新型过氧化氢释放水凝胶：衰老研究的创新利器

为解决传统细胞衰老模型问题，研究人员开发 H2O2释放水凝胶，能有效诱导衰老，助力抗衰研究。

　　

一、研究背景

随着年龄增长，人体应对压力的能力逐渐下降，细胞的 DNA 损伤、端粒磨损、氧化和亚硝化应激等不断累积。在这些与衰老相关的压力因素作用下，体细胞和干细胞会不可逆地停止增殖，转变为衰老状态。细胞衰老在组织衰老过程中起着重要作用，同时也是多种年龄相关疾病的潜在治疗靶点。

据联合国 2015 年统计，老年人口（60 岁及以上）数量急剧增加，预计到 2050 年将从占总人口的 12% 几乎翻倍至 22% 。因此，深入了解衰老的潜在机制，开发减缓与年龄相关疾病的方法至关重要，而建立可靠的细胞衰老模型是老年科学研究的关键。

基于氧化应激理论，人们采用多种方法诱导细胞衰老，如暴露于乙醇、叔丁基过氧化氢、紫外线和过氧化氢（H₂O₂）等。然而，这些传统技术存在诸多问题，如诱导结果不一致、操作繁琐，且大多无法准确模拟体内细胞衰老的复杂生理和病理变化。

传统的二维（2D）细胞培养使用遗传或自然衰老动物模型的细胞，虽然广泛用于研究体外年龄相关疾病，但存在局限性，如无法准确模拟器官内相互作用和活组织的生理表现。近年来，三维（3D）器官模型，如器官芯片（OOCs）和诱导多能干细胞（iPSC）衍生的类器官发展迅速，可高度模拟疾病模型，但 iPSC 衍生的器官在研究衰老时存在不足，其不保留与年龄相关的转录组或表观基因组特征。

此外，衰老细胞在不同组织中的积累是衰老和年龄相关疾病的关键因素。Senolytics（一类可以选择性清除衰老细胞的药物）的研究备受关注，但其筛选和评估缺乏简单有效的体外模型。

二、研究概况

为解决上述问题，来自韩国成均馆大学医学院实验室动物研究中心的研究人员开展了相关研究。他们开发了一种过氧化氢释放水凝胶（HRH）模型，旨在有效诱导细胞衰老，并建立了基于该模型的 senolytics 筛选系统。该研究成果发表在《BIOMATERIALS RESEARCH》上。

研究人员采用的关键技术方法包括：首先，通过双酶介导的交联反应制备 HRH，优化其合成过程，使其能够稳定释放 H₂O₂。其次，运用多种检测方法评估细胞衰老，如衰老相关 β - 半乳糖苷酶（SA-β-Gal）活性分析、γH2AX 焦点免疫荧光染色、细胞周期分析等。在 3D 模型构建方面，利用微流控平台共培养神经元和星形胶质细胞建立脑芯片模型，以及使用特定试剂盒将 hiPSC 诱导分化为脑类器官模型。最后，通过高通量筛选（HTS）和高内涵筛选（HCS）评估 senolytics 的活性。

三、研究结果

1. HRH 模型的特性和可控的 H₂O₂释放：HRH 通过双酶介导的交联反应制备，H₂O₂释放可通过调节葡萄糖氧化酶（GOx）浓度精确控制。研究人员优化了合成过程，去除水凝胶合成中的葡萄糖，通过高葡萄糖培养基确保 H₂O₂的长期持续产生。实验表明，随着 GOx 浓度增加，H₂O₂释放量在 6 天内逐渐增加，证明 HRH 具有可控且稳定的 H₂O₂释放特性。
2. HRH 诱导细胞衰老的优化：在 C2C12 成肌细胞实验中，将 HRH 置于细胞上方的插入物中，释放的 H₂O₂可透过插入物底部作用于细胞。结果显示，生长停滞的细胞呈现出衰老特征，SA-β-Gal 染色和 γH2AX 染色均证实 HRH 模型可有效诱导细胞衰老，且 GOx 0.2 浓度组诱导衰老效果最佳，优于直接使用 H₂O₂处理组。
3. HRH 诱导细胞衰老的验证：免疫染色结果表明，GOx 0.2 处理的细胞结构和细胞核明显增大，细胞增殖停滞，5 - 溴 - 2'- 脱氧尿苷（BrdU）掺入减少。同时，衰老相关生物标志物 p21 和磷酸化 p53 表达上调，细胞周期分析显示 GOx 0.2 组更多细胞停滞在 S 期。在 p16 成纤维细胞中也得到类似结果，进一步验证了 HRH 模型诱导细胞衰老的有效性和广泛适用性。
4. HRH 在脑芯片和脑类器官中诱导细胞衰老：在脑芯片模型中，将 HRH 添加到中央腔室，可使 H₂O₂持续释放到神经元和星形胶质细胞所在的角腔室。结果显示，HRH 处理组 p16 表达显著增加，且优于每天用 10 μM H₂O₂处理的对照组。在脑类器官模型中，随着 GOx 浓度升高，衰老标志物 p16 和 γH2AX 表达增加，且淀粉样蛋白沉积也增加，表明 HRH 能够有效诱导脑类器官细胞衰老，并与神经疾病相关。
5. 通过 HTS 和 HCS 筛选 senolytics：利用 HTS 在 p16-luc 细胞中筛选 senolytics，结果显示 HRH 诱导衰老的 p16 成纤维细胞荧光素酶强度显著增加。研究人员比较了 29 种候选药物的 senolytic 活性，发现部分药物具有较高活性。同时，通过 HCS 在 C2C12-GFP 和 C2C12-RFP 细胞中建立筛选平台，以达沙替尼（dasatinib）为例，证实其可有效清除衰老的 C2C12-GFP 细胞，且对正常 C2C12-RFP 细胞无影响。对 29 种候选药物的筛选发现，多种药物具有较强的清除衰老细胞的能力。

四、研究结论与意义

本研究开发的 HRH 模型能够在 2D 细胞培养和 3D 器官模型中有效诱导细胞衰老，具有稳定、可控、适用范围广等优点，克服了传统衰老诱导方法的诸多不足。该模型为研究细胞衰老机制提供了可靠的平台，有助于深入理解衰老过程。

在 3D 器官模型方面，HRH 为建立更真实的衰老模型提供了可能，有助于研究衰老相关疾病的发生发展机制。同时，基于 HRH 建立的 senolytics 筛选系统，为发现新型抗衰药物提供了有力工具，有望推动抗衰疗法的发展，为治疗年龄相关疾病提供新的策略，对改善人类健康和延长寿命具有重要意义。未来研究可进一步探索 HRH 在其他细胞类型和疾病模型中的应用，以及优化 senolytics 筛选系统，以发现更多有效的抗衰药物。