人體血糖濃度的調控主要由胰島素和胰高血糖素在多個(gè)層次相互制約實(shí)現。其中，由胰島β細胞產(chǎn)生的胰島素負責促進(jìn)血糖吸收，降低血糖濃度。胰島β細胞破壞或功能障礙會(huì )導致糖尿病。與長(cháng)期注射胰島素不同，胰島移植通?？梢允够颊哐撬皆跀的陜缺３终?，并可預防糖尿病的繼發(fā)性并發(fā)癥。然而，供者數量稀少限制了這類(lèi)療法的應用。
2014年，在一篇Cell論文中[1]，領(lǐng)導這項新研究的Douglas Melton博士實(shí)驗室首次開(kāi)創(chuàng )了一種方法，將干細胞轉化為產(chǎn)生胰島素的β細胞。然而，在最初的研究中，β細胞在最終的細胞混合物中只占30%。為了改善β細胞的比例，研究團隊希望了解其它70%的細胞是什么。單細胞測序技術(shù)的發(fā)展幫助攻克了這一難題。（圖片來(lái)源：Cell）
近年來(lái)，一些研究顯示，利用衍生自干細胞的胰島β細胞來(lái)替換胰島中被破壞的β細胞可能會(huì )為治愈糖尿病帶來(lái)希望。5月8日，最新發(fā)表在Nature上的一項研究中[2]，哈佛大學(xué)Douglas Melton博士帶領(lǐng)的科學(xué)家團隊描繪了干細胞分化成胰島樣細胞（islet-like cells）的分子步驟，為未來(lái)生產(chǎn)用于移植的胰島細胞提供了重要指導。
人類(lèi)多能干細胞能夠無(wú)限地自我更新，并在體內產(chǎn)生各種類(lèi)型的細胞。因為，很多研究團隊致力于開(kāi)發(fā)干細胞在體外分化成胰島細胞的protocols。一個(gè)理想的protocol需要實(shí)現，促進(jìn)干細胞分化為完全成熟的α細胞和β細胞；之后，α細胞和β細胞能夠被分離、純化以及重新組裝成用于移植的胰島樣結構（islet-like structures）。為了實(shí)現這一宏偉目標，科學(xué)家們需要透徹理解所有胰島細胞的分化程序以及胰島形成的方式。
體外β細胞分化的單細胞RNA測序（圖片來(lái)源：Nature）
在這項新研究中，Melton博士等分析了干細胞向胰 腺祖細胞和激素生產(chǎn)細胞（hormone-producing cells，也叫內分泌細胞）分化過(guò)程中不同時(shí)間點(diǎn)的超過(guò)10萬(wàn)個(gè)細胞。細胞的單細胞RNA測序（scRNA-seq）在分化過(guò)程的每一步取樣，然后進(jìn)行計算分析，這使得鑒定細胞類(lèi)型以及通過(guò)時(shí)間追蹤細胞的譜系成為可能。Melton博士等通過(guò)這種方法制作了胰島祖細胞如何發(fā)育成分化細胞不同譜系的精美圖片（下圖）。
研究人員發(fā)現，衍生自干細胞的胰 腺祖細胞能夠有效分化，但用于處理它們的信號因子組合稍微不同，就會(huì )影響祖細胞產(chǎn)生激素表達細胞和非激素表達細胞的比例。
在該研究中，三種最豐富的激素表達細胞類(lèi)型是來(lái)源于干細胞的α細胞 (SC-α)、來(lái)源于干細胞的β細胞 (SC-β)以及來(lái)源于干細胞的類(lèi)似于腸嗜鉻細胞的細胞(SC-EC)。
研究人員還發(fā)現，未成熟的SC-α能夠表達兩種胰島激素（胰島素和胰高血糖素），不過(guò)，這種多激素細胞在培養5周后會(huì )變成單激素細胞，即變成只表達胰高血糖素的細胞。
SC-EC的發(fā)現令人驚訝，因為腸嗜鉻細胞通常存在于腸內（不存在于胰 腺中）并產(chǎn)生血清素（有助于調節腸道運動(dòng)和消化）。當研究人員在分化階段改變提供給細胞的信號因子組合（雞尾酒）時(shí)，SC-EC/(SC-α+SC-β)的比率變化很大。此外，不同的信號因子組合也會(huì )改變非增殖性?xún)确置诩毎?增殖性非內分泌細胞（腺泡細胞和胰 腺導管細胞）的比率。
為了制造安全且功能成熟的干細胞衍生胰島等效物，研究人員必須分離純化理想的內分泌細胞亞型，然后將其重組為假胰島（pseudoislets）。在該研究中，科學(xué)家們發(fā)現，一個(gè)簡(jiǎn)單的分離和聚集程序（一種物理分離法）能夠從培養物中去除大多數增殖性非內分泌細胞。此外，他們確定了CD49a (也稱(chēng)為ITGA1 )是SC-β表達的表面分子。結合利用CD49a抗體的磁性細胞分選技術(shù)能夠使研究者們獲得包含80% SC-β的培養物。
需要指出的是，雖然該研究可將細胞混合物中β細胞的純度提升至80%，但科學(xué)家們表示，并不一定β細胞純度越高就越好?？刂苹旌衔镏?beta;細胞比例的能力是這項研究的關(guān)鍵發(fā)現?，F在，他們將專(zhuān)注于調查混合物中各類(lèi)細胞的比例。
“也許我們需要更多其它類(lèi)型的細胞來(lái)幫助調節β細胞，這樣它們才能正常工作。我們將找出這些細胞類(lèi)型是如何相互作用的。”論文第一作者Adrian Veres解釋道。
總結來(lái)說(shuō)，該研究中，Veres等重建了人類(lèi)胰 腺祖細胞和分化的內分泌細胞之間的譜系關(guān)系，并揭示了這些細胞類(lèi)型出現的順序，以及伴隨著(zhù)每個(gè)分化軌跡發(fā)生的動(dòng)態(tài)分子變化，提供了關(guān)于干細胞分化成胰島細胞深入的機制見(jiàn)解。
那么，我們距離利用β細胞替代療法治療糖尿病還有多遠呢？目前，已有臨床試驗在測試移植干細胞來(lái)源的胰島祖細胞到1型糖尿病患者中的安全性和有效性。然而，被移植的胰 腺祖細胞仍需要分化和成熟為β細胞來(lái)實(shí)現由葡萄糖刺激引發(fā)的有效胰島素分泌。但在體內，我們無(wú)法控制胰 腺祖細胞所接觸的信號因子。因此，更理想的產(chǎn)品是，在移植到患者體內前，也就是在體外培養時(shí)，細胞就能夠響應葡萄糖分泌胰島素，且在移植到患者體內后，立即發(fā)揮作用。此外，值得一提的是，僅移植SC-β并不足以治療1型糖尿病，因為α細胞對嚴格控制人類(lèi)胰島的激素分泌以及葡萄糖水平的整體調節也至關(guān)重要。
Nature的觀(guān)點(diǎn)文章稱(chēng)，Veres等人在解決一些關(guān)鍵問(wèn)題方面取得了重大進(jìn)展。首次，他們提供了詳細的scRNA-seq數據集，涵蓋了體外胰島細胞分化的主要步驟。此外，研究的一個(gè)關(guān)鍵發(fā)現是，SC-α和SC-β能夠一起產(chǎn)生，但腸道內分泌SC-EC和增殖性非分泌細胞也會(huì )出現。這表明，生產(chǎn)安全的產(chǎn)品需要將SC-α和SC-β分離至高純度，且為了避免導致癌癥的風(fēng)險，還需要移除增殖性祖細胞。最后，科學(xué)家們通過(guò)對scRNA-seq數據的詳細分析鑒定出了有望進(jìn)一步改善胰島細胞分化和純化過(guò)程的新型表面標志物和信號通路。因此，總結來(lái)說(shuō)，該研究意義重大，讓我們離β細胞替代療法在臨床上得以應用，從而改變糖尿病治療更近一步。
相關(guān)論文：
[1] Felicia W. Pagliuca et al. Generation of Functional Human Pancreatic β Cells In Vitro. Cell(2014).
[2]Adrian Veres et al. Charting cellular identity during human in vitro β-cell differentiation. Nature（2019）.
參考資料：
1# A map of β-cell differentiation pathways supports cell therapies for diabetes
2# Research boosts the yield of insulin-producing cells for diabetes therapy
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