胰腺β細胞的缺失和功能衰竭會(huì )導致葡萄糖穩態(tài)的破壞以及糖尿病的進(jìn)展。盡管全胰腺或胰島移植是補充β細胞和治療糖尿病的一種有前景的方法，但供體胰島的嚴重短缺使得大多數糖尿病患者無(wú)法接受這種治療。干細胞，特別是誘導多能干細胞（iPSCs），因其自我更新能力以及分化為功能性β細胞的能力，在糖尿病治療方面極具潛力。

從干細胞到胰腺β細胞：糖尿病的策略、應用和潛在治療方法

近期發(fā)表在權威期刊雜志《 Molecular and Cellular Biochemistry》的一項研究，為糖尿病患者帶來(lái)了巨大的希望，并且必將改變未來(lái)的臨床實(shí)踐。

在這篇綜述中，我們首先介紹功能性β細胞的發(fā)育過(guò)程及其異質(zhì)性，然后重點(diǎn)闡述從干細胞生成β細胞的最新研究進(jìn)展，以及這些β細胞在疾病建模、藥物研發(fā)和臨床治療中的潛在應用。

最后，我們探討了目前在開(kāi)發(fā)基于干細胞的治療策略以改善糖尿病治療方面所面臨的挑戰。盡管仍然存在一些重大的技術(shù)障礙，但干細胞為糖尿病患者帶來(lái)了巨大的希望，并且必將改變未來(lái)的臨床實(shí)踐。

糖尿?。含F狀、發(fā)病根源、傳統治療難題與干細胞帶來(lái)的新希望

糖尿病是一種多維代謝紊亂，主要特征是血糖升高和糖脂代謝受損。2021年全球糖尿病患者人數估計為5.37億，預計到2045年這一數字將達到7.83億。

美國糖尿病協(xié)會(huì )將糖尿病大致分為四類(lèi)：1型糖尿病 (T1DM)、2型糖尿病 (T2DM)、妊娠期糖尿病 (GDM) 以及由單基因突變或胰腺外分泌疾病或藥物副作用引起的特定類(lèi)型糖尿病。

T1DM和T2DM分別占糖尿病總人口的約5%–10%和90%–95%。糖尿病的進(jìn)展可導致多種微血管或大血管并發(fā)癥，如視網(wǎng)膜病變、腎病、足部潰瘍以及心血管、腦和周?chē)芗膊　?/p>

盡管飲食調整和抗高血糖藥物等多種策略可以改善葡萄糖耐量并暫時(shí)維持血糖穩態(tài)，但糖尿病尚無(wú)真正的治愈方法。1型糖尿病以及晚期2型糖尿病和部分單基因糖尿病仍然依賴(lài)外源性胰島素注射。然而，這種治療通常與心血管并發(fā)癥甚至危及生命的低血糖發(fā)作的巨大風(fēng)險有關(guān)。

胰腺β細胞通過(guò)動(dòng)態(tài)分泌胰島素維持血糖平衡，其功能異?；驍盗繙p少是糖尿病發(fā)生的核心機制。

1型糖尿病源于自身免疫攻擊導致的β細胞缺失，2型糖尿病則由胰島素抵抗伴隨的β細胞代償衰竭引發(fā)，單基因糖尿病則與特定基因突變直接相關(guān)。

目前臨床采用的胰腺 / 胰島移植雖能重建胰島素分泌功能，但手術(shù)風(fēng)險、評估標準缺失及供體短缺問(wèn)題顯著(zhù)限制其普及。

近年來(lái)干細胞技術(shù)的突破為糖尿病治療提供了新路徑，尤其是誘導多能干細胞 (iPSC) 可通過(guò)重編程成體細胞高效生成β樣細胞，為解決供體不足問(wèn)題帶來(lái)革命性希望。

胰腺β細胞成熟和異質(zhì)性

干細胞是非特化細胞，能夠自我更新并分化為多種功能活躍細胞，因此在基于細胞的疾病治療中具有巨大潛力。為了利用干細胞創(chuàng )建功能齊全的β細胞，我們需要了解β細胞成熟過(guò)程并定義功能成熟的β細胞的構成。通常使用葡萄糖反應性來(lái)確定β細胞成熟度，出生后β細胞成熟會(huì )繼續進(jìn)行，伴隨分子和代謝事件，β細胞能夠實(shí)現葡萄糖刺激的胰島素分泌。以前，β細胞發(fā)育和成熟的過(guò)程是在體外人工重現的。

目前，單細胞分析和成像技術(shù)的進(jìn)步使得在體內識別細胞類(lèi)型并隨時(shí)間追蹤其譜系成為可能。此外，存在多種β細胞亞型，它們在胰島內發(fā)揮著(zhù)不同的作用。

胰島發(fā)育和β細胞成熟

目前，調節胰腺發(fā)育的分子事件僅在動(dòng)物模型（主要是小鼠）中得到闡明。其中，胰島發(fā)育及β細胞成熟機制在小鼠模型中已獲較深入解析：胰腺祖細胞通過(guò)PDX1調控啟動(dòng)發(fā)育程序，經(jīng)Notch信號通路決定分化方向，內分泌前體細胞在 NGN3驅動(dòng)下形成胰島。ARX、PAX4等轉錄因子分別調控α/β細胞命運，β細胞需經(jīng)歷代謝模式轉變（糖酵解→線(xiàn)粒體氧化代謝）以獲得葡萄糖刺激胰島素分泌功能，MAFA通過(guò)調控Gck、Slc30a8等基因維持其代謝穩態(tài)。

人類(lèi)胰腺發(fā)育研究存在顯著(zhù)空白，種屬差異揭示關(guān)鍵分子機制不同：人類(lèi)β細胞持續表達嚙齒類(lèi)胚胎期特有的MAFB，單細胞測序發(fā)現 GATA5、NR2F1等物種特異性轉錄因子表達模式。隨著(zhù)單細胞技術(shù)發(fā)展，未來(lái)有望精準解析人類(lèi)宮內發(fā)育分子事件，為干細胞分化β細胞提供更可靠的發(fā)育模板。

β細胞異質(zhì)性

胰腺β細胞的形態(tài)、功能和基因表達并不一致（圖1）。

胰腺β細胞的形態(tài)、功能和基因表達并不一致。就形態(tài)異質(zhì)性而言，不同β細胞的細胞核和其他細胞器的大小不同。就基因表達而言，不同成熟階段的β細胞表現出不同的表面標志物表達，例如ST8SIA1和CD9，以及β細胞標志物表達，例如PDX1和NKX6.1。就功能而言，不同β細胞群體的應激反應和胰島素分泌并不相同

異質(zhì)性維度與特征

形態(tài)異質(zhì)性：胰島β細胞在細胞核大小、細胞器分布及空間定位（如血管/神經(jīng)末梢鄰近性）上存在顯著(zhù)差異，影響葡萄糖敏感性。

功能異質(zhì)性：約25%的β細胞在葡萄糖刺激下呈現“可切換狀態(tài)”（有反應?無(wú)反應動(dòng)態(tài)轉換），而75%保持穩定反應模式。

亞群劃分依據：通過(guò)分子標志物（如Fltp、CD9、ST8SIA1）及表觀(guān)遺傳特征（H3K27me3水平）可區分不同功能亞群。

動(dòng)態(tài)應激響應：不同亞群對氧化應激、內質(zhì)網(wǎng)（ER）應激的未折疊蛋白反應（UPR）強度差異顯著(zhù)，導致壓力適應能力分層。

更好地了解β細胞異質(zhì)性使我們能夠闡明糖尿病中β細胞衰竭的致病機制。每個(gè)β細胞亞群可能在疾病進(jìn)展中發(fā)揮不同的作用，揭示它們的功能特征可以識別與糖尿病中 β 細胞功能障礙相關(guān)的特定細胞亞型。不同亞型的 β 細胞在代謝、分泌和應激反應方面可能有所不同，這為開(kāi)發(fā)針對特定細胞亞型的靶向療法提供了潛在機會(huì )。

了解個(gè)體患者中不同類(lèi)型 β 細胞的內容和功能狀態(tài)無(wú)疑有助于制定個(gè)性化治療方法，有效控制血糖水平。此外，了解 β 細胞在體外分化過(guò)程中的異質(zhì)性對于優(yōu)化分化方案和生成用于細胞替代療法的功能性 β 細胞至關(guān)重要。

小結：β細胞異質(zhì)性是其功能彈性與病理脆弱性的雙重基礎，解析亞群特異性機制將為糖尿病精準治療提供全新突破口。

從干細胞如何生成β細胞？

干細胞存在于胚胎組織、胎兒組織和成體細胞中。

根據發(fā)育潛能，干細胞可分為四大類(lèi)：全能干細胞、單能干細胞、多能干細胞和多能干細胞。全能干細胞（如受精卵）可分化成任何類(lèi)型的細胞，包括胎盤(pán)細胞。相比之下，單能干細胞的分化潛力最窄，只能專(zhuān)攻一種細胞類(lèi)型，如肌肉衛星細胞或精原細胞干細胞；這些細胞只能分別分化為肌肉細胞和精子細胞。多能干細胞 (PSC)，如源自植入前胚胎囊胚的胚胎干細胞 (ESC) 和源自遺傳重編程體細胞的iPSC，可用于建立生物體中除胎盤(pán)以外的所有細胞類(lèi)型。多能干細胞，如成體間充質(zhì)干細胞 (MSC)，可以在其所在的特定組織中分化成幾種細胞類(lèi)型。

多年來(lái)，干細胞重編程協(xié)議的顯著(zhù)進(jìn)步使得人類(lèi)PSC（hPSC）和MSC成為生成新β細胞的有希望的、理論上無(wú)限的細胞來(lái)源（圖2）。

干細胞，包括胚胎干細胞 (ESC)、間充質(zhì)干細胞 (MSC) 和誘導性多能干細胞 (iPSC)，可以通過(guò)化學(xué)或遺傳方式分化為胰島內分泌細胞。干細胞分化為胰島素分泌細胞的過(guò)程始于定形內胚層細胞的形成，隨后細胞命運縮小到原始腸管、胰腺內胚層、胰腺祖細胞和內分泌祖細胞，最后專(zhuān)門(mén)化為功能性 β 樣細胞，這些細胞表達 β 細胞標志，例如 NKX6.1、PDX1 和 NEUROD1

來(lái)自人類(lèi)胚胎干細胞（hESC）如何分化β細胞

胚胎干細胞（ESC）分化為β細胞的過(guò)程涉及多階段調控，主要通過(guò)模擬胚胎胰腺發(fā)育路徑實(shí)現：

定向分化為內胚層：通過(guò)激活 Activin/Nodal 信號通路，誘導ESC形成定型內胚層，表達SOX17等標記。

胰腺祖細胞階段：抑制TGF-β和 Wnt 信號，結合 FGF10 和 Notch 通路調控，促使細胞向胰腺前體細胞分化，表達 PDX1 等關(guān)鍵轉錄因子。

內分泌前體細胞生成：進(jìn)一步調控 Notch 和 RA（視黃酸）信號，促進(jìn)細胞退出細胞周期，形成表達 NKX6.1、PAX4 等的內分泌前體細胞。

β細胞成熟：通過(guò)激活 MAFA、PDX1 等基因，結合葡萄糖刺激，誘導胰島素分泌功能的成熟，最終形成具有葡萄糖響應性的 β 細胞。

技術(shù)進(jìn)展：

• 2014年Rezania團隊開(kāi)發(fā)的七階段方案首次實(shí)現高效分化，細胞表達MAFA并具備類(lèi)胰島功能。
• Pagliuca團隊通過(guò)直接分化法，無(wú)需基因編輯即可生成大量功能性β細胞。
• 近年通過(guò)3D類(lèi)器官培養（如Li等）優(yōu)化細胞結構，提升代謝成熟度。

來(lái)自人類(lèi)誘導PSC（hiPSC）的如何分化β細胞

與hESC具有相似多能性的HiPSC是由成人體細胞產(chǎn)生的，可以生成患者特異性的β細胞用于自體移植，且免疫后果更少。為了真正增強hiPSC在β細胞再生方面的能力，需要可重復且有效的方案來(lái)指導iPSC分化為功能性β細胞。

到目前為止，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了許多iPSC到β細胞的分化方案，這些方案通過(guò)用不同的信號分子和生長(cháng)因子依次處理iPSC來(lái)重現胚胎胰腺的器官形成階段。與hESC類(lèi)似，hiPSC分化為胰島素分泌細胞的過(guò)程也是從定形內胚層細胞開(kāi)始，依次縮小為原腸管、胰腺內胚層、胰腺祖細胞和內分泌祖細胞，最后分化為β細胞（圖2）。

MSCs如何向功能性β細胞的轉分化

MSCs是一類(lèi)多能間充質(zhì)基質(zhì)細胞，可粘附于塑料，表達間充質(zhì)標志物，但不表達造血標志物。迄今為止，已從圍產(chǎn)期來(lái)源分離出MSCs，包括羊水、胎盤(pán)、臍帶血和基質(zhì)（華通氏膠），以及各種成人組織，如骨髓、脂肪組織、肝臟、牙髓、扁桃體、子宮內膜、骨膜和外周血。

這些細胞有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)；它們擁有免疫調節功能，但沒(méi)有致畸性或免疫生成性。此外，MSC可以合成各種細胞因子和生長(cháng)因子，從而促進(jìn)周?chē)毎拇婊?/strong>。Berman等人將同種異體MSCs與胰島共移植，并表明MSCs增強了胰島功能。MSC還可以釋放微泡 (MV)。微泡中含有生物活性分子，可以改變靶細胞的轉錄和增殖以及免疫調節，從而導致功能和表型變化。因此，MSC衍生的MV可以成為一種新的治療資源。

此外，由于MSC細胞表面主要組織相容性復合體 (MHC) II類(lèi)分子和共刺激分子表達減少，因此MSC被認為是免疫特權細胞。另外，MSC可以通過(guò)直接的細胞間相互作用和可溶性因子分泌來(lái)破壞各種免疫反應途徑。MSC的這些免疫特性使其成為各種再生醫學(xué)應用的有希望的候選對象。

研究表明，分化細胞在葡萄糖刺激下會(huì )分泌胰島素和C肽，并在移植到糖尿病動(dòng)物體內時(shí)控制糖尿病。

干細胞衍生的β細胞為疾病建模和藥物發(fā)現提供了平臺

從患者細胞中產(chǎn)生的PSC衍生β樣細胞攜帶患者的遺傳變異和表觀(guān)遺傳結構，有望在體外重現糖尿病的病理生理狀況。這些患者特異性β樣細胞還為高通量藥物篩選和驗證提供了一個(gè)絕佳的平臺，可為靶向治療提供新的選擇（圖3）。迄今為止，人們已經(jīng)付出了大量努力來(lái)了解糖尿病病理生理學(xué)并使用基于iPSC的疾病模型開(kāi)發(fā)治療藥物。

患者特異性或基因編輯的PSC衍生的胰島或β樣細胞可用于模擬糖尿病，從而深入了解糖尿病條件下β細胞功能障礙背后的遺傳和細胞缺陷。此外，hPSC衍生的胰島與各種主要外周組織共培養有助于了解組織間激素和分子通訊對β細胞動(dòng)力學(xué)的影響。此外，疾病模型與高通量篩選技術(shù)相結合，為篩選藥物和進(jìn)一步評估其對β細胞身份和功能的影響提供了無(wú)限的細胞來(lái)源。

PSC衍生的胰腺β樣細胞在細胞治療中的潛在應用

干細胞分化方案和藥物輸送裝置的顯著(zhù)進(jìn)步使干細胞療法成為治療糖尿病的有希望的方法（圖4）。

到目前為止，已經(jīng)啟動(dòng)了許多使用hPSC衍生的胰腺譜系治療糖尿病的臨床試驗。

2014年，Viacyte, Inc.（前身為 Cythera Inc.或Novocell Inc.）領(lǐng)導了首次人體試驗 (NCT02239354)，以評估將hESC衍生的胰腺內胚層細胞 (PEC) 納入稱(chēng)為 PEC-Encap (VC-01) 的密封封裝裝置的安全性和有效性，該裝置可保護移植物免受免疫侵入。

然而，由于氧氣和營(yíng)養供應受損，該裝置中植入的PEC無(wú)法成功植入宿主組織。為了克服這些限制，ViaCyte選擇了一種名為PEC-Direct (VC-02) 的裝置，允許植入的細胞直接接觸宿主血管而無(wú)需免疫隔離；因此，需要同時(shí)進(jìn)行免疫抑制治療。

2017年，Viacyte 啟動(dòng)了另外兩項臨床試驗，使用裝載有PEC的PEC-Direct設備治療1型糖尿病患者（NCT03162926）或患有低血糖無(wú)意識的1型糖尿病患者（NTC03163511）。

2021年，兩項研究報告了這些正在進(jìn)行的多中心 I/II 期臨床試驗的初步結果，涉及兩組各15名和17名1型糖尿病患者。

盡管出現了一些與免疫抑制相關(guān)的不良事件，但臨床結果表明該手術(shù)相對安全，且未發(fā)生畸胎瘤。重要的是，移植的 VC-02裝置內的移植PEC在皮下植入后可存活長(cháng)達26周，并可通過(guò)分泌C肽分化為對葡萄糖有反應的胰島素產(chǎn)生細胞，從而導致功能性 β 細胞標志物的表達和進(jìn)餐刺激后C肽的釋放。然而，由于β細胞質(zhì)量不足，沒(méi)有一名患者實(shí)現胰島素獨立。事實(shí)上，表達胰高血糖素的α 細胞代表了移植物內的主要群體。

最近，ViaCyte與CRISPR Therapeutics合作，宣布啟動(dòng)一項臨床試驗，使用由基因組編輯的低免疫hPSC生成的PEC，它可以逃避宿主的免疫系統（https://viacyte.com/pipeline/#PEC-QT-VCTX210）。

干細胞療法正成為一種有前途的糖尿病治療方法。多項臨床試驗評估了在1型糖尿病患者中植入干細胞衍生的β樣細胞的安全性和有效性。干細胞療法仍存在一些挑戰，例如免疫排斥、最佳移植部位和治療安全性。

盡管封裝的PEC能夠在植入后分化為成熟的β細胞，但由于體內成熟時(shí)間延長(cháng)，該??過(guò)程需要數月時(shí)間，并且由PEC產(chǎn)生的功能性β細胞僅占移植物內分泌成分的一小部分。此外，β細胞對氧氣和營(yíng)養物質(zhì)的需求更大，移植早期細胞周?chē)狈ρ芑瘜е乱浦驳摩录毎罅克劳?。為了克服這一限制，體外生成完全分化的β樣細胞已引起人們的極大興趣，這是一種潛在策略，可增加移植物中功能性β細胞的百分比，并在移植后立即啟動(dòng)其功能。

2021年，Vertex Pharmaceuticals啟動(dòng)了一項 I/II 期臨床試驗 (VX-880, NCT04786262)，其中將 hESC 衍生的完全分化的 β 樣細胞通過(guò)門(mén)靜脈移植到患有低血糖無(wú)意識和嚴重低血糖的T1DM患者的肝臟中。第一組結果顯示，患者在移植后 90 天內恢復了胰島素分泌能力，外源性胰島素給藥量減少了91%，但需要長(cháng)期免疫抑制治療。

2023年，Vertex Pharmaceuticals Inc. 獲得批準進(jìn)行額外的I/II期臨床試驗，使用其專(zhuān)有的免疫保護裝置（通道陣列裝置），而無(wú)需使用免疫抑制療法 (VX-264, NCT05791201)。這些試驗的比較將提供機會(huì )，以無(wú)偏倚地評估干細胞衍生的 PEC 與 β 樣細胞和移植部位的相對影響。

結論

干細胞衍生的β樣細胞或胰島的最新進(jìn)展不僅促進(jìn)了β細胞衰竭分子基礎的研究，還為治療糖尿病提供了可能的新療法。

然而，仍然存在幾個(gè)重大的技術(shù)障礙：

(1) 適當分化植入的細胞，以確保它們能夠正常運作并避免不受控制的細胞分裂。盡管正在進(jìn)行的臨床試驗中使用的胰腺祖細胞可以在體內分化并成熟為類(lèi)似人類(lèi)胰島的結構，但未成熟的多激素細胞隨時(shí)間的功能尚不清楚。

(2) 開(kāi)發(fā)有效的免疫抑制策略以防止免疫排斥?；颊叩拿庖呦到y可能會(huì )將植入的干細胞或轉化的胰島素產(chǎn)生細胞識別為外來(lái)物質(zhì)并攻擊它們。需要進(jìn)行更多研究來(lái)確定這些新型靶向療法對糖尿病治療的安全性和實(shí)用性。

盡管如此，基于干細胞的細胞療法為糖尿病患者帶來(lái)了巨大的希望，并且肯定會(huì )改變未來(lái)的臨床實(shí)踐。

參考資料：Feng, X., Zhang, H., Yang, S.?et al.?From stem cells to pancreatic β-cells: strategies, applications, and potential treatments for diabetes.?Mol Cell Biochem?480, 173–190 (2025). https://doi.org/10.1007/s11010-024-04999-x

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