间充质干细胞治疗2型糖尿病及其相关并发症的可能机制研究进展

杜婧，魏翠英

内蒙古科技大学包头医学院第一附属医院内分泌科，包头014010

糖尿病是一种多病因、多机制导致的，以慢性高血糖为特征的代谢性疾病。随着病程进展，胰岛β细胞功能衰竭，代谢紊乱进一步加重，出现糖尿病肾病（DN）、糖尿病视网膜病变（DR）、糖尿病足（DF）、糖尿病性神经源性膀胱等相关并发症。国际糖尿病联盟指出，如果没有更有效的干预措施，全球糖尿病患者预计2030年达到5.78亿人，2045年将达到7亿人［1］，其中2 型糖尿病（T2DM）占比最高，达 90%～95%。目前的治疗方式控制饮食、加强运动、口服降糖药物、胰岛素补充或替代治疗，都只能暂时保持血糖的相对稳定状态，而不能从根本上解决高血糖及长期高血糖引发的严重并发症。胰岛移植或可解决根本问题［2］，但胰腺供体的有限来源及终身免疫排斥问题又是诊治过程中难以解决的障碍。而干细胞具有分化为产胰岛素细胞、改善胰腺再生和改善胰岛素抵抗的潜能，为治疗糖尿病提供了可能的发展方向。目前干细胞治疗T2DM 的动物和人体研究取得一定进展，各种干细胞来源不同其机制各异，间充质干细胞（MSCs）是研究最多的细胞，MSCs 治疗可能代表了优化T2DM 血糖控制的新途径。虽然其安全性和有效性已在动物实验和部分Ⅰ/Ⅱ期临床试验中得到证实，但目前仍有诸多问题未能解决，如干细胞的理想给药途径（靶向还是外周），单次注射还是多次注射，治疗有效性的维持时间，因MSCs 的多能性特征是否同时导致治疗个体恶性转化的可能，其他未知的不良反应问题等。因此，仍需大规模、多中心、双盲和安慰剂对照的严格试验研究。现就当前MSCs 治疗T2DM 及其并发症的可能机制研究进展综述如下。

1 MSCs概述

干细胞是指一群胚胎发育早期未分化的细胞，具有强大的自我更新能力和多向分化潜能，因此在体内组织修复及再生方面发挥重要作用。根据分化潜能的差异分为多能干细胞、全能干细胞和单能干细胞。根据发育过程出现的顺序不同分为胚胎干细胞和成体干细胞。胚胎干细胞是一种二倍体细胞，是从着床之前早期胚胎内细胞团中分离得到的，其分化潜能理论上可以分化为机体几乎所有组织细胞。成体干细胞是存在于某个器官或组织中尚未分化但具有自我更新及构建某种组织的各种类型细胞潜能的干细胞（包括神经干细胞、脐血/带干细胞、骨髓干细胞、脂肪干细胞等），成体干细胞的这种特质是组织器官修复以及再生的基础，理论上在特定条件下可以分化为某种特定的组织器官。

MSCs是一种来源于中胚层的多能干细胞，属于多能成体干细胞。最早是上世纪六七十年代由FRIEDENSTEIN 等从骨髓中分离得到的，1991 年由CAPLAN 等首次提出“成年间充质干细胞”的概念，后被研究者广为应用。MSCs来源于人体多种组织，如胎盘、脐带血、羊水、骨髓、脂肪组织等，具有很强的自我更新能力、多向分化潜能、低免疫原性、免疫调节和抗凋亡特点，在糖尿病及其并发症的治疗中是未来较有潜力的研究对象［3］。

2 MSCs治疗糖尿病的可能机制

糖尿病是一种绝对或相对胰岛素缺乏导致的以慢性高血糖为特征的代谢性疾病，其中T2DM 占比90%～95%。目前治疗药物包括磺脲类、双胍类、α葡萄糖苷酶抑制剂、DPP-Ⅳ抑制剂、SGLT-2抑制剂、GLP-1 受体激动剂、胰岛素等药物，但这些传统的治疗方法存在各自的局限性，而且只能暂时控制血糖，不能从根本上治愈T2DM。MSCs 治疗糖尿病是一种基于细胞的治疗方法，其自身的可再生、分化潜能以及免疫抑制特性，已在T2DM 中显示出较好的治疗效果，为治疗糖尿病提供了新的思路及可能的发展方向。

大量动物实验及临床研究表明，MSCs 是治疗T2DM 的新方法，其可能机制［4］包括：①逆转 β 细胞去分化，从而减轻β细胞功能障碍、保护内源性胰岛β 细胞；②干细胞移植后归巢到受损胰腺并分化为胰岛β细胞；③向炎症微环境迁移，产生抗炎细胞因子，减轻炎症反应，减少脂肪组织和肝脏中的脂肪含量，增加胰岛β细胞数量；④通过内皮细胞的分化潜能及旁分泌作用促进胰岛细胞再生；⑤改善胰岛素抵抗；⑥分泌多种细胞因子，进一步诱导胰岛α细胞转变为β 细胞，减少胰高血糖素分泌增加胰岛素分泌以降低血糖。外泌体通过AMPK 通路激活自噬，改善T2DM大鼠肝脏糖脂代谢，需进一步验证。

3 MSCs治疗糖尿病并发症的可能机制

3.1 MSCs治疗DN的可能机制 DN是糖尿病主要的微血管并发症之一，也是终末期慢性肾病的重要死因之一。虽然可通过严格控制血糖、血压可一定程度上延缓DN 的发生发展，但无法完全阻止疾病的进展。近年来，MSCs 被认为是很有前景的治疗DN疗法之一［5］。

目前认为，MSCs对肾脏保护作用的可能机制包括：①MSCs 治疗肾脏病是通过促进肾小球结构再生［6］、减轻肾小球损伤、修复肾脏损伤细胞、减少白蛋白尿、清除细胞毒性分子等保护肾脏；②MSCs 可明显改善肾脏纤维化延缓肾损伤；③通过调节炎症和免疫反应、旁分泌多种细胞因子［7］而延缓肾脏损害；④脂肪来源的MSCs 释放的外泌体中miR-26a-5p，可通过靶向 TLR4、钝化 NF-κB 通路和下调血管内皮生长因子A（VEGFA）来保护高糖诱导的MP5细胞免受损伤［8］；⑤ MSCs 治疗 DN 可能亦与维持M1/M2 巨噬细胞平衡、抑制炎症、外泌体诱导的自噬保护作用相关［9］。将来，脂肪来源的外泌体［10］、骨髓来源的MSCs和microRNA的结合等可能成为治疗肾脏疾病的一种方法，有待进一步研究。

3.2 MSCs治疗DR的可能机制 DR是一种因高血糖及随之发生的代谢异常引起的微血管病变，严重者会导致失明。目前的治疗包括改善代谢异常、维持血流动力学稳定、后期激光光凝、眼内抗血管内皮生长因子等治疗，但疗效有限，而且多数是针对疾病晚期的相关干预措施。研究者通过构建DR 早期模型，利用MSCs 特点研究MSCs 在DR 中的疗效。目前认为，MSCs 对视网膜保护作用可能机制包括：①MSCs 通过特定条件下微环境诱导生成视网膜神经样细胞以替代凋亡细胞，同时MSCs 通过旁分泌作用产生神经保护因子［11］，达到视网膜神经保护作用；②干细胞是一种能将自身正常线粒体转移至周围受损线粒体的细胞，可影响受损靶细胞的增殖、分化及衰老，进而对视网膜起到保护作用；③有尚未完全阐明的免疫调节作用，包括MSCs 介导的生长因子、趋化因子等活性物质的分泌、细胞—细胞直接接触、抑制T 细胞增殖作用、抑制CD4+T 细胞分化为促炎性细胞系，改善破坏性炎症反应［12］；④ MSCs 能分化为内皮样细胞、分泌血管生成相关因子调节视网膜病变的血管形成起到保护视网膜血管的作用［13］；⑤MSCs 分化成胰岛素分泌细胞降低血糖、抑制炎症反应、免疫调节作用［14］；⑥MSCs 来源的外泌体具有延迟炎症反应和血管形成、修复和保护视网膜作用［15］。

虽然目前研究证实，MSCs 对视网膜病变有益，但仍处于起步阶段，且由于视网膜的特殊性和复杂性，目前尚未确定人体临床试验的安全性，需更多研究数据才能进行全面的风险—效益评估，未来研究仍任重道远。来源于间充质的外泌体具有相似于MSCs 的功能，眼外注射外泌体可能是治疗DR 的新方向。

3.3 MSCs 治疗DF 的可能机制 DF 是糖尿病危害最大、花费最高的慢性并发症之一，严重者需截肢。目前治疗措施主要是控制血糖、局部清创换药、抗炎、改善供血、营养神经、负压吸引、高压氧治疗、严重者行下肢血流重建［16］，但对于严重患者治疗效果有限。大量动物实验及临床研究表明，MSCs是治疗DF 的新方法，其可能机制包括：①MSCs 抑制促炎型T 细胞并分泌白细胞介素1α 或1β、肿瘤坏死因子α等细胞因子抑制T 细胞激活、分泌免疫球蛋白在伤口处对抗炎症、减少促炎型M1 型巨噬细胞增加抗炎型M2 型巨噬细胞、减少活性氧簇等途径发挥免疫调节作用［17］；②归巢效应直接分化伤口组织促进伤口愈合；③MSCs通过自分泌及旁分泌血管内皮生长因子（VEGF）、胰岛素样生长因子-1（IGF-1）、表皮细胞生长因子（EGF）等直接或间接促进血管新生，恢复血供、刺激肉芽组织增生［18］；④MSCs 分化为内皮细胞及角化细胞促进上皮细胞再生，通过趋化因子受体及蛋白激酶信号通路迁移到伤口修复损伤组织［19］；⑤MSCs 分泌一种良好的运输载体—外泌体，在组织修复过程中发挥重要作用［20］。

目前研究来看，脂肪来源的MSCs 分布广泛、易于提取，且腹部皮下来源的脂肪细胞比臀部、四肢来源的脂肪细胞具有更好的抗凋亡特性；脐血来源的MSCs 倍增所需时间短，存活时间较长；骨髓来源的MSCs 无免疫限制，且肌肉注射效果好，但随年龄增长其分化潜能和数量呈下降趋势，所以尽量避免从年老体弱者提取MSCs。正常的创伤愈合过程复杂，历经四期，即止血期的血管闭合、血块凝固，炎症期的急性炎症反应，增殖期的细胞迁移、增殖、分化，重塑期的血管再生、上皮和细胞外基质形成、重建等过程，复杂的过程中如何产生更好的MSCs 疗效是需进一步探索的目标。MSCs 附着、增殖、分化所需的支架等结构基础、运输系统非常关键，未来生物活性FHE（F127/OHA-EPL）水凝胶，刺激响应的MSCs 外泌体释放，二者协同可较好地促进糖尿病创面愈合，可能具有广阔的应用前景；miR-21-5p 有可能成为MSCs 外泌体治疗糖尿病足的一种新的生物标志物［21］

3.4 MSCs治疗神经源性膀胱的可能机制 糖尿病神经源性膀胱是因糖尿病后神经功能障碍导致的膀胱功能异常，膀胱功能涉及传入神经、传出神经、自主神经之间复杂的神经控制。糖尿病长期血糖控制不佳可能导致周围神经和自主神经受损、神经传导异常，导致膀胱功能失调，早期表现为尿流动力学过度活跃，膀胱尿潴留，后期膀胱兴奋性下降、逼尿肌收缩无力，进展出现排尿困难、残余尿增加和无力性膀胱萎缩［22］。糖尿病神经源性膀胱是一种进展性疾病，治疗主要取决于其临床症状及尿流动力学改变情况。目前治疗措施包括减轻尿路症状、改善尿失禁、间歇性导尿排空膀胱、保护肾功能、膀胱壁注射A 型肉毒毒素、膀胱植入起搏器等，但均不能解决根本问题。近年研究发现，采用MSCs 治疗糖尿病神经源性膀胱可干预其病理生理自然发病过程，进而缓解、逆转病情，部分膀胱功能得到恢复，相关可能机制包括：①BMSCs 改善胰岛β 细胞，控制血糖、保护神经细胞功能；②MSCs 具有分化为尿道上皮细胞、平滑肌细胞、神经纤维的潜力，进而可修复膀胱和尿道的功能［23］；③MSCs 合成分泌表皮生长因子（EGF）、多种神经营养因子，抑制炎性免疫应答；④MSCs稳定表达神经生长因子，改善膀胱的微环境及膀胱功能［24］；⑤MSCs 能增加膀胱中弹性蛋白的含量，可进一步改善排尿功能。

MSCs 用于糖尿病神经源性膀胱的治疗应考虑MSCs类型、数量、尿流动力学特点、病变进展的病理生理阶段等综合因素，以制定最佳移植途径，而且MSCs 用药安全性及具体分子调控机制需进一步研究。

综上所述，糖尿病及相关并发症危害巨大，目前传统治疗效果有限，且价格昂贵。近年伴随干细胞的深入研究，利用干细胞治疗恢复胰岛功能为糖尿病患者带来新的希望。其中MSCs 具备强力自我增殖、分化潜能、免疫调节等特点，且易于在体外分离和扩增，培育周期较短，免疫原性低，免疫排斥少，作为成体干细胞规避了伦理问题，使其成为细胞治疗的理想选择，但目前用于T2DM 及并发症研究大部分仍处于临床前研究阶段。同时MSCs 治疗存在的遗传不稳定性、致肿瘤可能性等潜在风险限制了其在再生医学中的应用，下一步需要建立MSCs 标准化生产流程，需要进一步探究干细胞治疗的最佳细胞传递途径、给药剂量、给药间隔、给药频率、应用年龄节点等最适方案，或者需要对不同的物种行平行重复试验发现新的免疫调节方法，或者对MSCs 预处理以促进巨噬细胞极化、促进自噬改善代谢，或者针对不同来源干细胞优缺点分阶段使用发挥优势、缩小劣势［25］，或多次足量序贯输注抑制胰岛β 细胞凋亡［26］，或联合降糖药物［27］保持血糖稳态情况下更好地发挥干细胞的再生修复作用，或利用交感神经介质去甲肾上腺素逆转高糖情况下诱导的MSCs 凋亡［28］，或进一步发掘像MSCs 衍生的外泌体及与之联合［29］等新的治疗方法。