间充质干细胞治疗糖尿病及其并发症的应用研究概述(干细胞的治疗作用)

文：何晓文

编辑：陈圆圆 郑天慧

审校：汤红明

糖尿病是影响人类健康的重要疾病。近年来，随着人口老龄化以及肥胖率不断升高，糖尿病的发病率也呈逐年递增趋势。尽管1型糖尿病患者可以通过胰岛分泌细胞移植从根本上获得治愈，但是受限于供体来源以及免疫排斥等问题，难以获得广泛应用。而针对2型糖尿病的传统治疗手段亦无法从根本上改善机体的胰岛素耐受情况和恢复受损的胰岛β细胞等问题。间充质干细胞（Mesenchymal Stem Cell, MSC）作为一种具有多向分化潜能的成体干细胞，在组织修复、免疫调节等方面展现出引人注目的应用潜能，其在1型和2型糖尿病治疗方面也崭露头角。本文主要通过分析糖尿病的致病机制来探讨MSC治疗糖尿病的可行性。

1. 糖尿病的致病机制●●

1型糖尿病其显著的病理学和病理生理学特征是胰岛β细胞数量显著减少和消失所导致的胰岛素分泌显著下降或缺失。尽管其机制不完全清楚，但目前的研究认为1型糖尿病的发病乃遗传和环境因素的共同作用所致。

在遗传因素中，HLA位点调控了αβT细胞的特异性，也被证明是1型糖尿病发病的主要易感位点。另外已发现58个基因组区域与1型糖尿病发病有重要相关性，其中包含了50个潜在的致病基因。这其中绝大部分基因如IL-2Rα（interleukin-2 receptor α）、CTLA-4（cytotoxic T lymphocyte antigen 4）、PTP（protein tyrosine phosphatase）、PTPN22（non-receptor type 22）等的功能都与免疫调节有关，这也反应出自身免疫系统缺陷是1型糖尿病的主要致病原因。

在环境因素中，病毒感染、微生物、营养以及气候变化等都被认为是1型糖尿病发病的重要诱因。病毒感染一方面可直接裂解β细胞，另一方面亦可通过诱导β细胞表面MHCⅠ类分子的表达及促炎因子的释放，引起针对自身的免疫反应。研究显示肠道微生物对免疫系统有重要影响，尤其微生物多样性减少被认为与自身免疫性疾病有重要关联，这种变化也反映在1型糖尿病患者的肠道微生物特征上。另外，营养、气候等特征也对自身免疫系统有潜在的影响，成为1型糖尿病发病的可能诱因。

2型糖尿病的病因和发病机制目前亦不明确，其显著的病理生理学特征为胰岛素调控葡萄糖代谢能力的下降（胰岛素抵抗）伴随胰岛β细胞功能缺陷所导致的胰岛素分泌减少（或相对减少）。胰岛素抵抗现象常常出现在个体发育的青春期、妊娠期以及衰老等不同阶段，而在其他情况下肥胖是胰岛素耐受的主要诱因。

机体过度肥胖可以引起脂肪组织过多释放游离脂肪酸（NEFA），增加了细胞内脂肪酸代谢产物如脂肪酰基辅脢A、甘油二酯（DAG）和神经酰胺等在细胞内的含量，促进了胰岛素受体底物（IRS-1和IRS-2）的磷酸化，减弱了细胞对胰岛素的响应信号，导致胰岛素耐受。更为重要的是，过度肥胖还促进了脂肪组织释放TNF-α（Tumor Necrosis Factor-α）、IL-1β（Interleukin-1β）、IL-6（Interleukin-6）和MCP-1（Monocyte Chemoattractant Protein-1）等多种炎症因子，引发机体慢性炎症反应。

目前研究认为，慢性炎症是引起机体胰岛素抵抗造成胰岛β细胞损伤并最终导致2型糖尿病发生的主要因素。一方面炎症因子可以对胰岛素信号进行直接调节，例如TNF-α可以通过抑制胰岛素受体酪氨酸激酶的活性引起机体的胰岛素抵抗。IL-1β也可以通过转录水平和后转录水平两种方式降低胰岛素受体底物1（IRS-1）的表达情况，增大机体的胰岛素耐受。另一方面炎症因子还招募了大量巨噬细胞及其他免疫细胞。这些免疫细胞进一步释放大量炎症因子，成为诱发慢性炎症的主要因素，同时巨噬细胞等免疫细胞在胰岛部位的聚集也是诱发胰岛β细胞功能损伤的重要原因。

综上所述，1型和2型糖尿病治疗的关键策略有三：一是促进胰岛β细胞再生，提高自身胰岛素分泌能力；二是阻止免疫系统对自身胰岛细胞的攻击，促进胰岛β细胞的存活；三是抑制慢性炎症反应，改善机体对胰岛素的耐受情况。MSC的多向分化潜能、营养支持能力、免疫调节和抗炎能力使其在这些方面可以发挥重要作用。

2. 间充质干细胞治疗糖尿病的作用机制●●

针对1型和2型糖尿病治疗中的关键问题，MSC的作用机制可以概括为以下几个方面：

（1）通过将MSC定向分化为胰岛素分泌细胞，促进体内胰岛素分泌。MSC具有多向分化潜能，在体外条件下Chao等通过分步诱导的方式将脐带MSC细胞成功诱导成了胰岛样细胞并且进一步证明这些细胞在体内能够发挥胰岛细胞功能。Tsai等将GFP标记的脐带MSC输入糖尿病小鼠体内，发现这些细胞可以在胰腺内与人源的C肽分子共定位，证明在体内条件下MSC也能够自发的分化为胰岛样细胞。尽管如此，MSC在体内的分化效率极低，Ianus等的实验显示虽然MSC移植促进了糖尿病小鼠中胰岛β细胞再生，然而这些胰岛β细胞中仅1.7~3%来自外源MSC细胞。由此推断MSC定向分化在糖尿病治疗中不起主要作用。

（2）通过直接的细胞间相互作用或者分泌HGF（Hepatocyte growth factor）、IGF-1（Insulin-like growth factor 1）、PDGF-BB（Platelet Derived Growth Factor-BB）、angiopoietin-1等多种生长因子和其他生物活性成分，MSC可以促进周围干/祖细胞和基质细胞的活性，抑制细胞的凋亡，从而改善组织细胞损伤，促进组织修复过程。

在一项体外实验中，MSC与人胰岛组织共培养促进了胰岛组织胰岛素分泌能力，这显示出MSC能够直接促进胰岛β细胞功能。另外，Chdravanshi等的实验也证明与MSC共培养促进了胰岛细胞在厌氧或氧化应激条件下的细胞活性，减少了细胞凋亡。

（3）通过免疫调节抑制自体免疫系统对胰岛β细胞的攻击以及炎症反应，从而保护自身胰岛β细胞存活，改善机体胰岛耐受情况。目前积累的大量研究显示MSC具有卓越的免疫调节能力。MSC可以通过直接接触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）等多种生物调节因子调节免疫细胞的功能，抑制免疫系统对自身胰岛β细胞的攻击，从而改善细胞损伤情况。

T细胞是引起胰岛β细胞损伤的主要免疫应答细胞。Urban等证明，在STZ诱导的1型糖尿病小鼠模型中，MSC通过抑制β细胞特异的T细胞应答，减少了新生β细胞损伤。Madec等指出，MSC可以促进调节性T细胞增殖，从而抑制了T细胞对胰岛细胞的免疫应答。来自脂肪组织的巨噬细胞是诱导慢性炎症并引起胰岛耐受的重要原因。Xie等的研究指出，处在促炎状态的巨噬细胞能够刺激MSC分泌IL-6，促进巨噬细胞IL-4R的表达，诱导STAT6的磷酸化，使其由M1态转变为M2态，从而抑制炎症反应并最终改善机体的胰岛素耐受情况。

MSC也能够通过抑制B细胞的免疫应答减少靶向胰岛β细胞的自身抗体产生。Corcione等的研究显示，与MSC共培养能够抑制Anti-CD40、Anti-IL-4等刺激的B细胞增殖。同时，MSC共培养也降低了B细胞分泌IgM、IgG和IgA等产物的能力，显示其对B细胞分化成熟的抑制作用。另外，MSC通过分泌IDO、PEG2等因子还能够抑制自然杀伤细胞（NK细胞）的增殖和细胞毒作用。

研究者通过高脂饮食/ STZ给药诱导糖尿病大鼠模型，发现在症状早期阶段（7天）输注的MSC可募集于受损胰岛组织中，不仅促进了β细胞功能，而且改善了胰岛素耐受；而晚期阶段（21天）输注的MSC仅改善了胰岛素耐受。这一研究还发现MSC可促进胰岛组织中GLUT4表达，改善机体的胰岛素抵抗状态。

总结 ●●

综合以上分析，大量体外以及体内实验揭示了MSC在糖尿病治疗上有重要作用，为其临床应用奠定了基础。

（本文源自《医学参考报》干细胞与再生医学频道 2020-02期第6版文章，ID：yxckbsc）

作者介绍

原能细胞科技集团有限公司 何晓文

美国Rutgers University研究教授，原能细胞科技集团副总裁兼首席科学家。从事生物免疫、疫苗、细胞治疗等领域的科研成果转化20余年，曾带领团队研发的“治疗用粘质沙雷式菌苗（雷舒宁）”获国家新生物制品I类新药证书。曾在New Jersey Stem Cell Center和Merck公司带领团队建立和完善细胞治疗关键技术体系。主持研究的肝癌肿瘤疫苗，获军队科学技术进步奖二等奖。主持多项美国国立卫生研究院（NIH）、中国国家自然科学基金项目。获授权发明专利25项，在国际学术刊物上发表论文30余篇。