being likely various for the airway and vascular compartments).

Eye-related diseases

Macular degeneration, often known as age-related macular degeneration (AMD), is a serious eye condition underlined by photoreceptor loss and choriocapillaris and retinal pigment epithelium (RPE) degenerating (CC). The accumulating evidence shows that AMD is mainly attributable to oxidative stress, cellular senescence, and inflammation.425 The enhancement of autophagy can resist oxidative damage and mitigate the progression of AMD, and there are potential rejuvenative strategies activating autophagy for the alleviation of AMD, including mTOR inhibitors, hormones, melatonin, and antioxidants in the diet, where the interaction between the NFE2L2, PGC-1, p62, AMPK, and PI3K/Akt/mTOR pathways could be extremely important.425 As a result of the role of cellular senescence in the pathogenesis of AMD, it may be possible to use senolytics that kill senescent cells and stop the bystander effects of SASP to treat AMD. Recently, in a phase I study, Unity Biotechnology Company reports that a single dose of UBX1325 improved wet AMD patients’ visual acuity over the course of 24 weeks.

Glaucoma and age-related cataract (ARC) are also chronic, progressive eye diseases, and regeneration and re-functionalization of damaged trabecular meshwork (TM) or lens with stem cells have been regarded as a therapeutic alternative for these two conditions. A number of stem cells, including trabecular meshwork stem cells (TMSCs), ESCs, iPSCs, and MSCs, have demonstrated efficacy in maintaining intraocular pressure (IOP) equilibrium and restoring TM cellularity.426 These stem cells can home and integrate into the TM tissue, naturally differentiating into functional TM cells as well as secreting factors that facilitate tissue regeneration.427 For ARC treatment, the preservation of endogenous lens epithelial stem/progenitor cells after the extraction of cataractous lens is a new paradigm, which can achieve functional lens regeneration and avoid notable risks of complications caused by the implantation of an artificial intraocular lens.396

Chronic kidney diseases

Chronic kidney disease (CKD) is charactered by persistent kidney function decline, and its progressive nature often results in end-stage renal disease (ESRD). The growing evidences revealed that cellular senescence, stress-induced premature ageing, SASP, oxidative stress, and inflammation-mediated CKD development.428 By the selective elimination of SCs, ABT-263 can improve kidney function and stimulate tubular proliferation to reestablish a regenerative phenotype.429 Subsequently, a clinical trial suggested that senolytics with D + Q improved physical function in CKD patients (NCT02848131). Various drugs targeting SASP, like glucocorticoids, resveratrol and other protease inhibitors have been reported to attenuate CKD, and most of these mainly inhibit NF-κB signals and reduce ROS.430 Stem cell therapy has become the most likely effective therapeutic method to slow and even reverse CKD progression, in which MSC transplantation is widely explored due to their easy collection, low immunogenicity, and high paracrine potential. Both bone marrow MSC and adipose-derived MSC have been shown to have significant renoprotective effects in CKD, including a decrease in fibrosis and glomerulosclerosis as well as an intrarenal inflammatory infiltrate.431 The efficacy and safety of using MSC in CKD treatment have been tested in phase I clinical trials, in which two of them using autologous bone marrow MSCs (NCT02166489 and NCT02195323), and others are adipose-derived MSCs (NCT02266394 and NCT01840540). Trials employing MSCs to treat CKD may encounter a number of difficulties, including choosing the best administration method, assuring flourishing, tracking injected cells, immunological rejection, inadequate homing and engraftment, and low immune acceptance.432

Fibrosis

The term fibrosis describes the deposition of fibrous connective tissue as a reparative response to injury or damage, particularly during chronic inflammatory disorders, and Fibrosis leads to tissue architecture disruption, organ malfunction, and eventually organ failure. Based on that known molecular mechanism, numerous cellular rejuvenation strategies to treat fibrosis have been developed. A key contributor to fibrosis is metabolic reprogramming, which includes increased glycolysis, upregulated glutaminolysis, and accelerated fatty acid oxidation.433,434,435 Targeted inhibition of these metabolic processes can regulate collagen production, reduce ECM accumulation and alleviate progression to fibrosis. Miscommunications of macrophage-fibroblast interactions also result in pathological healing and fibrosis, and the restoration of macrophage and fibroblast crosstalk through IGF1 and platelet-derived growth factor C (PDGFC) can reduce tissue dysfunction.436 Integrin-mediated TGF-β1 activation is a significant pro-fibrogenic signaling pathway, making it a potentially alluring anti-fibrotic target. Pharmacologically blocking TGF-β1 signaling (e.g., SB431542) or inhibiting integrin signaling (e.g., GSK3008348, PLN-74809, and IDL-2965) have become widely accepted antifibrotic therapy.437 Various anti-integrin small molecule agents for idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) treatment are under the phase 2 clinical trials (NCT03069989, NCT04072315, and NCT03949530). Strong preclinical studies have identified pro-inflammatory cytokines (e.g., IL-13, CCL2, and CCR2/CCR5) as fibrosis triggers, and likewise, the phase 2 trials of IL-13 inhibitors alone (NCT01266135, NCT00987545, NCT00581997, NCT01872689, and NCT01629667) or IL-4/IL-13 antibodies (NCT02921971 and NCT01529853) have been conducted in the treatment of IPF, skin keloids, and systemic sclerosis. In addition, other clinical trials to treat fibrosis through inhibiting inflammation are also explored, including anti-CCR2/CCR5 (NCT02217475, NCT03028740, NCT03059446, and NCT02330549) for liver fibrosis and non-alcoholic steatohepatitis, anti-IL-1 (NCT01538719) for systemic sclerosis, anti-IL-6 (NCT02453256) for scleroderma, and anti-CCL2 (NCT00786201) for pulmonary fibrosis. During the process of fibrosis, myofibroblasts exhibit remarkable inter-lineage plasticity, which provides opportunities for cellular reprogramming in fibrosis treatment. During cutaneous wound healing, neogenic hair follicles-derived BMP signaling can reprogram myofibroblasts into adipocytes.438 Correspondingly, the BMP pathway activation may be the preventive approach to reduce fibrosis and achieve scarless wound healing. Finally, in vivo reprogramming induces myofibroblasts into other functional desired cells, which can not only attenuate fibrosis and also realize in situ tissue repair.184

Inflammation and autoimmune disorders

The strong evidences link chronic inflammation to autoimmune disease pathogenesis, including rheumatoid arthritis (RA), systemic lupus erythematosus (SLE), multiple sclerosis (MS), inflammatory bowel disease (IBD), psoriatic arthritis (PsA), primary Sjögren syndrome (PSS) and psoriasis, etc. Inflammatory cytokines (e.g., TNF-ɑ, IL-17, and IL-23), T cell-mediated inflammatory responses, and B cells-mediated antibody production play deleterious roles in the inflammation regulation on autoimmune diseases, which raises the potential for cellular rejuvenation targeted immunotherapy for autoimmune disease.439 Anti-cytokine therapy has revolutionized autoimmune disorders treatment. Targeting TNF-ɑ therapy including monoclonal antibodies (e.g., infliximab) and one receptor-Fc fusion protein (etanercept) is currently availability for RA, psoriasis, and IBD treatment. Inhibition of IL signaling also has been developed against autoimmune diseases, such as IL-1R antagonist (Anakinra), IL-1R1-IgG Fc (Rilonacept), anti-IL-1β mAb (Canakinumab), anti-IL-6 mAb (Sirukumab, Olokizumab, Clazakizumab, and Siltuximab), anti-IL-6R mAb (Tocilizumab, Sarilumab, and Vobarilizumab), anti-IL-17 mAb (Ixekizumab and Secukinumab), anti-IL-17R mAb (Brodalumab), anti-IL17A/F mAb (Bimekizumab), anti-IL-23/p40 mAb (Ustekinumab) and anti-IL-23/p19 mAb (Guselkumab, Risankizumab, Tildrakizumab, and Mirikizumab). Thereinto, monoclonal antibodies targeting IL-6 (Olokizumab: NCT02760407, NCT02760433, and NCT03120949; Clazakizumab: NCT02015520; Vobarilizumab: NCT02518620) have been registered for RA treatment, and other includes anti-IL-23 mAb (Mirikizumab: NCT03482011, NCT03535194, NCT03556202) and anti-IL17A/F mAb (Bimekizumab: NCT03598790 and NCT03766685) for psoriasis treatment, anti-IL-17 mAb (Secukinumab: NCT04181762) for SLE treatment, and anti-IL-23 mAb (Tildrakizumab: NCT03552276, NCT04314544, NCT04314531, NCT04991116) for PsA treatment. Immunosuppression of T cells activation by CTLA4-IgG1 Fc (Abatacept) and anti-CD40 mAb (Iscalimab) in autoimmune diseases also has been studied. Now, Abatacept (NCT02067910 and NCT02915159) and Iscalimab (NCT03905525) have been tested in phase 2 trials for PSS treatment. B cell depletion therapies show great potential for the treatment of autoimmune diseases, and likewise, a large number of monoclonal antibodies targeting B cells function also has been developed, such as anti-CD20 mAb (Rituximab, Ocrelizumab, Ofatumumab, and Ublituximab), anti-CD19 mAb (Inebilizumab), anti-BAFF mAb (Belimumab) and anti-BAFF-R mAb (Ianalumab), in which Ublituximab for MS (NCT03277261, NCT03277248, NCT04130997) and Ianalumab for SLE (NCT05126277) are under the phase 2 trials. Treatment and clinical results for people with autoimmune diseases have been changed by improvements in tailored immunotherapy, but immunosuppression based on decreasing inflammation may lead to serious side effects, such as increasing the risk of infection.440 Therefore, future researches seek to sustain immune defenses while inducing lifelong immunological tolerance.

Other ageing and age-related diseases

Other ageing and age-related diseases are also matters of great concern, including skin ageing, skeletal muscle ageing, reproductive system ageing, and ageing-related hearing loss. Skin ageing is currently a very concerning field, and the reversal or delay of skin ageing has a great market prospect. The process of skin ageing is multifactorial and is influenced by both intrinsic (such as time, genetics, and hormones) and extrinsic (such as UV exposure, and pollution) variables. Senescent skin cells, SASP, oxidative stress, inflammation, and autophagy, all mediate skin ageing pathophysiology. Fu et al. reported the phenomenon that epidermal cells can de-differentiation into stem cells in vivo during wound healing, and this discovery was the first to reveal that adult cells can become adult stem cells, which suggested that the high plasticity of epidermal cells and cellular fate was not one-street.441 The subsequent work of Fu et al. demonstrated that dedifferentiation-derived cells cultivated in vitro shared phenotypic and functional traits with EpSCs.442 Much more importantly, Fu et al. further discovered that aged epidermal cells had the ability to dedifferentiate into EpSCs, a process for which activation of the Wnt/-catenin pathway was crucial.443 Such breakthroughs not only make it possible to reverse skin ageing, but also promote the development of wound repair greatly. Currently, topical cosmetics like sunscreen, retinoids, or resveratrol are the foundation of current strategies for combating skin ageing. However, it is unclear how these products’ effectiveness in preventing skin ageing is related. Anti-ageing drugs such as senolytics or senomorphics may be useful for skin rejuvenation, because such drugs have anti-inflammatory and melanogenic properties that help protect the skin, prevent carcinogenesis, delay ageing, and reduce age-related diseases.444 Application of antioxidants to reduce and neutralize free radicals is an alternative method to slow skin ageing. The administration of natural products, especially polyphenols with known antioxidative properties, show the ability to enhance or remove the undesirable signs of ageing skin. Evidence-based knowledge suggests that the topical or oral use of various polyphenol-rich plants can prevent or reduce, besides others, undesirable conditions of skin ageing.445 Enhancing skin cell function and remodeling elastin networks hold promise for the restoration of skin youthful state. The developed strategies include stem cells and related EVs,446 pharmacological activation of autophagy,447 maintenance of circadian rhythmicity on skin-resided stem cell448, and regulation of metabolism homeostasis to restore mitochondrial integrity and metabolic output.449 Identifying key molecules involved in skin ageing makes great significance to skin rejuvenation. The role of COL17A1 in EpSC competition to orchestrate skin homeostasis and ageing and COL17A1 overexpression‎ against skin ageing also were revealed.450 Therefore, targeting activation of COL17A1 is the potential angle for skin anti-ageing therapeutic intervention. Y27632 and apocynin have been identified as COL17A1-inducing drugs, which show the capacity to facilitate skin regeneration and reduce skin ageing.450 Similarly, the miR-31-CLOCK-ERK pathway is a significant contributor to and therapeutic target for skin ageing. By inhibiting this pathway, either through conditional miR-31 ablation or with clinically proven MAPK/ERK inhibitors, one can safely and effectively delay the ageing process of the skin.451 The molecular mechanisms of skin ageing provide the biological basis for the application of drug-loaded biomaterials to skin rejuvenation. For example, using tetrahedral framework DNA (tFNA) to design a novel bio-switchable miRNA inhibitor delivery system (BiRDS), which can fuse miR inhibitors within the framework and maximize the loading ability. MiR-31 inhibitors-loaded BiRDS have excellent skin penetration and high RNA delivery efficiency, significantly combating skin ageing.452

Utilizing rejuvenation for cancer treatment

Cancer and its relation to rejuvenation

While most studies have focused on the function of senescence in non-cancer cells, it is clear that cancer cells may also establish a senescence response, which makes it possible to exploit senescence to treat cancer. Induction of senescence in tumors includes chemotherapy, radiotherapy, cell cycle inhibition, and telomerase inhibition. However, persistently therapy-induced senescence (TIS) may create a pro-inflammatory microenvironment.453 Meanwhile, SASP can contribute to angiogenesis to facilitate tumor development and an EMT in neighboring cancer cells and induce ECM degradation further resulting in the migration and metastasis of cancer cells.454 To overcome this obstacle, a sequential therapy regimen consisting of TIS followed by a second compound that specifically kills senescent cancer cells (senolytic agent) is highlighted as a one-two-punch method for treating cancer. For example, navitoclax has shown desired results when combined with various TIS, including ionizing radiation, rituximab (CD20 antibody), doxorubicin, paclitaxel, docetaxel, or gemcitabine.455 A phase II study (NCT01087151) demonstrated that, in patients with chronic lymphocytic leukemia, rituximab plus navitoclax exhibit higher effectiveness, prolonged progression-free survival, and well tolerance than that of rituximab monotherapy.456 Other chemotherapeutic agents like etoposide (NCT00878449), irinotecan (NCT01009073), cisplatin (NCT00878449), paclitaxel (NCT00891605), docetaxel (NCT00888108), and gemcitabine (NCT00887757) that are combined with navitoclax also have been tested to treat various cancers. For sequential treatment regimen in cancer, the issue that need to be solved is identifying pro-senescence drugs with high efficacy and selectivity in inducing cancer cell senescence.

Cellular reprogramming strategy converting malignancy to benignity

It is well recognized that cancer cells can develop a malignant transition from benign cells, but the question that whether it is possible to genetically and epigenetically transform malignant cancer cells to benignity is interesting. The discovery of somatic cell reprogramming encourages the idea that cancer cells, featured by genetic and epigenetic plasticity, can rescue benign cell functions by cellular reprogramming theoretically. Cell reprogramming techniques that trigger the switch from malignancy to benignity include transcription factors, chemical cocktails, microRNAs, and exosomes (Fig. 6).457 Transcription factor-mediated cancer cell reprogramming is a pioneering strategy to retrieve benign functions. The conversion of cancer cells to iPSCs with benign phenotypes has been frequently studied. With the induction of pluripotency-associated transcription factors, melanoma cells, hepatoma cells, and colorectal cancer cells, lung adenocarcinoma and gastrointestinal cancer cell can be reprogrammed into iPSCs, and these cancer cells-derived iPSCs maintain benignity without the formation of a visible tumor in vivo.266 In addition, the cancer cells-derived iPSCs can undergo multi-lineage differentiation, such as epithelial and mesenchymal cells as well as neuron. More importantly, these differentiated cancer cells are less aggressive and lack the ability to form tumors than their parental cancer cells. Lineage-specific factors manipulation also has shown proven capabilities to directly convert cancer cells to desired functional cells without the acquisition of pluripotency. For example, overexpression‎ of the transcription factor CCAAT/enhancer-binding protein alpha (C/EBPα) has been utilized to successfully transform human lymphoma and leukemia B cell lines into macrophage-like cells, with approximately 80% efficiency, and the reprogrammed cells exhibited poor tumorigenicity in vivo.458 Likewise, hepatocellular carcinoma can be directly induced into hepatocyte-like cells with normal functions when treated with the combinatorial manipulation of hepatocyte transcription factors.459 Although transcription factor-mediated cellular reprogramming is feasible and ethically acceptable in cancer treatment, such technology has additional challenges including cost and delivery efficiency, and in vivo procedure. The urgent need for developing optional methods is driven by safety and effectiveness concerns brought on by genetic manipulations. The chemical reprogramming technology based on small molecules has some particular advantages, such as affordability, ease of use, versatility that is easily programmable, permeability, and reversibility.460 Small molecule cocktail (SMC) consisted of SB431542 (TGFβ inhibitor), CHIR99021 (GSK3β inhibitor), BIX01294 (H3K9 methyltransferase/G9a inhibitor), and all-trans retinoic acid (ATRA), could give rise to losing malignant phenotype and acquiring hepatocyte properties in various liver cancer cells.461 MicroRNA and exosome delivery are novel anti-cancer alternatives in a manner of cellular reprogramming. Lin et al. reported using microRNA-302s could convert skin cancer cells into iPSCs with decreased tumorigenicity and genomic demethylation. These pluripotent cancer cells displayed more than 86% gene expression‎ similarity to human ESC lines.462 Under the stimulation of lineage-specific factors, such cells could differentiate into functional cells with benignity properties, like neurons and chondrocytes. ESCs-derived exosomes also deliver ESC-related reprogramming factors to convert malignant cells to benignity ones.463 However, the precise and efficient regulation of cellular reprogramming to malignancy conversion with microRNA or exosomes faces obstacles, and few investigations have been conducted in the extending frontiers.

Fig. 6

The mechanisms for cellular reprogramming in cancer. Cancer cell reprogramming treatment aims to convert the malignancy to benignity or provide a therapeutic target to inhibit the formation of CSCs. Yamanaka factors-mediated iPSCs technology has been recognized as a common method for the conversion of cancer cells to benign pluripotent cells, and cancer cells-derived iPSCs can re-differentiate into functional cells with less malignancy and free of tumorigenic potential. Cancer cells also can be directly reprogrammed into benign cells via various reprogramming strategies, such as lineage-specific factors, small molecules, microRNAs, and exosomes. Responsive cellular reprogramming based on EMT contributes to CSCs formation, which mediates the initial, progression, metastasis, and post-treatment recurrence. The role of cellular reprogramming in the formation of CSCs suggests that anti-cellular reprogramming strategies may be considered as a therapeutic alternative in cancer treatment. EMT Epithelial–mesenchymal transition. Created with BioRender.com

Anti-cellular reprogramming therapy for cancer treatment

The increasing evidence suggests that cellular reprogramming also contributes to cancer initiation, development, and recurrence (Fig. 6). Specific transcription factors silence- or epigenetic gene mutation-mediated cellular reprogramming initiate cancer initiation. For example, the depletion of PTEN in NSCs could activate Paired Box 7 (PAX7) and induce the generation of glioblastoma stem cell-like cells, which can lead to intracranial tumors in vivo.464 Cellular reprogramming mediates cancer development through cancer cell trans-differentiation or dedifferentiation. In non-small cell lung cancer, Lkb1 deficiency induced the trans-differentiation of adenocarcinoma cells into squamous cell carcinoma.465 In prostate cancer, luminal adenocarcinoma cells may trans-differentiate into neuroendocrine cells as a result of TP53 and PTEN depletion.466 Cancer cells can be reprogrammed by EMT and cell fusion to acquire stemness and differentiate into cancer stem cells (CSCs), which is a crucial step in cancer development. For example, single-cell analysis of organoids derived from CD44+ colorectal CSCs revealed that TWIST1-mediated EMT played an essential role in inducing cancer cell differentiation, and external stimulation with TGF-β1 can initiate EMT and promote the generation of CD44+ CSCs.467 Cellular reprogramming generating CSCs also contributes to therapy resistance and the recurrence of cancers, which may be the biological basis of poor clinical outcomes and post-treatment cancer recurrence. Conventional anti-cancer therapeutics, including chemotherapy and radiotherapy, enable cancer cells to become CSCs. For example, in non-small cell lung cancer, cisplatin-based chemotherapy renders p53 inactive and induces Tribbles Pseudokinase 1 expression‎, which leads to stemness activation in cancer cells.468 Therefore, cisplatin plus histone deacetylase inhibitor may synergistically suppress non-small cell lung cancer progression. Anti-angiogenesis therapy also has a great deal of potential in treating cancer, and antiangiogenic agents drive CSCs reprogramming by generating tumor hypoxia microenvironment.469 CSCs reprogramming also has been observed in immunotherapy, such as adoptive cell transfer (ACT) therapy. In melanomas, T cell-driven inflammatory stimuli lead to melanomas cells with the transition of the differentiated and dedifferentiated state and confer the ACT resistance.470 Collectively, cellular reprogramming is the key player in cancer initiation, development, recurrence, and therapeutic resistance. Synergistic therapy of conventional therapeutics and anti-cellular reprogramming may represent a promising strategy in cancer treatment. In the future, identifying molecular mechanisms involved in CSCs reprogramming is of great significance to anti-cellular reprogramming therapy.

Summary

The discovery of epidermal cell de-differentiation into stem cells and somatic cell reprogramming into iPSCs revealed that cell fate is not a one-way street. Terminally differentiated cells can reset their genetic and epigenetic properties and acquire the undifferentiated phenotype, and likewise, SCs can also get rid of senescence-related signatures and restore the youthful state. Emerged evidence has indicated the important contribution of cellular senescence in ageing and ageing-related diseases, which encourages the hypothesis that the reversal of ageing may be possible, and targeting cellular senescence may pave the way for that. The development of various cellular rejuvenation strategies provides compelling evidences that the ageing process is not irreversible. Particularly, the effectiveness of stem cell therapy and DR has been tested in the real world, yielding to desired results. Hopefully, there is a great possibility of translation of these rejuvenation strategies to address human ageing, age-associated diseases, and cancers. Therefore, it is reasonable to expect that clinical rejuvenation approaches to treat ageing-related diseases and even to reverse ageing will be boomed within the next two or three decades.

Conclusions and future perspectives

Throughout human history, the quest to extend lifespan or restore youthful state has been relentless. With the enormous progress in medical technology, including a deeper understanding of cell senescence and age-associated pathophysiology, it has become plausible to extend the human lifespan while preserving health. It is extremely essential to gain insight into the basic principles regulating cellular rejuvenation. Although many aged phenotypic and functional characteristics are studied, the formation, maintenance, and functional contribution to the disease process of aged cells still need further exploration. The study of cellular rejuvenation targeting ageing-related mechanisms is promising to develop potential therapeutic interventions for postponing and reversing ageing, and treating ageing-related diseases.

For decades, one of the dominant theories in ageing research has been that ageing results from the accumulation of DNA changes, mainly genetic mutations, which prevent more and more genes from functioning properly over time. These malfunctions, in turn, can cause cells to lose their properties, leading to the breakdown of tissues and organs and ultimately to ageing and diseases. However, the emerging evidences claim that epigenetic information loss over time is the major cause of mammalian ageing, and epigenetic regulation can restore youthful gene expression‎ patterns. Current advances have provided a comprehensive and detailed multi-level epigenetic panorama of ageing, elucidated some common and unique characteristics of physiological ageing and ageing-related diseases, identified novel biomarkers of ageing, and revealed new mechanisms of epigenetic remodeling in cell and organ ageing. It is expected that future research on ageing epigenetic inheritance will further expand the relationship between chromatin three-dimensional structure and function. Especially, with the development of epigenetic editing technology, scientists can make specific perturbations to the epigenome, to distinguish the causal relationship between the three-dimensional structure of chromatin and cell function. Epigenetic changes caused by ageing in more diverse cell types and pathophysiological states should also be extensively explored to discover conditional regulation mechanisms of ageing. For epigenetic rejuvenation, developing safe and stable strategies that modulate the epigenetic landscape of aged cells to a primitive state are important for cells to exert rejuvenating effects without cancer risk. Furthermore, systematic comparisons of epigenetic dynamics during ageing and partial reprogramming will contribute to identifying key checkpoints for reversing the ageing process and inform the design of potential intervention strategies for ageing-related diseases.

Pathological accumulation of SCs is also associated with ageing and a range of diseases, and SCs may be potential pharmacological targets for delaying the ageing process. In respect of targeting SCs, there are still many potential markers, like chromatin dynamics and transcriptional signaling, and pharmacological interventions deserving exploitation, to effectively regulate the secretory phenotype of SCs. SC elimination and SASP inhibition have shown some efficacy in clinical studies of treating functional degeneration and chronic diseases in ageing. Notably, SC populations are heterogeneous in terms of composition, function, and tissue distribution, even among species, which is also a problem in the transition from laboratory to clinic. Therefore, identifying the cell or organ-specific markers of SCs is of great guiding significance for future clinical treatment. Targeting the cell microenvironment and systemic signals makes sense for tissue-specific cell and organism rejuvenation. Stem cells play a crucial role in maintaining tissue homeostasis, and cell microenvironments also regulate stem cell behavior, which together form a regenerative unit. External signals from the ageing microenvironment appear to dominate the intrinsic function of young stem cells. In contrast, signals from the young microenvironment may have a limited effect on the regeneration of aged stem cells. It would be interesting to identify the genes or pathways that make aged stem cells insensitive to external signals in young microenvironment. Although many clinical trials registered for stem cell treatments, an effective and safe stem cell therapy to slow or reverse tissue ageing has not yet been identified. Several obstacles still need to be overcome, including proper differentiation and integration of cells in tissues, maintenance of the youth of stem cells and their progeny in ageing tissues, and prevention of tumorigenesis. It will be important to determine the specific mechanisms, which have the potential to provide better treatment pathways-using stem cell transplantation or utilizing endogenous stem cell banks. Recent advances in single-cell transcriptomics and pedigree tracing techniques provide a systematic understanding of stem cell ageing mechanisms. Developing and utilizing new techniques to track and manipulate stem cells will still be a key field. The systematic identification of gene networks, involved in functional changes, age-dependent changes in RNA and protein and metabolite molecules, and cellular interactions, will contribute to further studies on stem cells in tissue repair and ageing-related diseases. In addition, rejuvenating strong circadian rhythms can optimize organismal physiology and avoid the risk of disease to prolong health. Clinically, circadian rhythms including a series of cyclical life activities, such as diet, sleep and exercise, vary from person to person. It is of great clinical value to develop methods to predict individual circadian rhythms. Machine learning and artificial intelligence methods may help to identify a series of biomarkers to predict circadian rhythms, which has great application prospects for determining the optimal biological clock pattern for each individual.

Despite the great progress in cellular rejuvenation, the potential limitations have led to cellular rejuvenation rarely being tested in human studies. Cellular rejuvenation for reversing ageing and age-related diseases as well as cancers has been extensively studied. While cellular rejuvenation holds great promise, key questions remain to be addressed. (1) Cellular reprogramming strategy can reverse age-related physiological changes and promote tissue regeneration by resetting the epigenetic clock and changing cell fate, but the problems such as relatively low reprogramming efficiency and potential safety concerns, remain the obstacle in the path of its application. (2) The pharmacological delivery system is difficult to express the pluripotency factors with high efficacy. The toxicity might be induced by drug combinations, then reducing the effectiveness of the cocktail and causing side effects in normal cells. (3) Clearance of SCs and decreasing SASP exert a beneficial effect on organ repair and disease treatment, but poor cell selectivity of senolytics may result in the damage of normal tissue, and SASP inhibitors targeting specific secretory factors also have limited therapeutic effects on multiple factors-mediated diseases. Besides, completely senescence-specific markers are still absent. (4) Stem cell therapy as a rejuvenative strategy holds great promise in the reversal of ageing and alleviation of diseases. Despite the advances in many clinical trials of stem cell therapy, optimizing in vitro culture environment, improving the delivery system of stem cells, and reducing immune rejection are still the major challenges to obtain high-quality stem cells and enhance that therapeutic effect. (5) Restoring defective intercellular communications by the inhibition of inflammation can rejuvenate ageing-impaired changes, but long-term inflammation inhibition may lead to immunosuppression.

Collectively, cellular rejuvenation holds great promise for preventing and treating ageing-related diseases from different dimensions. A healthy and rejuvenated state of the organism can maintain stable characteristics and biological functions without excessive ageing-related degeneration or deterioration. Of note, system therapies such as DR and exercise are available rejuvenation strategies mostly closed to bedside, whose mechanism at the cellular level and molecular level has been expounded.471 The role of DR in health and diseases has been discussed above. Exercise greatly activates the immune system, facilitates DNA repair processes, maintains metabolism homeostasis, and is capable of lowering the risk of diabetes, obesity, cancer, osteoporosis, AD, and depression as well as prolonging the lifespan.472 The exploration of diet and exercise programs for different populations is the direction that needs to be paid attention to in the future.

References

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