治療糖尿病的新技術：胰島細胞移植

殷浩

什么是胰島

胰腺位于胃的后方，是身兼內分泌調控血糖和外分泌幫助消化的重要器官。人類對胰島（Islet）的認知始于近150年前：1869年德國病理學家保羅?朗格漢斯（Paul Langerhans）首次在顯微鏡下觀察到了散布在胰腺中的不規(guī)則細胞團，猶如汪洋大海中的無數(shù)座小島（圖1），胰島也因而得名朗格漢斯島（Islets of Langerhans），彼時的他尚未認識到這些細胞團的作用。

圖1 胰腺中散在的“胰島”

之后科學家們逐漸發(fā)現(xiàn)，胰島能分泌胰島素與胰高血糖素等激素。根據(jù)染色和形態(tài)學特點，人類胰島細胞主要分為α細胞、β細胞、δ細胞、ε細胞及PP細胞。其中，α細胞約占胰島細胞的20%，可分泌胰高血糖素，升高血糖；β細胞占胰島細胞的60%～70%，可分泌胰島素，降低血糖。上述各類細胞組成了一個個大小不等的胰島細胞團，直徑多在50～500微米之間；總數(shù)約100～200萬個，僅占胰腺總細胞數(shù)量的1%～2%。在進食、運動等各種環(huán)境下，上述細胞發(fā)揮協(xié)同作用，將人體的血糖控制在正常范圍內。

胰島移植與糖尿病

2017年的臨床數(shù)據(jù)顯示中國成人糖尿病患者數(shù)量已高達1.12億， 而糖尿病前期的患病率超過了35% 。血糖長期控制不佳會引起心腦血管病變、失明、終末期腎病等嚴重并發(fā)癥， 甚至威脅生命。以糖尿病導致的終末期腎病為例，2011年僅占上海長征醫(yī)院終末期腎病的10%， 而2016年已快速上升到30%，愈發(fā)接近歐美發(fā)達國家的比例。由于血糖管控不利而造成的各種并發(fā)癥中，糖尿病腎病已取代慢性腎小球腎炎，成為我國慢性腎臟病的首位病因。2015發(fā)布的《中國腎臟疾病年度科學報告》曾經(jīng)發(fā)出警告：若不在特定人群范圍內給予干預，未來10～20年，中國會迎來糖尿病腎病導致尿毒癥的高峰。對于1型糖尿病患者以及胰島功能受損嚴重的2型糖尿?。ù嘈蕴悄虿。┗颊叨?， 采用胰島素強化治療方案或胰島素泵治療雖然可在一定程度上調控血糖， 但這些治療方法的療效極為有限， 無法有效阻止糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展。因此， 探索更加符合人體生理功能的治療方法一直是糖尿病研究的前沿熱點。

胰島移植，是指將供體捐獻的胰腺，在符合產品生產質量管理規(guī)范（GMP）的實驗室中通過消化、分離、純化等步驟，獲得高純度的胰島細胞團，并移植給患者的手術。胰島移植完全不同于創(chuàng)傷較大的實體器官移植（如肝移植、腎移植），僅需在局部麻醉下，借助超聲及數(shù)字化處理血管造影（DSA）的影像引導，穿刺注射到患者體內。胰島移植手術后的患者借助新的胰島細胞，能夠在體內重新分泌胰島素和胰高血糖素，進而達到長期脫離胰島素和穩(wěn)定血糖的效果。胰島移植可以用于治療胰島素絕對分泌不足的糖尿病患者（脆性1型、2型晚期胰島功能顯著衰退類型、3C胰源性糖尿病等）。

圖2 胰島分離-胰島移植示意圖

根據(jù)2012年國際胰島移植注冊中心（CITR）報道的數(shù)據(jù)顯示， 1999年至2010年全球共為677例患者實施了胰島移植術， 共計進行了2 000余次胰島細胞分離。早期階段（1999年至2002年）胰島移植術后3年脫離胰島素的患者比例為27.1%（58/214）；中期階段（2003年至2006年）提高至36.8%（94/255）；近期階段（2007年至2010年）更是高達到44.2%（92/208）， 需接受二次移植的患者比例降低， 且糖化血紅蛋白、C肽、糖耐量試驗等糖尿病臨床指標均明顯改善， 低血糖及其他不良事件的發(fā)生率亦顯著降低。這說明胰島移植術經(jīng)歷了數(shù)十年的不斷改良，已進入了全新的發(fā)展階段， 經(jīng)過臨床實踐證明是治療糖尿病的有效方法。

國際胰島移植的發(fā)展歷程

1966年， 威 廉?凱 利（William Kelly）教授等實施了世界首例胰腺整體器官移植， 術后可有效控制糖尿病，但胰腺移植手術對機體損傷程度大、外科并發(fā)癥多且費用高， 患者接受度低。1969年豪厄爾（Howell）等研究發(fā)現(xiàn)多數(shù)1型糖尿病患者的胰腺外分泌功能正常， 無須行胰腺整體器官移植， 提出用胰島移植來代替胰腺整體器官移植的新理念， 這一觀點很快得到學術界的認可。1974年， 薩瑟蘭（Sutherland）等開展了世界首例人胰島移植， 術后患者胰島素的用量明顯減少， 取得了一定的療效。此后胰島移植相關的臨床和基礎研究逐漸增多。1980年， 科爾布（Kolb）等首次報道1型糖尿病患者接受胰島移植后， 完全脫離胰島素。

胰島移植技術的難點在于胰島細胞的分離與純化， 研究初期主要依靠單一的葡萄聚糖或聚蔗糖密度梯度的胰島分離純化技術。第一個里程碑出現(xiàn)在1989年， 里科爾迪（Ricordi）等發(fā)明的半自動胰島分離系統(tǒng)， 克服了胰島細胞分離和純化中的關鍵技術難題， 推動了胰島移植由實驗研究進入大范圍臨床應用。同年， 萊克（Lake）等發(fā)明的COBE2991細胞分離機實現(xiàn)了一次性大容量的連續(xù)密度梯度離心， 操作簡便，成為純化人及動物胰島細胞的良好工具。1990年， 沙普（Scharp）等率先為腎移植術后1型糖尿病患者進行聯(lián)合胰島移植來治療糖尿病腎病， 這6例患者均在術后6個月隨訪期間內完全脫離外源性胰島素， 且腎功能也得到很好的保護。由此提示， 對于糖尿病腎病患者， 腎移植聯(lián)合胰島移植的療效優(yōu)于胰島細胞單獨移植。

CITR的報道數(shù)據(jù)顯示， 1990年至1995年胰島移植迎來了第一個高峰， 這期間全世界共進行了180余例胰島移植。但文獻顯示， 這部分患者在移植后一周內約53%有胰島功能， 但移植術后一年，26%的患者有部分療效， 僅有7%的患者可不使用外源性胰島素。移植后胰島細胞不能長期存活，導致臨床療效不佳，是其后一段時間一直未能大規(guī)模開展胰島移植的主要原因。

直至2000年，夏皮羅（Shapiro）等制定了胰島移植的一系列完整標準，包括供者選擇、移植胰島當量、術后免疫抑制劑方案等。標準建議采用多個胰腺分離得到大量的胰島細胞進行移植， 并在術后采用無糖皮質激素和降低鈣神經(jīng)蛋白抑制劑劑量的新免疫抑制方案——埃德蒙頓方案（Edmonton protocol）——即西羅莫司、低劑量他克莫司和達克珠單抗， 臨床效果明顯改善， 在胰島移植發(fā)展史上具有極為重要的意義， 引起全世界廣泛關注， 至此胰島移植迎來了第二個高峰。2004年由美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）主導創(chuàng)立的CITR， 是全世界最大規(guī)?？鐕嘀行牡穆?lián)合研究組織，全球約有50家臨床胰島移植中心參與， 目的是提高臨床胰島移植的安全性及長期療效。2005年美國糖尿病學會（ADA）年會公布的國際多中心胰島移植臨床研究報道顯示， 采用Edmonton方案進行的胰島移植在術后3年內脫離胰島素的患者比例高達53%。2014年世界移植大會資料表明， 國際上大部分中心的胰島移植術后5年脫離胰島素的患者比例已達到50%以上， 部分中心甚至超過60%， 與胰腺移植長期療效相近。

我國胰島移植的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀

圖3 國際胰島移植發(fā)展歷程

我國胰島移植的臨床應用發(fā)展一直緊跟國際步伐，但早期由于胰島細胞分離純化技術難度大、GMP實驗室建設昂貴、團隊培養(yǎng)周期長等諸多因素，發(fā)展道路頗為曲折。早在1982年，上海市第一人民醫(yī)院胡遠峰等即實施了中國首例人胚胎胰島組織移植。此后國內多家醫(yī)院也嘗試開展。2000年，原南京軍區(qū)福州總醫(yī)院譚建明團隊聯(lián)合美國邁阿密大學成功完成了我國首例成人胰島移植治療1型糖尿病患者。2005年，南京醫(yī)科大學附屬無錫人民醫(yī)院謝平等首先采用膠原酶灌注消化胰腺和聚蔗糖分離液建立連續(xù)密度梯度，使用分層純化的方法獲得了理想數(shù)量的胰島細胞。2009年，譚建明等率先使用美國Ricordi人胰島分離技術，開展胰島移植聯(lián)合腎移植治療了22例糖尿病腎病患者，3年隨訪期間的胰島功能和安全性評價顯示了較好療效。2011年，中國醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院劉永鋒等為3例2型糖尿病合并腎衰竭的患者共進行了4次胰島移植，臨床療效良好。對于胰島素依賴性2型糖尿病患者，若出現(xiàn)腎功能損傷表現(xiàn)，給予胰島移植可獲得顯著的治療價值。2016年，海軍軍醫(yī)大學上海長征醫(yī)院殷浩團隊率先開展亞洲首例全胰腺切除及自體胰島移植術，至今已完成200余例胰島移植，隨訪超過1年的患者中，60%完全脫離胰島素，糖化血紅蛋白從（9s4）%降至（6s1）%，平均C肽增量為0.96nmol/L，短期臨床療效已達到歐美一流移植中心的水平。

胰島移植面對的挑戰(zhàn)及應對策略

胰島移植治療胰島素依賴性糖尿病具有良好的療效和較高的安全性，但目前仍存在諸多影響因素制約其發(fā)展。尤其在國內胰島移植仍處于起步階段，面臨著許多問題和挑戰(zhàn)，需要臨床醫(yī)師與科研人員共同協(xié)作創(chuàng)新來積極應對。

胰腺供者器官短缺器官短缺是困擾全世界移植領域的難題，也同樣嚴重限制了胰島移植的大范圍開展。隨著Edmonton臨床方案推廣加上胰島細胞分離技術的不斷改良，世界多個移植中心從最初需由3～4例供者胰腺移植給1例受者，到目前使用單個胰腺供者分離胰島并成功移植。活體胰島移植對胰島細胞分離技術則提出更高的要求，世界首例活體胰島移植是由日本京都大學報道的1例27歲1型糖尿病女性患者，接受了其母親遠端胰腺來源的胰島移植，隨訪一年后供、受者均維持良好的血糖水平。相對于肝臟和腎臟等器官移植，胰腺供者匱乏的形勢較為嚴峻。由于胰腺中存有大量的外分泌腺細胞，胰腺供者對于冷缺血的耐受度較差，通常冷缺血時間大于10小時的供者其胰腺就無法用于分離，且胰腺供者的糖化血紅蛋白、C肽必須達正常水平。數(shù)據(jù)表明，美國每年約有8000余例器官捐獻者，其中不到30%的胰腺可被用于移植。我國胰腺利用率則更低，根據(jù)筆者經(jīng)驗，受制于年齡、胰島功能、冷缺血時間等因素，目前低于30%的供者胰腺能達到臨床移植要求，而有條件及技術開展的胰島移植中心仍較少。為了進一步提高胰腺器官的利用率，我們在穩(wěn)步推進公民逝世后器官捐獻、擴大供者來源的同時，加快國內各大移植中心胰島分離實驗室的籌建，建立胰腺和胰島細胞凍存技術及資源庫，加強對胰島移植專業(yè)醫(yī)師和實驗技術人員的培訓，顯得尤為重要。

圖4 國內胰島移植發(fā)展歷程

圖5 胰島移植面臨的瓶頸問題

干細胞移植可能是解決器官短缺的另一條有效途徑， 目前用于糖尿病治療的干細胞主要包括間充質干細胞（MSC）和誘導性多能干細胞（iPSC）。MSC是具有較強多向分化和自我更新能力的成體干細胞， 可通過潛在的免疫調節(jié)與抗炎作用， 在外周組織中改善胰島素抵抗，以及促進胰島β細胞再生和保護β細胞。也有研究表明， 由于MSC可促進胰島細胞的血管再生， 同時減輕胰島細胞在移植早期受到的固有免疫損傷， 因此胰島細胞與MSC聯(lián)合移植可提高胰島細胞的存活率。iPSC是一種具有無限增殖潛力的全能干細胞， 在一定條件下可分化為胰島β細胞或胰島素合成細胞。但胰島在體內發(fā)揮生理功能需具備完整結構及細胞比例， 目前iPSC來源的胰島細胞的臨床應用還存在多項技術和倫理障礙有待克服。同時， 國內外的學者也在積極研究異種胰島移植。1994年格羅思（Groth）等首次將豬來源的胰島移植到人體， 進行異種移植臨床試驗。此后多個機構也相繼開展了相關研究， 中南大學湘雅三醫(yī)院王維等在國內率先實施了異種胰島移植， 并取得了一定的效果。上述多項技術的研究和開展， 將有助于改善器官匱乏的問題。

胰腺獲取、轉運及胰島消化分離純化暫無標準流程胰島分離純化技術的不斷改良使獲取的胰島細胞質量及數(shù)量大幅提高， 但國內仍無適合我國國情的統(tǒng)一標準流程， 尤其在供受者選擇、胰腺獲取、保存運輸?shù)榷鄠€關鍵環(huán)節(jié)上基本處于空白。各胰島移植中心在操作細節(jié)上各有差異， 而胰島細胞數(shù)量的損失可能發(fā)生于上述多個環(huán)節(jié)。我們可以借鑒美國胰腺供者評分系統(tǒng)以及CITR制定的有關臨床胰島移植物制備、評分及質控流程等標準， 加快制定國內統(tǒng)一的相關質控及操作標準。

胰島細胞早期排斥丟失及藥物不良反應胰島移植術后早期排斥反應及免疫抑制劑的藥物不良反應， 仍是導致遠期臨床療效差的主要原因。胰島移植早期，炎癥反應、缺氧以及免疫排斥反應會導致胰島細胞損失。炎癥反應和缺氧可能導致約50%的胰島細胞凋亡、死亡。胰島移植術后?？诜庖咭种苿﹣砜刂泼庖吲懦夥磻?， 然而免疫抑制劑本身也會引起諸多不良反應， 直接造成胰島細胞凋亡。因此， 進一步優(yōu)化免疫抑制方案，減少免疫系統(tǒng)對胰島的攻擊以及降低藥物對胰島的損傷， 有利于提高胰島移植的療效。

胰島移植經(jīng)肝門靜脈穿刺的手術方式目前臨床上90%的胰島移植手術方式是經(jīng)皮門靜脈穿刺， 將胰島細胞注入其內。其優(yōu)勢在于肝臟作為體內最大的免疫特惠器官， 是胰島素的生理活性作用器官， 且血供豐富。因此與其他移植部位相比， 胰島細胞能更好地在肝竇內存活。然而， 由門靜脈注射胰島細胞會出現(xiàn)較多并發(fā)癥， 如血管栓塞、術后出血、門靜脈高壓癥、門靜脈周圍脂肪變性，尤其是其引起的經(jīng)血液介導的急性炎癥反應， 會造成移植術后極早期移植物大量丟失。當前有多種方案可減輕經(jīng)血液介導的急性炎癥反應， 例如使用低分子肝素鈉或肝素鈉涂抹胰島、凝血酶抑制劑、煙酰胺等， 但仍無法完全避免。經(jīng)門靜脈注射移植后， 胰島細胞可能出現(xiàn)血管化不利和供氧不足等情況， 而胰島β細胞對缺氧尤其敏感， 將導致胰島細胞大量凋亡和相應的胰島素分泌顯著減少?？傊?， 肝臟并不是胰島移植的最理想場所， 最佳的胰島細胞移植部位仍需進一步探索。

結語

胰島移植極大地推動了糖尿病細胞治療技術的快速發(fā)展，尤其對脆性胰島素依賴糖尿病、糖尿病合并終末期腎病具有重要的治療價值， 使患者可不再依賴外源性胰島素， 并且避免相關并發(fā)癥的發(fā)展，保護腎臟等重要器官。隨著胰腺供體獲取、胰島分離純化、移植部位的選擇以及免疫抑制方案等各方面的創(chuàng)新研究， 并制定一系列標準化流程， 必將推動這一技術的進步。

同時隨著新技術的不斷研發(fā)，通過“干細胞+基因編輯技術“制備的通用型再生胰島有望徹底解決供體來源緊缺和免疫排斥的兩大問題，成為胰島素依賴糖尿病的最佳治療手段，造福更多患者。