間充質干細胞治療糖尿病及其并發癥的應用研究概述(干細胞的治療作用)

文：何曉文

編輯：陳圓圓 鄭天慧

審校：湯紅明

糖尿病是影響人類健康的重要疾病。近年來，隨著人口老齡化以及肥胖率不斷升高，糖尿病的發病率也呈逐年遞增趨勢。盡管1型糖尿病患者可以通過胰島分泌細胞移植從根本上獲得治愈，但是受限于供體來源以及免疫排斥等問題，難以獲得廣泛應用。而針對2型糖尿病的傳統治療手段亦無法從根本上改善機體的胰島素耐受情況和恢復受損的胰島β細胞等問題。間充質干細胞（Mesenchymal Stem Cell, MSC）作為一種具有多向分化潛能的成體干細胞，在組織修復、免疫調節等方面展現出引人注目的應用潛能，其在1型和2型糖尿病治療方面也嶄露頭角。本文主要通過分析糖尿病的致病機制來探討MSC治療糖尿病的可行性。

1. 糖尿病的致病機制●●

1型糖尿病其顯著的病理學和病理生理學特征是胰島β細胞數量顯著減少和消失所導致的胰島素分泌顯著下降或缺失。盡管其機制不完全清楚，但目前的研究認為1型糖尿病的發病乃遺傳和環境因素的共同作用所致。

在遺傳因素中，HLA位點調控了αβT細胞的特異性，也被證明是1型糖尿病發病的主要易感位點。另外已發現58個基因組區域與1型糖尿病發病有重要相關性，其中包含了50個潛在的致病基因。這其中絕大部分基因如IL-2Rα（interleukin-2 receptor α）、CTLA-4（cytotoxic T lymphocyte antigen 4）、PTP（protein tyrosine phosphatase）、PTPN22（non-receptor type 22）等的功能都與免疫調節有關，這也反應出自身免疫系統缺陷是1型糖尿病的主要致病原因。

在環境因素中，病毒感染、微生物、營養以及氣候變化等都被認為是1型糖尿病發病的重要誘因。病毒感染一方面可直接裂解β細胞，另一方面亦可通過誘導β細胞表面MHCⅠ類分子的表達及促炎因子的釋放，引起針對自身的免疫反應。研究顯示腸道微生物對免疫系統有重要影響，尤其微生物多樣性減少被認為與自身免疫性疾病有重要關聯，這種變化也反映在1型糖尿病患者的腸道微生物特征上。另外，營養、氣候等特征也對自身免疫系統有潛在的影響，成為1型糖尿病發病的可能誘因。

2型糖尿病的病因和發病機制目前亦不明確，其顯著的病理生理學特征為胰島素調控葡萄糖代謝能力的下降（胰島素抵抗）伴隨胰島β細胞功能缺陷所導致的胰島素分泌減少（或相對減少）。胰島素抵抗現象常常出現在個體發育的青春期、妊娠期以及衰老等不同階段，而在其他情況下肥胖是胰島素耐受的主要誘因。

機體過度肥胖可以引起脂肪組織過多釋放游離脂肪酸（NEFA），增加了細胞內脂肪酸代謝產物如脂肪?；o脢A、甘油二酯（DAG）和神經酰胺等在細胞內的含量，促進了胰島素受體底物（IRS-1和IRS-2）的磷酸化，減弱了細胞對胰島素的響應信號，導致胰島素耐受。更為重要的是，過度肥胖還促進了脂肪組織釋放TNF-α（Tumor Necrosis Factor-α）、IL-1β（Interleukin-1β）、IL-6（Interleukin-6）和MCP-1（Monocyte Chemoattractant Protein-1）等多種炎癥因子，引發機體慢性炎癥反應。

目前研究認為，慢性炎癥是引起機體胰島素抵抗造成胰島β細胞損傷并最終導致2型糖尿病發生的主要因素。一方面炎癥因子可以對胰島素信號進行直接調節，例如TNF-α可以通過抑制胰島素受體酪氨酸激酶的活性引起機體的胰島素抵抗。IL-1β也可以通過轉錄水平和后轉錄水平兩種方式降低胰島素受體底物1（IRS-1）的表達情況，增大機體的胰島素耐受。另一方面炎癥因子還招募了大量巨噬細胞及其他免疫細胞。這些免疫細胞進一步釋放大量炎癥因子，成為誘發慢性炎癥的主要因素，同時巨噬細胞等免疫細胞在胰島部位的聚集也是誘發胰島β細胞功能損傷的重要原因。

綜上所述，1型和2型糖尿病治療的關鍵策略有三：一是促進胰島β細胞再生，提高自身胰島素分泌能力；二是阻止免疫系統對自身胰島細胞的攻擊，促進胰島β細胞的存活；三是抑制慢性炎癥反應，改善機體對胰島素的耐受情況。MSC的多向分化潛能、營養支持能力、免疫調節和抗炎能力使其在這些方面可以發揮重要作用。

2. 間充質干細胞治療糖尿病的作用機制●●

針對1型和2型糖尿病治療中的關鍵問題，MSC的作用機制可以概括為以下幾個方面：

（1）通過將MSC定向分化為胰島素分泌細胞，促進體內胰島素分泌。MSC具有多向分化潛能，在體外條件下Chao等通過分步誘導的方式將臍帶MSC細胞成功誘導成了胰島樣細胞并且進一步證明這些細胞在體內能夠發揮胰島細胞功能。Tsai等將GFP標記的臍帶MSC輸入糖尿病小鼠體內，發現這些細胞可以在胰腺內與人源的C肽分子共定位，證明在體內條件下MSC也能夠自發的分化為胰島樣細胞。盡管如此，MSC在體內的分化效率極低，Ianus等的實驗顯示雖然MSC移植促進了糖尿病小鼠中胰島β細胞再生，然而這些胰島β細胞中僅1.7~3%來自外源MSC細胞。由此推斷MSC定向分化在糖尿病治療中不起主要作用。

（2）通過直接的細胞間相互作用或者分泌HGF（Hepatocyte growth factor）、IGF-1（Insulin-like growth factor 1）、PDGF-BB（Platelet Derived Growth Factor-BB）、angiopoietin-1等多種生長因子和其他生物活性成分，MSC可以促進周圍干/祖細胞和基質細胞的活性，抑制細胞的凋亡，從而改善組織細胞損傷，促進組織修復過程。

在一項體外實驗中，MSC與人胰島組織共培養促進了胰島組織胰島素分泌能力，這顯示出MSC能夠直接促進胰島β細胞功能。另外，Chdravanshi等的實驗也證明與MSC共培養促進了胰島細胞在厭氧或氧化應激條件下的細胞活性，減少了細胞凋亡。

（3）通過免疫調節抑制自體免疫系統對胰島β細胞的攻擊以及炎癥反應，從而保護自身胰島β細胞存活，改善機體胰島耐受情況。目前積累的大量研究顯示MSC具有卓越的免疫調節能力。MSC可以通過直接接觸作用或者以旁分泌形式分泌PGE2（Prostaglandin E2）、IDO（Indoleamine 2,3-dioxygenase）、TGFβ（Transforming growth factor β）等多種生物調節因子調節免疫細胞的功能，抑制免疫系統對自身胰島β細胞的攻擊，從而改善細胞損傷情況。

T細胞是引起胰島β細胞損傷的主要免疫應答細胞。Urban等證明，在STZ誘導的1型糖尿病小鼠模型中，MSC通過抑制β細胞特異的T細胞應答，減少了新生β細胞損傷。Madec等指出，MSC可以促進調節性T細胞增殖，從而抑制了T細胞對胰島細胞的免疫應答。來自脂肪組織的巨噬細胞是誘導慢性炎癥并引起胰島耐受的重要原因。Xie等的研究指出，處在促炎狀態的巨噬細胞能夠刺激MSC分泌IL-6，促進巨噬細胞IL-4R的表達，誘導STAT6的磷酸化，使其由M1態轉變為M2態，從而抑制炎癥反應并最終改善機體的胰島素耐受情況。

MSC也能夠通過抑制B細胞的免疫應答減少靶向胰島β細胞的自身抗體產生。Corcione等的研究顯示，與MSC共培養能夠抑制Anti-CD40、Anti-IL-4等刺激的B細胞增殖。同時，MSC共培養也降低了B細胞分泌IgM、IgG和IgA等產物的能力，顯示其對B細胞分化成熟的抑制作用。另外，MSC通過分泌IDO、PEG2等因子還能夠抑制自然殺傷細胞（NK細胞）的增殖和細胞毒作用。

研究者通過高脂飲食/ STZ給藥誘導糖尿病大鼠模型，發現在癥狀早期階段（7天）輸注的MSC可募集于受損胰島組織中，不僅促進了β細胞功能，而且改善了胰島素耐受；而晚期階段（21天）輸注的MSC僅改善了胰島素耐受。這一研究還發現MSC可促進胰島組織中GLUT4表達，改善機體的胰島素抵抗狀態。

總結 ●●

綜合以上分析，大量體外以及體內實驗揭示了MSC在糖尿病治療上有重要作用，為其臨床應用奠定了基礎。

（本文源自《醫學參考報》干細胞與再生醫學頻道 2020-02期第6版文章，ID：yxckbsc）

作者介紹

原能細胞科技集團有限公司 何曉文

美國Rutgers University研究教授，原能細胞科技集團副總裁兼首席科學家。從事生物免疫、疫苗、細胞治療等領域的科研成果轉化20余年，曾帶領團隊研發的“治療用粘質沙雷式菌苗（雷舒寧）”獲國家新生物制品I類新藥證書。曾在New Jersey Stem Cell Center和Merck公司帶領團隊建立和完善細胞治療關鍵技術體系。主持研究的肝癌腫瘤疫苗，獲軍隊科學技術進步獎二等獎。主持多項美國國立衛生研究院（NIH）、中國國家自然科學基金項目。獲授權發明專利25項，在國際學術刊物上發表論文30余篇。