干细胞工程胰岛：治疗糖尿病的最佳方案？

糖尿病是21世纪主要的公共卫生挑战之一，对全球卫生造成了沉重的负担。据估计，全世界有4.63亿成年人 (每11人中就有1人) 患有糖尿病，预计到2045年，这一数字将达到7亿。2型糖尿病占全球糖尿病病例的90%左右。虽然生活方式的改变和药物治疗都是治疗2型糖尿病的有效方法，但结果仍普遍存在显著的可变性，导致监测不规律。有效药物的次优使用和β细胞功能下降导致的不可避免的疾病进展。因此，需要采用创新的疗法来延缓β细胞丢失、内源性β细胞群的再生或用干细胞工程胰岛补充β细胞。

近日，由电子科技大学附属医院·四川省人民医院器官移植研究所王轶研究员团队和瑞士弗里堡大学医学院Leo Buhler教授团队发表在Frontiers in Immunology上的综述文章Engineering Islets from Stem Cells: the optimal solution for the treatment of diabetes?重点介绍了诱导多能干细胞 (iPSCs)、间充质干细胞 (MSCs)、胚胎干细胞 (ESCs) 和胰腺祖细胞生物工程的最新进展，以产生胰岛素和葡萄糖调节细胞用于β细胞替代治疗。

干细胞是具有自我更新和分化为各种细胞类型的未分化细胞。自20世纪60年代以来，科学家们陆续鉴定和分离了造血干细胞 (HSCs)、骨髓干细胞（MSCs）、胚胎干细胞（ESCs）和诱导性多能干细胞（iPSCs）。其中，成体干细胞如HSCs和MSCs来自骨髓、骨骼肌、脂肪、羊水、脐带血、皮肤、胎盘等组织或器官，而胚胎干细胞来源于胚胎组织。iPSCs是通过四种转录因子 (OCt3/4、SOX2、C-MyC和Klf4) 的异位表达对体细胞进行基因重编程获得的，并已从体细胞如小鼠胚胎成纤维细胞 (MEF)、成年小鼠尾部成纤维细胞以及人类成纤维细胞中生成(图1)。

图1. 干细胞工程治疗1型糖尿病

自20世纪80年代以来，组织工程技术如3D生物打印技术在人类治疗应用方面有了很大的发展，包括生物人工胰腺的制造。3D生物打印技术包括分离和扩增人体细胞，然后是自动打印含有此类细胞的生物可降解支架。类器官是在体外培养中获得的三维多细胞球体。利用胰岛细胞的多种3D细胞培养方法已被描述，以获得异型细胞胰岛类器官。值得注意的是，这种异型细胞的胰岛类器官可能整合不同类型的支持细胞，如内皮细胞，进入胰岛素生成结构，这是增加移植胰岛新生血管的一种有价值的策略。

诱导多能干细胞来源的胰岛细胞用于胰岛替代治疗

这篇综述提到了使用可灌注器官芯片系统从人类诱导多能干细胞中制备了人类胰岛类器官。该系统整合了内胚层诱导后获得的功能性β细胞，随后是胰腺祖细胞的分化和扩增以及内分泌细胞的成熟(图2)【1, 2】。这种胰岛状的器官是在动态灌注系统下产生的，一种多层微流控装置，由顶部和底部聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 层、通孔PDMS膜和聚碳酸酯多孔膜组成。新鲜培养基以每小时100µl的速度泵入上下两层，为EΒs形成后胰岛器官的形成和长期培养提供持续的培养基和营养物质。此外，产生的胰岛样器官含有具有足够细胞活力的异质胰岛特异性的α-和β-样细胞。同时，在培养过程中，胰腺β细胞特异性基因和蛋白如PDX1和NK6同源框蛋白1 (NKX6-1) 重组蛋白 ，以及与胰岛素分泌相关的c肽蛋白表达增加。综上所述，这些结果提供了证据，表明通过芯片上可灌注胰岛系统产生的胰岛样器官与人类胰岛的繁殖和发育相似。该技术为在仿生微环境中利用诱导多能干细胞生成功能性胰岛样有机物提供了一种可行有效的工程方法。

图2. iPSCs衍生的胰岛功能置换

干细胞来源的β细胞用于补充胰岛素

来自ESCs的胰岛素分泌细胞已经成为糖尿病最有吸引力的治疗选择之一。研究表明体外分化干细胞来源的胰岛移植到免疫受损小鼠后，胰岛获得成熟的β细胞基因表达图谱，并能长期控制血糖（图3）【3】。此外，胰岛素免疫组化染色观察到，在贴壁和悬浮培养条件下，ESCs体外自发分化为胰岛素分泌细胞，比例非常高【4】。体外研究表明，葡萄糖和各种促分泌剂可以通过类似人类胰岛的机制触发这些结构的胰岛素释放。移植到糖尿病小鼠体内后，这些产生胰岛素的细胞迅速血管化并形成胰岛样组织簇。渐渐地，人类胚胎干细胞分化为胰岛细胞已被广泛应用【5-7】。

图3. ESCs衍生胰岛素补充

间充质干细胞和胰岛共同移植保护胰岛功能

骨髓间充质干细胞是多能干细胞,主要用于细胞和再生疗法(图4)。MSCs可分泌多种免疫调节分子，如白血病抑制因子 (LIF)、前列腺素E2 (PGE2)、肿瘤坏死因子 (TNF) 刺激基因6蛋白 (TSG6)，通过释放TSG6抑制巨噬细胞、中性粒细胞和单核细胞浸润炎性部位。此外，间充质干细胞可以通过减少肌成纤维细胞分化和ECM在成纤维细胞和上皮细胞中的沉积来限制纤维化反应。此外，MSCs还分泌血管生成因子，如血管内皮生长因子 (VEGF) 、碱性成纤维细胞生长因子 (bFGF) 和转化生长因子-β (TGF-β)。这些分泌因子支持胰岛建立自己的血管系统。因此，这些特征赋予间充质干细胞与胰岛细胞共移植时支持各种功能的潜力。早期研究表明，MSCs和胰岛共移植保护胰岛免受与即时血液介导的炎症反应 (IΒMIR)、疲劳、腹泻和长期使用免疫抑制治疗引起的免疫性肺炎相关的问题【8-11】。在MSCs和胰岛共移植中，MSCs产生了有利于胰岛修复和体外长寿的微环境，并促进胰岛素分泌和胰岛移植导致stz诱导的糖尿病小鼠。因此，MSCs似乎是与胰岛共移植的理想支持细胞，但仍有研究空白有待填补。

图4. MSCs在细胞工程技术中的作用

胰腺祖细胞作为β细胞的另一种来源

祖细胞被认为是具有分化为特定靶细胞能力的细胞。研究表明，来自人类胚胎干细胞的β细胞祖细胞表达高水平的NKX6-1，并易于进一步成熟为葡萄糖反应性β细胞。祖细胞和干细胞的关键区别在于干细胞具有无限的增殖能力，而祖细胞的分裂次数是有限的(147次)。从人类多能干细胞中提取的能够在体内形成胰岛样结构的胰腺祖细胞代表了治疗1型糖尿病的潜在细胞来源。

最近的临床试验已经开始使用来自干细胞的胰岛细胞移植到糖尿病患者，肿瘤发生、移植后生存、遗传不稳定性和免疫原性等关键瓶颈需要进一步优化。作为一种被寄予很高期望的新方法，干细胞生物工程胰岛在未来的临床应用和解决糖尿病治疗困境方面具有相当大的潜力。

王轶、Leo H. Βuhler、耿真为共同通讯作者，杜素雅、李艳娇为共同一作。

（本文撰稿：李艳娇，现为电子科技大学医学院学生）

https://doi.org/10.3389/fimmu.2022.869514

制版人：十一

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