胰腺損傷修復(fù)與再生的研究進(jìn)展

吳增楷 胡國(guó)勇

上海交通大學(xué)附屬第一人民醫(yī)院消化內(nèi)科，上海 200080

【提要】 胰腺炎和胰腺癌可引起胰腺的損傷，闡明胰腺損傷修復(fù)和再生的機(jī)制對(duì)治療胰腺疾病有重要意義。近年發(fā)展的新技術(shù)將為胰腺疾病的預(yù)防和治療開辟新的途徑。

急性胰腺炎(AP)是胰腺炎性疾病，有時(shí)甚至是致命的；慢性胰腺炎(CP)雖然發(fā)病率較低，但卻顯著降低了患者的生活質(zhì)量；胰腺癌與高死亡率有關(guān)，是預(yù)后最差的惡性腫瘤之一，3種疾病均可導(dǎo)致胰腺損傷，因此胰腺損傷修復(fù)及再生日益受到臨床工作者的重視。這種再生過(guò)程涉及細(xì)胞之間相互作用驅(qū)動(dòng)的炎癥、組織轉(zhuǎn)化和再分化的瞬時(shí)階段，伴隨信號(hào)通路的參與、轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控和基因的表達(dá)。本文就目前關(guān)于胰腺損傷修復(fù)與再生的研究進(jìn)展作一綜述。

一、胰腺損傷修復(fù)與再生的細(xì)胞基礎(chǔ)

1．腺泡細(xì)胞：腺泡細(xì)胞是胰腺的主要細(xì)胞類型，Desai等[1]研究證實(shí)，成熟的腺泡細(xì)胞在胰腺損傷模型的外分泌功能修復(fù)中起重要作用。Fendrich等[2]在小鼠模型胰腺損傷前用他莫昔芬標(biāo)記腺泡細(xì)胞，然后用雨蛙肽誘導(dǎo)胰腺炎，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的胰腺再生，發(fā)現(xiàn)增殖的腺泡細(xì)胞大部分來(lái)源于損傷前標(biāo)記的腺泡細(xì)胞。另有譜系追蹤實(shí)驗(yàn)表明，腺泡細(xì)胞可以轉(zhuǎn)分化為導(dǎo)管細(xì)胞[3]。此外，在體內(nèi)環(huán)境中導(dǎo)入表達(dá)V型肌腱膜纖維肉瘤癌基因同源基因A(v-maf muscu-loaponeurotic fibrosarcoma oncogene homologA, MafA)、神經(jīng)元素3(neurogenin-3, Ngn3)和胰十二指腸同源盒因子-1(Pdx-1)腺病毒后，腺泡細(xì)胞可分化為β細(xì)胞[4]。腺泡細(xì)胞也可以通過(guò)Ngn3和Ngn3+MafA分別轉(zhuǎn)化為δ樣和α樣細(xì)胞[5]，這也提示腺泡細(xì)胞可能為胰腺再生的兼性祖細(xì)胞。

2．導(dǎo)管上皮細(xì)胞：胰腺導(dǎo)管上皮細(xì)胞本身可以作為出生后到成年期的胰島和腺泡組織的祖細(xì)胞庫(kù)，因此導(dǎo)管上皮細(xì)胞可以被認(rèn)為是“兼性干細(xì)胞”[6]。Criscimanna等[7]給轉(zhuǎn)基因小鼠注射白喉毒素，廣泛殺死腺泡和內(nèi)分泌細(xì)胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)存活的導(dǎo)管細(xì)胞通過(guò)胚胎胰腺發(fā)育程序的重演促成了內(nèi)分泌和腺泡細(xì)胞的再生；在選擇性切除轉(zhuǎn)基因小鼠的腺泡組織后，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)管細(xì)胞重編程為腺泡細(xì)胞系而發(fā)生再生。此外一些研究成功地將成體導(dǎo)管細(xì)胞在體外分化成內(nèi)分泌細(xì)胞[8-9]。

3．泡心細(xì)胞：泡心細(xì)胞是位于腺泡中央的導(dǎo)管細(xì)胞，能夠維持胰腺胚胎發(fā)育過(guò)程的重要信號(hào)通路中基因的表達(dá)[10]。在成人胰腺中泡心細(xì)胞作為祖細(xì)胞樣細(xì)胞起作用，需要持續(xù)的Notch信號(hào)來(lái)維持其特性。事實(shí)上，Rbpj的缺失將導(dǎo)致泡心細(xì)胞迅速轉(zhuǎn)化為腺泡細(xì)胞[11]。在斑馬魚中，泡心細(xì)胞富含祖細(xì)胞標(biāo)志物，并且可能在部分胰腺切除或β細(xì)胞消融時(shí)轉(zhuǎn)化為內(nèi)分泌細(xì)胞[12]。體外研究已經(jīng)揭示了泡心細(xì)胞的祖細(xì)胞樣狀態(tài)[13]，表明在成人胰腺內(nèi)泡心細(xì)胞分化為內(nèi)分泌和外分泌細(xì)胞的可能性。

4．胰腺星狀細(xì)胞：胰腺損傷后，在細(xì)胞因子等作用下，胰腺星狀細(xì)胞增殖，上調(diào)平滑肌肌動(dòng)蛋白等肌成纖維細(xì)胞標(biāo)志物的表達(dá)，產(chǎn)生豐富的細(xì)胞外基質(zhì)如膠原蛋白等[14]。Ota等[15]通過(guò)90%胰腺切除模型發(fā)現(xiàn)，腺泡細(xì)胞和胰島細(xì)胞對(duì)BrdU的攝取顯著增加，但用攜帶HSP47的siRNA的維生素A結(jié)合脂質(zhì)體處理可抑制對(duì)BrdU的攝?。惑w外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)與活化的胰腺星狀細(xì)胞共培養(yǎng)可增強(qiáng)腺泡細(xì)胞對(duì)BrdU的攝取，這種增強(qiáng)作用可被siRNA HSP47消除，提示活化的胰腺星狀細(xì)胞通過(guò)分泌膠原蛋白的活性，在殘余胰腺再生、部分胰腺切除術(shù)后腺泡和胰島細(xì)胞的增殖中發(fā)揮重要作用。

活化的胰腺星狀細(xì)胞分泌的細(xì)胞外基質(zhì)分子骨膜蛋白(periostin, POSTN)在AP中起重要作用。Hausmann等[16]對(duì)POSTN缺陷小鼠和野生型小鼠分別進(jìn)行重復(fù)雨蛙肽注射誘導(dǎo)胰腺炎，發(fā)現(xiàn)兩組小鼠在急性炎癥階段的胰腺炎嚴(yán)重程度上并沒有什么區(qū)別，但POSTN缺陷小鼠的胰腺修復(fù)過(guò)程卻嚴(yán)重受損；POSTN表達(dá)的缺失伴隨著胰腺明顯萎縮和腺泡-脂肪細(xì)胞分化，提示由胰腺星狀細(xì)胞分泌的POSTN是AP后外分泌細(xì)胞特異性再生的關(guān)鍵因素。

二、胰腺損傷修復(fù)與再生的分子基礎(chǔ)

1．調(diào)控胰腺損傷修復(fù)與再生的相關(guān)因子：最近研究表明，中期因子、5-羥色胺(5-HT)、核因子-κB關(guān)鍵調(diào)節(jié)基因(NEMO)、蛋白酶活化受體-2(PAR2)、哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白復(fù)合物1(mTORC1)等能調(diào)控胰腺外分泌損傷的修復(fù)與再生。

Cheng等[17]通過(guò)L-精氨酸誘導(dǎo)小鼠的AP，發(fā)現(xiàn)中期因子在AP小鼠模型的急性炎癥階段過(guò)度表達(dá)；給AP小鼠注射重組人中期因子后，發(fā)現(xiàn)增殖細(xì)胞核抗原和α-淀粉酶的表達(dá)上調(diào)，小鼠中剩余的腺泡細(xì)胞的面積增加且纖維化減少，提示中期因子可能參與AP中腺泡細(xì)胞的再生。

Saponara等[18]通過(guò)雨蛙肽誘導(dǎo)5-HT基因敲除小鼠的AP，發(fā)現(xiàn)5-HT表達(dá)缺失延遲了祖細(xì)胞基因的表達(dá)上調(diào)，并延緩了腺泡-導(dǎo)管組織轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致有缺陷的腺泡細(xì)胞增殖；給AP小鼠注射5-羥色氨酸(5-HTP)，發(fā)現(xiàn)AP小鼠酶原分泌增強(qiáng)，并增加腺泡細(xì)胞的去分化和刺激祖細(xì)胞基因的表達(dá)，提示5-HT通過(guò)促進(jìn)腺泡細(xì)胞的去分化在胰腺炎后的胰腺再生中起關(guān)鍵作用。

Chan等[19]通過(guò)雨蛙肽分別誘導(dǎo)胰腺上皮細(xì)胞NEMO基因敲除小鼠的AP模型和CP模型，觀察發(fā)現(xiàn)在AP早期，胰腺實(shí)質(zhì)中的NEMO缺失引起組織的輕微病理改變，但可導(dǎo)致恢復(fù)階段持續(xù)的炎癥和纖維化病灶；在CP中NEMO缺失加重炎癥和纖維化，抑制代償性腺泡細(xì)胞增殖，并增強(qiáng)腺泡萎縮和腺泡-導(dǎo)管組織轉(zhuǎn)化。基因表達(dá)分析揭示在缺乏上皮NEMO的情況下持續(xù)激活促纖維化基因和CXCL12/CXCR4軸，通過(guò)施用CXCR4拮抗劑AMD3100，發(fā)現(xiàn)CXCR4拮抗劑限制了炎癥并減輕了纖維化，提示NEMO在上皮細(xì)胞中通過(guò)抑制炎癥和纖維化以及改善腺泡細(xì)胞再生在胰腺炎中發(fā)揮保護(hù)作用。

Piran等[20]通過(guò)雨蛙肽誘導(dǎo)PAR2基因敲除小鼠和野生型小鼠的AP，注射18 d后處死小鼠，免疫熒光化學(xué)染色發(fā)現(xiàn)野生型小鼠腺泡細(xì)胞已經(jīng)完全恢復(fù)，而PAR2基因敲除小鼠的腺泡細(xì)胞恢復(fù)較差，提示雨蛙肽處理的PAR2基因敲除小鼠胰腺腺泡再生中存在缺陷，表明PAR2是雨蛙肽誘導(dǎo)損傷后胰腺腺泡再生所必需的。

Willet等[21]用阻斷mTORC1作用的雷帕霉素+雨蛙肽處理實(shí)驗(yàn)組小鼠，對(duì)不同階段的胰腺組織進(jìn)行蘇木精-伊紅染色，觀察發(fā)現(xiàn)只用雨蛙肽處理的對(duì)照組小鼠第5天腺泡細(xì)胞增殖及腺泡-導(dǎo)管組織轉(zhuǎn)化，2周時(shí)胰腺組織已經(jīng)恢復(fù)相對(duì)正常形態(tài)；而實(shí)驗(yàn)組小鼠第5天的胰腺組織無(wú)良好的組織轉(zhuǎn)化反應(yīng)，2周時(shí)胰腺組織的恢復(fù)也被阻礙，提示阻斷mTORC1活性可抑制胰腺中的誘導(dǎo)增殖，并阻礙了胰腺組織再生。

2．調(diào)節(jié)胰腺損傷修復(fù)及再生的相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子：Pdx1在胰腺發(fā)育和β細(xì)胞的再生中起了關(guān)鍵的作用。Pdx1通過(guò)調(diào)控細(xì)胞形狀和黏附性形成等在胰腺結(jié)構(gòu)和細(xì)胞命運(yùn)中起重要作用[22]。有研究表明，Pdx1下調(diào)與胰腺外分泌細(xì)胞增殖增加和胰腺再生相關(guān)基因的上調(diào)有關(guān)，而Pdx1的上調(diào)可導(dǎo)致導(dǎo)管上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)分化為胰島素細(xì)胞[23]。Miyazaki等[24]通過(guò)強(qiáng)力霉素(doxorubicin,Dox)作用于ERTF-Pdx1-EGFP小鼠來(lái)抑制Pdx1/EGFP的表達(dá)，當(dāng)停用Dox，并用BrdU標(biāo)記觀察到EGFP/胰島素雙陽(yáng)性胰島細(xì)胞比預(yù)先存在的β細(xì)胞更具增殖性；停用Dox用STZ處理ERTF-Pdx1-EGFP小鼠，40 d后小鼠的EGFP/胰島素雙陽(yáng)性胰島細(xì)胞的百分比比未經(jīng)STZ處理的對(duì)照小鼠高得多，并顯示出更好的葡萄糖耐受性，提示Pdx1的基因表達(dá)可增強(qiáng)胰腺腺泡和其他細(xì)胞的可塑性，并誘導(dǎo)其轉(zhuǎn)分化，導(dǎo)致β細(xì)胞再生。除了Pdx1，Ngn3和MafA在β細(xì)胞的發(fā)育、功能和再生中也起著關(guān)鍵的作用[4,25]。

胰腺轉(zhuǎn)錄因子1α(pancreas transcription factor 1α,Ptf1α)在腺泡細(xì)胞內(nèi)選擇性表達(dá)，在胰腺腺泡細(xì)胞的分化和成熟中發(fā)揮關(guān)鍵作用。p48是Ptf1α的唯一參與腺泡基因調(diào)控和胰腺發(fā)生的組分，Ptf1α/p48的再表達(dá)參與了腺泡細(xì)胞的分化和胰腺的再生過(guò)程[26]。有研究報(bào)道Ptf1a在成年斑馬魚外分泌細(xì)胞中的下調(diào)導(dǎo)致它們轉(zhuǎn)變成內(nèi)分泌樣細(xì)胞[27]。Ptf1α的下游靶標(biāo)是另一個(gè)BHLH因子Mist1，它是腺泡細(xì)胞終末分化和細(xì)胞內(nèi)組織形成所必需的。文獻(xiàn)報(bào)道由雨蛙肽誘導(dǎo)的AP中，Mist1基因敲除的小鼠胰腺損傷加重，腺泡組織再生延遲[28]。Ptf1α和Mist1共同調(diào)節(jié)外分泌胰腺的特異性基因表達(dá)[29]。

Nr5a2是胰液生產(chǎn)和分泌所需的外分泌胰腺特異性轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。 Figura等[30]通過(guò)雨蛙肽分別誘導(dǎo)Nr5a2基因敲除小鼠和對(duì)照組小鼠的AP，發(fā)現(xiàn)Nr5a2的表達(dá)隨著胰腺炎期間的腺泡分化的喪失和恢復(fù)而波動(dòng)，在Nr5a2表達(dá)缺失的情況下腺泡再分化被阻斷，提示Nr5a2是胰腺炎后有效的腺泡再生所必需的。此外，Nr5a2能與胰腺轉(zhuǎn)錄因子1-L復(fù)合物(PTF1-L)共同調(diào)節(jié)外分泌胰腺特異性基因表達(dá)[31]。

B細(xì)胞特異性莫洛尼氏白血病病毒插入位點(diǎn)1(B cell-specific moloney murine leukemia virus integration site1,Bmi1)存在于自我更新的胰腺腺泡細(xì)胞的亞群中，并且響應(yīng)于胰腺損傷而被表達(dá)。Fukuda等[32]通過(guò)雨蛙肽對(duì)Bmi1基因敲除的小鼠進(jìn)行AP的誘導(dǎo)，觀察到這些小鼠在胰腺損傷后p16、p19和p53依賴性凋亡基因表達(dá)上調(diào)，胰腺再生障礙。

Zeste基因增強(qiáng)子同源物2(enhancer of Zeste homolog 2,EZH2)在干細(xì)胞維持和細(xì)胞命運(yùn)決定分化成特定細(xì)胞譜系中發(fā)揮關(guān)鍵作用。雨蛙肽誘導(dǎo)的胰腺損傷可上調(diào)EZH2從而通過(guò)促進(jìn)祖細(xì)胞的再生增殖來(lái)進(jìn)行胰腺組織修復(fù)，而EZH2的喪失導(dǎo)致胰腺再生受損[33]。此外，有研究報(bào)道EZH2表達(dá)的上調(diào)可以促進(jìn)成年小鼠β細(xì)胞的復(fù)制和再生[34]。

配對(duì)相關(guān)同源框1b(paired related homeobox 1b,Prrx1b)轉(zhuǎn)錄因子在胰腺再生中發(fā)揮重要作用。Reichert等[35]用雨蛙肽誘導(dǎo)小鼠的AP，觀察到Prrx1b RNA在AP的腺泡導(dǎo)管組織轉(zhuǎn)化中被特異性誘導(dǎo)，但在恢復(fù)和再生時(shí)回到基線水平；Prrx1b可結(jié)合Sox9啟動(dòng)子并正向調(diào)節(jié)Sox9表達(dá)，提示Prrx1b和Sox9之間的相互作用可能對(duì)能夠自我更新并促進(jìn)再生的胰腺細(xì)胞亞群至關(guān)重要。

神經(jīng)膠質(zhì)瘤關(guān)聯(lián)癌基因同源物1(glioma associated oncogene homolog 1, Gli1)作為Hedgehog(Hh)信號(hào)通路下游的轉(zhuǎn)錄因子，是胰腺組織修復(fù)必不可少的調(diào)節(jié)因子。Mathew等[36]通過(guò)iKras小鼠模型與Gli1lacZ/lacZ小鼠雜交以產(chǎn)生iKras×Gli1lacZ/+動(dòng)物，對(duì)4～6周齡的iKras和iKras×Gli1lacZ/+小鼠施用Dox來(lái)表達(dá)KrasG12D和誘導(dǎo)胰腺炎，停用Dox且KrasG12D失活后觀察發(fā)現(xiàn)，Gli1通過(guò)改變Hh信號(hào)通路和胰腺成纖維細(xì)胞的細(xì)胞因子轉(zhuǎn)錄譜影響Kras缺失后的胰腺組織修復(fù)。

三、前景和展望

目前關(guān)于胰腺再生的分子機(jī)制知之甚少，但其實(shí)質(zhì)是胰腺細(xì)胞的相關(guān)基因有序的表達(dá)和調(diào)控過(guò)程。探討胰腺損傷修復(fù)和再生的機(jī)制，對(duì)治療胰腺疾病有重要意義。近年發(fā)展的三維胰腺類器官培養(yǎng)[37]和CRISPR-Cas9系統(tǒng)[38-39]為研究胰腺損傷修復(fù)和再生的機(jī)制提供強(qiáng)大而突破性的技術(shù)，并將為胰腺疾病的預(yù)防和治療開辟新的途徑。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突