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胰岛β细胞高效生成，治愈1型糖尿病值得期待
目前全球有约4.6亿糖尿病患者，每年有420万人死于糖尿病，我国有近1.3亿糖尿病患者。 在 1 型糖尿病中，胰岛β细胞遭到机体免疫系统无情地破坏，部分或完全失去了分泌胰岛素的功能，造成体内胰岛素绝对缺乏，引起了血糖水平持续升高，于是糖尿病出现了。 胰岛移植虽可以改善患者的胰岛素不足问题，但是供源不足，临床上无法大规模开展。 近年来，蓬勃发展的干细胞技术，解决了一部分细胞来源问题，但是也存在局限性——胰岛β细胞的转化率低、稳定性差等。因而，建立一个稳定而高效的胰岛β细胞制备方案很重要。 1 胰岛β细胞是目标 胰岛与胰岛素 1 型糖尿病是由胰岛β细胞受损，导致胰岛素分泌绝对不足造成的。人体的胰岛素来源胰岛，胰岛是许多大小不等和形状不定的细胞团，散布在胰腺的各处。胰岛中的细胞主要由α细胞，β细胞，δ细胞和pp细胞组成。
1型糖尿病发病机制 胰岛素是机体内唯一可以降低血糖的激素，由胰岛β细胞分泌而来 。针对 1 型糖尿病，想要 拯救分泌不足的胰岛素，生产源源不断的可分泌胰岛素的 β细胞是目标。 胰岛β细胞是目标 科学家们早已实现了在实验室从人源多能干细胞 （hPSC） 制备功能性β细胞，但是转化效率一直很低 （仅有10~40%） 。相比之下，制备神经细胞的效率较高，约80%。另一个问题是，如果未分化的细胞留在混合物中，它们最终可能变成另一种不需要的细胞，移植人体后可能有长成畸胎瘤的风险。 2 转化率最高的β细胞制备法 前不久，美国Salk研究所的研究团队开发了 一个迄今转化率最高的人源多能干细胞向胰岛 β 细胞方案，转化效率可达80%，稳定性高，且对细胞系的依赖性低 。 当在小鼠模型中进行测试时，动物的血糖在两周内得到控制。 这项研究发表在Nature子刊 Nature Communications 上，题目如下: Chemical combinations potentiate human pluripotent stem cell-derived 3D pancreatic progenitor clusters toward functional β cells
研究思路
图 研究方案示意图 1. 将hPSCs诱导分化成胰腺祖细胞3D簇。 2. 将胰腺祖细胞3D簇分化成胰岛β细胞。 3. 证实在体外，可响应高浓度葡萄糖的刺激而释放胰岛素。 4. 证实在体内，可在降低糖尿病小鼠的高血糖。
胰腺祖细胞3D簇的高效生成线路图 第一阶段，生成胰腺祖细胞3D簇 。简单地说，将hPSCs逐步诱导，变成内胚层 （通过CHIR99021和Activin-A诱导） 、再诱导成原始肠管 （通过KGF、Vc和dorsomorphin） 、接着后前肠 （通过KGF、Noggin、SANT1、RA和Vc） 和胰腺祖细胞3D簇 （通过EGF、Vc、烟酰胺和Noggin） 。其中，Activin-A剂量很关键。此外，还要摸索分化和增殖之间的平衡，因为这直接影响胰腺祖细胞3D簇的最终生成效率。
10种化合物在胰腺祖细胞3D簇生成中的妙用 第二阶段，胰腺祖细胞3D簇分化成熟β细胞。 采取分步法来制备胰岛β细胞，研究发现有10 种化合物不仅在胰腺3D 细胞簇中保留了胰腺祖细胞，还增强向 NKX6.1+/INS+ β 细胞的分化潜力。也就是说， 这10种化合物组合可增强胰腺祖细胞3D簇向功能性胰岛β细胞分化，其分化效率可高达80% 。 十种化合物
体外功能实验
体外葡萄糖刺激实验 体外葡萄糖刺激实验表明，成熟β细胞 （第8期） 对高浓度葡萄糖（16.7mM）刺激有反应，但对低浓度葡萄糖（3.3 mM）无反应，并释放出人C肽。相反，未成熟β细胞 （第7期） 对高浓度葡萄糖（16.7mM）刺激没有反应。成熟β细胞（第8期）也对其他促分泌物有反应，包括Exendin-4和KCl。 此外，研究者还测量了成熟β细胞 （第8期） 分泌的总胰岛素含量，即每10000个细胞约62ng，这一数值与人类原代胰岛中的数值相当。 体内功能实验 动物模型： 链脲佐菌素 （STZ） 诱导制得糖尿病小鼠模型。 移植位置：肾包膜 动物模型制备：将小鼠通过腹腔注射STZ连续4天，以诱导糖尿病。当连续4天血糖测量值高于250mg/dl时，小鼠被认为是糖尿病。 动物实验：每只糖尿病小鼠模型的肾包膜下移植160万个β细胞（即8个3D簇），“不治疗”被当作假手术。对于体内葡萄糖刺激的C肽分泌试验，细胞移植后5周，在禁食过夜和静脉注射葡萄糖丸（2g/kg）测得。
β细胞的体内功能实验 动物实验表明， 移植成熟β细胞到糖尿病小鼠的肾包膜下，糖尿病小鼠在两周内恢复到正常血糖水平，而成纤维细胞移植组作为对照的糖尿病小鼠依旧维持高血糖状态。 C肽分泌实验显示，成熟β细胞 移植组的糖尿病小鼠体内有大量的人源C肽分泌。与禁食状态 （葡萄糖刺激前） 相比，在葡萄糖刺激后检测到的C肽增加了约两倍 。移植后20周，没有形成畸胎瘤。 研究者发现，本方案对细胞系依赖比较低，在其它细胞系中也可表现出很高的分化效率，终产物中非目标细胞比较少，且移植后没有发现出现崎胎瘤。 3 文末小结 从多能干细胞到功能性β细胞的高效生成，一直是再生医学领域的难题。本研究解决了其转化效率低和稳定差的问 题。这一套新的分化体系，可以源源不断地获得功能性胰岛β细胞。在开始人体临床试验之前，还需要进行更多的研究来评估安全性问题。考虑到这套分化体系步骤较多，产业转化也是一个难题。 回顾往期，路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。我们将持续关注细胞治疗糖尿病，直到糖尿病被治愈的那一天。 参考文献： Liu Haisong et al., Chemical combinations potentiate human pluripotent stem cell-derived 3D pancreatic progenitor clusters toward functional β cells. Nature Communications, 2021 |
