Physical function declines in old age, portending disability, increased health expenditures, and mortality. Cellular senescence, leading to tissue dysfunction, may contribute to these consequences of aging, but whether senescence can directly drive age-related pathology and be therapeutically targeted is still unclear. Here we demonstrate that transplanting relatively small numbers of senescent cells into young mice is sufficient to cause persistent physical dysfunction, as well as to spread cellular senescence to host tissues. Transplanting even fewer senescent cells had the same effect in older recipients and was accompanied by reduced survival, indicating the potency of senescent cells in shortening health- and lifespan. The senolytic cocktail, dasatinib plus quercetin, which causes selective elimination of senescent cells, decreased the number of naturally occurring senescent cells and their secretion of frailty-related proinflammatory cytokines in explants of human adipose tissue. Moreover, intermittent oral administration of senolytics to both senescent cell–transplanted young mice and naturally aged mice alleviated physical dysfunction and increased post-treatment survival by 36% while reducing mortality hazard to 65%. Our study provides proof-of-concept evidence that senescent cells can cause physical dysfunction and decreased survival even in young mice, while senolytics can enhance remaining health- and lifespan in old mice. Transfer of senescent cells into naive, young mice can induce physical dysfunction, and a senolytic can reverse this dysfunction and potently increase lifespan in aged mice.

Abstract

Background

 Senescence is a tumor suppressor mechanism activated in stressed cells to prevent replication of damaged DNA. Senescent cells have been demonstrated to play a causal role in driving aging and age-related diseases using genetic and pharmacologic approaches. We previously demonstrated that the combination of dasatinib and the flavonoid quercetin is a potent senolytic improving numerous age-related conditions including frailty, osteoporosis and cardiovascular disease. The goal of this study was to identify flavonoids with more potent senolytic activity. 

Methods

 A panel of flavonoid polyphenols was screened for senolytic activity using senescent murine and human fibroblasts, driven by oxidative and genotoxic stress, respectively. The top senotherapeutic flavonoid was tested in mice modeling a progeroid syndrome carrying a p16^INK4a-luciferase reporter and aged wild-type mice to determine the effects of fisetin on senescence markers, age-related histopathology, disease markers, health span and lifespan. Human adipose tissue explants were used to determine if results translated. 

Findings

 Of the 10 flavonoids tested, fisetin was the most potent senolytic. Acute or intermittent treatment of progeroid and old mice with fisetin reduced senescence markers in multiple tissues, consistent with a hit-and-run senolytic mechanism. Fisetin reduced senescence in a subset of cells in murine and human adipose tissue, demonstrating cell-type specificity. Administration of fisetin to wild-type mice late in life restored tissue homeostasis, reduced age-related pathology, and extended median and maximum lifespan. 

Interpretation

 The natural product fisetin has senotherapeutic activity in mice and in human tissues. Late life intervention was sufficient to yield a potent health benefit. These characteristics suggest the feasibility to translation to human clinical studies. 

Fund

 NIH grants P01 AG043376 (PDR, LJN), U19 AG056278 (PDR, LJN, WLL), R24 AG047115 (WLL), R37 AG013925 (JLK), R21 AG047984 (JLK), P30 DK050456 (Adipocyte Subcore, JLK), a Glenn Foundation/American Federation for Aging Research (AFAR) BIG Award (JLK), Glenn/AFAR (LJN, CEB), the Ted Nash Long Life and Noaber Foundations (JLK), the Connor Group (JLK), Robert J. and Theresa W. Ryan (JLK), and a Minnesota Partnership Grant (AMAY-UMN#99)-P004610401–1 (JLK, EAA).

The COVID-19 pandemic has revealed the pronounced vulnerability of the elderly and chronically ill to severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2)-induced morbidity and mortality. Cellular senescence contributes to inflammation, multiple chronic diseases, and age-related dysfunction, but effects on responses to viral infection are unclear. Here, we demonstrate that senescent cells (SnCs) become hyper-inflammatory in response to pathogen-associated molecular patterns (PAMPs), including SARS-CoV-2 spike protein-1, increasing expression of viral entry proteins and reducing antiviral gene expression in non-SnCs through a paracrine mechanism. Old mice acutely infected with pathogens that included a SARS-CoV-2-related mouse β-coronavirus experienced increased senescence and inflammation, with nearly 100% mortality. Targeting SnCs by using senolytic drugs before or after pathogen exposure significantly reduced mortality, cellular senescence, and inflammatory markers and increased antiviral antibodies. Thus, reducing the SnC burden in diseased or aged individuals should enhance resilience and reduce mortality after viral infection, including that of SARS-CoV-2.

α-Klotho is a geroprotective protein that can attenuate or alleviate deleterious changes with ageing and disease. Declines in α-Klotho play a role in the pathophysiology of multiple diseases and age-related phenotypes. Pre-clinical evidence suggests that boosting α-Klotho holds therapeutic potential. However, readily clinically-translatable, practical strategies for increasing α-Klotho are not at hand. Here, we report that orally-active, clinically-translatable senolytics can increase α-Klotho in mice and humans.We examined α-Klotho expression in three different human primary cell types co-cultured with conditioned medium (CM) from senescent or non-senescent cells with or without neutralizing antibodies. We assessed α-Klotho expression in aged, obese, and senescent cell-transplanted mice treated with vehicle or senolytics. We assayed urinary α-Klotho in patients with idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) who were treated with the senolytic drug combination, Dasatinib plus Quercetin (D+Q).We found exposure to the senescent cell secretome reduces α-Klotho in multiple nonsenescent human cell types. This was partially prevented by neutralizing antibodies against the senescence-associated secretory phenotype (SASP) factors, activin A and Interleukin 1α (IL-1α). Consistent with senescent cells' being a cause of decreased α-Klotho, transplanting senescent cells into younger mice reduced brain and urine α-Klotho. Selectively removing senescent cells genetically or pharmacologically increased α-Klotho in urine, kidney, and brain of mice with increased senescent cell burden, including naturally-aged, diet-induced obese (DIO), or senescent cell-transplanted mice. D+Q increased α-Klotho in urine of patients with IPF, a disease linked to cellular senescence.Senescent cells cause reduced α-Klotho, partially due to their production of activin A and IL-1α. Targeting senescent cells boosts α-Klotho in mice and humans. Thus, clearing senescent cells restores α-Klotho, potentially opening a novel, translationally-feasible avenue for developing orally-active small molecule, α-Klotho-enhancing clinical interventions. Furthermore, urinary α-Klotho may prove to be a useful test for following treatments in senolytic clinical trials.This work was supported by National Institute of Health grants AG013925 (J.L.K.), AG062413 (J.L.K., S.K.), AG044271 (N.M.), AG013319 (N.M.), and the Translational Geroscience Network (AG061456: J.L.K., T.T., N.M., S.B.K., S.K.), Robert and Arlene Kogod (J.L.K.), the Connor Group (J.L.K.), Robert J. and Theresa W. Ryan (J.L.K.), and the Noaber Foundation (J.L.K.). The previous IPF clinical trial was supported by the Claude D. Pepper Older Americans Independence Centers at WFSM (AG021332: J.N.J., S.B.K.), UTHSCA (AG044271: A.M.N.), and the Translational Geroscience Network.

ABSTRACT Single-molecule proteomic studies are critically important for understanding the molecular origins of cellular phenotypes. However, no currently available technology can achieve both the single-molecule sensitivity and high dynamic range required to comprehensively analyze the complex mixtures of proteins in biological samples. One approach to achieve high sensitivity across a wide dynamic range would be to create a protein array that arranges billions of single molecules with regular spacing on a patterned surface. However, creating such a protein array has remained an unsolved challenge for the field. Here, we present a highly scalable method for fabricating dense single-molecule protein arrays using a specially designed DNA origami structure, protein click-conjugation, photolithography and surface functionalization. The origami-structure is enhanced via terminal deoxynucleotidyl transferase-extension, which generates brush-like projections, increasing the effective size of the origami from 88 nm to greater than 200 nm. These particles are large enough to enable super-Poisson deposition of individual protein molecules on a nano-patterned chip (>98% occupancy with only 1% of sites occupied with multiple protein molecules). This approach allowed for single-molecule protein display of 600 million protein molecules per microscope slide-sized chip with the potential to scale further with denser feature spacing. We hypothesize that this technology will ultimately enable the development of highly scalable proteomic analysis platforms that address the currently unmet need for protein measurements at single-molecule sensitivity across an exceptionally wide dynamic range of protein concentrations.

Abstract In the last decade cellular senescence, a hallmark of aging, has come into focus for pharmacologically targeting aging processes. Senolytics are one of these interventive strategies that have advanced into clinical trials, creating an unmet need for minimally invasive biomarkers of senescent cell load to identify patients at need for senotherapy. We created a landscape of miRNA and mRNA expression in five human cell types induced to senescence in-vitro and provide proof-of-principle evidence that miRNA expression can track senescence burden dynamically in-vivo using transgenic p21 high senescent cell clearance in HFD fed mice. Finally, we profiled miRNA expression in seven different tissues, total plasma, and plasma derived EVs of young and 25 months old mice. In a systematic analysis, we identified 22 candidate senomiRs with potential to serve as circulating biomarkers of senescence not only in rodents, but also in upcoming human clinical senolytic trials.