基于脂肪干細(xì)胞的再生醫(yī)學(xué)用于治療糖尿病的研究

彭觀(guān)球，佘妙琴，蔡祥勝

廣東省惠東人民醫(yī)院 急診科，廣東 惠東 516300

糖尿病是一種慢性疾病，在全球范圍內(nèi)影響超過(guò)3.47億人[1-4]。由于高脂肪和高糖飲食以及久坐不動(dòng)的生活方式，糖尿病發(fā)病率不斷上升。此外，每年由糖尿病及其并發(fā)癥造成的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)超出1000 億美元。最常見(jiàn)的治療Ⅰ型和一些Ⅱ型糖尿病的方法是胰島素治療。強(qiáng)化胰島素治療可以維持正常血糖，并控制急性低血糖癥以及長(zhǎng)期并發(fā)癥[5]，但是不能達(dá)到正常的血紅蛋白A1c水平。在血糖商業(yè)化監(jiān)測(cè)方面，胰島素制劑、胰島素泵的進(jìn)步也改進(jìn)了對(duì)糖尿病癥狀[5]的控制。然而，即使采用廣泛使用的胰島素治療，糖尿病患者的預(yù)期壽命平均比非糖尿病個(gè)體[6]約短12年。此外，那些Ⅰ型糖尿病發(fā)病的孩子，視網(wǎng)膜病變、腎病、神經(jīng)性病變、各種心血管和外圍血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)增加顯著[5-6]。

Ⅰ型糖尿病是由胰島中的朗格爾漢斯細(xì)胞破壞能產(chǎn)生胰島素的β細(xì)胞造成的自身免疫性疾病，治療Ⅰ型糖尿病的更明確方案是胰腺或胰島移植[8]。一個(gè)多世紀(jì)前，采用胰腺提取物在第一個(gè)糖尿病患者中進(jìn)行了移植試驗(yàn)[9]?，F(xiàn)代胰腺和胰島移植可以比較有效地使空腹和餐后血糖水平、血紅蛋白A1c水平及胰島素和C-肽的生產(chǎn)恢復(fù)正常[6]。然而，嚴(yán)重缺少可用的捐贈(zèng)者限制了這種治療方法的推廣[5]，只有0.5%的Ⅰ型糖尿病患者能從此受益[10]。此外，長(zhǎng)期的免疫抑制和使用免疫抑制劑引起的副作用，如腎毒性、高血壓和過(guò)敏感染，常常導(dǎo)致患者產(chǎn)生非醫(yī)從性[5,10]。最后，對(duì)胰島β細(xì)胞自身免疫的再次發(fā)生，仍然是一個(gè)主要的與移植療法相關(guān)的挑戰(zhàn)[6]。

干細(xì)胞分離和分化的最新進(jìn)展已獲得一種新的細(xì)胞系，這種細(xì)胞通過(guò)響應(yīng)葡萄糖來(lái)合成、封裝和分泌胰島素。作為一種多能干細(xì)胞，胚胎干細(xì)胞（ES細(xì)胞）常向多種細(xì)胞譜系分化發(fā)育，導(dǎo)致目標(biāo)細(xì)胞在混合細(xì)胞群中[6]。ES 細(xì)胞不含明確的內(nèi)胚層標(biāo)志物，而未分化的致畸ES 細(xì)胞也可造成嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)[6,10]。由于道德和法律關(guān)注以及畸胎瘤形成的風(fēng)險(xiǎn)，胚胎干細(xì)胞進(jìn)入臨床仍然面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[11]。

現(xiàn)已知多潛能祖細(xì)胞定位于許多不同器官[12]。由于具有多能性，成體干細(xì)胞提供了一個(gè)比較可靠的來(lái)源間充質(zhì)干細(xì)胞用于細(xì)胞療法[13]。在眾多組織來(lái)源的成體干細(xì)胞中，脂肪組織來(lái)源的干細(xì)胞（adipose-derived stem cells，ADSC）由于含有大量的干細(xì)胞和易于通過(guò)微創(chuàng)和相對(duì)便宜的方法獲得，因而具有更大的吸引力[14]。骨髓和脂肪組織來(lái)源的間充質(zhì)干細(xì)胞具有類(lèi)似的細(xì)胞群和細(xì)胞特性[15]。據(jù)報(bào)道，在單位重量上脂肪組織比骨髓含有更大數(shù)量的間充質(zhì)干細(xì)胞[3]。這篇綜述主要介紹脂肪干細(xì)胞在治療糖尿病和糖尿病并發(fā)癥方面的進(jìn)展。

1 直接分化成分泌胰島素的β細(xì)胞

Kodama 等[16]提出了胰島的4 種再生機(jī)制：①成熟的β細(xì)胞復(fù)制；②干細(xì)胞分化；③細(xì)胞融合；④干細(xì)胞轉(zhuǎn)分化為另一種干細(xì)胞。大多數(shù)研究細(xì)胞為基礎(chǔ)的治療重點(diǎn)放在將干細(xì)胞直接分化成產(chǎn)生胰島素的β細(xì)胞。

源自脂肪組織的間充質(zhì)干細(xì)胞表現(xiàn)出適合轉(zhuǎn)分化成胰腺內(nèi)分泌譜系的獨(dú)特的特點(diǎn)。新鮮分離的脂肪來(lái)源的干細(xì)胞也表達(dá)干細(xì)胞因子（SCF）及其受體（c-kit）[14]，但不表達(dá)ABCG2、巢蛋白、THY-1 和ISL-1。Lin 等[3]報(bào)道，脂肪干細(xì)胞組成型表達(dá)胰高血糖素、NEUROD及胰島素。另外，增殖的脂肪干細(xì)胞表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子ISL-1 和Pax-6，這是β細(xì)胞發(fā)育所需的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子[14]，先前的研究表明，在ISL-1 敲除小鼠的發(fā)育過(guò)程中胰島素和胰高血糖素陽(yáng)性細(xì)胞的形成受到抑制。脂肪干細(xì)胞增殖也表達(dá)干細(xì)胞標(biāo)志物巢蛋白、ABCG2、SCF 和Thy-1。巢蛋白最初被認(rèn)為是一種神經(jīng)干/祖細(xì)胞標(biāo)志物，但最近有報(bào)道認(rèn)為這是一種在胰腺胰島內(nèi)的多能胰腺干細(xì)胞標(biāo)志物[7]。ABCG2 還顯示與胰島衍生的前體細(xì)胞和神經(jīng)干細(xì)胞相關(guān)[5]。Kojima 等[17]證實(shí)胰腺外產(chǎn)生胰島素的細(xì)胞能表達(dá)胰島素原和胰島素，來(lái)源于由鏈脲霉素誘導(dǎo)的患糖尿病的嚙齒動(dòng)物的脂肪組織中?；谶@些內(nèi)在特征，脂肪干細(xì)胞分化后可以作為有前景的胰腺源激素生產(chǎn)細(xì)胞來(lái)源。

通過(guò)對(duì)關(guān)鍵步驟的胚胎發(fā)育和協(xié)調(diào)的激活期間細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子的了解，使干細(xì)胞分化成為胰島素生產(chǎn)細(xì)胞成為可能。像胚胎干細(xì)胞[18]，從ADSC分化成為胰島素生產(chǎn)細(xì)胞是通過(guò)一個(gè)漸進(jìn)多級(jí)分化方案進(jìn)行的：從明確的內(nèi)胚層到胰腺內(nèi)胚層，最后成為胰腺激素表達(dá)細(xì)胞[2,14,19]。已有使用各種組合培養(yǎng)條件刺激脂肪干細(xì)胞成胰島素產(chǎn)生細(xì)胞譜系的報(bào)道。

所有報(bào)告所述分化細(xì)胞群的染色陽(yáng)性為雙硫腙，表明存在內(nèi)源性胰島素。此外，這些干細(xì)胞來(lái)源的胰島素分泌細(xì)胞大量表達(dá)PDX-1、C-肽、胰島素、胰高血糖素、生長(zhǎng)抑素、胰多肽及轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2[2,14]。已證實(shí)在分化的細(xì)胞中，ISL-1、Pax-4、NGN-3、IPF-1、Pax-6、NKX-2.2、NKX-6.1、FOXA2、GLP-1 受體和葡萄糖激酶增強(qiáng)表達(dá)，提示向胰腺譜系分化[2,7,14]。

將人類(lèi)ADSC 衍生胰島素產(chǎn)生細(xì)胞移植入經(jīng)鏈脲佐菌素引起的糖尿病小鼠中后，檢測(cè)到顯著的人C-肽水平，證明體內(nèi)成功地產(chǎn)生了胰島素。雖然這些分化細(xì)胞表現(xiàn)出降低血糖水平的能力，但是與成熟的胰島相比，其胰島素分泌水平仍然較低，也未能使STZ誘導(dǎo)的糖尿病小鼠回復(fù)正常血糖[3,14,19]。

脂肪干細(xì)胞分化為胰島素分泌細(xì)胞類(lèi)似于成熟的自身胰腺細(xì)胞也仍然受到質(zhì)疑。Dor 等[20]用遺傳譜系追蹤方法確定在成體中胰腺干細(xì)胞是否補(bǔ)充胰島β細(xì)胞。在這項(xiàng)研究中，他們證明了在小鼠體內(nèi)，末端分化成熟的β細(xì)胞維持其增殖能力，并作為新的β細(xì)胞的主要來(lái)源，與先前的報(bào)道相反[21]。雖然這項(xiàng)研究直接否定了在實(shí)施部分胰腺切除術(shù)后，多能成年干細(xì)胞取代β細(xì)胞在體內(nèi)的作用；但它并不直接排斥體外分化成體干細(xì)胞后分化為產(chǎn)生胰島素的細(xì)胞的應(yīng)用，作為用于糖尿病的潛在新治療選擇，這已有許多研究報(bào)道。

2 移植胰島的植入

胰島移植的成功與否取決于將供體的胰島移植到受體肝臟地方，通過(guò)肝門(mén)靜脈輸送。但是，細(xì)胞凋亡、炎癥和缺血頻繁干擾植入的成功[22]，因此，2個(gè)或2個(gè)以上的胰腺經(jīng)常需要采購(gòu)足夠數(shù)量的胰島來(lái)移植?？紤]到供體器官?lài)?yán)重短缺，這是限制這種療法的主要原因。由于不可避免地破壞胰島原生結(jié)構(gòu)，其中包括胰島內(nèi)血管，分離期間，胰島移植可能需要幾個(gè)星期[23]。進(jìn)一步惡化的胰島和β細(xì)胞死亡可能是由于缺血和炎癥，最終導(dǎo)致移植失敗[24]。改善移植胰島的植入會(huì)減少所需胰島的數(shù)量，得到更積極的臨床結(jié)果。

脂肪干細(xì)胞已被報(bào)道通過(guò)其分泌的營(yíng)養(yǎng)因子而具有內(nèi)在的再生血管生成的潛力和抗凋亡能力[25]。脂肪干細(xì)胞還具有抗炎和調(diào)節(jié)免疫的特性，包括抑制T 細(xì)胞增殖[8]。因此，ADSC 可以改善移植增強(qiáng)血管生成和抑制胰島炎癥。

Ohmura等[24]將腎包膜下的自體脂肪干細(xì)胞與同種異源小鼠胰島共移植，自體小鼠脂肪干細(xì)胞能顯著延長(zhǎng)同種異體胰島長(zhǎng)達(dá)14 d，達(dá)到正常的血糖水平。單獨(dú)移植胰島不能存活超過(guò)2 d，也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)正常血糖。混合移植胰島保存了完好的胰島結(jié)構(gòu)，且被內(nèi)皮細(xì)胞包繞，提示血管生成改善。當(dāng)脂肪干細(xì)胞聯(lián)合移植供體胰島細(xì)胞時(shí)，CD4+/CD8+T細(xì)胞的浸潤(rùn)和CD68的表達(dá)也明顯減少，這意味著通過(guò)延長(zhǎng)移植胰島細(xì)胞的存活可調(diào)節(jié)抗炎和免疫作用[24]。雖然還不確定混合移植方法是否能成為臨床工作模式，但利用肝門(mén)靜脈胰島移植而不是腎膠囊，在胰島移植中使用ADSC有巨大的潛在益處。

Veriter 等[26]將靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的ADSC 和異種豬胰島封裝在半透膜膠囊中，并移植到靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物體內(nèi)。相比于單獨(dú)封裝胰島，聯(lián)合移植能改善氧合、移植物的存活和功能、糖化血紅蛋白校正，并觀(guān)察到包裹植入物內(nèi)血管新生，從而減少移植后細(xì)胞應(yīng)激[26]。

即使使用了免疫抑制，胰島通過(guò)門(mén)靜脈灌注到人體肝臟后在最初10～14 d 中大量丟失[27]；此外，據(jù)報(bào)道60%的移植胰島在此期間死亡，即使是同種動(dòng)物模型[28]。Ohmura[24]、Veriter[26]和Cavallari 等[29]證明，使用ADSC 能夠防止早期移植死亡，對(duì)胰島移植成功是非常有益的。

3 脂肪來(lái)源的干細(xì)胞在糖尿病治療中的挑戰(zhàn)和機(jī)遇

基于干細(xì)胞的細(xì)胞治療糖尿病的幾個(gè)不確定因素依然存在：①不存在黃金標(biāo)準(zhǔn)，可重復(fù)的用于從成體干細(xì)胞分化為產(chǎn)生胰島素的細(xì)胞的方案；②精確量化干細(xì)胞衍生的β細(xì)胞逆轉(zhuǎn)糖尿病的條件和在體外可以精確量化；③增殖能力和維持分化產(chǎn)生胰島素的細(xì)胞；④敏感性反調(diào)節(jié)激素；⑤潛在的未分化的成體干細(xì)胞的不利作用；⑥潛在的體內(nèi)分化的細(xì)胞植入后的遷移[4]。

一個(gè)主要的挑戰(zhàn)還在于模仿生理胰島素分泌的機(jī)制。胰島素分泌通過(guò)復(fù)雜的監(jiān)管體系，涉及多個(gè)激素反饋機(jī)制和神經(jīng)刺激，包括胰島內(nèi)朗格爾漢斯細(xì)胞。例如，β細(xì)胞分泌胰島素能抑制由α細(xì)胞分泌的高血糖素[30]，由δ細(xì)胞分泌的生長(zhǎng)抑素也調(diào)節(jié)β細(xì)胞[31]分泌胰島素。為了模仿正?；蚪咏５拇x控制，分化細(xì)胞必須能夠與現(xiàn)有的胰腺內(nèi)分泌細(xì)胞相互作用?？刂埔葝u素釋放的另一種機(jī)制是通過(guò)腸促胰島素分泌激素，包括葡萄糖依賴(lài)性促胰島素肽和胰高血糖素樣肽[1,5,32]。這些腸道信號(hào)激素參與70%的葡萄糖誘導(dǎo)的餐后胰島素分泌[32]。對(duì)這些信號(hào)作出反應(yīng)的能力也是一個(gè)干細(xì)胞衍生的β細(xì)胞需要擁有的關(guān)鍵特性，從而更接近生理過(guò)程。最后，胰島素分泌是搏動(dòng)，而不是一個(gè)恒定的釋放，并且這種搏動(dòng)的作用是非常重要的[33]。干細(xì)胞分化成胰譜系，簡(jiǎn)單地產(chǎn)生胰島素，即使具有葡萄糖反應(yīng)的特性，卻沒(méi)有能力來(lái)適應(yīng)這些復(fù)雜的相互作用，將無(wú)法扭轉(zhuǎn)糖尿病癥狀。

天然胰島的一般結(jié)構(gòu)對(duì)于分化產(chǎn)生胰島素的細(xì)胞的效率也是一個(gè)挑戰(zhàn)。人體胰島含有豐富的血管和神經(jīng)，而體外培養(yǎng)時(shí)，干細(xì)胞來(lái)源的胰島樣結(jié)構(gòu)迄今還沒(méi)有表現(xiàn)出含有任何內(nèi)在血管。β細(xì)胞和毛細(xì)管間的距離可潛在地影響胰島素釋放的動(dòng)力學(xué)，非生理整合胰島樣結(jié)構(gòu)可能會(huì)反過(guò)來(lái)影響植入、存活即植入物[34]的功效。β細(xì)胞釋放胰島素不僅受到增加的血糖水平影響，而且通過(guò)神經(jīng)調(diào)節(jié)，大多期間通過(guò)膳食攝取[6]膽堿能神經(jīng)元。即使整個(gè)器官或胰島移植，由于缺乏神經(jīng)支配，胰島素分泌的頭側(cè)相的完全恢復(fù)將是失敗的[35]。克服這些結(jié)構(gòu)性難題至關(guān)重要，從而使干細(xì)胞衍生的β細(xì)胞或胰島在未來(lái)臨床上變?yōu)榭尚小?/p>

幾乎所有從成體干細(xì)胞衍生的產(chǎn)生胰島素的細(xì)胞共表達(dá)胰高血糖素、促生長(zhǎng)素抑制素、胰多肽和胰島素，這都是朗格爾漢斯未成熟胰島的特點(diǎn)。這是一個(gè)不完整的分化干細(xì)胞，并且可能這些細(xì)胞是糖尿病動(dòng)物無(wú)法回復(fù)正常血糖水平的一個(gè)主要原因還需要進(jìn)一步的細(xì)胞分化和成熟，從而實(shí)現(xiàn)與正常相似的胰腺功能的替代。然而，有人還認(rèn)為治療糖尿病可能不需要終末分化成熟的β細(xì)胞。Konno等[36]和Kajiyama 等[37]報(bào)道了移植脂肪來(lái)源的干細(xì)胞過(guò)表達(dá)PDX-1能改善高血糖和提高成活率。此外，外生胰腺移植使血紅蛋白A1c 水平正?；?，并隨后減輕或部分逆轉(zhuǎn)由糖尿病引起的神經(jīng)和腎臟的損害[5]實(shí)現(xiàn)血紅蛋白A1c水平的正常也可能被證明是未來(lái)基于細(xì)胞療法的關(guān)鍵。

糖尿病具有一個(gè)獨(dú)特的不利于各種細(xì)胞類(lèi)型的環(huán)境。據(jù)報(bào)道，從鏈脲霉素誘導(dǎo)的Ⅰ型和Ⅱ型糖尿病大鼠脂肪組織分離的間質(zhì)干細(xì)胞增殖能力受到抑制[38]。如果脂肪干細(xì)胞植入后肢缺血模型之前是暴露于體外高葡萄糖濃度的，相比于在一個(gè)正常的葡萄糖濃度培養(yǎng)的細(xì)胞，其增殖能力和扭轉(zhuǎn)下肢缺血的能力顯著和不可逆地減少[38]。在Ⅰ型糖尿病患者中，自身免疫似乎沒(méi)有從根本上影響胰島和其祖細(xì)胞的再生能力[13]。Hess 等[39]表明，骨髓來(lái)源的干細(xì)胞通過(guò)刺激受者的先天胰腺細(xì)胞祖細(xì)胞和β細(xì)胞增殖來(lái)啟動(dòng)胰腺再生和逆轉(zhuǎn)高血糖。脂肪干細(xì)胞極有可能具有同樣的機(jī)制，需要進(jìn)一步觀(guān)察。使用脂肪干細(xì)胞提高胰島的相對(duì)再生能力將可能使糖尿病患者受益。

從干細(xì)胞在體外分化為胰島樣細(xì)胞或胰腺樣組織的移植可伴隨移植排斥反應(yīng)、移植肥厚、慢性低血糖和潛在惡性轉(zhuǎn)化。共移植脂肪干細(xì)胞時(shí)，其內(nèi)在免疫調(diào)節(jié)功能增強(qiáng)了多個(gè)類(lèi)型植入組織的移植成功率[40]。Vanikar 等[40]報(bào)道，脂肪干細(xì)胞可能會(huì)減少腎移植時(shí)免疫抑制劑的需求量。減少所需的免疫抑制劑的用量，可以將這些試劑引起的并發(fā)癥降到最低并改善胰島移植臨床結(jié)果。

大約90%的糖尿病患為Ⅱ型糖尿病。然而，由于Ⅰ型糖尿病一直是研究的前沿，只有少數(shù)基于干細(xì)胞的研究是用于治療Ⅱ型糖尿病的[41]。相對(duì)于開(kāi)發(fā)治療Ⅱ型糖尿病的替代方法，使用從干細(xì)胞衍生的胰島素分泌β細(xì)胞用于治療Ⅰ型糖尿病似乎相對(duì)直截了當(dāng)。對(duì)Ⅱ型糖尿病復(fù)雜的疾病機(jī)制和干細(xì)胞應(yīng)用的關(guān)聯(lián)的進(jìn)一步研究，可以提高數(shù)以?xún)|計(jì)的患者的生活質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

不可否認(rèn)，脂肪干細(xì)胞應(yīng)用于糖尿病的治療是非常有前途的。豐富可用的組織來(lái)源，含量高和多能的脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞，其營(yíng)養(yǎng)和再生能力，都可以為不斷增加的糖尿病人群和相關(guān)的健康危機(jī)提供解決方案。理解脂肪干細(xì)胞及其發(fā)育的基礎(chǔ)，對(duì)于糖尿病的治療仍然被認(rèn)為是在處于起步階段，眾多挑戰(zhàn)和機(jī)遇仍在前面。從脂肪干細(xì)胞產(chǎn)生胰島素的細(xì)胞，以及進(jìn)一步向功能性胰島產(chǎn)生的確切機(jī)理還需要深入探討?？沙掷m(xù)的分化成產(chǎn)生胰島素的細(xì)胞仍在研究中。自身免疫攻擊的β細(xì)胞，這是一個(gè)基本的Ⅰ型糖尿病的發(fā)病機(jī)制，還沒(méi)有得到完全解決，并且可以使任何未來(lái)的基于細(xì)胞的治療不可行。

目前采用胰島素注射和胰島移植治療糖尿病都不是患者真正的最佳選擇。干細(xì)胞在數(shù)量和多能性上為未來(lái)治療數(shù)百萬(wàn)糖尿病患者提供了無(wú)限的理論上的可行性和希望。然而，如果所有的以干細(xì)胞為基礎(chǔ)的治療僅省去了葡萄糖監(jiān)測(cè)和輕度改善糖尿病的癥狀，那么在未來(lái)就沒(méi)有理由把這些療法用于臨床。因此，基于干細(xì)胞的治療必須能夠從根本上改善多方面代謝的控制，改善糖尿病患者的長(zhǎng)期預(yù)后，才能被廣泛接受作為一種臨床上可行的療法。

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