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胰島β細(xì)胞高效生成，治愈1型糖尿病值得期待
目前全球有約4.6億糖尿病患者，每年有420萬人死于糖尿病，我國有近1.3億糖尿病患者。 在 1 型糖尿病中，胰島β細(xì)胞遭到機(jī)體免疫系統(tǒng)無情地破壞，部分或完全失去了分泌胰島素的功能，造成體內(nèi)胰島素絕對(duì)缺乏，引起了血糖水平持續(xù)升高，于是糖尿病出現(xiàn)了。 胰島移植雖可以改善患者的胰島素不足問題，但是供源不足，臨床上無法大規(guī)模開展。 近年來，蓬勃發(fā)展的干細(xì)胞技術(shù)，解決了一部分細(xì)胞來源問題，但是也存在局限性——胰島β細(xì)胞的轉(zhuǎn)化率低、穩(wěn)定性差等。因而，建立一個(gè)穩(wěn)定而高效的胰島β細(xì)胞制備方案很重要。 1 胰島β細(xì)胞是目標(biāo) 胰島與胰島素 1 型糖尿病是由胰島β細(xì)胞受損，導(dǎo)致胰島素分泌絕對(duì)不足造成的。人體的胰島素來源胰島，胰島是許多大小不等和形狀不定的細(xì)胞團(tuán)，散布在胰腺的各處。胰島中的細(xì)胞主要由α細(xì)胞，β細(xì)胞，δ細(xì)胞和pp細(xì)胞組成。
1型糖尿病發(fā)病機(jī)制 胰島素是機(jī)體內(nèi)唯一可以降低血糖的激素，由胰島β細(xì)胞分泌而來 。針對(duì) 1 型糖尿病，想要 拯救分泌不足的胰島素，生產(chǎn)源源不斷的可分泌胰島素的 β細(xì)胞是目標(biāo)。 胰島β細(xì)胞是目標(biāo) 科學(xué)家們?cè)缫褜?shí)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)室從人源多能干細(xì)胞 （hPSC） 制備功能性β細(xì)胞，但是轉(zhuǎn)化效率一直很低 （僅有10~40%） 。相比之下，制備神經(jīng)細(xì)胞的效率較高，約80%。另一個(gè)問題是，如果未分化的細(xì)胞留在混合物中，它們最終可能變成另一種不需要的細(xì)胞，移植人體后可能有長成畸胎瘤的風(fēng)險(xiǎn)。 2 轉(zhuǎn)化率最高的β細(xì)胞制備法 前不久，美國Salk研究所的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了 一個(gè)迄今轉(zhuǎn)化率最高的人源多能干細(xì)胞向胰島 β 細(xì)胞方案，轉(zhuǎn)化效率可達(dá)80%，穩(wěn)定性高，且對(duì)細(xì)胞系的依賴性低 。 當(dāng)在小鼠模型中進(jìn)行測試時(shí)，動(dòng)物的血糖在兩周內(nèi)得到控制。 這項(xiàng)研究發(fā)表在Nature子刊 Nature Communications 上，題目如下: Chemical combinations potentiate human pluripotent stem cell-derived 3D pancreatic progenitor clusters toward functional β cells
研究思路
圖 研究方案示意圖 1. 將hPSCs誘導(dǎo)分化成胰腺祖細(xì)胞3D簇。 2. 將胰腺祖細(xì)胞3D簇分化成胰島β細(xì)胞。 3. 證實(shí)在體外，可響應(yīng)高濃度葡萄糖的刺激而釋放胰島素。 4. 證實(shí)在體內(nèi)，可在降低糖尿病小鼠的高血糖。
胰腺祖細(xì)胞3D簇的高效生成線路圖 第一階段，生成胰腺祖細(xì)胞3D簇 。簡單地說，將hPSCs逐步誘導(dǎo)，變成內(nèi)胚層 （通過CHIR99021和Activin-A誘導(dǎo)） 、再誘導(dǎo)成原始腸管 （通過KGF、Vc和dorsomorphin） 、接著后前腸 （通過KGF、Noggin、SANT1、RA和Vc） 和胰腺祖細(xì)胞3D簇 （通過EGF、Vc、煙酰胺和Noggin） 。其中，Activin-A劑量很關(guān)鍵。此外，還要摸索分化和增殖之間的平衡，因?yàn)檫@直接影響胰腺祖細(xì)胞3D簇的最終生成效率。
10種化合物在胰腺祖細(xì)胞3D簇生成中的妙用 第二階段，胰腺祖細(xì)胞3D簇分化成熟β細(xì)胞。 采取分步法來制備胰島β細(xì)胞，研究發(fā)現(xiàn)有10 種化合物不僅在胰腺3D 細(xì)胞簇中保留了胰腺祖細(xì)胞，還增強(qiáng)向 NKX6.1+/INS+ β 細(xì)胞的分化潛力。也就是說， 這10種化合物組合可增強(qiáng)胰腺祖細(xì)胞3D簇向功能性胰島β細(xì)胞分化，其分化效率可高達(dá)80% 。 十種化合物
體外功能實(shí)驗(yàn)
體外葡萄糖刺激實(shí)驗(yàn) 體外葡萄糖刺激實(shí)驗(yàn)表明，成熟β細(xì)胞 （第8期） 對(duì)高濃度葡萄糖（16.7mM）刺激有反應(yīng)，但對(duì)低濃度葡萄糖（3.3 mM）無反應(yīng)，并釋放出人C肽。相反，未成熟β細(xì)胞 （第7期） 對(duì)高濃度葡萄糖（16.7mM）刺激沒有反應(yīng)。成熟β細(xì)胞（第8期）也對(duì)其他促分泌物有反應(yīng)，包括Exendin-4和KCl。 此外，研究者還測量了成熟β細(xì)胞 （第8期） 分泌的總胰島素含量，即每10000個(gè)細(xì)胞約62ng，這一數(shù)值與人類原代胰島中的數(shù)值相當(dāng)。 體內(nèi)功能實(shí)驗(yàn) 動(dòng)物模型： 鏈脲佐菌素 （STZ） 誘導(dǎo)制得糖尿病小鼠模型。 移植位置：腎包膜 動(dòng)物模型制備：將小鼠通過腹腔注射STZ連續(xù)4天，以誘導(dǎo)糖尿病。當(dāng)連續(xù)4天血糖測量值高于250mg/dl時(shí)，小鼠被認(rèn)為是糖尿病。 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)：每只糖尿病小鼠模型的腎包膜下移植160萬個(gè)β細(xì)胞（即8個(gè)3D簇），“不治療”被當(dāng)作假手術(shù)。對(duì)于體內(nèi)葡萄糖刺激的C肽分泌試驗(yàn)，細(xì)胞移植后5周，在禁食過夜和靜脈注射葡萄糖丸（2g/kg）測得。
β細(xì)胞的體內(nèi)功能實(shí)驗(yàn) 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明， 移植成熟β細(xì)胞到糖尿病小鼠的腎包膜下，糖尿病小鼠在兩周內(nèi)恢復(fù)到正常血糖水平，而成纖維細(xì)胞移植組作為對(duì)照的糖尿病小鼠依舊維持高血糖狀態(tài)。 C肽分泌實(shí)驗(yàn)顯示，成熟β細(xì)胞 移植組的糖尿病小鼠體內(nèi)有大量的人源C肽分泌。與禁食狀態(tài) （葡萄糖刺激前） 相比，在葡萄糖刺激后檢測到的C肽增加了約兩倍 。移植后20周，沒有形成畸胎瘤。 研究者發(fā)現(xiàn)，本方案對(duì)細(xì)胞系依賴比較低，在其它細(xì)胞系中也可表現(xiàn)出很高的分化效率，終產(chǎn)物中非目標(biāo)細(xì)胞比較少，且移植后沒有發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)崎胎瘤。 3 文末小結(jié) 從多能干細(xì)胞到功能性β細(xì)胞的高效生成，一直是再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的難題。本研究解決了其轉(zhuǎn)化效率低和穩(wěn)定差的問 題。這一套新的分化體系，可以源源不斷地獲得功能性胰島β細(xì)胞。在開始人體臨床試驗(yàn)之前，還需要進(jìn)行更多的研究來評(píng)估安全性問題。考慮到這套分化體系步驟較多，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化也是一個(gè)難題。 回顧往期，路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索。我們將持續(xù)關(guān)注細(xì)胞治療糖尿病，直到糖尿病被治愈的那一天。 參考文獻(xiàn)： Liu Haisong et al., Chemical combinations potentiate human pluripotent stem cell-derived 3D pancreatic progenitor clusters toward functional β cells. Nature Communications, 2021 |
