復制衰老概念的提出
1961年,Hayflick及Moorhead證明了體外培養的人類正常成纖維細胞的壽命是有限的。4年後,Hayflick發現,連續培養的人二倍體細胞株,經過一段旺盛繁殖期(一般不超過1 年) 後,即出現形態變化,停止有絲分裂,直至死亡。Hayflick 將這種正常人體細胞在體外分裂潛能受限制的現象稱為細胞衰老,或者更准確地說,復制衰老。這種現象提示:復制衰老可能是生物體生命周期在細胞水平的重演，體外細胞培養中的復制衰老可以反映體內衰老發生的過程。研究發現復制衰老發生的基礎是細胞群體倍增次數，而不是時間。復制衰老的特征是細胞周期中G1期不可逆停滯，細胞經多次分裂後，在腫瘤抑制因子p53和Rb作用下，細胞對生長因子等失去反應，產生DNA合成蛋白抑制因子，細胞周期檢查點(checkpoint)發送細胞周期停止信號，DNA合成停止，細胞不可逆地停滯於G1期，發生衰老(senescence，M1期)。此時細胞具有一些特征：形態大而扁平，酸性 半乳糖苷酶和多種細胞周期抑制蛋白上調。細胞再經過20～30群體倍增次數(population doublings，PDs)後，進入危機期(crisis，M2．期)，細胞出現退化，LundbergAS等的研究表明這些退化包括雙著絲粒形成、染色體變短而失穩，分裂細胞逐漸減少，細胞發生凋亡或死亡[1]。而且許多生理性刺激可以誘導細胞衰老，如持續傳代、氧化損傷和原癌基因激活等。
復制衰老與端粒
Harley於1990年第一個證明了正常細胞衰老時的端粒丟失。他們發現體外培養的人成纖維細胞端粒平均長度以一種復制依賴性方式縮短。這種縮短與體內衰老相關,老年供體成纖維細胞和外周血細胞中端粒平均長度比年輕人短。這些研究提示端粒是有絲分裂計時鐘的分子基礎和調節機制
端粒酶是由RNA(hTER)和蛋白質亞基(hERT)構成的具有逆轉錄活性的核糖核酶，其特有結構存在於真核生物染色體末端，其功能主要是以RNA為模板，合成串聯排列高度保守的六步格重復序列(TTAGGG)，以維持端粒長度的穩定性，它們從核酸外切酶降解和染色體互相融合中交織進穩定的線狀同源染色體中。此外，還阻止其它異常形式的染色體重組和附件進入核基質，他們決定了人有絲分裂細胞最大復制能力。因而認為端粒酶與細胞衰老密切相關。端粒酶活性的存在可以抑制細胞衰老、增加體外培養細胞的倍增次數，正常體細胞一般不表達端粒酶，而大部分干細胞如皮膚基底層細胞、造血干細胞、生殖細胞、腫瘤細胞表達端粒酶活性[2]。
復制衰老與β2半乳糖苷酶
Dimri 等1995 年首次提出了一種可在體內鑒別衰老細胞的生物學標志———β2半乳糖苷酶。他們報道體內或體外的衰老成纖維細胞和角質細胞均表達此酶,而休眠細胞和終末分化細胞則缺乏,永生化細胞中也無此酶的表達。由此提供了衰老細胞在體內衰老過程中存在並積聚的直接證據。
復制衰老與氧化應激
端粒縮短的隨機性是由於後隨鏈合成時末端引物定位的隨機誤差、端粒的重排和氧化應激造成的端粒DNA單鏈損傷引起的，其中引物定位誤差和隨機重排都受到氧化應激造成的端粒DNA位點損傷情況的影響，因此氧化應激通過損傷端粒DNA而加速端粒縮短，從而加快細胞衰老。
二.復制衰老在眼科的研究進展。
1．復制衰老與晶狀體上皮細胞
晶狀體上皮細胞與皮膚基底細胞來源於同一胚層，具有相似的性質，在一生中處於不斷的增殖狀態，以形成晶狀體纖維細胞，具有干細胞的特性。
研究表明，LEC存在端粒酶活性表達，其活性隨LEC的增殖傳代逐漸減弱直至低於檢測水平。體外培養使LEC脫離了體內的微環境，從而失去“干細胞”的特性，細胞向終末表型分化，喪失端粒酶活性。LEC在經過多次傳代後細胞形態發生改變，細胞變長，向纖維細胞轉化，纖維細胞是LEC分化後的功能細胞。干細胞在體外培養過程中較難保持原有特性的現象在其他細胞系中也可以見到。Matsui[3] 在體外皮膚基底層上皮細胞也觀察到類似的現象
David[4]等報道在人、牛、兔晶體的實驗中，僅有在6個月兔晶體中央上皮組織表現端粒酶活性。在透明和白內障的人晶狀體中，人端粒酶逆轉錄酶(hTERT)活性和表達沒有檢測到，盡管如此，模板RNA在各種人晶體中都存在。端粒在透明晶體中大概比在白內障晶體中長1kb. 端粒的長度可能與白內障的病因有關。hTERT cDNA引入由G418選擇的人晶狀體上皮細胞產生了穩定的具有hTERT的人晶狀體上皮細胞系。迄今為止在這個細胞系中，hTERT能使經過48次群體倍增後的細胞仍然正常生長並且增強了其對抗氧化應激的抗調亡活性。
將hTERT引入晶狀體上皮細胞，這使得轉染細胞具有端粒酶活性。到目前為止，hTERT在晶狀體上皮細胞的表達使得正常生長的轉染細胞能群體倍增108代，並且這些細胞在倍增後形態和生長上仍然非常正常。通過合成新的端粒，hTERT阻止復制衰老，並且通過MEK/ERK，蛋白激酶C,蛋白激酶A的調節和最終MEK/ERK信號通道的表達，端粒酶抑制了晶狀體上皮細胞的分化。在體內外重建的研究中顯示hTERT能形成功能復雜的人模板RNA。hTERT催化亞單位引入端粒酶陰性的正常人細胞能使其端粒伸長和延長細胞壽命。[5]
2.復制衰老與角膜
1.角膜內皮與衰老
在體內角膜，無論供者的年齡，人周邊區角膜內皮細胞比中央區有更好的復制能力。年老供者人中央角膜內皮細胞有復制能力，但復制能力比年輕供者中央區細胞要顯著降低。減少的復制能力與中央角膜細胞顯示的衰老樣特征增加相關。[6]
2角膜基質與衰老
角膜基質主要由200-250層平行排列的纖維小板組成，在這方面研究得較少，但體外研究的衰老皮膚和肺成纖維樣細胞中表明有過度表達的膠原酶，彈性蛋白酶，同時，它們的組織抑制金屬蛋白酶的表達大幅減少，蛋白多糖合成失敗，纖維結合蛋白以另一種細胞粘附效力低的底物形式產生，並且遷移率和成纖維細胞收縮膠原網格的能力也下降[7]。但在衰老的角膜基質中其成纖維細胞表達是否也具有衰老特征尚需實驗證實。
3.角膜上皮與衰老
衰老與廣泛生理應激抵抗力降低密切相關。眼表的改變致使老化角膜能更多的被各種原因感染。衰老晶狀體上皮的通透性改變表現為晶狀體上皮屏障功能下降或淚膜接觸時間增多[8]。上皮細胞整聯蛋白亞基分布的改變也能降低上皮屏障功能。a6和B4亞基組成半橋粒，隨著年齡增加它們變成不連續的。盡管如此，沿著基底膜的半橋粒的數量和分布不隨時間改變而改變。角膜細胞上調粘附分子和下調吞噬反應多形核苷酸的能力的發生也與年齡相關。[9]
3.復制衰老與視網膜血管內皮細胞
由人端粒酶基因表達的視網膜微血管內皮細胞在群體倍增100次後與其它的內皮細胞都有著類似的形態學和生長反應。它表達血管假性血友病因子,一種區別內皮細胞與其它細胞類型的關鍵標記，在重建的基底膜基質形成血管源性網，並且以VEGF依賴的方式形成小管樣三維膠原結構。從端粒和端粒酶的研究中得出端粒酶縮短與細胞衰老的起始相關，因此，異位表達的人端粒酶基因能在視網膜內皮細胞表達，使其繞過第一個細胞周期檢查點，但不能繞過第二個細胞周期檢查點，因此，使產生的血管內皮細胞壽命延長，但不能使壽命無限制。[10]
三．復制衰老與視網膜色素上皮細胞
1. 高級糖化最終產物（AGE）與RPE衰老
AGE的形成是引發老年疾病的開始。AGEs與許多人體重要疾病的病理生理有聯系，它做為調節者，不僅在糖尿病綜合症中，在許多年齡相關的病理性疾病中都有重要作用。眼內許多組織細胞都與糖尿病和衰老有關，AGEs被認為是可能的重要視力機能紊亂的調節者。[11]。AGE是一種異質反應產物，由蛋白的主要氨基團和糖類衍生物乙醛基團雜合反應形成。研究表明AGE加速衰老改變的積聚並且引起了早期年齡相關性疾病，包括動脈粥樣硬化,白內障，神經變性疾病,腎衰竭，關節炎和AMD. 我們發現AGE積聚在老化的人BM和有免疫功能的基底沉積物中。[12]雖然AGE的熒光在給予D-半乳糖的RPE脈絡膜中增加，ERG則顯示沒有AGE誘導的器官毒性。RPE-脈絡膜層增加的衰老超微結構與轉錄反應的早期炎症、基質膨脹和不正常類脂加工有關，隨後，增加的衰老超微結構下調能量代謝基因，上調晶體蛋白基因，並且改變細胞結構基因的表達。[13]
2．氧化應激與RPE衰老
正常視力要求有功能的RPE-bruch's膜-脈絡膜組織來支持視網膜神經感覺層。光氧化應激，光感受器外節脫落，脂質過氧化反應，高代謝作用的要求和需氧量的增加，導致高水平的氧化應激。結果，隨著年齡增加，RPE和脈絡膜毛細血管內皮細胞形態消失。
染色體端粒單鏈核酸斷裂作為一種度量，用來表示在培養的RPE細胞中氧化DNA損傷。細胞終末限制片斷(TRF)平均長度在40%氧中比在20%氧中縮短得要快。S1核酸酶測定顯示積累的平均TRF長度的縮短是由於增加的單鏈核酸斷裂積聚在末端染色體DNA中。反應氧中介物的產生和血紅素加氧酶-1mRNA的誘導在40%氧中比在20%氧中更深，體外培養RPE340細胞在慢性高氧中的生長顯示了DNA通過增多的單鏈核酸在端粒DNA中斷裂蓄積而受損傷。這些改變提供了衰老RPE細胞DNA氧化損傷的證據。[14]
氧化應激引起細胞結構許多改變，這些結構的改變能改變細胞表現型。為研究氧化應激對細胞功能改變的機制，使用化學氧化劑或高氧的體外模型已經確定。每種氧化劑有不同的急性損傷，因此與體內細胞的關聯性仍需研究。用輕度高氧來誘導體外RPE細胞低的、慢性的氧化應激 來模擬體內RPE細胞的環境，結果發現40%氧產生可檢測到的氧化應激和誘導適度RPE表型改變，並且伴隨著基因表達的改變和染色體DNA的損傷，輕度高氧誘導RPE細胞過早衰老。在40%氧中生長的細胞在群體倍增早期水平就停止增殖，而在20%氧中則相對較晚。增加的SABG陽性細胞和減少的BRDU陽性細胞在40%氧中比在20%氧中更早發育。 [15]
3.BRUCH膜與RPE衰老
隨著年齡增加，RPE和脈絡膜毛細血管內皮細胞形態消失。最顯著的改變是BM內的沉積物.
BRUCH膜中沉積物的定位和合成與年齡相關性疾病有關。但基底部分子水平的結構還沒有很好的解決。[16]
4．內皮素-1與RPE復制衰老
內皮素-1能產生類似視神經病變如青光眼的神經損傷作用。內皮素在眼後極部精確的來源仍然不清楚。目前的研究是確定RPE是否是ET-1局部的來源，衰老RPE細胞的ET-1調節釋放與TNF-a調節不同，它的調節釋放依靠培養物的衰老程度。RPE可能是ET-1在視網膜的起源，從給予TNF-a後的觀察來看，它釋放的增加可能在血視網膜屏障破壞中起更重要作用。合成和分泌ET-1在成熟RPE中比在糼年RPE中要多，TNF-a在這兩種表現型中都引起了顯著前內皮素原-1mRNA水平和ET-1分泌。在用TNF-a後，兩種表型中明顯出現細胞破裂和緊接著的緊密連接屏障的斷裂。[17]
5.端粒酶與RPE衰老
當端粒變得非常短時，大部分被病毒癌基因轉錄的正常細胞最後都進入M2期。為了獲得無限的生長能力，這些細胞不得不利用端粒酶活性克服M2期。端粒酶表達需要病毒轉化的前M2期細胞來防止進入M2危機期。人RPE細胞與猿猴病毒40中T抗原共同轉化並且VR3克隆在M2前期已經獲得。然後，VR3細胞與包含端粒酶的帶菌細胞一起轉染並且兩種細胞暫時或連續表達的端粒酶被克隆和分別命名為ST1和ST2。正常的RPE細胞在36次群體倍增後進入衰老，雖然在VR3克隆中壽命延長了20多倍，但它最終進入了M2危機期。與正常RPE細胞相比VR3端粒長度減少，並且在傳代培養中繼續減少。盡管如此，表達T抗原和端粒酶的ST1與ST2克隆能防止這種危象。ST1與ST2原始細胞的端粒長度比正常細胞長。當端粒酶表達減退、伸長的端粒又變短時，ST1再次經受生長抑制，但ST2維持端粒酶活性，端粒長度增殖得以繼續。結果，端粒酶活性明確需要克服M2危機期並且獲得人體上皮細胞無限的壽命，這個細胞無限增殖化機制是從M1危機逃避中獨立出來。[18]
6.Beta半乳糖苷酶與RPE細胞衰老
應用B-半乳糖苷酶和端粒酶長度檢測 ，可以發現培養RPE細胞可以隨著傳代次數的增加，出現衰老細胞表型的累積，這種累積與RPE細胞中溶酶體活性相關。應用同樣的技術，在不同年齡猕猴眼的冰凍切片中也發現衰老細胞隨年齡累積的現象 。通常認為培養條件下的RPE細胞在經過30代左右的傳代後，細胞增殖能力明顯下降，胞體增大，並出現長的突起。10代以內發生復制衰老的RPE細胞<15％ ，而在經過20代以上的傳代後，復制衰老的細胞數>70％ ，並出現明顯的體積增大，細胞體的不規則突起增多，細胞的增殖能力也明顯降低 。但細胞的復制衰老是一種累積性的變化，我們也觀察到個別Beta-半乳糖苷酶活性檢測陽性細胞仍然可以出現分裂像表型，但明顯出現胞體變大、失去多角形態、長的細胞突起明顯增多等改變。這些細胞可能在繼續培養的過程中完全進入G1期，並停滯在G1期，失去有絲分裂能力，但細胞仍然是存活的，具有一定的生物學活性。同時,在培養的第5代就可以檢測到復制衰老細胞的出現，這個現象與其他研究的發現也是吻合的，相關的解釋認為，由於後極部的RPE細胞所處的代謝環境明顯與周邊的細胞不同，因此取材於後極部的RPE細胞提前出現復制衰老的累積特征的可能性要大很多，這個推論也被在體內的RPE細胞復制衰老檢測所證實[19]
最近的研究表明，人RPE細胞復制衰老不僅表現為beta半乳糖苷酶的染色，還表現為精確的染色體端粒的縮短。從細胞循環中退出的衰老RPE細胞能被溴脫氧尿苷標記，這個結果顯示培養的RPE細胞中積聚了beta半乳糖苷酶成陽性的細胞，並作為群體倍增的功能之一。為了研究體內RPE細胞，衰老相關的beta半乳糖苷酶組織化學過程最近被修改了，同樣的組織化學過程加上了漂白後染色步驟，這可以使染色的RPE細胞清晰可見。全球第一個改良後研究是在恆河猴中進行，從1歲到29歲，結果顯示beta半乳糖苷酶陽性細胞的積聚。