Fluorescence lifetime clocks quantify senescence and aging

荧光寿命时钟量化细胞衰老与机体老化

论文信息：Chenxu Yan, Caiqi Liu, Bofang Liu , Qiaoqiao Zheng , Xingyuan Zhao , Sirui Lu1 , Xiaoqing Fu, Wennan Li , Juan Li , Dan Li, Yongkang Yao, Yutao Zhang , Huanhu Zhu , Ping Shi , Wei-Hong Zhu  & Zhiqian Guo   doi.org/10.1038/s43587-025-01001-1

主讲人：李丹，2026年1月24日

研究背景：

  衰老与细胞衰老的量化评估是衰老生物学和转化老年科学的核心挑战。现有方法（如表观遗传时钟、转录组学分析）依赖DNA提取和PCR扩增，无法实时、在体监测动态衰老过程。核仁核糖体DNA（rDNA）甲基化与衰老密切相关，衰老细胞中rDNA甲基化水平升高，导致前体rRNA（pre-rRNA）转录减少，成熟rRNA/pre-rRNA比值上升，进而改变核仁微环境的亲水性和微极性。

研究进展： 1. 开发rRNA选择性荧光探针 设计并优化了FLPRNA系列染料（如FLP1），其具有近红外发射、高光稳定性和rRNA选择性（荧光增强410倍），能通过荧光寿命响应核仁微极性变化。FLP1的荧光寿命随溶剂介电常数升高而线性降低，且不受pH和黏度影响，可特异性区分rRNA、tRNA和DNA。 2. 建立S-FLIM技术平台 提出“衰老依赖的荧光寿命成像”（S-FLIM）策略，通过FLP1标记核仁rRNA，利用荧光寿命量化成熟rRNA/pre-rRNA比值。在细胞模型（如HeLa、A549）中，增殖细胞的FLP1荧光寿命>3.0 ns，而衰老细胞（复制性衰老或药物诱导衰老）则<1.0 ns，分辨率达亚细胞水平。 3. 跨尺度衰老时钟构建细胞与组织水平：在人中性粒细胞、小鼠肾脏组织中，FLP1荧光寿命随年龄增长线性降低（小鼠R²=0.97，人类R²=0.88）。 - 模式生物验证：在秀丽隐杆线虫中，野生型与长寿突变体（daf-2）的荧光寿命衰减斜率差异显著，可实时区分长寿表型。 - 临床转化潜力：S-FLIM可快速（1.5小时）检测人中性粒细胞衰老，与DNA甲基化时钟结果高度一致，并能识别化疗药物诱导的早期衰老（如依托泊苷24小时处理）。 4. 技术优势 相比传统方法，S-FLIM具有非侵入性、实时动态监测、高对比度（10¹⁹倍于强度成像）和跨尺度适用性（细胞-组织-生物体），为衰老机制研究和抗衰老药物筛选提供了全新工具。

研究内容：

核心结论 S-FLIM通过核仁微极性变化实现衰老的可视化量化，突破了传统表观遗传时钟的技术局限，为在体、实时评估衰老动态和筛选干预策略奠定了基础。

总结与展望：

总结：本研究开发了一种基于荧光寿命成像的衰老与细胞衰老量化技术（S-FLIM），核心创新在于通过工程化RNA结合染料（FLPRNA染料，如FLP1）和荧光寿命成像，实现对活体系统中衰老进程的实时、非侵入性监测。主要成果包括： 1.技术原理：rRNA比值作为生物标志物**：衰老细胞中核糖体DNA（rDNA）甲基化水平升高，导致前体rRNA（pre-rRNA）转录减少，成熟rRNA/pre-rRNA比值上升，改变核仁微极性。 FLP1染料特性：FLP1是一种对微极性敏感的近红外荧光染料，与rRNA结合后荧光寿命随成熟rRNA/pre-rRNA比值升高而缩短（从~3.0 ns降至<1.0 ns），可通过荧光寿命成像直接量化核仁微环境变化。 2. 多尺度验证细胞水平：在复制性衰老和药物诱导衰老模型（如阿霉素、MLN4924处理）中，S-FLIM能区分增殖细胞与衰老细胞，且比传统β-半乳糖苷酶染色更灵敏，可检测早期衰老（如24小时药物处理）。动物模型：在秀丽隐杆线虫、小鼠中构建荧光寿命衰老时钟，线虫长寿突变体（daf-2）的核仁荧光寿命衰减速率显著慢于野生型；小鼠中性粒细胞荧光寿命与年龄呈线性负相关（R²=0.99），且能识别化疗诱导的早衰。 人类样本：健康志愿者中性粒细胞荧光寿命随年龄增长线性降低（R²=0.89），与DNA甲基化时钟和转录组学数据一致。 3.技术优势：实时动态监测：无需DNA提取或PCR，1.5小时内完成分析，克服表观遗传时钟的滞后性。高分辨率与稳定性：荧光寿命信号不受探针浓度、光照强度影响，对比度比强度成像高10¹⁹倍。

未来展望 1. 基础研究应用：衰老机制解析：结合单细胞成像技术，绘制组织特异性衰老细胞图谱，揭示不同细胞类型的衰老速率差异。