胰島β 細(xì)胞去分化、轉(zhuǎn)分化在糖尿病發(fā)病中的作用

任惠珠，王珊珊 綜 述，單春艷 審 校

（天津醫(yī)科大學(xué)朱憲彝紀(jì)念醫(yī)院腎病內(nèi)科，天津市內(nèi)分泌研究所，國家衛(wèi)健委激素與發(fā)育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市代謝性疾病重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300314）

既往研究認(rèn)為，胰島β 細(xì)胞數(shù)量減少是引起胰島素分泌受損的主要原因，因胰島β 細(xì)胞的再生能力差，β 細(xì)胞凋亡增加是導(dǎo)致β 細(xì)胞數(shù)量減少的關(guān)鍵因素。但尸檢發(fā)現(xiàn)2 型糖尿?。═2DM）患者胰島β細(xì)胞數(shù)量減少與功能減退程度不成比例[1]。2017 年Banting 獎(jiǎng)獲得者Accili[2]提出，胰島素分泌受損的關(guān)鍵因素是胰島β 細(xì)胞去分化而非凋亡。β 細(xì)胞去分化后將失去分泌胰島素的功能，并轉(zhuǎn)化為具有多向分化潛能的內(nèi)分泌前體細(xì)胞，導(dǎo)致成熟的β 細(xì)胞數(shù)量減少。本文就胰島β 細(xì)胞去分化和轉(zhuǎn)分化的過程以及在糖尿病發(fā)病中的作用作一綜述，旨在尋找糖尿病治療新思路。

1 胰島β 細(xì)胞去分化、轉(zhuǎn)分化的概念

胰島中存在α、β、δ 和PP 4 種不同類型的內(nèi)分泌細(xì)胞，均為終末分化形態(tài)的成熟細(xì)胞。α 細(xì)胞約占胰島細(xì)胞總數(shù)的30%，主要分泌胰高血糖素，升高血糖。β 細(xì)胞占胰島細(xì)胞總數(shù)的60%，其主要功能是合成和分泌胰島素，降低血糖。胰島β 細(xì)胞起源于胚胎干細(xì)胞，成熟代謝表型在出生后幾周即獲得。與體重匹配的正常受試者相比，確診糖尿病時(shí)，患者的β 細(xì)胞功能減少25%～60%，但β 細(xì)胞死亡的程度相對(duì)較低，無法完全解釋T2DM 患者β 細(xì)胞功能的受損。1999 年有學(xué)者提出了β 細(xì)胞去分化的概念[3]。2004 年Gershengorn 等[4]在體外培養(yǎng)的人胰島細(xì)胞中觀察到胰島β 細(xì)胞去分化現(xiàn)象。胰島β 細(xì)胞去分化是指成熟的β 細(xì)胞在不同程度上失去其分化的表型和細(xì)胞特性，并退化到分化程度較低或類似前體的狀態(tài)，出現(xiàn)祖細(xì)胞的特征，喪失部分或全部的胰島素分泌功能。β 細(xì)胞去分化表現(xiàn)為β 細(xì)胞中高表達(dá)基因表達(dá)下調(diào)，還表現(xiàn)為成熟β 細(xì)胞中表達(dá)量極低或表達(dá)缺失的基因表達(dá)上調(diào)或出現(xiàn)前體內(nèi)分泌細(xì)胞的基因表達(dá)上調(diào)。除細(xì)胞死亡外，β 細(xì)胞去分化被認(rèn)為是糖尿病患者β 細(xì)胞功能受損的另一個(gè)主要原因。細(xì)胞分化不是一個(gè)單向的過程，發(fā)育成熟的胰島細(xì)胞也具有一定的可塑性，在多種因素的作用下能夠與其他類型胰島細(xì)胞相互轉(zhuǎn)分化，從而引起胰島細(xì)胞類型的重構(gòu)[5]。β 細(xì)胞轉(zhuǎn)分化是指在一定條件下，β 細(xì)胞失去其特有的表型，并且獲得新的表型而轉(zhuǎn)化為其他類型的內(nèi)分泌細(xì)胞，其細(xì)胞形態(tài)、表型及功能均發(fā)生了轉(zhuǎn)變[6]。胰島β細(xì)胞去分化和轉(zhuǎn)分化都將引起體內(nèi)成熟β 細(xì)胞數(shù)量的減少，胰島素分泌受損，導(dǎo)致糖尿病的發(fā)生、發(fā)展。

2 胰島β 細(xì)胞去分化、轉(zhuǎn)分化的機(jī)制

2.1 慢性高血糖引起胰島β 細(xì)胞去分化、轉(zhuǎn)分化 葡萄糖是β 細(xì)胞功能的主要生理調(diào)節(jié)劑。大鼠胰島和純化的β 細(xì)胞在10 mmol/L 葡萄糖培養(yǎng)基中功能最佳，在過低或過高的葡萄糖培養(yǎng)基中功能差。適宜濃度的生理葡萄糖刺激與胰島素和胰島素分泌觸發(fā)途徑在內(nèi)的幾種關(guān)鍵基因的mRNA 水平增加有關(guān)。除代謝基因外，生理葡萄糖刺激通過調(diào)節(jié)幾種應(yīng)激反應(yīng)和促生存/促凋亡效應(yīng)物，改善和維持β 細(xì)胞分化表型。

生理葡萄糖刺激在維持β 細(xì)胞分化表型中起關(guān)鍵作用，β 細(xì)胞分化程度與胰島素分泌功能之間關(guān)系密切。暴露于超生理葡萄糖水平（如糖尿?。?huì)導(dǎo)致β 細(xì)胞去分化[7]。與細(xì)胞凋亡類似，慢性高血糖對(duì)β 細(xì)胞表型造成損害，是β 細(xì)胞去分化的主要原因。與糖毒性相關(guān)的β 細(xì)胞特性喪失歸因于許多基因表達(dá)的改變：β 細(xì)胞中高表達(dá)基因（如關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子、胰島素、糖代謝相關(guān)基因以及蛋白質(zhì)加工和分泌相關(guān)基因）表達(dá)下調(diào)。早期對(duì)β 細(xì)胞系以及離體的嚙齒動(dòng)物和人胰島的研究表明，長(zhǎng)時(shí)間暴露于高濃度的葡萄糖中將顯著降低胰島素的mRNA 表達(dá)。在ZDF 大鼠和90%胰腺切除小鼠中也有同樣的發(fā)現(xiàn)[8-9]。在這些動(dòng)物模型中，應(yīng)用鈉-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（SGLT2）抑制劑可以恢復(fù)胰島素的mRNA表達(dá)使血糖正常，也印證了葡萄糖毒性的作用。T2DM 患者β 細(xì)胞的胰島素mRNA 表達(dá)降低，與β細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子胰-十二指腸同源盒基因（PDX）1、肌腱膜纖維肉瘤癌基因同系物A（MAFA）表達(dá)下降有關(guān)。PDX1 作為胰島β 細(xì)胞表型的主要調(diào)節(jié)因子，具有激活β 細(xì)胞和抑制α 細(xì)胞的作用。特異性敲除小鼠胰島β 細(xì)胞PDX1 基因，小鼠在數(shù)天后出現(xiàn)嚴(yán)重的高血糖，同時(shí)大多數(shù)PDX1 基因缺失的β 細(xì)胞迅速獲得α 細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)和生理特征，提示PDX1 缺失的胰島β 細(xì)胞轉(zhuǎn)分化為α 細(xì)胞[10]。MAFA 是一種具有亮氨酸結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄因子，可調(diào)控胰島素的合成、分泌和糖代謝等相關(guān)基因的表達(dá)，對(duì)維持成年胰腺結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定發(fā)揮重要作用，并且MAFA 是唯一能將內(nèi)分泌祖細(xì)胞分化成β細(xì)胞的激活因子。Rattanaamnuaychai 等[11]發(fā)現(xiàn)胰島β 細(xì)胞發(fā)生去分化與轉(zhuǎn)錄因子MAFA 的減少有一定相關(guān)性。有研究發(fā)現(xiàn)，1 型糖尿病患者的胰島大小和分布情況與非糖尿病患者無差異，但胰島密度明顯下降，且胰島中以胰高血糖素陽性的細(xì)胞為主。單純的胰島β 細(xì)胞缺失會(huì)導(dǎo)致胰島體積縮小，但不會(huì)影響胰島密度，因此認(rèn)為1 型糖尿病患者β 細(xì)胞缺乏的同時(shí)，β 細(xì)胞轉(zhuǎn)分化為α 細(xì)胞也增加[12]。叉頭轉(zhuǎn)錄因子O1（FoxO1）基因敲除小鼠世系追蹤法發(fā)現(xiàn)，β 細(xì)胞數(shù)量減少并不是因?yàn)閱渭兊募?xì)胞死亡，而是細(xì)胞發(fā)生去分化，去分化后的β 細(xì)胞成為具有多項(xiàng)分化潛能的祖細(xì)胞樣細(xì)胞，失去其特異性的細(xì)胞表型和分泌能力，最終導(dǎo)致胰島β 細(xì)胞功能下降，部分細(xì)胞會(huì)進(jìn)一步轉(zhuǎn)分化為α 細(xì)胞[13]。Accili[2]教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)FoxO1 敲除小鼠由于長(zhǎng)期的代謝壓力，β細(xì)胞發(fā)生去分化，回歸內(nèi)分泌前體細(xì)胞狀態(tài)，胰島β細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子PDX1、MAFA、NK6 轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)1（NKX6.1）及葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2 表達(dá)下降，而胚胎期的轉(zhuǎn)錄因子Ngn3、Oct4、Nango 等表達(dá)增加，β 細(xì)胞向α 細(xì)胞、PP 細(xì)胞等其他內(nèi)分泌細(xì)胞轉(zhuǎn)分化。

胰島β 細(xì)胞通過轉(zhuǎn)分化為其他類型的內(nèi)分泌細(xì)胞來逃避高血糖的負(fù)荷，在糖尿病患者和糖尿病動(dòng)物模型中均有β 細(xì)胞轉(zhuǎn)分化為α 細(xì)胞的證據(jù)。胰島β 細(xì)胞轉(zhuǎn)分化雖然不會(huì)引起β 細(xì)胞的直接死亡，但其分泌胰島素的功能喪失，大量胰島α 細(xì)胞分泌胰高血糖素，加重糖尿病的進(jìn)展。在糖尿病患者使用降糖藥物或消除實(shí)驗(yàn)動(dòng)物高血糖刺激，使其血糖恢復(fù)正常后，兩者間的轉(zhuǎn)變能部分逆轉(zhuǎn)[14]。

2.2 脂毒性引起胰島β 細(xì)胞去分化、轉(zhuǎn)分化 最近的研究顯示，在脂代謝紊亂情況下胰島β 細(xì)胞發(fā)生去分化、轉(zhuǎn)分化，導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙。游離脂肪酸能降低PDX1 基因的表達(dá)，體外棕櫚酸培養(yǎng)Wistar 大鼠胰島細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)48 h 后，PDX1 的mRNA 水平明顯下降，而缺乏PDX1 的胰島β 細(xì)胞轉(zhuǎn)分化為α 細(xì)胞[15]。有研究顯示，軟脂酸通過阻止PDX1和MAFA 的結(jié)合能力，以及阻止PDX1 的核轉(zhuǎn)運(yùn)，阻斷葡萄糖對(duì)MAFA mRNA 和蛋白表達(dá)的刺激，從而影響胰島β 細(xì)胞分泌胰島素的功能[16]。

2.3 氧化應(yīng)激、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、炎癥和缺氧引起胰島β 細(xì)胞去分化、轉(zhuǎn)分化 轉(zhuǎn)錄因子不僅在胰腺形成的過程中發(fā)揮作用，而且對(duì)胰腺內(nèi)分泌細(xì)胞的表型分化和維持具有重要作用。維持胰島β 細(xì)胞特性的轉(zhuǎn)錄因子主要有PDX1、FoxO1 和NKX6.1、MAFA等。經(jīng)過氧化氫處理后的β 細(xì)胞系和離體的胰島改變了MAFA 和PDX1 的表達(dá)水平和DNA 結(jié)合活性，證明了抗氧化劑可以阻止因氧化應(yīng)激所導(dǎo)致的胰島素基因表達(dá)的改變。通過應(yīng)用抗氧化基因Gpx1，可恢復(fù)糖尿病db/db 小鼠胰島中表達(dá)降低的MAFA 水平。使用谷胱甘肽過氧化物酶模擬物可顯著阻止糖尿病ZDF 大鼠胰島中PDX1 和MAFA 表達(dá)的改變。慢性內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可能影響核糖核酸內(nèi)切酶活性，從而導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)RNA 的裂解，包括胰島素的裂解。氧化應(yīng)激、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、缺氧使FoxO1活性降低，促進(jìn)了β 細(xì)胞的去分化。NKX6.1 是維持胰島β 細(xì)胞功能的關(guān)鍵蛋白，有研究表明T2DM 患者胰腺β 細(xì)胞數(shù)量和非糖尿病患者相比明顯減少，而α/β 的比例和胰島素及胰高血糖素雙陽性細(xì)胞比例在糖尿病組中更高，且兩組整體的胰島大小無顯著差異，其中近一半雙陽性細(xì)胞表現(xiàn)為β 細(xì)胞特異性核轉(zhuǎn)錄因子NKX6.1 陰性[17]。

3 基于β 細(xì)胞去分化、轉(zhuǎn)分化的糖尿病治療新思路

慢性高血糖、脂毒性、氧化應(yīng)激和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、炎癥和缺氧等導(dǎo)致胰島β 細(xì)胞去分化，成熟β 細(xì)胞喪失部分或全部的胰島素分泌功能。改善胰島β 細(xì)胞功能和增加β 細(xì)胞數(shù)量是當(dāng)前糖尿病治療領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

筆者可以利用胰島細(xì)胞間動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化、促進(jìn)胰島中其他內(nèi)分泌細(xì)胞向成熟β 細(xì)胞轉(zhuǎn)分化，從而補(bǔ)充胰島β 細(xì)胞數(shù)量，維持正常的胰島素分泌需求，治療糖尿病。研究發(fā)現(xiàn)，γ-氨基丁酸（GABA）旁分泌作用于α 細(xì)胞，可抑制胰高血糖素的分泌，以自分泌方式作用于β 細(xì)胞，增加胰島素的分泌[18]。此外，可以利用干細(xì)胞具備的增殖能力和分化潛能，定向誘導(dǎo)胰腺干細(xì)胞、胚胎干細(xì)胞、骨髓干細(xì)胞、臍血干細(xì)胞等分化為胰島β 細(xì)胞。有研究證實(shí)，胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）能通過促進(jìn)α 細(xì)胞的轉(zhuǎn)分化而導(dǎo)致β細(xì)胞新生[14]。過表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子PDX1 和NKX6.1 能促進(jìn)α 細(xì)胞向β 細(xì)胞轉(zhuǎn)分化，在一定程度上達(dá)到補(bǔ)充胰島β 細(xì)胞數(shù)量的作用[19]。在1 型糖尿病中發(fā)現(xiàn)單個(gè)肽能誘導(dǎo)胰島細(xì)胞的轉(zhuǎn)分化，短肽雨蛙素在β 細(xì)胞缺乏的情況下，能誘導(dǎo)α 細(xì)胞向β 細(xì)胞轉(zhuǎn)分化[13]。在特定條件下，胰島β 細(xì)胞與胰島α 細(xì)胞之間可以發(fā)生轉(zhuǎn)分化。胰腺導(dǎo)管結(jié)扎術(shù)及部分胰腺切除術(shù)不僅可使小鼠胰島內(nèi)α 細(xì)胞轉(zhuǎn)分化為β 細(xì)胞，也可誘導(dǎo)腺管細(xì)胞和腺泡細(xì)胞發(fā)生轉(zhuǎn)分化[20]。在鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的糖尿病大鼠模型中，體育鍛煉對(duì)細(xì)胞因子誘導(dǎo)的胰島β 細(xì)胞死亡具有潛在的保護(hù)作用，可促進(jìn)胰腺非β 細(xì)胞向β 細(xì)胞轉(zhuǎn)分化[21]。

深入了解胰島β 細(xì)胞去分化和轉(zhuǎn)分化的機(jī)制有利于改善胰島β 細(xì)胞功能和增加β 細(xì)胞數(shù)量，為糖尿病的治療提供新思路。