人體血糖濃度的調(diào)控主要由胰島素和胰高血糖素在多個層次相互制約實現(xiàn)。其中，由胰島β細(xì)胞產(chǎn)生的胰島素負(fù)責(zé)促進(jìn)血糖吸收，降低血糖濃度。胰島β細(xì)胞破壞或功能障礙會導(dǎo)致糖尿病。與長期注射胰島素不同，胰島移植通?？梢允够颊哐撬皆跀?shù)年內(nèi)保持正常，并可預(yù)防糖尿病的繼發(fā)性并發(fā)癥。然而，供者數(shù)量稀少限制了這類療法的應(yīng)用。
2014年，在一篇Cell論文中[1]，領(lǐng)導(dǎo)這項新研究的Douglas Melton博士實驗室首次開創(chuàng)了一種方法，將干細(xì)胞轉(zhuǎn)化為產(chǎn)生胰島素的β細(xì)胞。然而，在最初的研究中，β細(xì)胞在最終的細(xì)胞混合物中只占30%。為了改善β細(xì)胞的比例，研究團(tuán)隊希望了解其它70%的細(xì)胞是什么。單細(xì)胞測序技術(shù)的發(fā)展幫助攻克了這一難題。（圖片來源：Cell）
近年來，一些研究顯示，利用衍生自干細(xì)胞的胰島β細(xì)胞來替換胰島中被破壞的β細(xì)胞可能會為治愈糖尿病帶來希望。5月8日，最新發(fā)表在Nature上的一項研究中[2]，哈佛大學(xué)Douglas Melton博士帶領(lǐng)的科學(xué)家團(tuán)隊描繪了干細(xì)胞分化成胰島樣細(xì)胞（islet-like cells）的分子步驟，為未來生產(chǎn)用于移植的胰島細(xì)胞提供了重要指導(dǎo)。
人類多能干細(xì)胞能夠無限地自我更新，并在體內(nèi)產(chǎn)生各種類型的細(xì)胞。因為，很多研究團(tuán)隊致力于開發(fā)干細(xì)胞在體外分化成胰島細(xì)胞的protocols。一個理想的protocol需要實現(xiàn)，促進(jìn)干細(xì)胞分化為完全成熟的α細(xì)胞和β細(xì)胞；之后，α細(xì)胞和β細(xì)胞能夠被分離、純化以及重新組裝成用于移植的胰島樣結(jié)構(gòu)（islet-like structures）。為了實現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)，科學(xué)家們需要透徹理解所有胰島細(xì)胞的分化程序以及胰島形成的方式。
體外β細(xì)胞分化的單細(xì)胞RNA測序（圖片來源：Nature）
在這項新研究中，Melton博士等分析了干細(xì)胞向胰 腺祖細(xì)胞和激素生產(chǎn)細(xì)胞（hormone-producing cells，也叫內(nèi)分泌細(xì)胞）分化過程中不同時間點的超過10萬個細(xì)胞。細(xì)胞的單細(xì)胞RNA測序（scRNA-seq）在分化過程的每一步取樣，然后進(jìn)行計算分析，這使得鑒定細(xì)胞類型以及通過時間追蹤細(xì)胞的譜系成為可能。Melton博士等通過這種方法制作了胰島祖細(xì)胞如何發(fā)育成分化細(xì)胞不同譜系的精美圖片（下圖）。
研究人員發(fā)現(xiàn)，衍生自干細(xì)胞的胰 腺祖細(xì)胞能夠有效分化，但用于處理它們的信號因子組合稍微不同，就會影響祖細(xì)胞產(chǎn)生激素表達(dá)細(xì)胞和非激素表達(dá)細(xì)胞的比例。
在該研究中，三種最豐富的激素表達(dá)細(xì)胞類型是來源于干細(xì)胞的α細(xì)胞 (SC-α)、來源于干細(xì)胞的β細(xì)胞 (SC-β)以及來源于干細(xì)胞的類似于腸嗜鉻細(xì)胞的細(xì)胞(SC-EC)。
研究人員還發(fā)現(xiàn)，未成熟的SC-α能夠表達(dá)兩種胰島激素（胰島素和胰高血糖素），不過，這種多激素細(xì)胞在培養(yǎng)5周后會變成單激素細(xì)胞，即變成只表達(dá)胰高血糖素的細(xì)胞。
SC-EC的發(fā)現(xiàn)令人驚訝，因為腸嗜鉻細(xì)胞通常存在于腸內(nèi)（不存在于胰 腺中）并產(chǎn)生血清素（有助于調(diào)節(jié)腸道運動和消化）。當(dāng)研究人員在分化階段改變提供給細(xì)胞的信號因子組合（雞尾酒）時，SC-EC/(SC-α+SC-β)的比率變化很大。此外，不同的信號因子組合也會改變非增殖性內(nèi)分泌細(xì)胞/增殖性非內(nèi)分泌細(xì)胞（腺泡細(xì)胞和胰 腺導(dǎo)管細(xì)胞）的比率。
為了制造安全且功能成熟的干細(xì)胞衍生胰島等效物，研究人員必須分離純化理想的內(nèi)分泌細(xì)胞亞型，然后將其重組為假胰島（pseudoislets）。在該研究中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，一個簡單的分離和聚集程序（一種物理分離法）能夠從培養(yǎng)物中去除大多數(shù)增殖性非內(nèi)分泌細(xì)胞。此外，他們確定了CD49a (也稱為ITGA1 )是SC-β表達(dá)的表面分子。結(jié)合利用CD49a抗體的磁性細(xì)胞分選技術(shù)能夠使研究者們獲得包含80% SC-β的培養(yǎng)物。
需要指出的是，雖然該研究可將細(xì)胞混合物中β細(xì)胞的純度提升至80%，但科學(xué)家們表示，并不一定β細(xì)胞純度越高就越好?？刂苹旌衔镏?beta;細(xì)胞比例的能力是這項研究的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)。現(xiàn)在，他們將專注于調(diào)查混合物中各類細(xì)胞的比例。
“也許我們需要更多其它類型的細(xì)胞來幫助調(diào)節(jié)β細(xì)胞，這樣它們才能正常工作。我們將找出這些細(xì)胞類型是如何相互作用的。”論文第一作者Adrian Veres解釋道。
總結(jié)來說，該研究中，Veres等重建了人類胰 腺祖細(xì)胞和分化的內(nèi)分泌細(xì)胞之間的譜系關(guān)系，并揭示了這些細(xì)胞類型出現(xiàn)的順序，以及伴隨著每個分化軌跡發(fā)生的動態(tài)分子變化，提供了關(guān)于干細(xì)胞分化成胰島細(xì)胞深入的機(jī)制見解。
那么，我們距離利用β細(xì)胞替代療法治療糖尿病還有多遠(yuǎn)呢？目前，已有臨床試驗在測試移植干細(xì)胞來源的胰島祖細(xì)胞到1型糖尿病患者中的安全性和有效性。然而，被移植的胰 腺祖細(xì)胞仍需要分化和成熟為β細(xì)胞來實現(xiàn)由葡萄糖刺激引發(fā)的有效胰島素分泌。但在體內(nèi)，我們無法控制胰 腺祖細(xì)胞所接觸的信號因子。因此，更理想的產(chǎn)品是，在移植到患者體內(nèi)前，也就是在體外培養(yǎng)時，細(xì)胞就能夠響應(yīng)葡萄糖分泌胰島素，且在移植到患者體內(nèi)后，立即發(fā)揮作用。此外，值得一提的是，僅移植SC-β并不足以治療1型糖尿病，因為α細(xì)胞對嚴(yán)格控制人類胰島的激素分泌以及葡萄糖水平的整體調(diào)節(jié)也至關(guān)重要。
Nature的觀點文章稱，Veres等人在解決一些關(guān)鍵問題方面取得了重大進(jìn)展。首次，他們提供了詳細(xì)的scRNA-seq數(shù)據(jù)集，涵蓋了體外胰島細(xì)胞分化的主要步驟。此外，研究的一個關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是，SC-α和SC-β能夠一起產(chǎn)生，但腸道內(nèi)分泌SC-EC和增殖性非分泌細(xì)胞也會出現(xiàn)。這表明，生產(chǎn)安全的產(chǎn)品需要將SC-α和SC-β分離至高純度，且為了避免導(dǎo)致癌癥的風(fēng)險，還需要移除增殖性祖細(xì)胞。最后，科學(xué)家們通過對scRNA-seq數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析鑒定出了有望進(jìn)一步改善胰島細(xì)胞分化和純化過程的新型表面標(biāo)志物和信號通路。因此，總結(jié)來說，該研究意義重大，讓我們離β細(xì)胞替代療法在臨床上得以應(yīng)用，從而改變糖尿病治療更近一步。
相關(guān)論文：
[1] Felicia W. Pagliuca et al. Generation of Functional Human Pancreatic β Cells In Vitro. Cell(2014).
[2]Adrian Veres et al. Charting cellular identity during human in vitro β-cell differentiation. Nature（2019）.
參考資料：
1# A map of β-cell differentiation pathways supports cell therapies for diabetes
2# Research boosts the yield of insulin-producing cells for diabetes therapy
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