2024年10月29日，厦门大学附属第一医院王占祥教授课题组干细胞治疗临床前研究团队和北京师范大学窦非教授课题组合作在Stem Cell Research & Therapy杂志（IF：7.1/Q1 TOP）在线发表了题为“Multi-omics evaluation of clinical-grade human umbilical cord-derived mesenchymal stem cells in synergistic improvement of aging related disorders in a senescence-accelerated mouse model”的文章，综合运用多组学方法，系统评估了HUCMSCs在改善衰老相关疾病中的多重作用。
随着全球人口老龄化的加剧，与年龄相关的疾病，特别是神经系统和心血管系统疾病，已成为一个日益严重的全球健康问题。近年来间充质干细胞（MSC）疗法，尤其是人类脐带来源的间充质干细胞（HUCMSCs），显示出在缓解这些疾病方面的巨大潜力。然而，如何更有效地评估干细胞在治疗这些疾病的疗效，仍是一个待解决的问题。
SAMP8（快速衰老小鼠易感品系8）小鼠是衰老相关疾病研究最合适的临床前模型，本研究利用临床级人脐带间充质干细胞干预SAMP8模型小鼠。本研究利用行为学评估、全基因组范围内的DNA单链断裂（SSBs）测序分析、16S rRNA测序分析肠道微生物群组成和羧基代谢组学分析等方法，综合评估了临床级人脐带间充质干细胞干预在衰老相关疾病中的疗效。
本研究探讨了临床级人脐带间充质干细胞（HUCMSCs）对快速衰老小鼠（SAMP8）行为和体能的改善作用。实验结果显示，与对照组相比，HUCMSC治疗显著增强了SAMP8小鼠的好奇心、运动协调性和平衡性，降低了焦虑水平，并改善了小鼠的体重状况。此外，基因组分析发现，HUCMSC治疗组的小鼠DNA单链断裂（SSBs）水平显著降低，尤其是在关键基因区域，显示出对衰老相关基因损伤的减缓作用。进一步的基因通路分析表明，这种DNA损伤的减少与免疫和代谢通路有关，支持了HUCMSCs在抗衰老治疗中的潜力。
图1. HUCMSCs 改善了 SAMP8 小鼠的衰老表型。A 实验设计示意图；B 新物体识别测试；C 旋转棒测试；D 升高迷宫测试；E小鼠体重变化；F 不同实验组全基因组和外显子区域DNA 单链断裂（SSBs）分析；G DNA断裂变化基因聚类展示了前 20 个 KEGG 和 Reactome 通路。
研究显示，经过MSC治疗的SAMP8小鼠在多个器官组织中表现出显著的病理改善。在大脑中，前额叶和海马区域结构完整，神经胶质细胞分布正常，与未治疗组相比，神经元恢复力增强。心脏评估显示MSC治疗小鼠的心肌纤维排列正常，心室壁厚度增加，改善了扩张型心肌病表型。消化道中的绒毛结构和上皮细胞排列显示出退行性变化减少。肺部炎症减少，结构保持良好，肾脏、肌肉和脾脏也表现出组织的改善，甚至超过对照组。而在肝脏中，各组均未显示显著差异。总体而言，MSC治疗不仅减缓了SAMP8小鼠的年龄相关退行性变化，还可能对某些组织具有再生作用，为再生医学提供了良好的应用前景。
图2. 组织病理学评估。A-D 大脑额叶HE染色和Nissl染色结果;E-H大脑海马区的HE染色和Nissl染色图像和统计结果；I–K 心脏组织的横截面HE染色图像和统计结果，心脏组织的HE染色图像中；J-2的红色箭头指示了SAMP8小鼠心肌中排列紊乱的肌小节；L 使用Qupath软件在HE染色切片的全景扫描图像上测量的最小心室壁厚度的统计分析结果。
粪便16S rDNA测序显示MSC治疗显著改变了SAMP8小鼠的肠道菌群。Venn图分析表明SAMR1_PBS、SAMP8_PBS和SAMP8_MSC组之间存在重叠的微生物分类单元（OTUs），表明三组共享一些微生物物种。OTU排名曲线显示三组的物种丰富度和均匀度相似。Sobs、Ace、Chao和Shannon等多样性指数在各组间无显著差异（p > 0.05），说明治疗后微生物多样性稳定。然而，SAMP8_MSC组的Simpson多样性指数略低于其他两组，表明SAMP8_MSC组微生物多样性更高。稀释曲线分析显示，SAMR1_PBS组的微生物丰富度高于SAMP8_PBS组。基于加权UniFrac距离的偏最小二乘判别分析（PLS-DA）图显示每组的微生物群落结构不同，ANOSIM分析进一步证实了组间的显著差异（p = 0.0065）。这些结果表明，MSC治疗对SAMP8小鼠的肠道菌群组成产生了明显影响。
图3. 粪便微生物多样性评估： A Venn图展示了多个样本之间共享和独特的OTUs；B OTU排名曲线描绘了样本内物种多样性；C–H 箱线图展示了组间Alpha多样性差异；I 稀释曲线绘制了Alpha多样性指标与测序深度的关系；J PLS-DA显示每组的微生物群落结构；K 箱线图可视化了组间Beta多样性差异；L 非度量多维尺度分析（NMDS）图评估了群落的不相似性，进行了Anosim分析以评估组间差异，提供了应力值以评估NMDS质量，p=0.0065，R=0.1834。
通过构建物种直方图，展示了不同样本的微生物组成和相对比例，突出显示了微生物群的差异。分析在属水平上对物种进行了分类，并展示了丰度最高的前十种物种。结果显示，在MSC治疗的SAMP8_MSC组中，与SAMP8_PBS组相比，Prevotellaceae、Lachnospiraceae_AC2044和Roseburia等被认为对人类有益的“益生菌”显著恢复。此外，LEfSe聚类分析鉴定出Eubacterium coprostanoligenes、Butyricicoccus、Butyricicoccaceae和Desulfovibrio等特定微生物类群在SAMR1_PBS或SAMP8_MSC组中显著影响微生物群落。Eubacterium coprostanoligenes以其降胆固醇的能力著称，Butyricicoccus及其相关菌株在维持肠道菌群平衡和缓解胃肠问题方面有效，Desulfovibrio在特定条件下也显示出中性或有益作用。功能预测和富集分析表明，组间的主要差异涉及代谢通路，如初级胆汁酸合成、脂肪酸降解和N-聚糖生物合成。
图4. 各组之间的粪便微生物群结构比较。A, B 分类柱状图展示了每个样本中的物种组成和比例，反映了样本间物种的差异；C 属水平关键物种的差异比较；D–F 属水平物种的差异分析：D： Prevotellaceae_UCG_001，E：Lachnospiraceae_AC2044，F： Roseburia。
图5. 各组之间主要微生物群分析。A、C、E LEfSe聚类树比较了SAMR1_PBS和SAMP8_PBS（A）、SAMP8_PBS和SAMP8_MSC（C）、SAMR1_PBS和SAMP8_MSC（E）组之间的差异物种；B、D、F LDA图比较了SAMR1_PBS和SAMP8_PBS（B）、SAMP8_PBS和SAMP8_MSC（D）、SAMR1_PBS和SAMP8_MSC（F）组之间的差异物种，显示p < 0.05的物种对应的LDA分数。
研究表明，MSC治疗引发了多种代谢物的显著变化。在非靶向代谢组学分析中，SAMP8-MSC组的几种关键代谢物水平显著降低，包括2-氨基粘康酸、1-吡咯啉-2-羧酸异构体2、壬酸、创伤酸和甲硫氨酰-缬氨酸，暗示MSC可能通过调节这些代谢物发挥作用。此外，MSC治疗提升了对心血管健康有益的代谢物水平，如4-羟基苯乙酸、十二酸、2-苄基琥珀酸、5-十二烯酸和3-甲基组氨酸，表明其对心血管健康的潜在作用。同时，5-羟基-L-色氨酸水平的上升可能促进血清素合成，有助于抗抑郁。
一些代谢物在特定条件下可能产生正面或负面影响，如辛二酸和N-乙酰-DL-丝氨酸在一定水平下显示出益处。此外，香草酸显示出抗衰老作用，但MSC治疗未能改变其水平，表明治疗范围有限。赖氨酸代谢相关的沙格洛品在SAMP8-MSC组中上升，提示MSC对代谢通路有复杂影响。富集分析进一步指出，MSC治疗显著影响脂肪酸和氨基酸代谢途径，强调了MSC治疗对代谢功能的深远影响。
图6. 各组代谢特征变化。图A-P这些小提琴图展示了在识别等级类别Tier 1和Tier 2中的代谢物水平，跨三个组或专门在SAMP8_PBS和SAMP8_MSC之间的比较；气泡图展示了代谢通路分析差异：(Q) SAMP8_MSC和SAMP8_PBS组之间，(R) SAMP8_MSC和SAMR1_PBS组之间，(S) SAMP8_PBS和SAMR1_PBS组之间。
进一步的分析揭示了肠道微生物群与代谢物的关联，展示了不同微生物在影响代谢物动态中的具体作用。在SAMP8_PBS和SAMP8_MSC组的比较中，5-十二烯酸与Eubacterium_xylanophilum和Lactobacillus呈正相关。在SAMR1_PBS和SAMP8_PBS组中，4-羟基苯乙酸与Desulfovibrio和Lachnospiraceae_UCG-006呈正相关，香草酸与Colidextribacter呈正相关，十二酸与Prevotellaceae_UCG-001、Butyricicoccus和Lachnospiraceae_UCG-006呈正相关。部分代谢标记物在衰老或病理状态下通常会下降，且与潜在有益菌呈正相关。
同时，一些代谢标记物与潜在有害菌呈负相关。例如，在SAMP8_PBS和SAMP8_MSC组的比较中，4-羟基苯乙酸与Marvinbryantia、Rikenella和Helicobacter呈负相关。此外，在SAMP8_PBS和SAMP8_MSC组中，2-氨基粘康酸与Monoglobus、Butyricicoccus等多种益生菌呈负相关，而一些在病理状态下通常升高的代谢物则与潜在有害菌呈正相关。这些关联揭示了微生物群在调节代谢物水平中的复杂作用。
本研究表明，临床级人脐带间充质干细胞（HUCMSCs）在改善SAMP8小鼠的年龄相关病理方面具有显著的治疗潜力。HUCMSCs不仅提高了运动协调性、平衡性和好奇心，减少了恐惧反应，还保持了组织完整性，减轻了多个重要器官的病理变化，显示出抗衰老作用。此外，HUCMSC治疗减少了DNA单链断裂，富集了代谢相关基因的DNA损伤信号，同时调节肠道微生物群以增强微生物多样性和代谢特征。这些发现表明，HUCMSCs通过发挥全身保护作用，为治疗年龄相关疾病提供了有前景的途径。
图7. 代谢组学与粪便微生物群之间的相关性分析。这些热图显示了代谢物和粪便微生物在以下组别之间的显著差异：A SAMP8_PBS与SAMP8_MSC组；B SAMR1_PBS与SAMP8_PBS组；C SAMR1_PBS与SAMP8_MSC组；D 所有三个组（SAMR1_PBS、SAMP8_PBS和SAMP8_MSC）组合。
本研究得到厦门市科技局“厦门市细胞治疗中心”项目资助。
通讯作者简介
王占祥 教授
厦门大学附属第一医院
● 厦门大学附属第一医院院长，医学博士、主任医师、教授、博士生导师
● “中国医师奖”获得者，国务院特殊津贴专家
● 从事临床医学研究与疾病救治工作近40年，曾留学日本，多次到美国哈佛大学、英国牛津大学等国际知名学术机构进行交流访问，先后获得福建省优秀归国人员，福建省突出贡献中青年专家，福建省优秀共产党员，入选福建省新世纪百千万人才工程；厦门市重点引进留学归国人才，厦门市杰出科技人才，厦门市领军人才，首届厦门市医学学术与技术带头人，厦门市脑科中心学科带头人；2022年被评为厦门经济特区建设40周年创新创业人物；厦门市科学技术重大贡献奖获得者
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第一作者简介
连加辨
厦门大学附属第一医院
● 厦门大学附属第一医院精准医学检测中心主管技师、厦门市细胞治疗中心质控员；
● 主要从事衰老与肿瘤相关疾病临床转化研究；以第一作者/通讯作者在Stem Cell Res Ther、J Transl Med、 Clin Chim Acta、J Zhejiang Univ Sci B和BMC Cancer等杂志发表研究性论文13篇；同时参与Aging Cell、Cancer Research及其他杂志发表论文数篇；以第一发明人申请专利4项，已授权2项；参与编写由中国抗癌协会肿瘤标志物专业委员会出版的《肿瘤标志物异常结果分析案例集》。
夏璐
厦门大学附属第一医院
● 厦门大学附属第一医院厦门市细胞治疗中心副研究员、主管技师 ；
● 主要从事衰老相关疾病的多组学数据临床转化研究；以第一作者/通讯作者在Stem Cell Res Ther、J Transl Med、 Clin Chim Acta、J Zhejiang Univ Sci B和BMC Cancer等杂志发表研究性论文13篇；同时参与Aging Cell及其他杂志发表论文数篇；以第一发明人申请专利11项，已授权2项。
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