間充質(zhì)干細(xì)胞及誘導(dǎo)分化后胰島功能轉(zhuǎn)歸的相關(guān)性分析

余詩琴，尹玉杰，張建中

(吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院 新民內(nèi)分泌代謝科，吉林 長春130021)

第九版《全球糖尿病概覽》中，我國糖尿病人數(shù)為1.164億，仍位居全球第一，而我國糖尿病的治療率及達(dá)標(biāo)率均低，且預(yù)計(jì)到2045年糖尿病人數(shù)將高達(dá)7億，而我國糖尿病人數(shù)將高達(dá)1.472億。糖尿病嚴(yán)重危害著人民群眾的身體健康，給家庭和社會帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)和精神壓力。目前臨床上有許多藥物可以治療糖尿病，但尚不能很好地保持和修復(fù)殘存胰島β細(xì)胞的功能、從根本上治療糖尿病。因此，重塑胰島β細(xì)胞功能成為治療糖尿病的關(guān)鍵。隨著移植技術(shù)的日新月異，使胰島移植成為可能，胰島移植與胰島素相比，可以實(shí)現(xiàn)血糖穩(wěn)態(tài)。已有研究表明，胰島移植可以恢復(fù)患者部分的胰島功能，但可用于移植的胰島數(shù)量非常有限，嚴(yán)重限制了該技術(shù)的廣泛推廣。因此，近年來大量學(xué)者致力于應(yīng)用干細(xì)胞衍生療法治療糖尿病的研究。本文分析了近幾年相關(guān)文獻(xiàn)，通過對干細(xì)胞來源、誘導(dǎo)方式及胰島功能進(jìn)行分析，探討間充質(zhì)干細(xì)胞及其誘導(dǎo)分化后可能的作用機(jī)制，闡明其在糖尿病發(fā)生發(fā)展過程中的生理學(xué)意義。

1 間充質(zhì)干細(xì)胞治療糖尿病

國際細(xì)胞療法學(xué)會的間充質(zhì)和組織干細(xì)胞委員會提出了人類間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells,MSCs)的最低標(biāo)準(zhǔn)：它們必須在標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)條件下具有塑性、成骨、成脂和成軟骨分化能力，必須缺乏造血譜系標(biāo)志物c-kit、CD14、CD11b、CD34、CD45、CD19、CD79α和人類白細(xì)胞抗原(human leukocyte antigen，HLA)-DR的表達(dá)，并且必須在其表面表達(dá)CD73、CD90和CD105[1]。MSCs和造血干細(xì)胞(hematopoietic stem cell,HSCs)聯(lián)合被注射到鏈脲佐霉菌(STZ)/放射致?lián)p傷小鼠的骨髓中，在該實(shí)驗(yàn)中觀察到血糖正?；虼苏J(rèn)為MSCs能夠抑制胰腺β細(xì)胞特異性T細(xì)胞的增殖，從而阻止胰腺自身免疫破壞[2]。

1.1 胎盤間充質(zhì)干細(xì)胞(human placenta mesenchymal stem cells，hpDMSCs[1])具有自我復(fù)制及多項(xiàng)分化潛能，可以誘導(dǎo)分化成為各種類型的組織，如成骨細(xì)胞、骨髓組織、脂肪細(xì)胞等等；并且hpDMSCs擴(kuò)增復(fù)制能力比骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞要強(qiáng)，更重要的是胎盤組織，來源豐富，采集方便，取材方便，從胎盤組織分離提取干細(xì)胞不涉及倫理、法律問題，胎盤中的細(xì)胞的免疫功能不成熟，免疫原性更低，較移植骨髓來源的干細(xì)胞排斥反應(yīng)要小[3]。但有研究顯示，胚胎間充質(zhì)干細(xì)胞存在重大的道德和宗教障礙，以及使用其帶來的致畸風(fēng)險(xiǎn)，因此有必要尋找新的替代方案[4]。

1.2 骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)能刺激受損的胰腺β細(xì)胞的再生，分泌保護(hù)性因子，對機(jī)體的免疫反應(yīng)起調(diào)節(jié)作用，還具有組織修復(fù)功能，能改善局部微環(huán)境和胰島再血管化，能作為移植細(xì)胞的來源，緩解免疫反應(yīng)等問題，近年來引起了廣大研究者的重視[5]。在一些患有酮癥酸中毒的1型糖尿病患者和嚴(yán)重的糖尿病小鼠中，骨髓MSC的輸注可以保持β細(xì)胞功能。MSCs的注入促進(jìn)了Treg反應(yīng)，并升高了糖尿病小鼠的胰島和血漿IL-10和血漿轉(zhuǎn)化生長因子β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1)的水平，但降低了γ干擾素(Interferon-γ，IFN-γ)，TNF-α和IL-17A的水平。注入的MSC有效地遷移并積累在糖尿病小鼠的胰腺組織中。MSC輸注的治療效果往往是劑量和頻率依賴性的，多劑量MSC輸注的效果更持久。因此，即使是糖尿病酮癥酸中毒，MSC的輸注,尤其是多劑量MSC的輸注對于1型糖尿病的干預(yù)也可能是有價(jià)值的[6]。

1.3 臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞(umbilical cord mesenchymal stem cell，UCMSC)是一種從臍帶華爾通膠質(zhì)中分離出的新型干細(xì)胞,易于分離和培養(yǎng)，在體外許多傳代中均具有較高的增殖率和保持其干性的能力，與成年MSC相比具有低免疫原性和非致瘤性，多能性且異質(zhì)性較低[7]。最重要的是，臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞很容易獲得，并且可以在分娩過程中以非侵入性的方式獲得。近年來隨著研究的深入和醫(yī)學(xué)的發(fā)展，UCMSC已經(jīng)成為一種治療糖尿病的新方法。

1.4 臍血間充質(zhì)干細(xì)胞臍血間充質(zhì)干細(xì)胞(umbilical cord blood mesenchymal stem cells,UCB-MSCs) 為中胚層發(fā)育的早期細(xì)胞,具有多向分化的潛在能力,其形態(tài)和生物學(xué)特點(diǎn)與骨髓來源 MSCs 相似。在糖尿病動物中注射的HUC-MSC可以歸巢于胰島并且分化為功能性胰島樣細(xì)胞。這些細(xì)胞影響巨噬細(xì)胞極化，同時(shí)阻止NLRP3(the nod-like receptor protein 3，Nod樣受體蛋白3)炎性小體和炎性因子的激活[8-13]。相關(guān)研究表明，NLRP3破壞了正常的胰島素信號通路并導(dǎo)致了胰島素抵抗。UC-MSC可以進(jìn)一步降低這些炎癥參數(shù)，從而提高胰島素敏感性[8]。大量研究表明，HUC-MSCs具有以下特征：(1)以炎癥組織為靶標(biāo)，分化為功能性胰島樣細(xì)胞，阻斷炎癥小體的活性，發(fā)揮抗炎作用。(2)靶向潰瘍組織并促進(jìn)細(xì)胞因子的釋放，然后促進(jìn)潰瘍組織的上皮化，最終導(dǎo)致潰瘍的部分或完全愈合；(3)具有在體外分化為功能性細(xì)胞并在體內(nèi)移植的潛力，提供令人滿意的治療效果[14]。

1.5 牙髓間充質(zhì)干細(xì)胞來源于口腔的MSCs可分為：牙髓干細(xì)胞、牙周膜干細(xì)胞、根尖乳頭干細(xì)胞、牙濾泡干細(xì)胞和牙齦間充質(zhì)干細(xì)胞[15]。牙髓間充質(zhì)干細(xì)胞可以移植入中樞神經(jīng)系統(tǒng)，通過神經(jīng)分化和替換丟失或損傷的細(xì)胞促進(jìn)脊髓損傷的修復(fù)，雖然胰腺β細(xì)胞是內(nèi)胚層的衍生物，但神經(jīng)元和胰腺β細(xì)胞有一些共同的特征，包括轉(zhuǎn)錄因子Pdx-1(pancreatic and duodenal homeobox 1，胰腺和十二指腸同源框 1)和Ngn3(neurogenin 3，神經(jīng)生成素 3)的表達(dá)。因此，牙髓間充質(zhì)干細(xì)胞可能具有有效分化為神經(jīng)細(xì)胞和胰腺β細(xì)胞所需的遺傳機(jī)制，故牙髓間充質(zhì)干細(xì)胞可以有效分化為產(chǎn)生胰島素的胰腺β細(xì)胞并顯著改善葡萄糖耐量，且提高小鼠和人血清胰島素和c肽水平?；谝浦步M中增強(qiáng)的β細(xì)胞增殖和胰島數(shù)量的增加，我們推測牙髓間充質(zhì)干細(xì)胞可能通過內(nèi)源性前體誘導(dǎo)β細(xì)胞新生和(或)增強(qiáng)受損胰島內(nèi)剩余的健康β細(xì)胞的增殖[16]。

1.6 成人胰腺干細(xì)胞(adult pancreatic stem cells)成人胰腺干細(xì)胞也可以是β胰腺細(xì)胞的另一種來源，因?yàn)樗鼈兙哂卸嗄苄院涂寺摿?。通過應(yīng)用胰腺導(dǎo)管結(jié)扎模型，胰腺導(dǎo)管細(xì)胞的分化和增殖特性被認(rèn)為是β細(xì)胞再生組織的重要來源[17]。因此，成人胰腺干細(xì)胞移植未來目標(biāo)將是應(yīng)對各種獲取、提純和生長胰腺祖細(xì)胞種群的挑戰(zhàn)及誘導(dǎo)無基因突變的β細(xì)胞分化[2]。

1.7 毛囊間充質(zhì)干細(xì)胞毛囊(hair follicle，HF)，皮膚的主要附屬物之一，是多能干細(xì)胞已知來源。大量的研究集中在它的表皮干細(xì)胞系，它位于HF的凸起區(qū)域[18]。至于成人HF的真皮成分，已知有兩種活躍的間充質(zhì)干細(xì)胞(一種來自真皮乳頭(dermal papilla，DP)區(qū)域，另一種來自真皮鞘(dermal sheath，DS)，顯示出多譜系分化潛能[19]。相關(guān)研究表明，在糖尿病小鼠模型中，真皮鞘間充質(zhì)干細(xì)胞條件培養(yǎng)基(dermal sheath mesenchymal stromal cell conditioned medium，DS-MSC-CM)中負(fù)責(zé)促進(jìn)創(chuàng)面愈合的旁分泌因子，可能是由于它們刺激創(chuàng)面的血管生成[20]。在體外研究中觀察到人類皮膚角質(zhì)形成細(xì)胞增殖、遷移率的增加以及成纖維細(xì)胞增殖的提高，表現(xiàn)在糖尿病小鼠中給予DS-MSC-CM可以改善傷口愈合過程中的再上皮化和重塑。

2 干細(xì)胞誘導(dǎo)分化后治療糖尿病

2.1 藥物聯(lián)合自體間充質(zhì)干細(xì)胞治療糖尿病例如，利拉魯肽是一種人胰高糖素樣肽-1(Glucagon-like peptide-1,GLP-1)類似物,利拉魯肽不影響輸注的MSC的分布和積累，并且顯著增強(qiáng)了MSC在嚴(yán)重糖尿病小鼠中保存胰島β細(xì)胞的功能。有研究顯示，與正常組相比，T2DM組胰高血糖素陽性面積明顯增加，胰胰島素陽性面積明顯減少，ASK1、JNK、B淋巴細(xì)胞瘤-2基因相關(guān)X蛋白信使核糖核酸(B-cell lymphoma-2 associated X protein messenger ribonucleic acid，BAX mRNA)和蛋白表達(dá)水平升高，B淋巴細(xì)胞瘤-2基因(B-cell lymphoma-2，Bcl-2)表達(dá)降低。因此，我們認(rèn)為胰島β細(xì)胞的凋亡可能與ASK1/JNK/BAX信號通路有關(guān)。利拉魯肽和人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞(human umbilical cord mesenchymal stem cell，hUC-MSCs)可明顯改善T2DM大鼠的高血糖，減輕體重，改善胰腺組織病理學(xué)改變，抑制胰腺ASK1、JNK、BAX的表達(dá)，上調(diào)抗凋亡基因Bcl-2的表達(dá)[21]。另有研究表明，hUC-MSCs在移植[22]可直接分化為胰島素生產(chǎn)細(xì)胞并且分泌大量細(xì)胞因子[23]，可以通過降低胰島素抵抗改善糖代謝[24]、招募巨噬細(xì)胞誘導(dǎo)β細(xì)胞再生及調(diào)節(jié)自身免疫[25]、保護(hù)高血糖誘導(dǎo)的β細(xì)胞損傷[26]。在一項(xiàng)研究中，2型糖尿病/非酒精性脂肪性肝病(non-alcoholic fatty liver disease，NAFLD)大鼠被隨機(jī)分配給利拉魯肽和hUC-MSCs治療8周。治療后,與單藥治療相比，利拉魯肽聯(lián)合hUC-MSCs可顯著改善大鼠糖脂代謝、肝功能和胰島素抵抗，血清TNF-α、IL-6水平顯著降低，肝組織中Toll樣受體4(Toll-like receptor 4，TLR4)、核轉(zhuǎn)錄因子κ B(nuclear factor κB，NF-κB)基因和蛋白表達(dá)顯著降低，其機(jī)制可能與下調(diào)TLR4/NF-κB炎癥通路及改善氧化應(yīng)激有關(guān)[27]。

2.2 局部注射自體間充質(zhì)干細(xì)胞ADSCs局部注射治療糖尿病慢性創(chuàng)面可提高創(chuàng)面愈合率,增加創(chuàng)面VEGF表達(dá)和微血管形成,有較好的安全性和有效性。并且有相關(guān)研究[11]表明，大鼠胰腺提取物(Rat pancreatic extract，RPE)增強(qiáng)了MSC分泌細(xì)胞因子的能力。在STZ誘導(dǎo)的糖尿病動物模型中，胰腺微環(huán)境中的MSC可能通過旁分泌因子對受損的胰腺細(xì)胞產(chǎn)生間接的有益作用。分泌的因子可通過預(yù)防胰腺β細(xì)胞凋亡發(fā)揮其治療作用[28]。

2.3 聯(lián)合胰島移植有研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用同系A(chǔ)MSC與同種異體胰島聯(lián)合移植治療糖尿病大鼠發(fā)現(xiàn)胰島移植后血糖和胰島素水平均優(yōu)于單純胰島移植組,移植胰島平均生存時(shí)間長于單純胰島移植組。研究結(jié)果提示AMSC可通過增加T細(xì)胞IL-4和IL-10生成、減少IFN-γ和IL-2生成等機(jī)制減輕同種異體胰島刺激引起的T細(xì)胞活化、增殖,還可能通過影響Th1/Th2平衡發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用,抑制免疫排斥反應(yīng),減輕移植物免疫損傷,提高胰島移植效果[29]。

3 間充質(zhì)干細(xì)胞治療糖尿病的展望及面臨的問題

雖然糖尿病的發(fā)病機(jī)制極為復(fù)雜,但已經(jīng)有多個實(shí)驗(yàn)研究證實(shí),MSCs在此方面的治療效果是可觀的,雖然這些研究對象多數(shù)為動物(鼠類),而且目前MSCs在臨床應(yīng)用上仍然存在響應(yīng)率和安全性等問題,但相信隨著MSCs作用機(jī)制研究和臨床研究的不斷推進(jìn),上述問題一定會逐步解決,因此筆者認(rèn)為MSCs在臨床治療上的前景是非常廣闊。