梳理糖尿病治療突破性進展利用細胞重編程產(chǎn)生β細胞

1、梳理糖尿病治療突破性進展！利用細胞重編程產(chǎn)生2017 年 2 月 27 日/生物谷 BIOON/- 目前，全球糖尿病 患者近乎 4 億，該病的發(fā)病原因包括遺傳和環(huán)境兩大因素， 然而前糖尿病患者數(shù)目更加龐大， 研究人員推測， 截至 2035 年全球?qū)⒂?5.92 億糖尿病患者。 糖尿病分為 1 型和 2 型糖尿 病。1 型糖尿病，原名胰島素依賴型糖尿病，多發(fā)生在兒童 和青少年，也可發(fā)生于各種年齡，在全世界范圍內(nèi)其影響了 超過 3000 萬人的健康，盡管的當前有很多療法，但是患者 的平均壽命一般都會縮短 5至 8年。對于 1型糖尿病患者來 說，他們的免疫系統(tǒng)摧毀了自身的胰島細胞，導致無法正常 合成

2、胰島素，他們需要通過終生注射胰島素將血糖維持在相 對正常的水平。 1 型糖尿病起病比較急劇，體內(nèi)胰島素絕對 不足，容易發(fā)生酮癥酸中毒，必須用胰島素治療才能獲得滿 意療效，否則將危及生命。 打開應用保存高清大圖2 型糖尿病一大特征在于胰腺中胰島素表達水平降低。 科學 家們通常認為這種下降的原因在于這種器官中胰島B細胞死亡。但是在 II 型糖尿病病人的胰腺中，人們很少發(fā)現(xiàn)死亡 的B細胞。而且胰腺功能障礙與死亡的B細胞數(shù)量不成比例。2012年，一項研究證實在 2型糖尿病模式小鼠體內(nèi)，B細胞沒有死亡，而是相反地返回到一種更加原始性的去分化的細胞類型 )。目前我國 已成為全球糖尿病患者人數(shù)最多的國家。據(jù)

3、最新數(shù)據(jù)顯示， 中國糖尿病患者人數(shù)已達 1.14 億，約占全球糖尿病人總數(shù)的 三分之一。在胰腺的胰島中，a細胞和B細胞與至少三種其他的高度特化的細胞類型一起形成，其中胰島是體內(nèi)調(diào)節(jié)血 糖的控制中心。B細胞和a細胞負責調(diào)節(jié)人體對就餐后血液 葡萄糖水平的上升和下降作出的反應。當葡萄糖水平上升 時，B細胞釋放胰島素，指示整個人體中的細胞儲存這種糖 分子，供以后使用。當葡萄糖水平下降時， a 細胞釋放胰高 血糖素，從而促進儲存的葡萄糖釋放。但是這些細胞是靈活 的：之前的研究已表明在發(fā)生極大的B細胞損失后，a細胞能夠補充產(chǎn)生胰島素的細胞。表觀遺傳主調(diào)節(jié)因子 Arx 被鑒 定為在這種轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮著關(guān)鍵性

4、作用的分子。一種簡單 而又優(yōu)雅的策略有望治療 1 型糖尿?。涸诓∪梭w內(nèi)，誘導 a 細胞轉(zhuǎn)化為B細胞。另外，也有研究人員可以利用模擬禁食 效果的飲食促進不產(chǎn)生胰島素的細胞轉(zhuǎn)化為產(chǎn)生胰島素的 B細胞。還有不少研究人員發(fā)現(xiàn)能夠?qū)⒁认偻夥置诩毎?、?臟細胞、皮膚細胞、胰腺導管細胞和胃幽門細胞等細胞轉(zhuǎn)化 為B細胞。因此，針對利用細胞重編程方法產(chǎn)生分泌胰島素 的B細胞近期取得的進展，小編進行一番梳理，以饗讀者。I.Cell :重大突破！模擬禁食效果的飲食或可逆轉(zhuǎn)糖尿病 打開應用保存高清大圖在一項新的研究中，來自美國南加州 大學、麻省理工學院科赫研究所和加州大學舊金山分校的研 究人員證實一種旨在模擬禁食效果

5、的飲食 ( fasting-mimicking diet, FMD )似乎通過細胞重編程逆轉(zhuǎn)糖尿病。這項研究以小 鼠和人類細胞為實驗對象，證實這種模擬禁食效果的飲食促 進新的產(chǎn)生胰島素的胰腺 B細胞生長，從而降低小鼠體內(nèi)的 1 型和 2 型糖尿病癥狀。 在 1 型糖尿病和晚期 2 型糖尿病中， 胰腺喪失產(chǎn)生胰島素的 B細胞，從而增加血糖水平的不穩(wěn)定 性。這項研究證實在每周四天接受 FMD 飲食的小鼠當中， 它們的糖尿病受到顯著逆轉(zhuǎn)。它們再次獲得健康的胰島素產(chǎn) 生、下降的胰島素抵抗性， 并且展現(xiàn)出更加穩(wěn)定的血糖水平。 即便是對晚期糖尿病小鼠而言，也是這種情形。這種周期性 飲食激活成年小鼠體內(nèi)的正

6、常情形下僅在小鼠胎兒的發(fā)育 中的胰腺內(nèi)有活性的基因。這些基因最終引發(fā)蛋白 Ngn3 表 達，因此產(chǎn)生新的分泌胰島素的B細胞。Longo和他的團隊也研究了體外培養(yǎng)的來自人供者的胰腺細胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在來 自 1 型糖尿病患者的胰腺細胞中，禁食也增加 Ngn3 蛋白表 達和加快胰島素產(chǎn)生。這些結(jié)果提示著 FMD 飲食可能緩解 病人的糖尿病病情。 2.Cell Metab ：在體內(nèi)僅需阻斷兩個基 因就可高效地將a細胞轉(zhuǎn)化為B細胞 在一項新的研究中，來自來 自美國、加拿大、瑞士和挪威的研究人員發(fā)現(xiàn)在活的小鼠體內(nèi)，僅需阻斷兩個基因的表達就能夠誘導胰腺中的a細胞快速地和高效地變成產(chǎn)生胰島素的B細胞。他們對來自

7、糖尿病供者死后的胰腺的研究還提示著a細胞的“職業(yè)改變”也在糖尿病患者體內(nèi)自然地發(fā)生，但是僅是少量地和更慢地發(fā) 生。這項新的研究提示著科學家們可能有朝一日能夠利用這 種細胞命運的天然靈活性在人體內(nèi)誘導a細胞轉(zhuǎn)化為B細胞，從而緩解糖尿病癥狀。這些研究人員千辛萬苦地培育一 種實驗室小鼠品種：當通過飲用水讓它們服用一種化合物 時，它們的胰腺a細胞不能夠產(chǎn)生 Arx和DNMT1。他們觀 察到在這些小鼠體內(nèi)阻斷這兩種蛋白產(chǎn)生7周內(nèi)，a細胞快速地轉(zhuǎn)化為看起來像是 B細胞的細胞。這些研究人員隨后將 他們的注意力轉(zhuǎn)移到來自糖尿病供者和非糖尿病供者死后 的人胰腺組織。他們發(fā)現(xiàn)來自死后一到兩年內(nèi)經(jīng)診斷患上 1 型糖

8、尿病的兒童的胰腺組織樣品包括一部分產(chǎn)生兩種激素 的細胞，它們產(chǎn)生胰高血糖素和胰島素。 Kim 和他的同事們 認為他們可能捕捉到正在轉(zhuǎn)化為B細胞的a細胞，作為對糖尿病產(chǎn)生作出的反應。他們也觀察到來自糖尿病供者的人 a 細胞樣品不表達基因 ARX 和 DNMT1 ，而在小鼠體內(nèi)， 這兩 個基因的表達會阻斷 a細胞轉(zhuǎn)化為B細胞。因此，相同的基 本變化可能也在 1 型糖尿病患者體內(nèi)發(fā)生。這表明利用靶向 方法阻斷糖尿病患者胰島中的這兩個基因的表達或者控制 它們的信號來提高a細胞轉(zhuǎn)化為B細胞的比例可能是可行的。3.Science:開發(fā)出分泌胰島素的人工3細胞doi:10.1126/science.aaf4

9、006 在一項新的研究中， 來自瑞士蘇 黎世聯(lián)邦理工學院和中國華東師范大學等機構(gòu)的研究人員 利用一種簡單明了的工程學方法制造出人工 3 細胞。這些人 工3 細胞能夠做天然的 3細胞做的任何事情:它們測量血液 中的葡萄糖濃度，產(chǎn)生足夠的胰島素來有效地降低血糖水 平。對研究人員的新方法而言，他們使用一種基于人腎細胞 的細胞系，即 HEK 細胞。他們使用了 HEK 細胞膜中天然的 葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白和鉀離子通道。他們利用一種電壓依賴性鈣 離子通道、一種產(chǎn)生胰島素或 GLP-1 的基因提高它們的功 能，其中 GLP-1 是一種參與血糖水平調(diào)節(jié)的激素。 在這些人 工3細胞中，HEK細胞的天然葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白攜

10、帶來自血液 中的葡萄糖到細胞內(nèi)部。當血糖水平超過某個閾值時，鉀離 子通道關(guān)閉。這會顛倒細胞膜上的電壓分布，導致鈣離子通 道打開。隨著鈣離子流進，它觸發(fā) HEK 細胞內(nèi)在的信號轉(zhuǎn) 導級聯(lián)事件， 導致胰島素或 GLP-1 的產(chǎn)生和分泌。 當植入到 糖尿病模式小鼠體內(nèi)時，這些經(jīng)過修飾的 HEK 細胞在三周 內(nèi)可靠地發(fā)揮作用，產(chǎn)生足夠數(shù)量的調(diào)節(jié)血糖水平的胰島素 或 GLP-1 。4.糖尿病研究重大突破！青蒿素和 GABA 都可讓a細胞產(chǎn)生胰島素打開應用保存高清大圖之前的研究已表明在發(fā)生極大的 3 細胞損失后，a細胞能夠補充產(chǎn)生胰島素的細胞。表觀遺傳 主調(diào)節(jié)因子 Arx 被鑒定為在這種轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮著關(guān)

11、鍵性作 用的分子。在一項新的研究中，研究人員證實 Arx 缺失足以 改變a細胞身份，而并不依賴于體內(nèi)的影響。利用這些細胞 系，研究人員如今能夠測試他們的化合物文庫，結(jié)果發(fā)現(xiàn)青 蒿素發(fā)揮著與 Arx 缺失相同的效果。他們揭示出青蒿素重塑 a細胞的分子作用機制：這種化合物結(jié)合到一種被稱作橋尾 蛋白( gephyrin )的蛋白上，其中橋尾蛋白會激活 GABA 受 體。隨后，一系列生化反應變化導致胰島素產(chǎn)生。除了這些 細胞系實驗之外，這種抗瘧疾藥物的效果也在模式生物中得 到證實： Stefan Kubicek 團隊和他們的合作者觀察到在糖尿病 模式斑馬魚、小鼠和大鼠體內(nèi)，一旦注入青蒿素，就會增加 B

12、細胞數(shù)量和改善血糖穩(wěn)態(tài)平衡。鑒于青蒿素在斑馬魚、嚙 齒類動物和人類中的分子靶標是非常類似的，對 a 細胞的影 響也將在人體中發(fā)生的機會是較高的。在另一項新的研究 中，研究人員證實在模式小鼠體內(nèi)， 注射 GABA 也導致 a 細 胞轉(zhuǎn)化為B細胞，這提示著這兩種物質(zhì)靶向相同的機制。5.Nat Biotechnol ：新技術(shù)可將胰腺外分泌細胞轉(zhuǎn)化成為胰島 素B細胞doi:10.1038/nbt.3082 近日，刊登在國際雜志 Nature Biotechnology 上的一篇研究論文中， 來自哈佛干細胞研究所 的研究人員通過研究表示，將成體細胞重編程為活體中的任何類型細胞后，細胞還可以長時間維持其功

13、能。文章中研究 人員利用一種基因結(jié)合的方法來改變糖尿病成體小鼠的胰 腺外分泌細胞，使得這些細胞轉(zhuǎn)變成為胰島素B分泌細胞從而治療代謝疾病小鼠，并且改善小鼠的胰島素產(chǎn)生。研究者 Zhou 博士表示， 重編程的效率一直以來都是個問題， 截止到 目前為止，新產(chǎn)生的細胞數(shù)量會迅速減少，有時候也會完全 消失；本文研究中我們發(fā)現(xiàn)重編程后的細胞也是有用的而且 可以營造一種細胞得以生存的環(huán)境。這項研究中，研究人員 對小鼠研究了長達 13 個月，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，誘導產(chǎn)生的胰島素 B分泌細胞可以保持一定的功能，而且活性較好；將胰腺外 分泌細胞轉(zhuǎn)化成為產(chǎn)生胰島素的胰腺B分泌細胞這種技術(shù)或?qū)τ陂_發(fā)治療糖尿病的新型療法帶來一定

14、的思路，也對于 理解 1型和 2 型糖尿病的發(fā)病根源帶來了希望。 6.Nat Commun :改變肝臟細胞身份為糖尿病治療提供新方向 doi:10.1038/ncomms14127 根據(jù)德國科學家的一項最新研 究，通過改變一個基因的活性對肝臟細胞進行重編程使其變 成胰腺祖細胞已經(jīng)成為可能。最高德爾布呂克分子醫(yī)學中心 （MDC ）的研究人員在小鼠身上成功地實現(xiàn)了這種細胞命運 的轉(zhuǎn)變，他們的結(jié)果有望幫助實現(xiàn)對糖尿病人進行細胞治 療。一個叫做 TGIF2 的基因在上述過程中起到關(guān)鍵作用。 TGIF2 在胰腺組織中非?；钴S而在肝臟中并非如此。在這項 研究中，研究人員在小鼠肝臟細胞中過表達了 TGIF2

15、 基因 隨后進行了現(xiàn)象的觀察。他們發(fā)現(xiàn)肝臟細胞首先失去了肝臟 細胞的特性隨后獲得了胰腺細胞的特征。研究人員將經(jīng)過改 造的細胞移植到糖尿病小鼠模型中，小鼠的血糖水平很快就 得到了改善，表明移植的細胞確實發(fā)揮了胰島細胞的功能。 這項研究將應用細胞療法治療糖尿病又推進了一步。 7.Cell Stem Cell:科學家成功將皮膚細胞重編程為產(chǎn)生胰島素的胰 腺B細胞打開應用保存高清大圖近日， 刊登在國際著名雜志 Cell Stem Cell 上的一篇研究報告中，來自格拉斯通研究所( Gladstone Institutes )的研究人員通過研究開發(fā)出了一種新型技術(shù)，其 可以將皮膚細胞重編程為產(chǎn)生胰島素的

16、胰腺細胞，這就為開 發(fā)新型的治療 1 型糖尿病的療法提供了一定思路和希望。這 項研究中，研究者首先從實驗小鼠身上收集名為成纖維細胞 的皮膚細胞，隨后利用特殊分子和重編程因子的混合物對其 進行處理，進而將皮膚細胞轉(zhuǎn)化成為內(nèi)胚層樣細胞，內(nèi)胚層 細胞是在早期胚胎中發(fā)現(xiàn)的一種細胞，其可以最終分化為機 體的主要器官，包括胰腺等。研究者 Ke Li 表示，使用另一 種化合物我們就可以將內(nèi)胚層樣細胞轉(zhuǎn)化成為早期胰腺樣 細胞，稱之為PPLC' s,研究者最初的目的是觀察是否可以 促進PPLC' s生長成熟成為胰腺B細胞，隨后研究者想觀察 是否相同的結(jié)果在活體動物模型中依然如此，因此研究者將PP

17、LC's 移植到了遺傳修飾小鼠體內(nèi)中進行研究。僅僅在移 植后一周后，研究者就發(fā)現(xiàn)動物體內(nèi)的葡萄糖水平發(fā)生了明 顯的降低，當將移植細胞剔除后，葡萄糖的水平立馬就回升 了。 8.Dev Cell ：首次將小鼠導管內(nèi)皮細胞重編程為胰島素 B細胞有望治療人類糖尿病 刊登在國際雜志Developmental Cell 上的一篇研究報告中，來自 Valrose 生物 學研究所的研究人員通過對小鼠研究揭示，其胰腺中包含的 細胞可以被轉(zhuǎn)化成為產(chǎn)生胰島素的B細胞，而且可以在任何年齡段的小鼠中發(fā)生，研究者表示，所有的胰腺B細胞都可以進行多次再生，這樣在小鼠體內(nèi)進行的化學誘導的糖尿病 就可以被多次治療，這項

18、研究或造福于人類。 2009 年，本文 的研究者設(shè)法在年輕小鼠體內(nèi)將產(chǎn)生胰高血糖素的a細胞轉(zhuǎn)化為B細胞，如今他們報道了胰腺導管細胞( pancreatic ductal cells )可以被持續(xù)誘導，隨后轉(zhuǎn)化成a細胞，最后轉(zhuǎn)化成為B細胞。研究者 Patrick Collombat表示，通過人工誘 導小鼠患I型糖尿病，我們揭示了所有的胰腺B細胞可以至少再生三次，用此種方法誘導小鼠產(chǎn)生的糖尿病可以被多次 治療，這就得益于這種新型再生的胰島素B細胞。9.Nature:胰島a細胞救急胰島B細胞糖尿病療法新希望 doi:10.1038/nature08894 一個國際研究小組日前發(fā)現(xiàn)，一旦胰腺中生成胰島

19、素的胰島 B細胞全被破壞，那么胰腺中就會有其他細胞出來“救急”，“變身”為胰島B細胞。這一發(fā)現(xiàn) 表明，胰島B細胞可以“再生”，這也許有助于醫(yī)學專家重 新設(shè)計對糖尿病的療法。研究人員給小鼠使用了一種名為白 喉的毒素，將小鼠體內(nèi)的胰島B細胞全部破壞，結(jié)果小鼠出現(xiàn)糖尿病癥狀。為了維持小鼠的生命，研究人員給它們注射 胰島素。兩到四周后，他們驚訝地發(fā)現(xiàn)，小鼠體內(nèi)的胰島a細胞出現(xiàn)變化，原本只負責制造胰高血糖素的胰島a細胞現(xiàn)在開始制造新的胰島B細胞。在接受實驗的 8只小鼠中，有 一半在10個月以后胰島B細胞增殖到原有數(shù)量的 20%左右， 擺脫了糖尿病癥狀。此前，研究人員從未發(fā)現(xiàn)胰島a細胞能夠成為胰島B細胞的

20、來源。他們指出，如果人體內(nèi)胰島a細胞能夠代替數(shù)目減少或者功能減弱的胰島B細胞，將會為糖尿病治療帶來希望。 10.Cell ：單基因激活可使胰腺細胞轉(zhuǎn)化 為胰島B細胞德國馬克斯普朗克生物物理 化學研究所研究人員通過激活患糖尿病老鼠胰腺細胞的一 種基因，使一些胰腺細胞轉(zhuǎn)化為能分泌胰島素的細胞。這一 成果為糖尿病治療研究帶來了新思路。胰島B細胞具有分泌胰島素并以此降血糖的功能，而胰高血糖素的作用與胰島素 相反，能使血糖升高， 兩者共同作用可以調(diào)節(jié)機體血糖平衡。 德國研究人員發(fā)現(xiàn)， 通過激活患糖尿病老鼠的胰腺細胞 Pax4 基因，不僅可以使胰腺分泌的前體細胞轉(zhuǎn)化為能分泌胰島素的胰島B細胞，而且還能使原

21、來分泌胰高血糖素的細胞轉(zhuǎn)化 為胰島B細胞。參與這項研究的專家說，在老鼠身上發(fā)現(xiàn)的 上述基因調(diào)節(jié)機制能否用于人還需更多研究加以證實。如果 將來可以依據(jù)上述發(fā)現(xiàn)研發(fā)糖尿病藥物，還需要考慮各種因 素，例如不能導致胰島 B細胞過多生成，否則會破壞胰島素 和胰高血糖素之間的微妙平衡。11.糖尿病治療新希望！華人科學家成功誘導人類皮膚細胞形成B細胞doi:10.1038/ncomms10080 最近，來自美國加州大學舊金山 分校的華人科學家 Sheng Ding 領(lǐng)導的研究團隊成功地將人 類皮膚細胞誘導為具備全部功能的胰腺B細胞。這些新細胞能夠應答葡萄糖水平變化從而合成胰島素，將這些細胞移植 到糖尿病小鼠

22、模型體內(nèi)還可以保護小鼠阻止糖尿病的發(fā)生。 在這項研究中，研究人員利用藥物和遺傳學方法成功地將皮 膚細胞重編程為內(nèi)胚層祖細胞，通過這種技術(shù)進行誘導獲得 的細胞不需要完全返回到多能干細胞狀態(tài)，這也就意味著科 學家們能夠利用這些細胞更快地獲得胰腺細胞。研究人員向 重編程得到的內(nèi)胚層細胞中加入另外四種分子，內(nèi)胚層細胞 就會發(fā)生快速分裂，特別重要的是，這些快速分裂的細胞并 沒有表現(xiàn)出任何形成腫瘤的跡象，它們?nèi)匀槐３至俗鳛樵缙?器官特異性細胞的特征。研究人員先將內(nèi)胚層細胞誘導為胰 腺祖細胞，隨后再將其誘導為具有全部功能的胰腺B細胞。最為重要的是，研究人員發(fā)現(xiàn)他們通過重編程誘導得到的胰 腺B細胞能夠能夠應答

23、血糖變化，合成分泌胰島素，從而保 護糖尿病小鼠模型避免發(fā)生糖尿病。這項研究是首次直接通 過細胞重編程方法成功獲得具有胰島素合成能力的人類胰 腺B細胞，代表著科學家們在細胞重編程技術(shù)方面取得的重 大進步，這一技術(shù)將幫助科學家們更加有效地獲得胰腺細 胞，進一步推動糖尿病個體化細胞治療。 12.Cell Stem Cell： 構(gòu)建出在體內(nèi)產(chǎn)生胰島素的微型胃器官打開應用保存高清大圖科學家們已用了幾十年的努力試圖 取代產(chǎn)生胰島素的被稱作 B細胞的胰腺細胞，其中這些細胞 在糖尿病病人體內(nèi)丟失了。如今，在一項新的研究中，一個 研究小組發(fā)現(xiàn)來自胃下部的幽門組織有最大潛力被重編程 成一種B細胞的狀態(tài)。研究人員從

24、小鼠體內(nèi)獲得這種組織樣 品，將它們培育成當被移植回這些動物體內(nèi)時產(chǎn)生胰島素的 “微型器官( mini-organ )”。 這些微型器官中的干細胞還繼 續(xù)補充這種產(chǎn)生胰島素的細胞群體，促進這種組織可持續(xù)再 生。為了在身體中找到這種最適合的經(jīng)重編程產(chǎn)生胰島素的 組織，研究人員對小鼠進行基因改造讓它們表達三個讓其他 類型細胞轉(zhuǎn)變?yōu)锽細胞的基因。論文通信作者、哈佛大學干 細胞與再生生物學系研究員 Qiao Zhou 說，“我們找遍了包括 從小鼠的鼻子和尾巴在內(nèi)的組織。我們令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，位 于胃部幽門區(qū)域的一些細胞最適合于轉(zhuǎn)化為B細胞。這個組織似乎是最好的起始材料。 ” 研究人員獲取這些小鼠的胃組 織，在實驗室中對它進行基因改造讓它表達這些B細胞重編程因子，誘導組