【學術前沿】斑馬魚胰島β細胞的體內發生和再生

2020-12-06 澎湃新聞

摘要：胰島β細胞功能修復和細胞再生是治療糖尿病和高血糖症的重要手段之一。但是目前人胰島β細胞的增殖在體內較難實現。為了更好地理解β細胞再生的正負調控機制，動物模型尤其是斑馬魚成為了我們研究β細胞再生機制的重要材料。美國範德堡大學Wenbiao Chen團隊就當前利用斑馬魚研究β細胞再生的研究進展作一簡單綜述，以饗讀者。

雖然胰島素、胰島素增敏劑、葡萄糖重吸收抑制劑等藥物已經用於糖尿病等的治療，但療效並不理想且還會引起副作用。而恢復患者β細胞群功能被認為才是治癒I型和II型糖尿病的「康莊大道」。然而遺體捐獻最終止於免疫排斥，而胚胎幹細胞或者誘導多能幹細胞體外誘導的方法雖然是「亂花漸欲迷人眼」，但大家兜兜轉轉許多年，最後拿到的β樣細胞仍然無法與供體提供的β細胞相提並論（上帝：我的作品豈是這麼好模仿的，愚蠢的人類）。於是人們調整了策略，把β細胞誘導再生的過程放到了體內環境，效果卻有了驚人的提升。

體內β細胞再生涉及三方面的生物學機制，即：一、增殖，β細胞通過細胞分裂實現數量的增多，主要發生在晚期原腸胚到個體成年階段，是β細胞在體內發生最主要的生物學機制，不過隨著個體逐漸衰老，β細胞增殖能力消耗殆盡，據說這與細胞DNA甲基化水平增加有密切關係；二、祖/前體細胞分化，在整個發育階段和成年個體中均有發生；三、轉分化，可在某些極端條件如β細胞嚴重缺失或受一些藥物刺激等情況下，由胰內分泌細胞、肝臟細胞或腸內分泌細胞等發生轉分化產生β細胞。上述這些發現來自於噬齒類動物的研究，而成人的β細胞增殖能力卻並不強，在青年期達到增殖能力的高峰後，人的胰島細胞團基本就保持穩定了。雖然有證據表明成人胰島在面對胰島素抵抗時具備一定的可塑性，但為什麼會如此，又是通過哪些調控網絡來刺激細胞增殖能力的，均不清楚。

斑馬魚作為模式生物的優點包括強大的生殖能力、卵生帶來的基因編輯易操作性、轉基因或突變株製備成本低廉、胚胎易觀察易篩選、快速的生長發育節約研究時間等方面。斑馬魚的胰臟是具備強大再生能力的。下圖展示了斑馬魚β細胞再生過程中涉及到上述三種生物學機制的信號通路和轉錄因子（圖中的參考文獻還請大家有興趣查閱原文）。

從發育角度來說，斑馬魚的胰臟和哺乳動物一樣，來自表達pdx1的前腸內胚層背側芽和腹側芽。受精後18小時，背側芽細胞開始分化出內分泌細胞，受精後24小時，這些分散的內分泌細胞開始聚集形成主胰島。這些細胞是不分裂的，功能也並不成熟。到受精後 40小時開始，腹側芽的細胞開始分化出內分泌細胞。主胰島頭部開始形成並產生腺泡和導管細胞。發育到第2至第5天的時候，主胰島隨著來自「受成纖維生長因子應答的胰腺外管」(FGF-responsive extrapancreatic duct)的內分泌細胞的增殖而進一步增長。發育至5天以後，胰腺Notch應答細胞分化形成次級胰島和胰腺尾部。β細胞的增殖就發生在這個時候。

通過對β細胞分化發育的了解，β細胞的生理刺激包括胰島素信號通路、營養和腸道微生物這三個方面。

胰島素信號通路的缺失是可以增加β細胞的數量和提高葡萄糖穩態控制的功能。目前已經得到證實的案例包括將insra和insrb這兩種胰島素受體功能失活、過表達IRS2、AKT2抑制劑處理，均可令胚胎斑馬魚在受精後24小時就出現大量的β細胞。另外在骨骼肌組織中阻斷胰島素信號通路，同樣可以提高β細胞的數目。

β細胞對營養是很敏感的，有兩例報導顯示，將幼年斑馬魚（發育6或18天）放在5%新鮮雞蛋黃中培養8小時後，β細胞數量大幅增加，但這並不是增殖帶來的結果，而是由那些前體/祖細胞分化實現的。類似的，高能量餵養條件下發育第15天的斑馬魚幼魚的次級胰島要比低能量餵養條件下的幼魚大的多。而禁食或者雷帕黴素處理可以阻滯β細胞的分化。這個結果好像提示我們成年人如何要獲得更多的β細胞得吃好喝好營養好，胖子們看到這個狂吃不胖的理由估計要喜極而泣了。但在此先聲明人β細胞受高能量過營養條件刺激促進增殖分化的研究暫時沒有（該忌口節食的還得繼續堅持哦）。

近來又有一些研究證明腸道菌群可以分泌一種叫β細胞擴增因子A(β-Cell Expansion Factor A, BefA)的蛋白。如果把斑馬魚腸道裡的細菌用抗生素處理過後，發現斑馬魚的β細胞會少很多。反過來在培養液中補充BefA重組蛋白，可以通過促進細胞增殖來提高幼魚的β細胞數量。

人們通過對發育2.5天到5天這個階段的幼魚進行超過3000多種化學物質的篩選，鑑定到一些小分子藥物可以通過化學刺激促進β細胞再生，包括雙硫侖(Disulfiram, DSF)、黴酚酸(mycophenolic acid, MPA)，還有一些是NF-κB、Notch、CDK5、葡萄糖通路、血清素、維甲酸的抑制劑等。其中CDK5抑制劑促進β細胞再生在小鼠以及人誘導多能幹細胞中也得到了證實。

最後一種策略是反其道而行之，破壞胰島來誘導β細胞再生。這裡涉及到的基因很多，像Sox9b如果發生突變，破壞胰島的方法就不可行，因為Sox9b在發育過程中對Notch應答細胞和中央棘突細胞的形成發揮重要作用。還有甲基轉移酶DNMT1的突變反而可以促進破壞後誘導的β細胞再生。這和前文中提到的DNA甲基化增加令β細胞再生能力消耗殆盡的現象不謀而合。此外，破壞β細胞後，可以促使胰島中其他細胞向β細胞轉分化，這裡Igfbp1介導的IGF信號通路發揮了重要作用。目前用化學手段破壞β細胞是一個不錯的選擇，比如甲哨唑。除此之外，還有乙基醯胺基腺苷 (5′-N-ethylcarboxamidoadenosine, NECA)、BX795和PIAA，後兩者是針對TBK1/IKKε信號通路的特效抑制劑。

總之，體內β細胞再生在治療I/II型糖尿病方面還是很有潛力的。人們對斑馬魚進行藥物篩選以期獲得更多小分子化合物有效地刺激β細胞再生。當然斑馬魚離人還有一段距離要走，當下我們通過斑馬魚把β細胞發育、分化和再生的調控網絡與信號通路了解清楚，相信在不遠的將來，β細胞的臨床治療會不約而至。

原文連結

https://cellregeneration.springeropen.com/articles/10.1186/s13619-020-00052-6#auth-Wenbiao-Chen

2019年，《細胞再生》(Cell Regeneration)經過了編輯隊伍和期刊方向調整等大動作後，再度出現在學界同仁的視線中。該雜誌是中國細胞生物學學會的官方出版物，採取開放獲取（OA）的出版模式，在學會支持下目前不向作者收取發表費用（APC）；致力於促進領域內科學家發表研究成果、交流科研心得，助力推動細胞再生的基礎研究及其向臨床的轉化。

2020年，中國細胞生物學學會攜手SpringerOpen共同出版《細胞再生》，共同打造高質量的出版平臺，為廣大作者和讀者提供更好的服務。

來源：Cell Regeneration

1980-2020

原標題：《【學術前沿】斑馬魚胰島β細胞的體內發生和再生》

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