不同来源的间充质干细胞治疗1型糖尿病进展

1型糖尿病是由于自身胰腺β细胞遭到破坏, 胰岛素分泌绝对缺乏所致。遗传因素是其主要的致病因素,环境因素也对1型糖尿病的发生发展有着不能忽略的影响, 但其机制至今尚未明确。由于胰腺β细胞被破坏,胰岛素分泌缺乏,激素替代疗法-外源注射胰岛素是目前用于控制血糖水平的主要方法。尽管外源注射胰岛素能有效的降低血糖,但随着糖尿病病程的发展出现的各种复杂的并发症,如大血管斑块、小血管硬化、视网膜病变和肾脏损害等,依赖长期外源注射胰岛素不能得到良好的干预及治疗效果,因此,众多学者期望能寻找一种糖尿病治疗的新方法。而新的1型糖尿病治疗策略有3处重点:保护残余β细胞、恢复β细胞和 β细胞的免疫保护[1]。胰岛移植似乎能满足上述治疗要点。但是,自身免疫及胰岛源匮乏却阻碍了此种治疗方法的推广。随着学者们对胰岛细胞不断深入的研究,他们发现各种来源的间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)可能会有助我们解决胰岛移植的难题。

大多数研 究都将骨 髓作为间 充质干细 胞的主要 来源 ,但MSCs在多年前就被发现可以从脂肪、骨骼肌、脐带 、肌肉等组织中提取[2]。因为它能满足一些有利于培养的条件而引起许多研究者的关注,包括在培养皿中培养时能贴附培养皿壁、能够同时表达一些细胞表面标记(如CD105,CD73,CD90)以及缺乏一些细胞标记 (如CD45,CD34,CD14,CD11b,CD79a,CD19a,HLA-DR)[3]。尽管选择间充质干细胞进行诱导,使其最终分化为胰腺β细胞不如多能干细胞(pluripotent stem cells,Ps)操作简便。但是相比多能干细胞,间充质干细胞易于购买和提取,并且具有比Ps更低的致肿瘤性,所以间充质干细胞能作为干细胞的代表,用于治疗糖尿病的基础研究[4]。而且 ,关于MSCs的免疫调节作用也有大量的报导,最近的临床试验显示了MSCs对移植物抗宿主疾病有强大的免疫调节作用[5],MSCs缺乏HLA-DR, CD14, CD80, CD86等表面标记物,所以不能激活宿主的免疫系统[6],而MSCs具有归巢的趋势,能引导自己至损伤的间叶组织,这一性质也可以为治疗蛋白提供良好的载体。在最近的临床试验中,通过肝穿的MSCs成功的减少了胰岛细胞抗体(ICA)和谷氨酸脱羧酶抗体(GAD),提示了MSCs良好的免疫调节作用。

目前多数将MSCs分化为胰岛素分泌细胞的方法称为化学诱导,此外还有共培养诱导、生物因子诱导及联合诱导。化学诱导是将一些可溶性的化学制剂按照次序或同时添加入培养皿,这些化学制剂具有促向β细胞种属细胞分化的作用。不同于人胚胎干细胞(Human Embryonic Stem Cell,h ESC),MSCs没有诱导的“标准方案”,大部分诱导方案都缺乏进一步的理论依据,这些诱导实验的主要依据都是来源于各种成功诱导的案例。直到最近才出现MSCs诱导的标准步骤,这种步骤是根据h ESC的诱导策略进行合适的调整所归纳出的基本方案。用此种方案进行诱导的MSCs在培养过程中一部分能成功分化, 另一部分却不能。当然, 其中的原因可能是由于每个MSCs都具有不同的内在分化潜能或者其在诱导时诱导因素的不足,但最主要的原因是MSCs的来源不一致,故该文的余下部分探讨的MSCs来源是建立在能成功诱导的基础上。

1 胰岛细胞

直接把整个胰腺组织铺开,并寻找其中具有分化为胰岛素分泌细胞潜力的MSCs是相当困难的。而且这种假定的胰岛前体细胞(至少部分具有β细胞的分化潜能)几乎不会在我们的胰腺中自然而然的表达为MSCs。但是胰岛内的MSCs可能比其他来源的MSCs更合适在试管内分化为胰腺组织这一假设很值得深入探讨。为此,Zulewski等报道了一篇关于从成人胰岛组织中分离出巢蛋白阳性的胰岛前体细胞的文章,这种前体细胞能够在试管中诱导为胰腺 的内分泌细胞 、外分泌细 胞及具有肝 脏表型的细胞。 此研究尽管缺乏足够的深度及广度,但仍为这一假设奠定了基石,吸引学者相继研究。如,Huang和Tang就报道了一篇来源于胎儿胰腺的巢蛋白阳性的前体细胞的文章, 该种细胞具有逆转NOD-SCID小鼠高血糖的能力。在国内 ,也有学者报导将胎猪胰腺组织来源的MSCs通过体外诱导分化为胰岛素分泌细胞,并移植到糖尿病模型裸鼠体内,在短期内可改善糖尿病小鼠高血糖状况。但是,关于这种细胞能否取代胰腺细胞分泌胰岛素,目前的理论证据还不足,并且实验的结果也是好坏参半。

研究者们不断为这种前体细胞在β细胞的重建过程中扮演的角色寻找一个可信的解释,比如Gershengorn主张β细胞能够向MSCs去分化,然后在某些特定的条件下再完成一种被称为上皮细胞间质转型的再次分化。但是这种假设被随后的研究否定。因为在观察中,这种“转型”的细胞胰岛素含量要比β细胞的胰岛素含量低2个数量级,故这种“转型”细胞是真正的β细胞这个推论没有得到充分的支持。还有一个观点认为, 胰岛细胞分化为MSCs可能与表达CD90+/CD105+的血管周围细胞有关 , 这篇文章也与Crisan et al的发现相呼应。总而言之,尽管这些发现都提示胰岛组织来源的MSCs可能具有分化为β细胞系的潜能,但是胰岛来源的MSCs优越于其他组织来源的MSCs这一观点,到目前为止还缺乏明显的证据。

2 胰腺导管及腺泡组织

很早就有文章提示胰岛前体细胞可能定居在胰腺导管里 ,如Conklin JL指出胰岛细胞能相互结合并分化为所谓的“导管小芽”。当在培养皿中时,导管细胞时常表现出一种间充质细胞的表现型。另有一些报道称,这些似MSCs的胰腺导管细胞具有MSCs的常规特 性 (成脂性 , 成软骨性 ), 而且它们 也表达如Isl1,Nkx2.2,Nkx6.1,Ngn3,Pdx1,和Neuro D等表型,但是,它们向β细胞分化的尝试都通常是好坏参半。可能的原因是诱导方法的差异。

3 脂肪组织

因为它易于购买并且我们有能力长期储存, 在过去的实验中脂肪组织获得了广泛的关注。相比其它来源的MSCs,脂肪组织来源的MSCs可用常规的方法(尼克酰胺,exendin-4,细胞调节素等)进行分化,并且分化的细胞能很好的表达一些胰腺组织的标志性表型。缺点是通过这种方法分化而来的胰岛素分泌细胞缺少调控胰岛素分泌量的功能。Trivedi HL认为,尽管该种细胞还缺乏使用的广泛度,但是正在进行的临床实验已经显示出了脂肪来源的MSCs的安全性。

4 骨髓

骨髓是最早的MSCs来源。在早期的实验中,Lanus等人发现部分被标记的骨髓源性细胞对胰腺内分泌细胞有帮助作用。然而,有相似的实验却得出了相反的结论。可能的原因是骨髓加工的方法不同。尽管有许多的方法包括经典诱导剂(尼克酰胺,ex-endin-4,细胞调节素等 )可以成功将骨髓源性的MSCs诱导为胰岛素分泌细胞,但这些实验并不能证明诱导骨髓来源的MSCs比由其他组织来源的MSCs拥有更多的胰岛素产量或更强的胰岛素功能。另有一些报道,称在成熟的活体中,人类骨髓来源的MSCs具有比在试管中更强的分化效率, 能够使糖尿病鼠体内血糖降到正常血糖水平。有趣的是,尽管正常人来源的MSCs与糖尿病人来源的MSCs在某种程度上可以说拥有同样的分化信号,但是在糖尿病人微环境中的MSCs却发现了一些不同的特有信号。这种不同点是否能够为治疗带来帮助还有待明确。

5 脐带血及胎盘

其他来源充足,易于获取的MSCs的来源是脐带以及胎盘,相对于其他成人来源的MSCs,这些组织来源的MSCs似乎更具有可塑性和分化潜能。这些MSCs来自脐带的基质、绒毛膜,甚至是脐带血。早些时候就有观点指出部分脐带血来源的细胞能够表达向胰腺内分泌细胞分化的基础基因。这种观点在随后其他人的实验中得到证实。另外,一些研究人员已经展示了脐带血来源的MSCs能够诱导分泌胰岛素 , 当然 , 它的分泌效率不如真正的β细胞。近些年,Prabakar等人成功分化出了一组人脐带血来源的MSCs, 这种MSCs能够高水平的表达多能干细胞的表型 (主要是Oct3/4)和胰腺内胚层的表型(Pdx1,Ngn3,Nkx6.1)。将这种MSCs移植到到免疫缺陷的小鼠,即使经过数月,仍能在小鼠体内检测到人C肽。

6 羊膜液

最新一个加入这个MSCs来源组织集体的是羊膜液。这些MSCs在胎儿发育时从胎儿掉落至周围的羊膜液中 ,它与胎盘、绒毛膜、脐带血或脐带组织来源的MSCs具有同样的性能。获得它们只需通 过标准的胎儿 产前诊断方 法便可。De Coppi等人发现部分羊膜液细胞具有分化为多胚胎层(外胚层、中胚层、内胚层)的潜能。如同脐带血细胞,它们能够表达h ES细胞的表面标记 (端粒酶,Oct3/4,SSEA-4等) 并分化成胰腺β细胞。此外,Trovato和他的同事们进行了将羊膜液源性的MSCs诱导成胰岛素分泌细胞的初步尝试,但对于羊膜液来源的MSCs是否具有分化为胰岛素分泌细胞的潜能,还需要更多的实验来证明。

7 总结

因为它们易于采购并且能分化为多种组织,MSCs在近年获得大量关注。或许不久后,我们便可以从MSCs身上找到治疗糖尿病更有效的方法。有些人可能会争论到,相对于已经有大量分化研究的h ES或诱导多能干细胞,将MSCs诱导为β细胞显得困难重重。但是,在过去数十年的研究中,我们得知了细胞不会一成不变,在试管中给予合适的刺激,它们就会表达出在正常生理状况下不会表达的性质。通过不断进步的细胞干预及提纯技术,一个后天的具有高度可塑性的细胞已经能够培育出来。尽管目前可用的数据似乎暗示胎儿来源的MSCs(脐带血、胎盘、绒毛膜、羊膜液)比那些来自成人组织(脂肪、骨髓)来源的MSCs更具分化潜力。但是近年来的实验也在提示我们: 分化能力不是固有的、不变的,而是能根据不同情况不断变化的。如果最终分化的细胞都能去分化回到能够再次多能分化的干细胞,那么,通过我们不断前进的技术,今后当需要我们收集、离析、诱导MSCs完成实验时,或许不会再将MSCs来源作为评判细胞分化潜力的标准之一。

摘要：胰岛移植是治疗1型糖尿病人临床方法方一,但却面临着来源短缺及免疫排斥的困难。近年来研究的间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)因为其来源充足和良好的免疫调节功能,似乎能够为胰岛移植治疗提供帮助。MSCs可以从骨髓、脂肪、脐血、脐带、胎盘、外周血、脂肪、肺,甚至在尿中发现,不同来源的MSCs具有的特性不尽一致,也并不是各种来源的MSCs均有分化为胰岛素分泌细胞且用于治疗1型糖尿病的报道。为此,该文整理出了一些MSCs的来源,这类MSCs至少有能力在实验室中诱导为胰岛素分泌细胞。目前似乎没有一种MSCs能代替真正的胰岛β细胞分泌胰岛素,并治疗糖尿病,希望该文能为今后的实验选择提供帮助。

关键词：1型糖尿病,间充质干细胞,细胞移植,诱导,胰岛素分泌细胞