梳理糖尿病治療突破性進展！利用細胞重編程產生β細胞

2017年2月27日/

BIOON/---目前，全球

患者近乎4億，該病的發病原因包括

和環境兩大因素，然而前

患者數目更加龐大，研究人員推測，截至2035年全球將有5.92億

患者。

分為1型和2型糖尿病。1型糖尿病，原名胰島素依賴型糖尿病，多發生在兒童和青少年，也可發生於各種年齡，在全世界範圍內其影響了超過3000萬人的健康，儘管的當前有很多療法，但是患者的平均壽命一般都會縮短5至8年。對於1型糖尿病患者來說，他們的免疫系統摧毀了自身的胰島細胞，導致無法正常合成胰島素，他們需要通過終生注射胰島素將血糖維持在相對正常的水平。1型糖尿病起病比較急劇，體內胰島素絕對不足，容易發生酮症酸中毒，必須用胰島素治療才能獲得滿意療效，否則將危及生命。

2型糖尿病一大特徵在於胰腺中胰島素表達水平降低。科學家們通常認為這種下降的原因在於這種器官中胰島β細胞死亡。但是在II型糖尿病病人的胰腺中，人們很少發現死亡的β細胞。而且胰腺功能障礙與死亡的β細胞數量不成比例。2012年，一項研究證實在2型糖尿病模式小鼠體內，β細胞沒有死亡，而是相反地返回到一種更加原始性的去分化的細胞類型（Cell, doi: 10.1016/j.cell.2012.07.029）。

目前已成為全球糖尿病患者人數最多的國家。據最新數據顯示，糖尿病患者人數已達1.14億，約佔全球糖尿病人總數的三分之一。

在胰腺的胰島中，α細胞和β細胞與至少三種其他的高度特化的細胞類型一起形成，其中胰島是體內調節血糖的控制中心。β細胞和α細胞負責調節人體對就餐后血液葡萄糖水平的上升和下降作出的反應。當葡萄糖水平上升時，β細胞釋放胰島素，指示整個人體中的細胞儲存這種糖分子，供以後使用。當葡萄糖水平下降時，α細胞釋放胰高血糖素，從而促進儲存的葡萄糖釋放。但是這些細胞是靈活的：之前的研究已表明在發生極大的β細胞損失后，α細胞能夠補充產生胰島素的細胞。表觀

主調節因子Arx被鑒定為在這種轉化過程中發揮著關鍵性作用的分子。

一種簡單而又優雅的策略有望治療1型糖尿病：在病人體內，誘導α細胞轉化為β細胞。另外，也有研究人員可以利用模擬禁食效果的飲食促進不產生胰島素的細胞轉化為產生胰島素的β細胞。還有不少研究人員發現能夠將胰腺外分泌細胞、肝臟細胞、皮膚細胞、胰腺導管細胞和胃幽門細胞等細胞轉化為β細胞。

因此，針對利用細胞重編程方法產生分泌胰島素的β細胞近期取得的進展，小編進行一番梳理，以饗讀者。

doi:10.1016/j.cell.2017.01.040

在一項新的研究中，來自美國南加州大學、麻省理工學院科赫研究所和加州大學舊金山分校的研究人員證實一種旨在模擬禁食效果的飲食（fasting-mimicking diet, FMD）似乎通過細胞重編程逆轉糖尿病。

這項研究以小鼠和人類細胞為實驗對象，證實這種模擬禁食效果的飲食促進新的產生胰島素的胰腺β細胞生長，從而降低小鼠體內的1型和2型糖尿病癥狀。

在1型糖尿病和晚期2型糖尿病中，胰腺喪失產生胰島素的β細胞，從而增加血糖水平的不穩定性。這項研究證實在每周四天接受FMD飲食的小鼠當中，它們的糖尿病受到顯著逆轉。它們再次獲得健康的胰島素產生、下降的胰島素抵抗性，並且展現出更加穩定的血糖水平。即便是對晚期糖尿病小鼠而言，也是這種情形。

這種周期性飲食激活成年小鼠體內的正常情形下僅在小鼠胎兒的發育中的胰腺內有活性的基因。這些基因最終引發蛋白Ngn3表達，因此產生新的分泌胰島素的β細胞。

Longo和他的團隊也研究了體外培養的來自人供者的胰腺細胞，結果發現在來自1型糖尿病患者的胰腺細胞中，禁食也增加Ngn3蛋白表達和加快胰島素產生。這些結果提示著FMD飲食可能緩解病人的糖尿病病情。

doi:10.1016/j.cmet.2017.01.009

在一項新的研究中，來自來自美國、加拿大、瑞士和挪威的研究人員發現在活的小鼠體內，僅需阻斷兩個基因的表達就能夠誘導胰腺中的α細胞快速地和高效地變成產生胰島素的β細胞。他們對來自糖尿病供者死後的胰腺的研究還提示著α細胞的「職業改變」也在糖尿病患者體內自然地發生，但是僅是少量地和更慢地發生。這項新的研究提示著科學家們可能有朝一日能夠利用這種細胞命運的天然靈活性在人體內誘導α細胞轉化為β細胞，從而緩解糖尿病癥狀。

這些研究人員千辛萬苦地培育一種實驗室小鼠品種：當通過飲用水讓它們服用一種化合物時，它們的胰腺α細胞不能夠產生Arx和DNMT1。他們觀察到在這些小鼠體內阻斷這兩種蛋白產生7周內，α細胞快速地轉化為看起來像是β細胞的細胞。

這些研究人員隨後將他們的注意力轉移到來自糖尿病供者和非糖尿病供者死後的人胰腺組織。他們發現來自死後一到兩年內經

患上1型糖尿病的兒童的胰腺組織樣品包括一部分產生兩種激素的細胞，它們產生胰高血糖素和胰島素。Kim和他的同事們認為他們可能捕捉到正在轉化為β細胞的α細胞，作為對糖尿病產生作出的反應。他們也觀察到來自糖尿病供者的人α細胞樣品不表達基因ARX和DNMT1，而在小鼠體內，這兩個基因的表達會阻斷α細胞轉化為β細胞。

因此，相同的基本變化可能也在1型糖尿病患者體內發生。這表明利用靶向方法阻斷糖尿病患者胰島中的這兩個基因的表達或者控制它們的信號來提高α細胞轉化為β細胞的比例可能是可行的。

doi:10.1126/science.aaf4006

在一項新的研究中，來自瑞士蘇黎世聯邦理工學院和華東師範大學等機構的研究人員利用一種簡單明了的工程學方法製造出人工β細胞。

這些人工β細胞能夠做天然的β細胞做的任何事情：它們測量血液中的葡萄糖濃度，產生足夠的胰島素來有效地降低血糖水平。

對研究人員的新方法而言，他們使用一種基於人腎細胞的細胞系，即HEK細胞。他們使用了HEK細胞膜中天然的葡萄糖轉運蛋白和鉀離子通道。他們利用一種電壓依賴性鈣離子通道、一種產生胰島素或GLP-1的基因提高它們的功能，其中GLP-1是一種參與血糖水平調節的激素。

在這些人工β細胞中，HEK細胞的天然葡萄糖轉運蛋白攜帶來自血液中的葡萄糖到細胞內部。當血糖水平超過某個閾值時，鉀離子通道關閉。這會顛倒細胞膜上的電壓分佈，導致鈣離子通道打開。隨著鈣離子流進，它觸發HEK細胞內在的信號轉導級聯事件，導致胰島素或GLP-1的產生和分泌。當植入到糖尿病模式小鼠體內時，這些經過修飾的HEK細胞在三周內可靠地發揮作用，產生足夠數量的調節血糖水平的胰島素或GLP-1。

doi:10.1016/j.cell.2016.11.010; doi:10.1016/j.cell.2016.11.002

之前的研究已表明在發生極大的β細胞損失后，α細胞能夠補充產生胰島素的細胞。表觀

主調節因子Arx被鑒定為在這種轉化過程中發揮著關鍵性作用的分子。

在一項新的研究中，研究人員證實Arx缺失足以改變α細胞身份，而並不依賴於體內的影響。

利用這些細胞系，研究人員如今能夠測試他們的化合物文庫，結果發現青蒿素髮揮著與Arx缺失相同的效果。他們揭示出青蒿素重塑α細胞的分子作用機制：這種化合物結合到一種被稱作橋尾蛋白（gephyrin）的蛋白上，其中橋尾蛋白會激活GABA受體。隨後，一系列生化反應變化導致胰島素產生。

除了這些細胞系實驗之外，這種抗瘧疾藥物的效果也在模式生物中得到證實：Stefan Kubicek團隊和他們的合作者觀察到在糖尿病模式斑馬魚、小鼠和大鼠體內，一旦注入青蒿素，就會增加β細胞數量和改善血糖穩態平衡。鑒於青蒿素在斑馬魚、嚙齒類動物和人類中的分子靶標是非常類似的，對α細胞的影響也將在人體中發生的機會是較高的。

在另一項新的研究中，研究人員證實在模式小鼠體內，注射GABA也導致α細胞轉化為β細胞，這提示著這兩種物質靶向相同的機制。

doi:10.1038/nbt.3082

近日，刊登在國際雜誌Nature Biotechnology上的一篇研究論文中，來自哈佛

研究所的研究人員通過研究表示，將成體細胞重編程為活體中的任何類型細胞后，細胞還可以長時間維持其功能。

文章中研究人員利用一種基因結合的方法來改變糖尿病成體小鼠的胰腺外分泌細胞，使得這些細胞轉變成為胰島素β分泌細胞從而治療代謝疾病小鼠，並且改善小鼠的胰島素產生。研究者Zhou博士表示，重編程的效率一直以來都是個問題，截止到目前為止，新產生的細胞數量會迅速減少，有時候也會完全消失；本文研究中我們發現重編程后的細胞也是有用的而且可以營造一種細胞得以生存的環境。

這項研究中，研究人員對小鼠研究了長達13個月，結果發現，誘導產生的胰島素β分泌細胞可以保持一定的功能，而且活性較好；將胰腺外分泌細胞轉化成為產生胰島素的胰腺β分泌細胞這種技術或對於開發治療糖尿病的新型療法帶來一定的思路，也對於理解1型和2型糖尿病的發病根源帶來了希望。

doi:10.1038/ncomms14127

根據德國科學家的一項最新研究，通過改變一個基因的活性對肝臟細胞進行重編程使其變成胰腺祖細胞已經成為可能。最高德爾布呂克分子醫學中心（MDC）的研究人員在小鼠身上成功地實現了這種細胞命運的轉變，他們的結果有望幫助實現對糖尿病人進行細胞治療。

一個叫做 TGIF2的基因在上述過程中起到關鍵作用。TGIF2在胰腺組織中非常活躍而在肝臟中並非如此。在這項研究中，研究人員在小鼠肝臟細胞中過表達了 TGIF2基因隨後進行了現象的觀察。他們發現肝臟細胞首先失去了肝臟細胞的特性隨後獲得了胰腺細胞的特徵。研究人員將經過改造的細胞移植到糖尿病小鼠模型中，小鼠的血糖水平很快就得到了改善，表明移植的細胞確實發揮了胰島細胞的功能。這項研究將應用細胞療法治療糖尿病又推進了一步。

doi:10.1016/j.stem.2014.01.006

近日，刊登在國際著名雜誌Cell Stem Cell上的一篇研究報告中，來自格拉斯通研究所（Gladstone Institutes）的研究人員通過研究開發出了一種新型技術，其可以將皮膚細胞重編程為產生胰島素的胰腺細胞，這就為開發新型的治療1型糖尿病的療法提供了一定思路和希望。

這項研究中，研究者首先從實驗小鼠身上收集名為成纖維細胞的皮膚細胞，隨後利用特殊分子和重編程因子的混合物對其進行處理，進而將皮膚細胞轉化成為內胚層樣細胞，內胚層細胞是在早期胚胎中發現的一種細胞，其可以最終分化為機體的主要器官，包括胰腺等。

研究者Ke Li表示，使用另一種化合物我們就可以將內胚層樣細胞轉化成為早期胰腺樣細胞，稱之為PPLC』s，研究者最初的目的是觀察是否可以促進PPLC』s生長成熟成為胰腺β細胞，隨後研究者想觀察是否相同的結果在活體動物模型中依然如此，因此研究者將PPLC』s移植到了

修飾小鼠體內中進行研究。僅僅在移植后一周后，研究者就發現動物體內的葡萄糖水平發生了明顯的降低，當將移植細胞剔除后，葡萄糖的水平立馬就回升了。

doi:10.1016/j.devcel.2013.05.018

刊登在國際雜誌Developmental Cell上的一篇研究報告中，來自Valrose生物學研究所的研究人員通過對小鼠研究揭示，其胰腺中包含的細胞可以被轉化成為產生胰島素的β細胞，而且可以在任何年齡段的小鼠中發生，研究者表示，所有的胰腺β細胞都可以進行多次再生，這樣在小鼠體內進行的化學誘導的糖尿病就可以被多次治療，這項研究或造福於人類。

2009年，本文的研究者設法在年輕小鼠體內將產生胰高血糖素的α細胞轉化為β細胞，如今他們報道了胰腺導管細胞（pancreatic ductal cells）可以被持續誘導，隨後轉化成α細胞，最後轉化成為β細胞。

研究者Patrick Collombat表示，通過人工誘導小鼠患I型糖尿病，我們揭示了所有的胰腺β細胞可以至少再生三次，用此種方法誘導小鼠產生的糖尿病可以被多次治療，這就得益於這種新型再生的胰島素β細胞。

doi:10.1038/nature08894

一個國際研究小組日前發現，一旦胰腺中生成胰島素的胰島β細胞全被破壞，那麼胰腺中就會有其他細胞出來「救急」，「變身」為胰島β細胞。這一發現表明，胰島β細胞可以「再生」，這也許有助於醫學專家重新設計對糖尿病的療法。

研究人員給小鼠使用了一種名為白喉的毒素，將小鼠體內的胰島β細胞全部破壞，結果小鼠出現糖尿病癥狀。為了維持小鼠的生命，研究人員給它們注射胰島素。兩到四周后，他們驚訝地發現，小鼠體內的胰島α細胞出現變化，原本只負責製造胰高血糖素的胰島α細胞現在開始製造新的胰島β細胞。

在接受實驗的8隻小鼠中，有一半在10個月以後胰島β細胞增殖到原有數量的20％左右，擺脫了糖尿病癥狀。

此前，研究人員從未發現胰島α細胞能夠成為胰島β細胞的來源。他們指出，如果人體內胰島α細胞能夠代替數目減少或者功能減弱的胰島β細胞，將會為糖尿病治療帶來希望。

doi:10.1016/j.cell.2009.05.035

德國馬克斯·普朗克生物物理化學研究所研究人員通過激活患糖尿病老鼠胰腺細胞的一種基因，使一些胰腺細胞轉化為能分泌胰島素的細胞。這一成果為糖尿病治療研究帶來了新思路。

胰島β細胞具有分泌胰島素並以此降血糖的功能，而胰高血糖素的作用與胰島素相反，能使血糖升高，兩者共同作用可以調節機體血糖平衡。德國研究人員發現，通過激活患糖尿病老鼠的胰腺細胞Pax4基因，不僅可以使胰腺分泌的前體細胞轉化為能分泌胰島素的胰島β細胞，而且還能使原來分泌胰高血糖素的細胞轉化為胰島β細胞。

參與這項研究的專家說，在老鼠身上發現的上述基因調節機制能否用於人還需更多研究加以證實。如果將來可以依據上述發現研發糖尿病藥物，還需要考慮各種因素，例如不能導致胰島β細胞過多生成，否則會破壞胰島素和胰高血糖素之間的微妙平衡。

doi:10.1038/ncomms10080

最近，來自美國加州大學舊金山分校的華人科學家Sheng Ding領導的研究團隊成功地將人類皮膚細胞誘導為具備全部功能的胰腺β細胞。這些新細胞能夠應答葡萄糖水平變化從而合成胰島素，將這些細胞移植到糖尿病小鼠模型體內還可以保護小鼠阻止糖尿病的發生。

在這項研究中，研究人員利用藥物和

學方法成功地將皮膚細胞重編程為內胚層祖細胞，通過這種技術進行誘導獲得的細胞不需要完全返回到多能

狀態，這也就意味著科學家們能夠利用這些細胞更快地獲得胰腺細胞。

研究人員向重編程得到的內胚層細胞中加入另外四種分子，內胚層細胞就會發生快速分裂，特別重要的是，這些快速分裂的細胞並沒有表現出任何形成

的跡象，它們仍然保持了作為早期器官特異性細胞的特徵。

研究人員先將內胚層細胞誘導為胰腺祖細胞，隨後再將其誘導為具有全部功能的胰腺β細胞。最為重要的是，研究人員發現他們通過重編程誘導得到的胰腺β細胞能夠能夠應答血糖變化，合成分泌胰島素，從而保護糖尿病小鼠模型避免發生糖尿病。

這項研究是首次直接通過細胞重編程方法成功獲得具有胰島素合成能力的人類胰腺β細胞，代表著科學家們在細胞重編程技術方面取得的重大進步，這一技術將幫助科學家們更加有效地獲得胰腺細胞，進一步推動糖尿病個體化細胞治療。

doi:10.1016/j.stem.2016.01.003

科學家們已用了幾十年的努力試圖取代產生胰島素的被稱作β細胞的胰腺細胞，其中這些細胞在糖尿病病人體內丟失了。如今，在一項新的研究中，一個研究小組發現來自胃下部的幽門組織有最大潛力被重編程成一種β細胞的狀態。研究人員從小鼠體內獲得這種組織樣品，將它們培育成當被移植回這些動物體內時產生胰島素的「微型器官（mini-organ）」。 這些微型器官中的

還繼續補充這種產生胰島素的細胞群體，促進這種組織可持續再生。

為了在身體中找到這種最適合的經重編程產生胰島素的組織，研究人員對小鼠進行基因改造讓它們表達三個讓其他類型細胞轉變為β細胞的基因。論文通信作者、哈佛大學

與再生生物學系研究員Qiao Zhou說，「我們找遍了包括從小鼠的鼻子和尾巴在內的組織。我們令人驚訝地發現，位於胃部幽門區域的一些細胞最適合於轉化為β細胞。這個組織似乎是最好的起始材料。

」 研究人員獲取這些小鼠的胃組織，在實驗室中對它進行基因改造讓它表達這些β細胞重編程因子，誘導組織中的細胞長成一種球狀的微型胃器官，而且這種微型胃器官能夠產生胰島素，並且能夠利用

進行自我更新。研究人員將這些微型胃器官植入在覆蓋著小鼠腹腔內部的膜中。

研究人員然後破壞這些小鼠體內的胰腺β細胞以便觀察這些微型胃器官是否能夠補充它們，他們在22隻實驗性小鼠的5隻中發現它們血液中的葡萄糖水平維持正常。這也是研究人員所期待的成功率。

胃幽門細胞產生胰島素的潛力很可能來源於它們與胰腺β細胞的天然相似性。研究人員發現很多在β細胞功能中起關鍵性作用的基因正常條件下也在幽門的激素產生細胞中表達。

doi:10.1038/nature21070

在一項新的研究中，來自美國斯坦福大學和日本東京大學的研究人員說，在大鼠體內生長的小鼠胰腺產生功能性的胰島素產生細胞（即產生胰島素的細胞），而且當移植到糖尿病小鼠體內時，這些細胞能夠逆轉糖尿病。

為了開展這項研究，研究人員將能夠變成體內任何一種細胞的小鼠多能性

移植到早期的大鼠胚胎中。這些大鼠已經過基因改造而不能夠產生它們自己的胰腺，因而被迫依賴這些小鼠細胞產生胰腺器官。

一旦這些大鼠出生和生長后，研究人員將來自這些在大鼠體內生長的胰腺的胰島素產生細胞（這些細胞簇集在一起形成胰島）移植到與形成這種胰腺的小鼠多能性

存在基因匹配的小鼠體內。這些受者小鼠之前已接受藥物處理，患上糖尿病。

研究人員發現在這些糖尿病小鼠接受少至100個這樣的胰島移植一年多后，它們的血糖水平能夠變得正常化。再者，這些受者小鼠在接受移植后僅需5天的免疫抑製藥物治療，而不是接受不匹配的

所需的不間斷的免疫抑制治療。（生物谷 Bioon.com）