衰老、死亡是人体发生、发展的自然规律和生命的最终结局，延缓衰老和提高老年人的生活质量是人类的共同期望和所面临的重大医学问题。目前，医学及生物学家已提出了体细胞突变学说、交联学说、自由基学说、神经内分泌学说、免疫学说、细胞凋亡学说和端粒学说等多种关于衰老的学说，分别从不同的角度和衰老发生发展的不同环节研究和解释了衰老的发生发展变化规律，加深了人们对衰老的认识，也为延缓衰老或防治衰老相关疾病提供了理论依据和技术方法。但是，这些学说都还不能完全揭示衰老的本质特征，还不能解决衰老和衰老相关疾病的治疗难题。随着人们对成体干细胞在维持组织器官结构与功能稳定方面的认识逐渐深入，越来越多的证据表明成体干细胞与衰老有关，从干细胞的角度可能找到延缓衰老和提高生活质量的方法。

在人体出生之后，人体首先是处于发育生长状态，表现为各组织器官中的新生细胞增加而衰老、死亡细胞相对少。当成长到一定阶段之后，各组织器官中的新生细胞与衰老死亡细胞处于相对平衡，组织器官的形态、大小、结构和细胞成分处于相对恒定，表现为人体成熟和组织器官功能达到顶峰水平。随后人体进入衰退进程，组织器官中的新生细胞减少，而衰老、死亡细胞逐渐增加，组织器官的结构老化、紊乱，最后衰退至衰竭状态并导致人体逐渐走向死亡。干细胞的存在和增殖、分化一直贯穿于生命的整个过程之中，但随着年龄的增长，其数量逐渐减少，活性逐渐减低，这是人体衰老的根本原因。在成体的许多组织中均存在有一定数量的干细胞，但各个组织中的干细胞含量不一，分化潜能和体外生长能力也没有胚胎来源的干细胞强大，而且数量十分稀少。机体组织器官由数量众多的成熟功能细胞、祖细胞和数量稀少的干细胞组成，在细胞层面，细胞数量的增加和减少是处于一种动态的平衡状态，通过这种平衡维持着机体内环境及组织器官结构和功能的稳定。尽管成体组织中的干细胞数量稀少，但对人体的健康发挥着关键作用，其中包括两方面的功能，一是更新正常衰老死亡的组织细胞，维护组织器官结构与功能的完整性；二是在病理损伤情况下，干细胞会紧急动员，增殖分化并修复组织损伤，补充组织细胞的不足。从这个意义上讲，干细胞与人体的健康状态和损伤性疾病的康复有密切关系，人体衰老也是因为干细胞更新衰老死亡细胞的能力不足所致。干细胞的自我更新是指干细胞的一种特异分裂方式——不对称分裂，即一个干细胞分裂为两个，其中一个子代细胞与上一代细胞完全一样，继续保持未分化状态位于龛位，并具有再次分裂的能力，另一个子代细胞分化为终末成熟组织细胞。从理论上讲，成体干细胞通过自我复制机制在生命过程中维持数量不变，而且通常处于休眠状态，但实际上由于体内外环境、有毒食物、各种损伤、炎症及组织微环境的变化等，其数量和活性随年龄的增长而逐渐减少和降低，只是存在一定个体差异而已，这就是人体衰老时容易发生退变性疾病及最终衰老死亡的客观原因。人类在出生的时候，总体细胞在3兆个左右，干细胞数量约20亿个；到20岁时，细胞总量增加到60兆个，而干细胞数量则减少到10亿个左右；到50岁时，人体细胞总量减少到48亿个左右，而干细胞数量则进一步减少到3亿个左右，说明干细胞从出生后呈逐渐减少的趋势，年龄越大，干细胞的数量越少。成体干细胞的生长、分化活性降低也是人体衰老的重要原因，干细胞的分化是指干细胞在体内外特定的微环境条件下分化为多种成熟的组织细胞，比如造血干细胞可分化为血液系统的各种细胞，间充质干细胞可在不同的诱导条件下分化为多种组织细胞，如骨、软骨、脂肪、内皮、肌肉、胰腺、神经和上皮组织细胞等。随着年龄的增长，组织中的干细胞也在各种体内外因素的作用下，分化能力逐渐降低。

科学研究证实，人体衰老的原因是组织器官功能退变，本质上是组织细胞更新换代不足，组织细胞数量减少和活性降低。在生理状态下，组织细胞的减少是通过细胞凋亡途径实现的，细胞凋亡是在相关基因控制下机体及时清除衰老或异常细胞的程序性细胞死亡，是一种正常的生理清除机制。细胞数量的增加是通过细胞增殖分裂实现，机体通过细胞增殖和细胞凋亡机制实现了两者之间的平衡，维持了机体内环境的稳态。一旦这种平衡被打破，就会对机体产生破坏性的影响，比如凋亡过度就会引起老年性痴呆、肌肉萎缩、发育异常等疾病，而凋亡不足则可导致各种肿瘤和免疫系统疾病等。同样，细胞增殖异常，也会导致机体器官功能衰退，引发一系列复杂的疾病。那么，细胞增殖是如何实现的呢？Petersen等在肝再生实验中发现，残余的肝细胞可以进入分裂增殖状态，如果选择性地抑制成熟肝细胞的增殖，肝内幼稚的卵圆细胞仍能再生完成肝再生。进一步研究发现，肝内卵圆细胞可以来自骨髓干细胞，而且在肝内最终可分化为成熟的肝细胞。成熟肝细胞是至今发现的少数可以再生的细胞，人们相信绝大多数成年组织器官都是通过干细胞更新与增殖实现衰老、凋亡组织细胞的更新和补充，包括骨骼、软骨、肌肉、血液、骨髓、脑、心脏等。人们普遍认为，在各种细胞因子的趋化作用下，骨髓干细胞通过血液循环系统穿过毛细血管网进入各种组织，并在局部组织微环境条件下分化为组织干细胞，这些组织干细胞再通过增殖分化方式演变为组织特异性成熟细胞以弥补衰老、损伤而凋亡的细胞，也就是说这些组织干细胞其实是来源于骨髓原始干细胞的不断补充。但也有的学者认为，成年组织内存在的这些组织干细胞是胚胎发育过程中遗留的原始干细胞。不过有一点是确定的，造血系统通过血液循环系统与机体所有组织器官连接相通，使得血液细胞和免疫细胞无孔不入并不断更新，当机体组织损伤如肝切除后，可以检测到外周血液中循环的细胞成分发生了变化，比如循环的间充质干细胞明显增多，提示骨髓作为造血器官不是孤立存在的（图2-1）。不管这些组织特异性干细胞究竟来源于哪儿，科学家们几乎都认为机体组织器官功能的维持是由干细胞独特的自我更新方式来实现的，成体干细胞在分化产生成熟组织细胞的同时又复制了足够的干细胞备用。例如，造血干细胞通过一系列的分化演变，形成了T淋巴细胞、B淋巴细胞、自然杀伤细胞、粒细胞、单核巨噬细胞、红细胞和血小板等血液系统的功能细胞，这些子代细胞具有不同的细胞功能但不再具有自我更新能力，经过一定生存周期之后就通过凋亡机制消亡。骨骼肌干细胞处于静息状态位于骨骼肌细胞与基底膜之间，一旦肌肉损伤这些干细胞就被激活，通过增殖、融合等方式形成多核的骨骼肌细胞，而部分干细胞重新进入静息状态。复杂的器官，不同组织细胞可能起源于不同的成体干细胞，但都是通过干细胞的自我增殖更新和分化维持器官结构和功能的稳定。一旦这种稳态失衡，如组织特异性干细胞变异为肿瘤干细胞，使得细胞自我更新异常加快，就可引起细胞及其子代细胞的生长不受调控而形成细胞增生性疾病，例如肿瘤。同样，如果干细胞的自我更新异常减弱或障碍或者干细胞分化出现异常，将导致干细胞数量减少或功能不足，均表现为组织器官的功能低下甚至组织器官衰竭，形成各种退行性疾病，例如阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD，又称老年性痴呆）、各种老年性退行性关节炎，都是老年人常见的一种退行性神经病和退行性骨病。当然，各种组织损伤本质上也是干细胞缺失或数量不足。像肿瘤、老年性痴呆、退行性关节炎这些起源于干细胞的疾病，称之为干细胞疾病，越来越引起人们的关注。事实上，从受精卵开始，细胞不断增殖和分化发育为一个年轻的个体，出生后又继续生长发育到成熟阶段，然后就逐渐衰老直至死亡。衰老是一个自然渐进发生的生理过程，往往伴随机体2/3的生命过程，可见关注衰老就是关注了大半个人生。衰老究竟如何发生，一直是医学研究的重点之一。

成体组织中的干细胞种类繁多，主要是因为不同组织来源的干细胞在形态结构、生长特性、表型标志及分化潜能方面存在一定差异，但都具有类似的功能特征。造血干细胞和间充质干细胞是发现较早、研究报道较多的两种成体干细胞。造血干细胞是研究和临床应用最早的成体干细胞。在长期的临床实践中人们发现，在幼年时期，随着年龄的增长，人体骨髓中的造血干细胞数量在增加；但在成年之后，造血干细胞的数量和活性随年龄的增长而明显降低，导致机体造血功能下降，严重时还会出现贫血。老年人的造血干细胞在应激造血等外界环境刺激下反应速度明显降低，这些结果提示造血干细胞的生物学特性的维持有时间限度，造血功能的衰退对全身的代谢、免疫、抗病能力下降。间充质干细胞是近年来研究较多的成体干细胞，研究发现间充质干细胞在体外扩增传代到一定程度后会表现出明显的老化特征，比如增殖速度减慢、形态特征改变、分化能力降低等。间充质干细胞最早发现存在于骨髓，后来已经证明间充质干细胞广泛分布于机体全身组织器官，是目前研究较多的一类成体干细胞之一，具有良好的体外生长、促损伤修复和调节炎症与免疫的功能。间充质干细胞的数量随着年龄增长和身体虚弱而下降，比如新生儿的间充质干细胞的数量最多、细胞活性最好，到了80岁时数量大约下降50%，细胞活性则降幅远超过50%。更多的研究证实，衰老其实就是成体干细胞的衰老，比如老年性痴呆患者脑组织内的干细胞不仅数量减少，活性也降低。

间充质干细胞最早发现于造血器官，但后续研究证实间充质干细胞普遍存在于机体的多种组织器官中，并通过其多向分化潜能和自分泌功能参与组织修复和机体的免疫调节，在衰老和很多疾病的发生发展中起着重要作用。因此，了解间充质干细胞等成体干细胞的衰老，就可以阐明衰老和很多疾病的发病机制。间充质干细胞的衰老主要表现在三个方面：①增殖能力变化：间充质干细胞具有自我更新能力，但其分裂增殖次数是有限的，随着间充质干细胞体外传代次数的增加，细胞逐渐呈现衰老细胞的特征，不仅有胞体增大、扁平和胞质内空泡等细胞形态学变化，还表现为细胞增殖和定向分化能力的降低甚至丧失，这些老化的细胞虽没有死亡但呈现静息状态，即Hayflick限制。②分化能力变化：基础研究显示，人脂肪或骨髓来源的间充质干细胞在体外长期扩增后，其分化能力会明显下降；衰老大鼠肌肉组织或牙周膜来源的干细胞的增殖能力、分化能力、移行能力和克隆形成效率均明显降低。同样，在脑组织衰老的模型中，也观察到星形胶质细胞的特异性基因表达水平及细胞数量增加，而神经干细胞向神经元分化的能力下降。老年人的肌损伤后，组织修复能力明显低于年轻人。这些结果均表明成体干细胞的分化能力下降。③间充质干细胞的不稳定性增加：很多研究认为，间充质干细胞在体外长期扩增后往往会出现DNA损伤、基因突变或者其他的细胞损伤，当这些损伤随着细胞增殖的增加累积到一定程度时，就可引发细胞周期调控的异常，甚至直接导致恶变。从这个意义上来说，可以很好地解释为什么老年人肿瘤、各种退行性疾病等干细胞疾病发病率较高。

上述这些间充质干细胞衰老的表现，体现的其实是衰老的结果。衰老作为一种复杂的生命过程，是内因和外因两方面众多因素共同作用的结果。科学家们采用传统的理论方法研究了间充质干细胞衰老的分子机制，发现是内在和外在多种因素通过氧化应激、DNA的损伤、端粒及端粒酶调控系统，以及衰老相关的ARF/p53及p16INK4a/RB信号通路的激活等途径调控了间充质干细胞的衰老。然而，成体干细胞毕竟具有干性（stemness），明显不同于普通成体细胞，采用针对成体细胞衰老研究的理论和方法来研究成体干细胞，比如针对p16INK4a/RB信号通路的调控机制，已经在成体干细胞取得很多进展，但这些机制研究似乎都忽视了成体干细胞特有的自我更新功能和相应的干性基因的作用。鉴于此，很多学者认为成体干细胞衰老的机制是由于成体干细胞的干性降低，导致成体干细胞的增殖能力降低，而且在基因调控层面干细胞干性基因与衰老相关基因表达水平之间存在相互拮抗关系。这个观点是基于以下三个方面的研究发现：①间充质干细胞的衰老往往伴随着干性基因表达的下调：体内研究表明，与4个月龄的大鼠相比，15个月龄的大鼠骨髓间充质干细胞只检测到干性基因Oct4的表达，而检测不到Sox2和Nanog的表达。体外进一步研究显示，多次传代的骨髓间充质干细胞增殖能力下降、自我更新的干性基因表达下调、干性基因Oct4和Nanog的表达量减少、成骨分化潜能退化，端粒酶活性丧失，但同时出现了β-半乳糖苷酶、p21等与衰老相关的基因的表达或表达量增加。②干性基因的表达抑制了间充质干细胞的衰老：细胞重编程研究显示，干性基因Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc转染进入表皮细胞表达的同时，可以检测到细胞骨架、MHC-Ⅰ基因和细胞凋亡相关基因的表达减弱，获得的iPS细胞端粒酶活性增强，但引人注目的是与衰老相关的p15INK4B/p16INK4a基因的表达受到了抑制，氧化应激的信号也受到抑制。间充质干细胞实验进一步显示，在间充质干细胞中过表达Oct4和Nanog两个干性基因，可以促进间充质干细胞的增殖和分化能力，并抑制自发分化。原来，Oct4和Nanog与DNA甲基转移酶DNMT1的启动子结合，强化了DNMT1的表达，或许是DNMT1的表达导致p16INK4A和p21的启动子过度甲基化，其结果是抑制了衰老相关基因p16INK4A和p21的表达。③抑制衰老相关基因的表达可以增强间充质干细胞的干性：RNA干扰实验显示，抑制多次传代的骨髓间充质干细胞衰老相关基因p21的表达，可以检测到干性基因Oct4和Nanog的表达，同时观察到间充质干细胞增殖能力和成骨分化能力的增加。类似的结果也在乳腺癌细胞的干扰实验中出现，即抑制p16的表达，可以促进Nanog、Oct4和Sox2的表达，降低乳腺癌细胞对化疗药物的敏感性。上述这些研究发现已见于间充质干细胞、乳腺癌细胞、成体细胞等多种细胞类型，但尚未见到造血干细胞的相关研究报道。

基于上述分子调控机制的研究发现提出的干细胞衰老学说认为，外因和内因共同诱发了成体干细胞的衰老，在成体干细胞维持组织器官的稳定和再生的过程中逐渐体现出机体衰老的特征。简单来说，相关环境因素影响了干细胞龛位的微环境，通过信号转导机制发挥了细胞增殖周期的调控效应或者表观遗传调控效应，其结果是抑制了细胞增殖或加快了细胞凋亡，或者在干细胞的DNA甲基化、组蛋白乙酰化、染色质重塑、非编码RNA调控等环节弱化了干细胞的干性相关蛋白的表达而强化了衰老蛋白的表达。尽管成体干细胞衰老究竟是通过干细胞的干性基因信号通路途径，还是通过p16、p21等经典衰老相关基因信号通路途径调控目前尚存争议，全面确立干性基因表达水平与衰老相关基因表达水平之间存在相互拮抗的关系也还需要更多证据的支持，但成体干细胞的衰老可能源于成体干细胞干性降低的观点，至少是传统的关于衰老学说的一种有益补充，这个观点也为体外分离和扩增间充质干细胞的过程中如何维持间充质干细胞的干性指出了努力方向。更重要的是，越来越多的研究显示机体衰老的本质是成体干细胞的衰老，而间充质干细胞又普遍存在于机体的多种组织器官中，并在衰老和诸多疾病的发生发展中起着重要作用。延缓衰老甚至返老还童或长生不老一直是人类梦寐以求的人生梦想，深入研究衰老过程中维持成体干细胞干性基因的表达情况，可以更深入更全面地揭示成体干细胞衰老的调控机制，通过逆转或强化成体干细胞干性基因的表达，有望延缓成体干细胞的衰老或实现人类返老还童的梦想，尽管这样会增加促进肿瘤发展的可能。更令人鼓舞的是，衰老机制的研究发现，为延缓衰老或治疗与衰老相关的诸多疾病提供了新的思路和策略，比如间充质干细胞用于延缓衰老或治疗与衰老相关的诸多疾病成为可能，补充外来间充质干细胞可以通过自分泌功能和多向分化潜能，在延缓衰老或治疗与衰老相关的诸多疾病的多个环节或多个方面发挥干预或治疗作用。

间充质干细胞的衰老如何影响到其分化能力，目前认为与基因调控、受损蛋白蓄积相关。研究发现随着年龄的增长细胞内p53的表达增加，并且p53的产物p21和Bax也相应地增加。p53能抑制间充质干细胞向成骨细胞、脂肪细胞以及肌纤维分化。还发现随着间充质干细胞传代次数增加，一些参与细胞周期调控，DNA复制及修复的基因表达显著下调，因此会有很多的细胞发生凋亡。凋亡增加意味着具有分化能力的细胞数目减少。蛋白质受损以及异源性蛋白在细胞内的蓄积是细胞衰老的标志。人骨髓从婴儿出生直到年老，经历了红骨髓向黄骨髓的转变。黄骨髓主要由脂肪组织构成，其造血功能甚微，而且大量的脂肪细胞会明显减慢骨髓中血细胞的形成速度，骨髓的脂肪化在骨质疏松症、股骨头坏死等常见老年疾病中尤为明显，这些变化将严重影响骨髓造血、进而影响人体健康。