间充质干细胞及诱导分化后胰岛功能转归的相关性分析

余诗琴，尹玉杰，张建中

(吉林大学中日联谊医院 新民内分泌代谢科，吉林 长春130021)

第九版《全球糖尿病概览》中，我国糖尿病人数为1.164亿，仍位居全球第一，而我国糖尿病的治疗率及达标率均低，且预计到2045年糖尿病人数将高达7亿，而我国糖尿病人数将高达1.472亿。糖尿病严重危害着人民群众的身体健康，给家庭和社会带来了巨大的经济负担和精神压力。目前临床上有许多药物可以治疗糖尿病，但尚不能很好地保持和修复残存胰岛β细胞的功能、从根本上治疗糖尿病。因此，重塑胰岛β细胞功能成为治疗糖尿病的关键。随着移植技术的日新月异，使胰岛移植成为可能，胰岛移植与胰岛素相比，可以实现血糖稳态。已有研究表明，胰岛移植可以恢复患者部分的胰岛功能，但可用于移植的胰岛数量非常有限，严重限制了该技术的广泛推广。因此，近年来大量学者致力于应用干细胞衍生疗法治疗糖尿病的研究。本文分析了近几年相关文献，通过对干细胞来源、诱导方式及胰岛功能进行分析，探讨间充质干细胞及其诱导分化后可能的作用机制，阐明其在糖尿病发生发展过程中的生理学意义。

1 间充质干细胞治疗糖尿病

国际细胞疗法学会的间充质和组织干细胞委员会提出了人类间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)的最低标准：它们必须在标准培养条件下具有塑性、成骨、成脂和成软骨分化能力，必须缺乏造血谱系标志物c-kit、CD14、CD11b、CD34、CD45、CD19、CD79α和人类白细胞抗原(human leukocyte antigen，HLA)-DR的表达，并且必须在其表面表达CD73、CD90和CD105[1]。MSCs和造血干细胞(hematopoietic stem cell,HSCs)联合被注射到链脲佐霉菌(STZ)/放射致损伤小鼠的骨髓中，在该实验中观察到血糖正常化，因此认为MSCs能够抑制胰腺β细胞特异性T细胞的增殖，从而阻止胰腺自身免疫破坏[2]。

1.1 胎盘间充质干细胞(human placenta mesenchymal stem cells，hpDMSCs[1])具有自我复制及多项分化潜能，可以诱导分化成为各种类型的组织，如成骨细胞、骨髓组织、脂肪细胞等等；并且hpDMSCs扩增复制能力比骨髓间充质干细胞要强，更重要的是胎盘组织，来源丰富，采集方便，取材方便，从胎盘组织分离提取干细胞不涉及伦理、法律问题，胎盘中的细胞的免疫功能不成熟，免疫原性更低，较移植骨髓来源的干细胞排斥反应要小[3]。但有研究显示，胚胎间充质干细胞存在重大的道德和宗教障碍，以及使用其带来的致畸风险，因此有必要寻找新的替代方案[4]。

1.2 骨髓间充质干细胞骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)能刺激受损的胰腺β细胞的再生，分泌保护性因子，对机体的免疫反应起调节作用，还具有组织修复功能，能改善局部微环境和胰岛再血管化，能作为移植细胞的来源，缓解免疫反应等问题，近年来引起了广大研究者的重视[5]。在一些患有酮症酸中毒的1型糖尿病患者和严重的糖尿病小鼠中，骨髓MSC的输注可以保持β细胞功能。MSCs的注入促进了Treg反应，并升高了糖尿病小鼠的胰岛和血浆IL-10和血浆转化生长因子β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1)的水平，但降低了γ干扰素(Interferon-γ，IFN-γ)，TNF-α和IL-17A的水平。注入的MSC有效地迁移并积累在糖尿病小鼠的胰腺组织中。MSC输注的治疗效果往往是剂量和频率依赖性的，多剂量MSC输注的效果更持久。因此，即使是糖尿病酮症酸中毒，MSC的输注,尤其是多剂量MSC的输注对于1型糖尿病的干预也可能是有价值的[6]。

1.3 脐带间充质干细胞脐带间充质干细胞(umbilical cord mesenchymal stem cell，UCMSC)是一种从脐带华尔通胶质中分离出的新型干细胞,易于分离和培养，在体外许多传代中均具有较高的增殖率和保持其干性的能力，与成年MSC相比具有低免疫原性和非致瘤性，多能性且异质性较低[7]。最重要的是，脐带间充质干细胞很容易获得，并且可以在分娩过程中以非侵入性的方式获得。近年来随着研究的深入和医学的发展，UCMSC已经成为一种治疗糖尿病的新方法。

1.4 脐血间充质干细胞脐血间充质干细胞(umbilical cord blood mesenchymal stem cells,UCB-MSCs) 为中胚层发育的早期细胞,具有多向分化的潜在能力,其形态和生物学特点与骨髓来源 MSCs 相似。在糖尿病动物中注射的HUC-MSC可以归巢于胰岛并且分化为功能性胰岛样细胞。这些细胞影响巨噬细胞极化，同时阻止NLRP3(the nod-like receptor protein 3，Nod样受体蛋白3)炎性小体和炎性因子的激活[8-13]。相关研究表明，NLRP3破坏了正常的胰岛素信号通路并导致了胰岛素抵抗。UC-MSC可以进一步降低这些炎症参数，从而提高胰岛素敏感性[8]。大量研究表明，HUC-MSCs具有以下特征：(1)以炎症组织为靶标，分化为功能性胰岛样细胞，阻断炎症小体的活性，发挥抗炎作用。(2)靶向溃疡组织并促进细胞因子的释放，然后促进溃疡组织的上皮化，最终导致溃疡的部分或完全愈合；(3)具有在体外分化为功能性细胞并在体内移植的潜力，提供令人满意的治疗效果[14]。

1.5 牙髓间充质干细胞来源于口腔的MSCs可分为：牙髓干细胞、牙周膜干细胞、根尖乳头干细胞、牙滤泡干细胞和牙龈间充质干细胞[15]。牙髓间充质干细胞可以移植入中枢神经系统，通过神经分化和替换丢失或损伤的细胞促进脊髓损伤的修复，虽然胰腺β细胞是内胚层的衍生物，但神经元和胰腺β细胞有一些共同的特征，包括转录因子Pdx-1(pancreatic and duodenal homeobox 1，胰腺和十二指肠同源框 1)和Ngn3(neurogenin 3，神经生成素 3)的表达。因此，牙髓间充质干细胞可能具有有效分化为神经细胞和胰腺β细胞所需的遗传机制，故牙髓间充质干细胞可以有效分化为产生胰岛素的胰腺β细胞并显著改善葡萄糖耐量，且提高小鼠和人血清胰岛素和c肽水平。基于移植组中增强的β细胞增殖和胰岛数量的增加，我们推测牙髓间充质干细胞可能通过内源性前体诱导β细胞新生和(或)增强受损胰岛内剩余的健康β细胞的增殖[16]。

1.6 成人胰腺干细胞(adult pancreatic stem cells)成人胰腺干细胞也可以是β胰腺细胞的另一种来源，因为它们具有多能性和克隆潜力。通过应用胰腺导管结扎模型，胰腺导管细胞的分化和增殖特性被认为是β细胞再生组织的重要来源[17]。因此，成人胰腺干细胞移植未来目标将是应对各种获取、提纯和生长胰腺祖细胞种群的挑战及诱导无基因突变的β细胞分化[2]。

1.7 毛囊间充质干细胞毛囊(hair follicle，HF)，皮肤的主要附属物之一，是多能干细胞已知来源。大量的研究集中在它的表皮干细胞系，它位于HF的凸起区域[18]。至于成人HF的真皮成分，已知有两种活跃的间充质干细胞(一种来自真皮乳头(dermal papilla，DP)区域，另一种来自真皮鞘(dermal sheath，DS)，显示出多谱系分化潜能[19]。相关研究表明，在糖尿病小鼠模型中，真皮鞘间充质干细胞条件培养基(dermal sheath mesenchymal stromal cell conditioned medium，DS-MSC-CM)中负责促进创面愈合的旁分泌因子，可能是由于它们刺激创面的血管生成[20]。在体外研究中观察到人类皮肤角质形成细胞增殖、迁移率的增加以及成纤维细胞增殖的提高，表现在糖尿病小鼠中给予DS-MSC-CM可以改善伤口愈合过程中的再上皮化和重塑。

2 干细胞诱导分化后治疗糖尿病

2.1 药物联合自体间充质干细胞治疗糖尿病例如，利拉鲁肽是一种人胰高糖素样肽-1(Glucagon-like peptide-1,GLP-1)类似物,利拉鲁肽不影响输注的MSC的分布和积累，并且显着增强了MSC在严重糖尿病小鼠中保存胰岛β细胞的功能。有研究显示，与正常组相比，T2DM组胰高血糖素阳性面积明显增加，胰胰岛素阳性面积明显减少，ASK1、JNK、B淋巴细胞瘤-2基因相关X蛋白信使核糖核酸(B-cell lymphoma-2 associated X protein messenger ribonucleic acid，BAX mRNA)和蛋白表达水平升高，B淋巴细胞瘤-2基因(B-cell lymphoma-2，Bcl-2)表达降低。因此，我们认为胰岛β细胞的凋亡可能与ASK1/JNK/BAX信号通路有关。利拉鲁肽和人脐带间充质干细胞(human umbilical cord mesenchymal stem cell，hUC-MSCs)可明显改善T2DM大鼠的高血糖，减轻体重，改善胰腺组织病理学改变，抑制胰腺ASK1、JNK、BAX的表达，上调抗凋亡基因Bcl-2的表达[21]。另有研究表明，hUC-MSCs在移植[22]可直接分化为胰岛素生产细胞并且分泌大量细胞因子[23]，可以通过降低胰岛素抵抗改善糖代谢[24]、招募巨噬细胞诱导β细胞再生及调节自身免疫[25]、保护高血糖诱导的β细胞损伤[26]。在一项研究中，2型糖尿病/非酒精性脂肪性肝病(non-alcoholic fatty liver disease，NAFLD)大鼠被随机分配给利拉鲁肽和hUC-MSCs治疗8周。治疗后,与单药治疗相比，利拉鲁肽联合hUC-MSCs可显著改善大鼠糖脂代谢、肝功能和胰岛素抵抗，血清TNF-α、IL-6水平显著降低，肝组织中Toll样受体4(Toll-like receptor 4，TLR4)、核转录因子κ B(nuclear factor κB，NF-κB)基因和蛋白表达显著降低，其机制可能与下调TLR4/NF-κB炎症通路及改善氧化应激有关[27]。

2.2 局部注射自体间充质干细胞ADSCs局部注射治疗糖尿病慢性创面可提高创面愈合率,增加创面VEGF表达和微血管形成,有较好的安全性和有效性。并且有相关研究[11]表明，大鼠胰腺提取物(Rat pancreatic extract，RPE)增强了MSC分泌细胞因子的能力。在STZ诱导的糖尿病动物模型中，胰腺微环境中的MSC可能通过旁分泌因子对受损的胰腺细胞产生间接的有益作用。分泌的因子可通过预防胰腺β细胞凋亡发挥其治疗作用[28]。

2.3 联合胰岛移植有研究发现，应用同系AMSC与同种异体胰岛联合移植治疗糖尿病大鼠发现胰岛移植后血糖和胰岛素水平均优于单纯胰岛移植组,移植胰岛平均生存时间长于单纯胰岛移植组。研究结果提示AMSC可通过增加T细胞IL-4和IL-10生成、减少IFN-γ和IL-2生成等机制减轻同种异体胰岛刺激引起的T细胞活化、增殖,还可能通过影响Th1/Th2平衡发挥免疫调节作用,抑制免疫排斥反应,减轻移植物免疫损伤,提高胰岛移植效果[29]。

3 间充质干细胞治疗糖尿病的展望及面临的问题

虽然糖尿病的发病机制极为复杂,但已经有多个实验研究证实,MSCs在此方面的治疗效果是可观的,虽然这些研究对象多数为动物(鼠类),而且目前MSCs在临床应用上仍然存在响应率和安全性等问题,但相信随着MSCs作用机制研究和临床研究的不断推进,上述问题一定会逐步解决,因此笔者认为MSCs在临床治疗上的前景是非常广阔。