胰島B細胞去分化

1、糖尿病治療的新希望2型糖尿病胰島細胞去分化的研究進展內(nèi)分泌科12型糖尿病發(fā)病機制新進展2一.糖尿病發(fā)病病理生理學(xué)機制演變從“三重奏”到“八重奏”3T2DM的病理生理機制最初為 肝糖生成增加 肌肉葡萄糖攝取減少引發(fā)的胰島素抵抗 胰島細胞功能受損DeFronzo教授認為除了這三個方面外,還有更多的組織器官參與了糖尿病的病理生理過程三重奏4不協(xié)調(diào)的四重奏脂代謝紊亂 脂肪組織也存在胰島素抵抗，使脂肪細胞的脂解作用增強，游離脂肪酸（ FFA）釋放入血增多，成為T2DM的第4種病理生理機制FFA增加在2型糖尿病的發(fā)病機制中居于核心地位,它能夠引起： 細胞胰島素分泌缺陷 增加肝糖輸出 減少肌肉組織對葡萄糖的

2、攝取5精粹的五重奏腸促胰素（GLP-1）作用減弱腸促胰島素效應(yīng)減弱 IGT及T2DM患者餐后 GLP-1分泌減少 糖依賴性胰島素釋放肽(GIP)水平升高使得GLP-1類似物應(yīng)運而生6六重奏 七重奏胰島細胞分泌胰高血糖素增多 2型糖尿病患者基礎(chǔ)胰高血糖素水平增高,會導(dǎo)致基礎(chǔ)肝糖輸出增加腎小管對葡萄糖的重吸收增加 腎小管對葡萄糖的重吸收與鈉依賴性葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白-2(SGLT-2)有關(guān),而2型糖尿病患者的SGLT-2增加,葡萄糖重吸收增加7八 中樞神經(jīng)遞質(zhì)功能障礙下丘腦對血糖的調(diào)控紊亂 下丘腦在調(diào)節(jié)能量攝入和飲食行為中發(fā)揮著重要作用。研究顯示,與身材較瘦的人比較,肥胖者攝入葡萄糖后下丘腦室旁核和腹正

3、中核的抑制顯著減弱,并且達到最大抑制的時間明顯延遲。 8DeFronzo教授將所有這些影響2型糖尿病高血糖形成的因素稱為糖尿病 -生理病理 “惡兆八重奏”“八重奏”進一步揭示了2型糖尿病病理生理的復(fù)雜性,為臨床用藥帶來了新的思考9糖尿病的患病率在全球范圍內(nèi)迅速上升，預(yù)計到2035年糖尿病患者人數(shù)將增加到5.91億，其中9O為2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)。眾所周知胰島細胞功能減退是T2DM 的主要病因之一，當(dāng)確診T2DM時胰島 細胞功能大約僅為正常的5O%，Guariguata LGlobal estimates of diabetes prevale

4、nce for 2013and projections for 2035JDiabetes Res Clin Pract，2014，103(2)：137-14910既往認為胰島 細胞衰竭是外源性胰島素需求不斷增加的病理基礎(chǔ)。有學(xué)者認為胰島 細胞功能衰竭由于期凋亡增加，導(dǎo)致總胰島細胞數(shù)量減少。胰島 細胞的再生功能較差，因此，凋亡增加是其數(shù)量減少的主要因素。導(dǎo)致胰島 細胞凋亡的分子水平因素眾多，主要的機制包括：糖毒性、脂毒性、胰淀粉樣變等。11在自然病程中，胰島 細胞功能將進行性下降 。之前普遍認為糖尿病患者胰島功能降低是由于胰島 細胞的過早凋亡，但通過尸檢發(fā)現(xiàn)T2DM患者胰腺中細胞雖然數(shù)量有所減

5、少但與功能減退程度不成比例，最新研究發(fā)現(xiàn)糖尿病動物模型胰島細胞功能衰竭的主要原因是去分化而非凋亡。Butler PC，Meier JJ，Butler AE，Bhushan AThe replicationof beta cells in normal physiology，in disease and for therapyJNat Clin Pract Endocrinol Metab，2007，3(11)：75876812二.細胞分化的基本概念在個體發(fā)育中, 細胞的后代在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上發(fā)生差異的過程稱為細胞分化(differentiation)，其本質(zhì)是基因選擇性表達的結(jié)果，即基因表達

6、調(diào)控的結(jié)果。 細胞分化的關(guān)鍵在于組織特異性基因在時間、空間上的選擇性表達，導(dǎo)致特異性蛋白質(zhì)的合成。細胞分化是基因選擇性表達的結(jié)果。13受精卵有絲分裂細胞分化肌肉 細胞正常情況下，細胞的分化是不可逆的？受精卵有絲分裂細胞分化肌肉 細胞衰老、死亡14生物體的正常發(fā)育，是細胞在分化過程受到高度精巧的嚴格控制下發(fā)生的子代細胞親代細胞分裂分化組織細胞衰老、死亡15分化細胞具有以下四個特點：個體中所有不同種類細胞的遺傳背景完全一樣。分化細胞彼此之間在形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能方面的不同是由于其擁有不同的蛋白質(zhì)所致。細胞分化中最顯著的特點是分化狀態(tài)的穩(wěn)定性。雖然細胞分化是一種相對穩(wěn)定和持久的過程, 但是在一定的條件下

7、, 細胞分化又是可逆的。16一種類型的分化細胞轉(zhuǎn)變成另一種類型的分化細胞現(xiàn)象稱轉(zhuǎn)分化（transdifferentiation） 轉(zhuǎn)分化經(jīng)歷去分化（dedifferentiation）和再分化（Redifferentiation）的過程。 17轉(zhuǎn)分化與再生一種類型的分化細胞轉(zhuǎn)變成另一種類型的分化細胞現(xiàn)象稱轉(zhuǎn)分化（transdifferentiation）。 轉(zhuǎn)分化經(jīng)歷去分化（dedifferentiation）和再分化（Redifferentiation）的過程。 生物界普遍存在再生現(xiàn)象（regeneration），再生是指生物體缺失部分后重建過程，廣義的再生可包括分子水平、細胞水平、組織與器

8、官水平及整體水平的再生。 不同的細胞有機體，其再生能力有明顯的差異。包括生理性再生和修復(fù)性再生18 可逆性（能去分化和轉(zhuǎn)分化） 去分化:分化細胞失去原有的分化結(jié)構(gòu)和功能成為具有未分化細胞特性的過程。隨后可導(dǎo)致細胞再分化成另一種細胞。 轉(zhuǎn)分化:已分化細胞經(jīng)去分化后再分化成另一種細胞的變化過程。表皮細胞在過量維生素A的作用下可以轉(zhuǎn)分化為粘液細胞；眼視網(wǎng)膜色素上皮細胞可以轉(zhuǎn)分化為神經(jīng)上皮細胞。 在一定條件下，細胞分化是可逆的。 植物細胞的去分化,低等動物的再生現(xiàn)象（轉(zhuǎn)分化）。 19三.細胞細胞去分化胰島細胞去分化的概念最早在1999年被提出。2004年，Gershengorn等在體外培養(yǎng)的人胰島細胞

9、中觀察到胰島 細胞去分化現(xiàn)象,胰島 細胞去分化是指基因表達和結(jié)構(gòu)功能蛋白的變化使胰島 細胞的表型發(fā)生改變，使得已經(jīng)分化或部分分化成熟的正常胰島細胞反向褪去成熟細胞的特征，進而喪失部分或全部胰島素分泌能力。Ashery Padan R，Marquardt T，Zhou X ，et a1 Pax6 activity in thelens primordium is required for lens formation and for correct placement of a single retina in the eyeJGenes Dev，2000，14 (21)：2701271l20細

10、胞分化的調(diào)控可以在不同的水平上進行，即轉(zhuǎn)錄水平、翻譯水平以及蛋白質(zhì)形成后活性調(diào)節(jié)水平等。轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控是通過轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合在某基因上游特異核苷酸序列上調(diào)控其基因的轉(zhuǎn)錄。細胞包括3種必需的轉(zhuǎn)錄因子，即叉頭轉(zhuǎn)錄因子O1（FoxO1）、NK6 轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)1（NKX6.1）、肌腱膜纖維肉瘤癌基因同系物A（M AFA)）。21對叉頭轉(zhuǎn)錄因子O1（FoxO1）敲除小鼠世系追蹤法發(fā)現(xiàn)其 細胞發(fā)生去分化而不是丟失，去分化后的細胞轉(zhuǎn)化為具有多項分化潛能的內(nèi)分泌祖細胞樣細胞，失去其特異性的細胞表型和內(nèi)分泌能力，最終導(dǎo)致胰島細胞功能下降。22多種機制均可引起細胞去分化，如氧化應(yīng)激、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和缺氧應(yīng)激，進而導(dǎo)致 細

11、胞功能減退，其與細胞上FoxO1活性降低直接相關(guān)。FoxO1的失活和降解，促進了細胞的去分化，加速了T2DM 的發(fā)生發(fā)展。23NKX6.1是一個特異表達于成熟 細胞的轉(zhuǎn)錄因子，對 細胞的發(fā)育、終末分化和功能起著重要的作用。Sander等發(fā)現(xiàn)敲除NKX6.1的轉(zhuǎn)基因小鼠其功能性 細胞減少9O%以上。Taylor BI ，Liu FF，Sander MNKX61 is essential formaintaining the functional state of pancreatic 8 cellsJCellRep，2013，4(6)：1262127524Cinti等近期研究發(fā)現(xiàn)正常對照組Fox

12、O1分布在細胞的胞漿中，NKX6.1分布在胞核內(nèi)；糖尿病組FoxO1逐漸從胞漿中消失，NKX6.1由胞核內(nèi)逐漸轉(zhuǎn)移至胞漿中，兩種轉(zhuǎn)錄因子的表達均明顯下降，且細胞不再具有胰島素分泌功能。FoxO1的減少和NKX6.1由胞核轉(zhuǎn)至胞漿中體現(xiàn)了細胞去分化的特征。 25MAFA是一種具有亮氨酸拉鏈結(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，對維持成年胰腺結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定發(fā)揮著重要作用 ，并且MAFA是唯一能將內(nèi)分泌祖細胞分化成細胞的激活因子。Talchai等發(fā)現(xiàn)胰島 細胞發(fā)生去分化與轉(zhuǎn)錄因子MAFA的減少有一定相關(guān)性。26四.B細胞去分化與T2DM的發(fā)生胰島 細胞分泌的胰島素和a細胞

13、分泌的胰高血糖素，當(dāng)機體處于高血糖時胰高血糖素的分泌將減少，胰島素的分泌增加；反之，當(dāng)機體低血糖時，胰高血糖素分泌增加，胰島素的分泌受到抑制。a細胞和 細胞功能異常均可導(dǎo)致血糖水平的異常。正常情況下兩者處于平衡使機體血糖處于穩(wěn)態(tài)。27動物研究發(fā)現(xiàn)，去分化后的胰島細胞可轉(zhuǎn)化為具有多項分化潛能的內(nèi)分泌前體細胞或分化成其他類型的胰島細胞如a、 ：及PP細胞 ，從而導(dǎo)致體內(nèi)胰島素分泌減少及胰高糖素分泌增加，最終導(dǎo)致血糖升高。28Cinti等研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在T2DM 患者胰腺組織中ALDH1A3為對照組的3倍，ALDH1A3是胰島 細胞前體細胞標(biāo)志物，大量存在于人類胚胎期的胰腺中，T2DM患者胰腺組織中

14、ALDHIA3明顯增多，再次肯定了胰島 細胞發(fā)生了去分化。29 Cinti等將胰腺組織中突觸素(synaptophysin，Syn)表達陽性，而胰島素(insulin)、胰高血糖素(glucagon，Gcg)、胰多肽(pancreaticpolypeptide，PP)、生長抑素(somatostatin，Ssn)和胃饑餓素(Ghrelin)等表達陰性的細胞定義為去分化細胞。結(jié)果顯示，T2DM 患者胰島內(nèi)分泌細胞的數(shù)量與對照組沒有明顯差異，但是T2DM 組胰島素陽性細胞減少了32% ，去分化細胞的數(shù)量增加了61%；30糖尿病患者血糖升高的原因之一是細胞發(fā)生去分化后一部分再分化為a細胞，胰高血糖素

15、陽性細胞增加了68% 。通過線性回歸分析發(fā)現(xiàn)：單個胰島-葡萄糖誘導(dǎo)的胰島素分泌功能與去分化評分呈負相關(guān)，說明胰島細胞去分化程度越高，胰島素分泌功能下降越明顯。31五.B細胞功能有無逆轉(zhuǎn)的可能?雖然去分化的細胞具有轉(zhuǎn)化或分化的特性，但并未有退行性改變及凋亡，因此去分化的 細胞能否逆分化并重新具有內(nèi)分泌功能成為研究熱點。一些學(xué)者認為T2DM高血糖狀態(tài)是由于胰島 細胞超負荷分泌導(dǎo)致 細胞“筋疲力盡”所致，可以通過外源胰島素治療讓細胞得到充分“休息”來恢復(fù)細胞功能。在高血糖的壓力下，胰島 細胞并沒有死亡，只是短暫的失去了功能，在驅(qū)除高糖毒性后，細胞可以在很大程度上得到恢復(fù)。32由此，Wang等提出 細

16、胞去分化有可能是可逆的，其極有可能是在各種應(yīng)激作用下的一種應(yīng)對方式，在應(yīng)用胰島素治療后去分化的細胞可逆分化，并重新具有內(nèi)分泌功能。 332014年Wang等也發(fā)現(xiàn)，胰島細胞去分化是可逆的，在給予胰島素治療后，已去分化的細胞可重新分化為成熟的具有分泌功能的胰島細胞。而經(jīng)胰島素治療的K-GOF糖尿病小鼠 細胞功能可逐漸恢復(fù)，胰島素分泌量較前明顯增多。在應(yīng)用胰島素之前糖尿病小鼠胰高糖素免疫反應(yīng)陽性區(qū)域明顯增加，血漿胰高血糖素水平升高；但經(jīng)過胰島素治療后胰高血糖素得到大幅度逆轉(zhuǎn)，分泌胰島素量增加而且磺脲類藥物的療效也明顯增強，在應(yīng)用胰島素之前被標(biāo)記為去分化的細胞也恢復(fù)正常。Schisler JC，Je

17、nsen PB，Taylor DG ，et a1The Nkx61 homeodomaintranscription factor suppresses glucagon expression and regulates glucosestimulated insulin secretion in islet beta cellsJPNAS，2005，102(20)：7297730234研究還發(fā)現(xiàn)通過胰島素治療逆分化的 細胞與去分化的細胞具有相同的基因，這更有力地證明了逆分化的 細胞來源于之前去分化的細胞。這也可以解釋為什么初發(fā)T2DM 通過短期胰島素強化治療，可以解除高糖毒性，快速恢復(fù)胰島

18、細胞功能，從而達到糖尿病緩解。35也有研究表明口服降糖藥例如瑞格列奈或瑞格列奈聯(lián)合二甲雙胍等在T2DM診斷初期可獲得與胰島素相似的強化降糖作用。但口服降糖藥物是否也可將去分化的細胞逆分化，使其恢復(fù)原有的內(nèi)分泌功能，還有待探究。36胰島 細胞去分化的過程可能是可逆的，這為通過延緩胰島細胞衰竭來預(yù)防和治療糖尿病提供了更多可能。已有研究表明，在大鼠模型中，胃旁路手術(shù)后（減肥手術(shù)）可改善胰島 細胞去分化程度，機制尚不明確。Qian B，Zhou X，Li B，et a1Reduction of pancreatic beta-celldedifferentiation after gastric bypass surgery in diabetic ratsJM o1 Cell Biol，2014，6：53153437六. 小 結(jié) 細胞的去分化是引起胰島細胞功能衰竭的主要原因，其與 細胞轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控密切相關(guān)。T2DM 患者胰島細胞去分化明顯增加，且去分化程度越高胰島素分泌功能下降越明顯。38而疾病早期，解除高糖毒性后，胰島 細胞去分化過程可逆的，這也提示在治療早期應(yīng)更積極控制血糖，以幫助患者恢復(fù)部分胰島 細胞功能；提示為