细胞衰老是一个多层面的程序，在发育、衰老和疾病中均发挥作用。虽然传统上将其视为应激诱导的生长停滞，但人们日益认识到它也是发育和再生中的一种生理机制。在胚胎发生过程中，短暂的衰老细胞有助于肢体、肾脏、内淋巴囊和胎盘的组织重塑。这些细胞表现出经典的衰老特征，包括细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂 1（Cdkn1a/p21）表达、细胞周期停滞、溶酶体功能障碍和衰老相关分泌表型（SASP），使其能够在不依赖增殖或凋亡的情况下影响局部微环境。通过 SASP，它们分泌因子重塑组织环境并影响邻近细胞的行为。
相比之下，在大脑中，细胞衰老一直与衰老和神经退行性变相关，并导致认知能力下降。此外，新证据表明细胞衰老与神经发育障碍有关，包括自闭症谱系障碍（ASD）、小头畸形和唐氏综合征（DS）。然而，衰老相关的细胞状态是否是正常神经发育的组成部分仍不清楚。
大脑形态发生需要一系列时空协调的事件，以产生对其功能至关重要的多种细胞类型和特化结构。神经管的神经上皮细胞产生神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞、室管膜细胞以及大脑的脉络丛上皮细胞。在妊娠中期，血管内皮细胞、巨噬细胞和周细胞侵入神经管，促进血-脑屏障的建立。血-脑屏障是一种保护神经组织并调节血液中营养物质和信号分子输送的结构。与此同时，神经管产生长寿的脉络丛，这是一种主要由上皮细胞组成的结构。脉络丛形成血-脑脊液屏障，并负责产生脑脊液——一种对大脑发育、稳态和废物清除至关重要的液体。尽管驱动血-脑屏障和血-脑脊液屏障形成的分子和细胞过程已得到充分研究，但特定的屏障形成细胞亚群是否采用类似的、细胞类型特异性的功能状态来共同促进屏障发育仍不清楚。
在一项新的研究，研究人员鉴定出与脑屏障形成和功能相关的发育程序性 p21⁺ 衰老细胞群。在妊娠中期，衰老细胞出现在小鼠大脑的三个关键群体中：脉络丛上皮细胞、血管内皮细胞和脑驻留巨噬细胞。这些细胞表现出经典的衰老标志，包括共享的转录特征、SASP、溶酶体功能障碍和细胞周期退出。除了这些共享特征外，每种细胞类型还表现出独特的分子谱和功能作用。在脉络丛上皮细胞中，衰老的特征是非炎性分泌状态以及上皮和屏障相关基因的上调。值得注意的是，这种状态持续到成年，表明它可能有助于特化的、不自他更新的上皮屏障细胞的功能。
相比之下，血管内皮细胞和脑驻留巨噬细胞进入一种短暂的胚胎衰老状态，其特征是炎性 SASP、富集的受体-配体相互作用以及协调的血管生成模式和细胞外基质沉积。通过在体内使用泛细胞类型和细胞类型特异性的 p21⁺ 细胞消融，他们解析了这些群体对大脑发育的贡献。泛谱系 p21⁺ 消融揭示，这些细胞共同对血管模式形成、脉络丛完整性和脑脊液调节至关重要，而巨噬细胞特异性 p21⁺ 消融则突显了其在支持血管形态发生中的选择性作用。他们的发现支持一个模型：在大脑中，胚胎程序性衰老细胞状态以时间上不同的模式出现——短暂状态有助于发育重塑和血管模式形成，而持久状态则支持脉络丛结构和功能的终身维持。
胚胎衰老与脑屏障发育
他们的发现揭示了在脉络丛上皮细胞、血管内皮细胞和脑驻留巨噬细胞中存在 p21⁺ 群体，这些细胞在脑屏障形成期间表现出细胞衰老的特征，并以谱系特异性方式实现，以满足血-脑屏障和血-脑脊液屏障不同的生理需求。脉络丛上皮细胞维持一种与屏障支持相关的持续性非炎性状态，而血管内皮细胞和脑驻留巨噬细胞短暂地采用与旁分泌信号和组织重塑相关的促炎衰老状态。因此，所有 p21⁺ 细胞的消融导致了严重的结构和功能缺陷，包括脑出血、脑室塌陷和血管模式异常，这强调了 p21⁺ 群体对脑屏障完整性的重要性。这些发现支持一个模型：衰老不是一种二元细胞命运，而是一个模块化程序，其特征以环境依赖的方式选择性部署，以影响组织发育和屏障形成。
内皮尖端细胞富集 p21 表达并表现出与衰老程序重叠的转录特征，这与一种与增殖受限和协调出芽相关的衰老样血管生成状态一致。同时，p21⁺ 巨噬细胞定位于 p21⁺ 内皮细胞附近，并上调血管分泌因子和基质重塑因子。与泛 p21⁺ 细胞消融后观察到的过度血管表型相反，p21⁺ 巨噬细胞的选择性消融降低了血管密度和分支复杂性。这些结果表明不同的 p21⁺ 群体具有互补作用：p21⁺ 内皮细胞与出芽行为和血管成熟特征相关，而 p21⁺ 巨噬细胞则可能通过 SASP 相关因子提供局部模式形成和重塑线索。值得注意的是，尖端细胞的短暂性以及巨噬细胞中相似的状态，支持了衰老相关特征以一种环境依赖和可逆的方式参与血管生成和重塑过程，而不是代表一个固定的终末状态。
终身脉络丛衰老：重新定义一种生理状态
脉络丛上皮细胞持续到成年晚期的衰老，挑战了衰老的二元观点——即在发育中是短暂有益的，在成年组织中则是慢性有害的。与通常与慢性 SASP 驱动的炎症和组织变性相关的经典衰老不同，脉络丛上皮细胞似乎将分泌表型精炼为一种稳定的、非炎性的状态，以支持长期生理功能。通过在发育早期进入衰老状态，脉络丛上皮细胞可能获得了适应大脑-脑脊液界面需求的确定属性，包括在基本不更新的生态位中稳定的细胞周期退出、通过增强的细胞外基质强化屏障完整性、动态纤毛组织、营养信号和溶质运输。这些特征揭示了一个基本生物学挑战的解决方案：一个不分裂的、高分泌性的上皮细胞如何在没有细胞更新的情况下维持数十年的功能稳定性。虽然在多种胚胎背景下已经描述了短暂的发育性衰老，但此前尚未有体细胞群体被证明将衰老保留为一种终身的生理状态。衰老标志物在没有炎症或变性特征的情况下持续存在，表明脉络丛上皮细胞维持了一种受调控的、有益的衰老状态。理解这一机制可能为在分泌谱变得适应不良的疾病背景下靶向衰老提供线索。
调和衰老在发育和老化中的双重性
他们的发现支持一个协调发育和老化中衰老双重性的框架。细胞衰老的许多定义性特征并非作为老化组织中的独特病理状态出现，而是源于最初在胚胎发生中用于协调组织模式形成、屏障形成和长期结构稳定性的机制。在老化过程中，衰老细胞在大脑的许多群体中积累，包括小胶质细胞、星形胶质细胞、少突胶质细胞、内皮细胞和脉络丛上皮细胞，并在那里促进神经炎症、屏障功能障碍和认知能力下降。在神经退行性疾病中，清除衰老细胞可改善认知功能并减少神经病理，这强化了衰老导致年龄相关脑功能障碍的观点。同时，衰老的核心特征，包括 SASP 驱动的信号传导和细胞外基质重塑，可以发挥建设性功能。体外衰老模型一致地上调屏障相关通路，包括细胞外基质成分、连接蛋白（claudin、occludin 和 ZO-1）、转运蛋白和纤毛因子。在发育过程中，这些特征以受控的、时间有限的方式在不同细胞类型中被部署。这种趋同性表明屏障相关功能是衰老相关转录程序的一个显著特征，其受调控的部署有助于脑屏障形成。
在衰老和神经退行性模型中清除衰老细胞可改善结局，但清除衰老上皮细胞会损害屏障完整性并促进病理。结合他们的发现，这些观察结果表明靶向衰老细胞的治疗可能需要仔细考虑谱系特异性功能以及这些细胞持续存在的背景。在这个框架下，衰老是一个环境依赖的过程，在适当调控时支持发育和稳态，但在慢性参与或未解决时变得有害。因此，定义谱系特异性衰老程序——例如脉络丛上皮细胞中炎性 SASP 因子与屏障支持性分泌功能之间明显的解偶联——可能有助于实现更精确的治疗策略。
研究局限性
本研究依赖 p21 表达来识别和遗传消融胚胎发育过程中的衰老细胞。虽然 p21 是发育背景下衰老的公认标志物，但其表达并非衰老细胞所独有；因此，泛 p21⁺ 细胞消融可能引入与衰老无关的脱靶效应。此外，p21 驱动的消融策略是消除整个细胞，而非选择性地干扰衰老相关分子程序，这限制了他们区分所观察到的表型是源于衰老程序本身还是源于其他必需细胞功能丧失的能力。此外，泛 p21⁺ 细胞消融方法缺乏细胞类型特异性，导致同时消融多个 p21⁺ 群体，包括血管内皮细胞、脉络丛上皮细胞、巨噬细胞和 Cajal-Retzius 细胞以及脑外 p21⁺ 细胞。因此，泛 p21⁺ 细胞消融的发育表型（如出血、屏障破坏和血管模式缺陷）无法明确归因于任何单一群体，并且可能包含间接的全身效应。最后，由于所有实验均在小鼠中进行，物种特异性差异可能影响这些发现对人类大脑发育和疾病的普遍适用程度。
