幹細胞治療糖尿病的研究

2020年8月19日，美國Salk研究人員在《自然》雜誌上公布了一項重要研究結果[1]。該研究團隊利用幹細胞技術，在世界範圍內首次製造出能躲避免疫系統的人類胰島素分泌胰腺細胞簇。這些「免疫保護」細胞簇一旦移植到體內，無需免疫抑制藥物就能控制血糖。相關研究結果於2020年8月19日在線發表在Nature期刊上，論文標題為「Immune-evasive human islet-like organoids ameliorate diabetes」。

沙克生物學研究所的Ronald Evans教授說，「大多數1型糖尿病患者都是兒童和青少年。這是一種歷史上很難用藥物控制的疾病。我們希望再生醫學與免疫躲避相結合，通過用實驗室生成的人類胰島樣細胞簇（islet-like cell cluster）取代受損細胞，按需產生正常數量的胰島素，就可以在這個領域真正發揮作用。」那麼什麼是糖尿病呢？

一．什麼是糖尿病？

血糖水平，血紅蛋白A1c（HbAc1）超過一定標準的狀態稱為糖尿病。 高血糖是這種疾病的特徵，高濃度的葡萄糖與構成血管的血管內皮細胞的蛋白質發生糖化反應，破壞微血管。

由於這種血管破壞，糖尿病神經病變導致糖尿病視網膜病變和糖尿病腎病。 最近，已經指出，阿爾茨海默氏症也可能發生併發症。 在日本，糖尿病患者的數量正在增加，包括糖尿病儲備（邊界型糖尿病），預計從1000萬到2000萬不等，許多糖尿病患者病情嚴重，並合併了前面所述的併發症。

建立糖尿病的基本治療方法是一個重要問題，從器官移植開始，各種治療方法都進行了測試。 雖然已經證實，移植其他人的胰腺是有效的，但考慮到糖尿病患者的數量，如器官捐獻者的胰腺和病人的適用性，以及缺乏捐贈者，還沒有一種方法可以確定為基本解決方案。

有幾種類型的糖尿病。 1型糖尿病是由蘭格漢斯島的β細胞被某種疾病（如自身免疫性疾病）破壞和胰島素缺乏引起的。 缺乏胰島素，具有抑制血糖的作用，不能抑制血糖水平，導致高血糖。

2型糖尿病的症狀大致相同，但2型糖尿病的特點是，它們往往是由生活方式引起的。 2型糖尿病的因素包括遺傳體質、高熱量飲食和缺乏鍛鍊。 胰島素的分泌量降低，因為胰腺的作用減弱，或者肝臟、肌肉等組織對胰島素的作用麻木不仁，即敏感性降低，當胰島素分泌時，效果變得難以產生，即胰島素抵抗。

還有其他懷孕的糖尿病。 在懷孕期間，糖耐受性往往因懷孕期間增加的激素組（黃體酮、雌激素和胎盤乳糖）而惡化。 在大多數情況下，分娩後血糖水平會恢復正常，但會增加未來患2型糖尿病的風險。

二．糖尿病的治療

糖尿病不能通過內科保存治療治癒。 因此，治療的目的是防止發病和惡化，並維持患者的生活質量（QOL）。 雖然有一些病例通過移植治療來緩解，但除非器官移植的難度變得非常嚴重（捐贈者的數量、相容性等），否則不要依賴移植。

對於2型糖尿病，早期有效的治療方法是飲食和運動療法。 如果這兩種療法無法控制，請切換到口服降血糖藥物或使用胰島素等藥物的治療。

當糖尿病併發症發生時，由於疾病的性質，進展可能更快，並且可能更嚴重，因此在治療中不會引起併發症。 因此，糖尿病的治療不是旨在根治的治療，而是以防禦為主的治療，不惡化，不引起併發症。

由於這種情況，使用幹細胞治療和再生醫學不能根治糖尿病的想法已經存在了。 雖然目前沒有實際應用和普遍化的治療方法，但近十年來細胞培養技術的發展和基礎數據的積累正在顯著改變這種狀況。

三．使用幹細胞治療糖尿病

1型糖尿病和2型糖尿病都是胰島素缺乏的原因之一。 造成這種缺乏的原因是蘭格漢斯β的細胞被破壞或停止工作。 然後，由於胰島素的合成和分泌只能是這個β細胞，所以通過繼續施用胰島素本身來消除胰島素缺乏，或者通過移植產生和分泌胰島素而不是β細胞或β細胞的細胞來解決這個問題的想法是自然流動的。

從幹細胞中產生變成β細胞的細胞並將其移植到患者體內的治療方法要建立幹細胞的安全性、製備細胞的效率等標準（標準化）。 此外，為了減輕移植後患者的負擔和風險，必須儘可能不進行基因工程，並考慮移植時對身體的適應性。

進入2010年代，國家先進工業科學技術研究所（AIST）的幹細胞工程研究中心利用大腦中的神經幹細胞進行阿爾茨海默氏症和抑鬱症等研究。 在此過程中，我們發現人類成人神經幹細胞的分化控制因子組與胰腺分化控制因子組相似。

如果你能使用大腦中的神經幹細胞來分化產生胰島素的細胞，那麼你不必擔心移植的免疫反應。 然而，為了在大腦中採集神經幹細胞，需要進行腦外科手術。 因此，我們研究了從鼻腔後面的鼻腔中提取神經幹細胞並將其分化成胰島素產生細胞的技術及其治療效果。

實驗室水平的實驗證實了產生胰島素所需的基因的表達，並移植到糖尿病模型大鼠體內，結果發現糖尿病的病情得到了改善。

通過這項研究對胰島素產生細胞的分化機制進行了分析，德島大學醫院正在推進從自衍生脂肪幹細胞分化成胰島素產生細胞並移植的研究。 脂肪幹細胞的使用使採集更容易，並允許重複製造和移植。 該研究於2018年建立了胰島素生產細胞製備培養方法，路線圖於2021年推出，目標是在2021年獲得醫生主導的臨床試驗（第一階段）和企業主導的臨床試驗。

此外，細胞培養技術也發展起來，使實驗室能夠構建與人體具有相同三維結構的細胞質量。 通過形成三維細胞質量，細胞的性質更接近身體中的細胞。 事實上，通過製造三維細胞質量，代謝機制（如抗癌藥物）也發現了新的機制。

基於三維細胞群的想法，將分化成β細胞的細胞分層並移植到皮膚下的研究也在進行中。 皮下β細胞片產生胰島素，胰島素轉移到血液中，表現出效果。

這項研究在糖尿病模型小鼠中表現出效果，並取得了成功。 目前，人們一直研究在片上產生人工胰腺並將其移植到小鼠身上是否有效。

如果細胞片的效果能夠發展成長期有效的效果，而不是暫時的，可以減輕患者的負擔。 研究人員的目標是使細胞片上的細胞群能夠檢測血液中的葡萄糖，並自主地控制胰島素分泌。

使用幹細胞治療糖尿病的主要方法是"製造和移植能夠產生和分泌胰島素的細胞"。 胰島素是體內唯一能降低血糖的激素。 當這個功能消失時，身體沒有替代方法，所以糖尿病是一種很難根治的疾病。 將來，使用幹細胞移植細胞片和移植人工胰腺片，在不降低生活質量的情況下與糖尿病結合或根治是可能的。

截至2020年，據最新研究表明，幹細胞成為了終結胰島素注射的新研究策略。能夠躲避免疫系統的人類胰腺細胞簇的誕生，幾十年來，科學家們一直在尋找一種更好的方法來補充丟失的胰腺細胞。根據Evans實驗室的說法，如今，像這樣的胰島素分泌細胞的無器械移植使我們離治癒這種疾病更近了一步。對糖尿病細胞療法的臨床應用具有重要意義。

首個能夠躲避免疫系統的人類胰腺細胞簇

自幹細胞治療糖尿病的研究開展以來，研究人員一直致力於結合免疫保護和再生醫學，通過實驗研究出某種可以智能響應人體需求分泌正常數量胰島素的人體胰島樣細胞簇，以此代替患者無法正常運作的胰島細胞。儘管供體胰島組織可以產生胰島素和其他激素，但這些細胞群一旦移植入異體內就必須終身服用免疫抑制藥物，給患者帶來了更嚴重的風險，例如並發感染等。

在之前的一項研究中，科研人員發現幹細胞衍生的類β細胞由於動力不足在葡萄糖作用下並沒有釋放胰島素。後來研究團隊又發現了一種名為ERR-gamma的基因開關，當它被翻轉時，會給細胞「渦輪增壓」，如此一來，細胞就變得健康而強壯，充滿了完成工作所需的能量。這是該項研究克服的第一重障礙。

論文共同作者、沙克生物學研究所高級科學家Michael Downes說，「當我們添加ERR-gamma時，這些細胞就有了它們完成工作所需的能量。這些細胞是健康和健壯的，當它們感受到高葡萄糖水平時，可以提供胰島素。」

研究過程中的另一個挑戰是，研究人員需要在接近人類胰腺的三維環境中培育類β細胞，讓其具有類胰島特性。而此次研究中，研究人員還發現一種蛋白質作為非典型WNT4信號能夠開啟ERR-gamma驅動代謝成熟開關，能夠體外葡萄糖刺激胰島分泌。這些步驟的結合產生了模仿人類胰島的功能性細胞簇：所謂的人類胰島樣器官(human islet-like organoid, HILO)。

最後最大難題還是排異問題，該團隊開始研究解決免疫排斥的複雜問題。正常的組織移植需要終身免疫抑制治療，以保護組織免受免疫系統的攻擊，然而這些療法也增加了感染的風險。受到癌症免疫治療藥物成功研製的啟發，該團隊最初發現檢查點蛋白程序性死亡配體1（PD-L1)的過表達可以保護移植的HILOs，使其能夠在免疫狀態的糖尿病小鼠體內維持50天的葡萄糖穩態。隨後他們開發了一種用幹擾素γ（ IFN-γ ）短脈衝在幹細胞中誘導內源性PD-L1表達的方法，並限制了T細胞的激活和移植物排斥反應。

　　研究人員總結說：「這些初步研究表明，不需要基因操縱就可以保護HILOs不受免疫系統的傷害。如果我們能夠開發出這種治療方法，患者將不需要服用免疫抑制藥物。」

世界上首個能躲避免疫系統的人類胰腺細胞簇的生成，無疑將幹細胞治療I糖尿病的臨床應用研究往前更推進了一步，但仍然需要更多的研究來不斷發掘幹細胞對依賴性糖尿病的治療潛能，從而為糖尿病患者帶來福音。

參考文獻：

　　[1] Immune-evasive human islet-like organoids ameliorate diabetes, Nature (2020).DOI:10.1038/s41586-020-2631-z

醫聖 ISEI HEALTH

日本醫療

專業|嚴謹|資深

醫聖 ISEI HEALTH：iseihealth

醫聖ISEI HEALTH 是日本本土再生醫院中國唯一獨家指定託管方,只與日本最頂尖的專業醫療機構和各領域最權威的專家對接，是多家日本醫院授權指定的國際用戶（中國）服務提供商，非中介機構。堅持品牌與口碑，做專業嚴謹的健康服務。

人生100年時代を世界に共有しましょう。