用于研究与年龄相关的慢性病的联体共生
概括
现代医学拥有治疗大量疾病和伤害的能力，我们大多数人在一百年前就会死去。鉴于这一巨大成就，进展似乎已经放缓，我们无法影响我们这个时代最具破坏性的疾病。心血管疾病、糖尿病、骨关节炎或阿尔茨海默病等老年慢性疾病变得非常复杂，可能需要变革性的思想和范式来理解和治疗它们。联体共生模仿人类和某些动物连体双胞胎中自然发生的共享血液供应的各个方面，可能只是有能力成为这种变革性的实验范式。在许多国家被遗忘和回避，它为肿瘤生物学、内分泌学、和过去一个世纪的移植研究，美国和英国的一系列新研究报告了利用年轻和年老小鼠之间的共生关系在干细胞生物学和组织再生方面取得的惊人进展。我们在此简要回顾共生的历史并讨论其在研究生理和病理生理过程中的效用。我们认为联体共生是一种应该得到更广泛接受和应用的技术，并且应该重新审视政策，特别是如果要研究与年龄相关的复杂慢性疾病。我们在此简要回顾共生的历史并讨论其在研究生理和病理生理过程中的效用。我们认为联体共生是一种应该得到更广泛接受和应用的技术，并且应该重新审视政策，特别是如果要研究与年龄相关的复杂慢性疾病。我们在此简要回顾共生的历史并讨论其在研究生理和病理生理过程中的效用。我们认为联体共生是一种应该得到更广泛接受和应用的技术，并且应该重新审视政策，特别是如果要研究与年龄相关的复杂慢性疾病。
Parabiosis——一种受自然启发的实验模型
连体婴儿有过，因为这自然发生的生理状态下早期19得到了全世界的宣传通过连体兄弟暹罗双胞胎让人心醉个世纪。尽管“连体双胞胎”一词源于他们的案例，但描述连体双胞胎的较早报道可以追溯到 1100 年。这种情况的发生率约为 1:100000；然而，只有 26% 的人出生后存活下来。不同病例的结合程度和附着点差异很大，并且引入了解剖学术语来对结合的类型进行分类 。尽管在医学领域取得了相当大的进步，但成功地将两个人进行手术分离的机会仍然取决于共享了多少重要器官。有几个众所周知的案例，其中双胞胎的分离是不可能的或已被拒绝。对于 Chang 和 Eng Bunker 来说，这样的手术不是一种选择，因此，他们已经适应了连体生活，一起生活到 63 岁。连体双胞胎发展出惊人的协调能力，很长一段时间以来，人们只能推测两人之间这种更高形式的相互交流背后的生理机制。
为了研究有机体对其连体伴侣的影响，科学家们提出了一种动物模型，该模型基本上复制了连体双胞胎的自然现象。将两种生物体物理连接起来的外科技术后来被称为“parabiosis”（来自希腊语，para“besides”和 bios“life”）是由法国生理学家 Paul Bert 在 1860 年代首次使用白色白化鼠引入的。图1a）。起初，联体共生手术包括短皮肤切口和在每只动物的侧面缝合在一起，但该技术多年来一直在发展。如今，皮肤切口通常沿整个身体侧面延伸。此外，在一些模型中，四肢在关节处缝合，腹壁连接在一起，以增加稳定性和血管化表面。Conboy 等人最近描述了手术的详细程序，包括逆转对生物配对。在首次使用大鼠进行实验后，其他动物物种包括蝾螈已被纳入联体共生实验，但结果证明啮齿动物从手术中恢复得最好，与高等哺乳动物相比，对伤口感染表现出显着的抵抗力。因此，大多数后续研究都是在大鼠或小鼠身上进行的。除了连接成体生物以进行共生之外，胚胎组织也已在两栖动物和鱼类中融合以研究发育过程（例如）。使用成年动物进行的早期联体共生研究报告了联体中毒的案例，其中两个共生体之一突然死亡 。虽然这种中毒主要是由于缺乏导致组织排斥的遗传均匀性，但现在可以通过熟练的操作者采取适当的预防措施在小鼠 parabionts 中获得与其他侵入性外科手术相似的存活率 (>80%)，甚至长期生存似乎不受影响（自己的观察）。迄今为止，大多数共生研究是在美国和日本进行的，而只有少数出版物来自欧洲（图1b）。
图1
联体共生的历史和现代用途
(a) 显示了 1860-2013 年使用联体共生的年度出版物数量。有几项研究突出显示，因为它们提供了开创性的发现。(b) 针对不同国家列出了包括共生实验在内的出版物。所有值均来自http://www.gopubmed.org
共生的早期
在他的博士论文“la greffe animale”中，Bert 在两只白化病大鼠的侧腹缝合了它们的皮肤，发现静脉注射的液体从一只动物的循环进入其相邻伙伴的血液。因此，他假设通过手术连接的动物通过吻合术自发地形成了一个单一的、共享的循环系统。图2)。对于他的开创性工作伯特被授予科学的法国科学院实验生理学的奖在1866年之后，很少有研究跟踪了他的做法，直到20年代初日世纪。
图2
共生体中的循环系统
生物体 A 和 B 共享共同的血液供应，通过手术后的吻合自发形成。具有不同生理条件的生物体可用于联体共生，以评估一种生物体对其附着伙伴的特定感兴趣组织的全身效应。
1908 年，德国外科医生 Sauerbruch 和 Heyde 复兴了这项技术，并为两种动物之间人工建立的共生引入了“共生”一词 。来自各种不同领域（例如，内分泌学、代谢、移植、肾病学、放射学、过敏和免疫学）的研究人员开始利用联体共生模型进行他们自己的科学研究。当时的一个主要问题是一只动物中存在的传染性体液因素是否对其相邻的伴侣有生理影响。Rous 因发现肿瘤诱导病毒而于 1966 年获得诺贝尔奖，他利用共生现象研究了抗肿瘤大鼠中循环抗癌抗体的存在是否会影响附着的非抗性大鼠的肿瘤易感性。在这些实验中，他没有成功识别出这种保护性体液抗癌因子，但联体共生在他的早期研究中发挥了重要作用。在这个早期使用联体共生模型获得的最引人注目的结果已在广泛的评论中进行了总结。
自 Bert 的原始论文发表以来，已发表了 1700 多篇与共生相关的文章（来源：http//www.gopubmed.org）。在 1960-1980 年间达到了出版高峰（图1a）。1969 年，Coleman 将具有突变糖尿病( db/db ) 的小鼠移植到近交野生型小鼠，这些小鼠容易变得肥胖并发展为 II 型糖尿病。他最初假设 db/db 小鼠在暴露于非肥胖小鼠的全身环境后体重会减轻。令人惊讶的是，他观察到野生型小鼠的食物摄入量显着减少，而肥胖小鼠的体重继续增加。Coleman 得出结论，必须有一个饱腹感因素，只有野生型而不是 db/db 小鼠能够对此做出反应 。将近三年后，弗里德曼终于确定了这种饱腹感因素，并将其称为瘦素。今天，瘦素被称为调节体重的关键激素之一。在这一非凡的发现后不久，弗里德曼和莱贝尔发现 db 基因编码瘦素受体，并且该基因的突变导致无功能分子 。这一发现为 Coleman 和 Friedman 赢得了 2010 年的拉斯克奖，清楚地证实了 Coleman 对他早期实验的解释，并强调了联体模型在识别新的可传播的体液因素方面的重要性。
1969 年，Lewis K. Dahl 的小组进行了另一项使用parabiotic配对的非凡研究。他们将野生型大鼠移植到具有高血压体质的伴侣身上。结果，他们发现两只大鼠的肾性高血压发生频率相同。这一发现再次指向了在野生型动物中诱发高血压的体液因素。此外，他们描述了具有患高血压倾向的肾切除大鼠不会在野生型 parabiont 中引起更高的血压，这表明该因子是在高血压大鼠的肾脏中产生的。该因素的存在随后在其他研究中得到证实。并且，在 1993 年，Lewanczuk 等人。将其鉴定为甲状旁腺高血压因子 (PHF) 。
联体共生不仅有助于发现和研究个体体液因素，而且有助于评估有机体暴露于其附属伴侣的全身环境后的生理后果。最初，当使用年轻、性别和年龄匹配的同窝仔时，共生手术显示出最高的成功率。随着时间的推移，该程序得到了改进，在 70 年代初，科学家们开始将不同年龄的动物相互移植。这种异时共生为研究衰老生物体暴露于年轻的系统环境所引起的影响奠定了基础。在他们的研究中，Ludwig 和 Elashoff 特别关注旧异时性的寿命延长。parabiont 附着在年轻的对应物上时。事实上，在 1972 年，他们的结果提供了第一个证据，表明与年龄匹配的等时对照动物相比，异时配对中的旧生物在对年轻环境的反应中寿命更长。后来，该模型被证明对于研究不同组织和器官系统中衰老和干细胞的生理学至关重要（见下文）。
用于研究衰老和组织再生的联体共生
尽管有这些显着的发现，部分基于联体共生，但到上世纪末，该程序已经失宠，只有少数论文使用了该技术。图1a）。正是在那个时候，博士。Weissman、Wagers 和 Rando 在斯坦福大学“重新发现”了共生关系，用于研究干细胞移植和转分化 以及衰老生物体中的组织再生。不同的研究表明，组织和器官的再生能力取决于源自组织驻留干细胞的祖细胞的增殖活性 。衰老的一个主要标志是大多数组织的再生特性显着下降。这部分归因于干细胞功能受损。然而，这些与年龄相关的影响是否是由于细胞内在变化或干细胞微环境的改变需要进一步研究。2005 年 Conboy 等人。使用异时共生实验来解决这个问题。他们表明，来自年轻系统环境的因子能够激活旧 parabiont 的肝脏或肌肉干细胞中的分子信号通路，导致增殖和组织再生增加。这些体内结果进一步通过在含有年轻动物血清的培养基中培养肌肉干细胞在体外得到证实。他们的研究结果清楚地表明，与年龄相关的干细胞功能受损在很大程度上是由周围生态位的分子组成而不是仅由细胞内在变化引起的。
2011 年，我们的小组发表了一项类似的发现，表明旧的系统环境可能对干细胞功能有害，并对年轻异时生物的大脑中的成体神经发生产生负面调节。这导致发现旧血液中的因素足以降低突触可塑性并损害情境恐惧条件和空间记忆。使用系统的蛋白质组学方法（图2）我们能够识别出在老年小鼠和人类血浆中显着增加的可溶性因子。这些因素之一是趋化因子 CCL11（嗜酸性粒细胞趋化因子），已知它会趋化性地将嗜酸性粒细胞吸引到组织。事实上，CCL11 的应用足以诱导受损的成人神经发生。同样，这些发现提供了证据，证明与年龄相关的干细胞功能下降可归因于全身环境的变化。最近三篇使用异时共生的出版物进一步支持了这一结论。鲁克等人。据报道，暴露于年轻全身环境的老年小鼠中枢神经系统从实验诱导的脱髓鞘中恢复会增强。Salpeter 及其同事表明，老年小鼠胰腺 β 细胞增殖的下降可以在与年轻小鼠配对的老年 parabiont 中逆转。最近，Loffredo 等人。证明与年龄相关的正常心脏功能丧失导致舒张性心力衰竭的部分原因是老年小鼠缺乏某些循环因子。他们报告说，当老年动物通过异时共生作用暴露于年轻的全身环境时，这种肥大是可逆的。他们发现生长分化因子 11 (GDF11) 在年老小鼠血浆中显着减少，是预防心脏肥大的关键因素。
再生医学和年龄相关疾病研究的共生前景
联体共生作为实验模型的价值对于影响整个生物体或诱导循环系统变化的生理学或病理生理学研究最为明显。自然，此类（病理）生理学研究与了解高等生物和疾病过程的复杂性最相关，但它们也是最具挑战性的，无法被体外替代实验。事实上，越来越明显的是，许多疾病和生物过程，包括衰老，都会导致整个机体的系统性变化，从而导致局部组织的改变。因此，孤立地研究单个器官或细胞类型可能无法全面了解事件。这种思维转变在大脑方面尤其引人注目，数十年的以神经元为中心的研究已经开始让位于将其他脑细胞类型作为认知和疾病的关键调节因子的研究，并且越来越多的研究证明的脑外因素，包括肠道菌群，饮食，和CNS功能[其他系统性变化影响。
我们认为联体共生是一种理想的工具，可以询问由于疾病、衰老、遗传背景、感染、饮食、运动等导致的生物体发生的改变是否可能导致循环系统的变化，从而改变健康、年轻、未感染或久坐不动的状态有机体（图 3）。因此，联体共生可能有助于通过共享的循环系统评估一种生物体的任意数量的功能状态对伙伴生物体的影响。当然，这只是将特定因素或细胞与新发现的可传播效应联系起来的第一步。但正如上面引用的报告所示，确实有可能识别例如使受伤大脑再生的细胞 或诱导饱腹感、再生老化心脏或加速大脑某些方面的蛋白质老化。使用异时性揭示此类因素或细胞的通用方法 联体共生是分析全身变化并将它们与特定感兴趣组织的局部变化相关联。图2）。随后可以通过外源性应用或中和以及在合适的动物模型中的内源性过表达或消融实验来评估所确定的候选物是否需要或足以诱导病理生理学。
图 3
异时共生
使用年轻 (A) 和年老 (B) 小鼠的异时配对可以评估年轻的全身环境对老年伙伴感兴趣的特定局部组织的影响，反之亦然。等时的配对（AA 或 BB）是排除手术相关观察和确定系统环境中与年龄相关的变化的重要对照。简而言之，收集全身体液，例如血液、淋巴或脑脊液，使用 OMICS 工具（例如蛋白质、脂质或激素阵列）进行评估，并分析共生前后可溶性因子的不同水平。分离出感兴趣的特定组织，通过流式细胞术、免疫组织化学或表观/遗传措施进行表型表征，并分析共生诱导的表型变化。这些数据的整合导致识别单个候选因子或细胞，随后可以在合适的小鼠模型中进行测试。
由于我们这个时代许多无法治愈的主要疾病主要依赖于衰老，因此了解它们需要更深入地了解随着年龄发生的全身变化和由此产生的分子变化。动物模型可以复制慢性疾病的许多方面，包括心脏病、中风或神经变性，但我们对全身环境和衰老对这些疾病的贡献知之甚少。共生和异时性联体共生尤其有助于回答这方面的一些基本问题：年轻生物体中的循环因子或细胞是否可以预防与年龄相关的疾病，反之亦然，旧生物体中的因子或细胞是否会导致或促进年轻生物体的疾病？生物？通过基因操作来发展疾病的突变小鼠与年龄匹配或异时性野生型同窝小鼠之间或其他基因工程小鼠之间的共生有助于解决系统性因素在疾病过程中的重要性。这种范式的变化可以帮助阐明许多其他条件下的途径和介质。图 3）。
结论
在过去的几十年里，特别是在过去的几年里，联体共生导致了非凡的生物学和医学发现。鉴于其成功，令人惊讶的是该模型并未得到更广泛的使用。小鼠在手术后迅速获得活动能力并开始筑巢，因此它们非常适应成对生活。当进行适当的改进和考虑时，它们不会表现出明显的异常行为，存活率不受新生理状态的影响。突出显示的研究强调了共生模型在研究衰老、干细胞和组织再生方面的前景，但该模型可用于解决生理学或疾病的许多其他方面。考虑到年轻小鼠对异时性衰老组织的显着恢复活力 配对，我们预测共生将在未来几年再次复兴，并有望加速我们在治愈我们这个时代最具破坏性的疾病方面的进展。
致谢
我们感谢博士。Kira Mosher、Jinte Middeldorp 和 Joseph Castellano 对手稿发表了深刻的评论。这项工作得到了基金会 Acteria 奖 (AE) 和瑞士国家科学基金会 Ambizione 赠款 (PZ00P3_148185, AE)、匿名 (TW-C)、退伍军人事务部 (TW-C)、加州再生医学研究所奖的支持(TW-C) 和美国国立卫生研究院老龄化研究所 (R01 AG027505, TW-C)。