殺死老化細胞來減輕新冠病毒重症的可能性

細胞老化的過程是由於細胞壓力 ( cellular stress ) 造成基因（e.g. p16^INK4a, p21^CIP1）、形態學、代謝的改變 [1]，使老化細胞 ( senescent cells; SnCs ) 分泌老化相關分泌因子 ( senescence-associated secretory phenotype; SASP )。 SASP 包括一些發炎因子、細胞激素、生長素、蛋白酶、凝血因子等，會促進發炎反應 [2]。隨著年齡逐漸增長，老化細胞會堆積在各組織中，慢性疾病或發炎也會引發老化細胞的累積 [3]。本篇研究團隊推測 SnCs 所分泌的 SASP 會造成細胞對於病源體表面的病原相關分子模式（Pathogen-associated molecular patterns, PAMP）有更強烈的反應，進而導致新冠病毒感染所引發的細胞激素風暴和多重器官衰竭，且 SASP 會加強個體本身對於新冠病毒的發炎反應，同時影響非老化細胞 ( non-SnCs ) ，降低其抗病毒蛋白以及增加病毒進入細胞的蛋白 ( viral entry protein ) 的表現 ( 圖一 ) [4]。因此，若能使用老化細胞溶解藥物 ( Senolytic drug )，專一性得誘導老化細胞凋亡 ( apoptosis ) ，同時減少 SASP 的分泌，或許能避免老年或高危險族群發生重症，改善存活率。

圖一、因為年齡或是慢性疾病而累積的 SnCs，在面對 PAMP 時會放大 SASP 的表現，因而增加病毒進入所需蛋白 (viral entry protein) 的表現，並在正常細胞減少 IFITM 抗病毒基因表現。
圖片來源：doi/full/10.1126/science.abe4832

SnCs 受 PAMP 刺激，提升 SASP 表現量

團隊先以輻射線促進 SnCs 形成，在 SnCs 和 non-SnCs 加上 PAMPs lipopolysaccharide (LPS) 和 SARS-CoV-2 spike protein (S1)，之後測量 SASP 的量和 SASP 對 non-SnCs 的影響。LPS 在 non-SnCs 促進 IL-1α, IL-1β, IL-6, MCP-1, PAI-2 等 SASP 表現，卻沒有使 p16^INK4a 或 p21^CIP1 基因表現有顯著變化。在加入了 LPS 的 SnCs 裡，可以測得比 non-SnCs 更大幅度的 SASP 增加。由上述實驗可以推論病原相關分子模式可以刺激 SASP 大量產生，而 SnCs 可以放大對病原相關分子模式的發炎反應。

SASP 抑制正常細胞的抗病毒機轉

知道老化細胞面對感染時會產生更大量的 SASP 之後，科學家想要了解 SASP 會不會影響人類細胞面對病原體時所產生的反應。他們將 non-SnCs 腎臟細胞暴露在來自 SnCs 或 non-SnCs 的條件培養液 (conditioned media ; CM)，觀察到培養在來自 SnCs 培養液的細胞顯著得減少了其病毒對抗基因 IFITM2 和 IFITM3 的表現。直接使 non-SnCs 腎臟細胞暴露在 IL-1α 也讓 IFITM2 和 IFITM3 基因減少表現。而在 CM 中以抗體中和 IL-18, PAI-1 和 IL-1α 等 SASP 因子，能夠部分恢復 IFITM2 和 IFITM3 基因的表現。上述實驗證實了 SASP 會抑制 non-SnCs 表現抗病毒基因，增加病毒感染對細胞的危害。運用同樣的手法，團隊在 non-SnCs 人類肺部表皮細胞上也觀察到加入養過 SnCs 的細胞培養液會增加 SARS-CoV-2 病毒進入細胞所需蛋白 ACE2 和 TMPRSS2 的表現 [5]；給予 non-SnCs IL-1α 時會大幅增加這兩個基因的表現量，顯示 SnCs 可能可以藉由旁分泌 ( paracrine ) 的方式分泌 SASP 來影響 non-SnCs 表現感染相關的蛋白質。

老年小鼠對病原體的抵抗力較差，特別是 β-coronavirus 感染

有趣的是，團隊為了進一步研究 SnCs 在重症感染的腳色，使用了寵物店的老鼠或是他們的墊料來感染無特定病原 (Specific pathogen free; SPF) 的實驗鼠，模擬實驗個體感染小鼠身上常態的病原體的過程 (normal microbial experience NME)。暴露在 NME 的老年小鼠在兩週內死亡的比率達到 100%，相反得，有 89% 的年輕小鼠可以存活長達數月。在 NME 暴露後的 6 到 7 天解剖小鼠進行組織和基因分析，發現年老且暴露過 NME 的小鼠，其肝、腎以及肺部的老化相關基因p21Cip1 和 p16Ink4a 以及 SASP 因子 ( 例如 Il6, Mcp1 和 Tnfα 等 ) 表現量最高，除此之外也在年老老鼠上發現較多免疫細胞浸潤和較少抗體。另外，從唾液和糞便的分析發現其中一種感染小鼠的病原體是類似 SARS-CoV-2 的冠狀病毒鼠肝炎病毒 ( β-coronavirus mouse hepatitis virus, MHV )，使用不會致死的 MHV 病毒量先感染老年小鼠後，發現雖然其抗體的產量比不上年輕小鼠，但卻能預防老年小鼠死於 NME 的暴露，顯示 β-coronavirus MHV 是在此實驗背景下使小鼠感染致死的主要病原。

老化細胞溶解藥物減少細胞衰老與死亡率

最後團隊想要探討小鼠老化細胞溶解藥物是否能減少感染致死率，當給予飼養在 NME 的老年小鼠 senolytic fisetin [6] 時，有 64% 的公鼠和 22% 的母鼠顯著得延長了壽命，也減少了發炎蛋白質在血清中的表現。在給予 fisetin 之後測量年老小鼠的抗體量出現顯著提升，與年輕小鼠的抗體量同等，體內的病毒 RNA 量也下降，其肝、腎與肺部的老化相關基因以及 SASP 因子的表現量也有顯著的降低。使用老化細胞溶解藥物 Dasatinib 加 Quercetin 也降低了老化相關基因和 SASP 因子的表現，且出現了減少死亡率的效果。這些動物試驗顯示老化細胞溶解藥物的潛力，因此團隊已經啟動了人體試驗 ( NCT04476953 ) ，探討 fisetin 會不會減緩住院年長者的 COVID-19 病程，另外也啟動了以養老院內老人為受試者的人體試驗 ( NCT04537299 )。

老年人因老化，或慢性病患者因長期發炎導致體內有相對年輕除群更多的老化細胞，此研究利用老化細胞溶解藥物來移除身體中可能會造成免疫問題的老化細胞，是一個面對疾病感染相當新穎的想法，有望解決現在新冠肺炎疫情最棘手的細胞激素風暴和多重器官衰竭問題，後續的人體試驗結果相當令人拭目以待。

參考文獻：

J. L. Kirkland, T. Tchkonia, Cellular senescence: A translational perspective. EBioMedicine 21, 21–28 (2017). doi:10.1016/j.ebiom.2017.04.013
P. D. Robbins, D. Jurk, S. Khosla, J. L. Kirkland, N. K. LeBrasseur, J. D. Miller, J. F. Passos, R. J. Pignolo, T. Tchkonia, L. J. Niedernhofer, Senolytic drugs: Reducing senescent cell viability to extend health span. Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. 61, 779–803 (2021). doi:10.1146/annurev-pharmtox-050120-105018
Tchkonia T, Kirkland JL. Aging, Cell Senescence, and Chronic Disease: Emerging Therapeutic Strategies. JAMA. 2018;320(13):1319–1320. doi:10.1001/jama.2018.12440
Camell, Christina D., et al. “Senolytics reduce coronavirus-related mortality in old mice.” Science (2021). doi: 10.1126/science.abe4832
J. Shang, Y. Wan, C. Luo, G. Ye, Q. Geng, A. Auerbach, F. Li, Cell entry mechanisms of SARS-CoV-2. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 117, 11727–11734 (2020) doi:10.1073/pnas.2003138117
M. J. Yousefzadeh, Y. Zhu, S. J. McGowan, et al. Fisetin is a senotherapeutic that extends health and lifespan. EBioMedicine, 36, 18-28.(2018) doi:10.1016/j.ebiom.2018.09.015