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干細(xì)胞治療糖尿病的研究近況
干細(xì)胞治療糖尿病的研究近況[關(guān)鍵詞] 糖尿病 干細(xì)胞 胰島
健康網(wǎng)訊: 魏雪峰 史小林 100054首都醫(yī)科大學(xué)生殖醫(yī)學(xué)研究中心 【摘要】 本文對(duì)本世紀(jì)以來干細(xì)胞治療糖尿病的若干研究,包括胰島的體內(nèi)發(fā)育、分化及其標(biāo)志物,以及應(yīng)用胰導(dǎo)管干細(xì)胞和胚胎干細(xì)胞進(jìn)行定向誘導(dǎo)分化為胰島對(duì)糖尿病進(jìn)行細(xì)胞治療的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了綜述。隨著干細(xì)胞技術(shù)的不斷完善,人類最終能治愈糖尿病。 全球糖尿。╠iabetes mellitus,DM)患者約1.25億(我國也已達(dá)4000萬),預(yù)計(jì)2025年將達(dá)3億 [1],已成為嚴(yán)重危害人類健康的重大疾病之一,特別是久病引發(fā)的多系統(tǒng)損害,及最終的腎功能衰竭。 DM發(fā)病機(jī)制復(fù)雜,涉及遺傳、環(huán)境、免疫調(diào)控和化學(xué)因子。自1922年發(fā)現(xiàn)了胰島素至今,DM的治療以藥物和注射胰島素為主,目前,學(xué)者們開始關(guān)注經(jīng)胰島移植恢復(fù)患者體內(nèi)代謝紊亂的方法,但因組織來源匱缺,制約了胰島移植研究的開展,因此尋找合適的胰島移植物的研究便成為了當(dāng)務(wù)之急。隨著分子、細(xì)胞和發(fā)育生物學(xué)技術(shù)的進(jìn)展,增加了干細(xì)胞定向誘導(dǎo)分化成胰島的可能性但由于這一技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)階段,而且方法也并不統(tǒng)一,因此有必要將近期研究進(jìn)行匯總,希望能對(duì)在這方面進(jìn)行研究的同僚們有所幫助。 1 胰島體內(nèi)的形成、發(fā)育、分化與鑒定 1.1 胚胎胰島分化 胚胎胰島的分化分4個(gè)階段:(1)胚胎9~10周為零散的多激素細(xì)胞階段;(2)胚胎11~15周為未成熟的多激素階段;(3)胚胎16~19周為單激素核心胰島階段;(4)胚胎30周后為多形胰島階段(Bocian,Histochem Cell Biol,1999)。在胰島形成過程中,內(nèi)胚層細(xì)胞形成許多小導(dǎo)管網(wǎng),其末端膨大部分的細(xì)胞團(tuán)發(fā)育為外分泌腺泡,與此同時(shí),一些細(xì)胞群或細(xì)胞索不出現(xiàn)管腔,卷曲成團(tuán)并與其他細(xì)胞索分離開,分散在腺泡之間,內(nèi)含豐富的毛細(xì)血管網(wǎng),最后發(fā)育成具有內(nèi)分泌功能的胰島。 1.2 胰島細(xì)胞分化的調(diào)節(jié) Ferber [2] 認(rèn)為胚胎發(fā)育早期的信號(hào)源于脊索,后期的信號(hào)源于間質(zhì),經(jīng)誘導(dǎo)的胰管上皮細(xì)胞增殖分化形成胰島細(xì)胞,但至今為止其誘導(dǎo)因素并無統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。 PDX1:一種同源框轉(zhuǎn)錄因子(homeobox tranˉscription factor),即胰十二指腸同源異型盒基因(pa-ncreatic and duodenal homeobox1),編碼胰腺十二指腸同源框蛋白1,又稱IPF-1、IDX-1、IUF-1。Lu(Lu,Endocrinology,1996)認(rèn)為PDX1是胰腺發(fā)育及胰島素基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)的關(guān)鍵性轉(zhuǎn)錄因子,即決定于胰腺前體細(xì)胞向B、A、D細(xì)胞的分化。Mckinnon [3] 認(rèn)為PDX1對(duì)于腸內(nèi)胚層背胰芽和腹胰芽的生長、分化起重要作用。Dutta [4] 認(rèn)為早期胰腺表達(dá)的PDX-1對(duì)胰腺上皮的形成和分化是必需的。Gu [5] 認(rèn)為所有胰腺細(xì)胞均來源于PDX1表達(dá)的前體細(xì)胞,是最先發(fā)現(xiàn)的胰腺發(fā)育決定基因,隨著胰腺發(fā)育PDX1的表達(dá)逐漸減弱,如缺失將導(dǎo)致胰腺無法形成。Docherty [6] 的研究證實(shí)小鼠PDX1基因的純合子缺失、突變會(huì)導(dǎo)致胰腺無法形成。 ngn3:ngn3即神經(jīng)元素3(neurogenin3),是胰腺發(fā)育過程中短暫表達(dá)的蛋白,可能是胰腺內(nèi)分泌細(xì)胞系的定向因子,且在成熟胰島中不存在。用PDX1啟動(dòng)子促進(jìn)轉(zhuǎn)基因小鼠中早期胰腺前體細(xì)胞中ngn3表達(dá),會(huì)導(dǎo)致內(nèi)分泌細(xì)胞數(shù)增加,外分泌細(xì)胞數(shù)減少。ngn3缺失的純合子小鼠中胰島細(xì)胞和nestin+胰島前體細(xì)胞在發(fā)育各階段都缺失 [6] 。Lee [7] 認(rèn)為ngn3基因與胰島分化有密切關(guān)系,因?yàn)閚gn3基因缺陷小鼠不能表達(dá)胰島其他特異性轉(zhuǎn)錄因子,包括islet1、PAX4、PAX6,而缺乏PAX6、NeuˉroD1、NKN6.1或NKX2.2的動(dòng)物胰腺中表達(dá)ngn3, 表明ngn3位于這些因子的上游,且對(duì)啟動(dòng)內(nèi)分泌細(xì)胞分化必不可少,而分化后期關(guān)閉。Gasa [8] 通過表達(dá)的腺病毒感染胰腺導(dǎo)管細(xì)胞,建立了體外調(diào)控分化模型,發(fā)現(xiàn)ngn3和NeuroD1活化胰島分化的基因并不重疊,表明這兩個(gè)bHLH蛋白在胰島發(fā)育活動(dòng)中具有不同的功能。Mellitzer [9] 通過將cDNA插入到前體細(xì)胞的3′端非翻譯區(qū),通過EYFP定位NGN-3表達(dá),發(fā)現(xiàn)內(nèi)分泌前體細(xì)胞在缺乏間充質(zhì)信號(hào)刺激情況下,可在體外擴(kuò)增,向內(nèi)分泌細(xì)胞分化為其默認(rèn)的途徑。Leon [10] 用抗新霉素基因篩選用含Nkx6.1前體基因質(zhì)粒轉(zhuǎn)染鼠胚胎干細(xì)胞。培養(yǎng)后用篩選Nkx6.1陽性細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)這些細(xì)胞分泌胰島素,注入糖尿病鼠體內(nèi)可使其血糖恢復(fù)正常。 Foxα2:內(nèi)分泌的關(guān)鍵調(diào)控基因是forkhead基因Foxα2。Guo [11] 誘導(dǎo)內(nèi)胚層分化的研究發(fā)現(xiàn),F(xiàn)oxα2可被Foxd3激活,而被Oct4抑制。內(nèi)胚層分化可通過抑制Oct4表達(dá)實(shí)現(xiàn)。Foxα2基因關(guān)鍵參與肺、肝、胰發(fā)育。缺乏Foxα2基因,鼠不能產(chǎn)生前、中腸內(nèi)胚層(Ang,Cell,1994)。 HNF:HNF4參與肝、腸、胰分化,缺失可致年輕人成熟期發(fā)病的糖尿。∕aturity onset diabetes melliˉtus in young,MODY1)。HNF1α(TCF1)HNF4或Foxα2及Pdx-1雙雜合缺失,導(dǎo)致β細(xì)胞功能缺陷,提示這些基因構(gòu)成β細(xì)胞發(fā)育的基因網(wǎng)絡(luò)(Yamagata,Nature,1996)。HNF6-/-鼠,腹胰發(fā)育缺陷及膽管發(fā)育異常,該基因需ngn3激活(Yamagata,Nature,1996)。HNF6還激活Foxα2a基因。 Pax:Pax-4和Pax-6同屬Pax基因家族,其在胰腺內(nèi)分泌細(xì)胞分化中起關(guān)鍵作用。Sosa(Sosa,Nature,1997)將Lac-Z插入到Pax基因中作標(biāo)記,發(fā)現(xiàn)Pax-4失活的新生鼠經(jīng)免疫組織化學(xué)法顯示缺少β細(xì)胞和δ細(xì)胞,α細(xì)胞排列不規(guī)整。Pax-6缺失,α細(xì)胞缺如,而胰島素和生長抑素分泌細(xì)胞卻可出現(xiàn)(St-Onge,Nature,997)。由此推斷出Pax-6是α細(xì)胞發(fā)育所必需,而非β、δ細(xì)胞發(fā)育所必需。 Chiang [12] 為分析單個(gè)胰腺細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄模式,改進(jìn)了基于PCR的cDNA擴(kuò)增方法,即將單個(gè)胰腺細(xì)胞中的cDNA與含有95個(gè)常見胰腺細(xì)胞表達(dá)基因的DNA芯片進(jìn)行雜交,芯片上的基因包括轉(zhuǎn)錄因子,信號(hào)傳導(dǎo)分子以及對(duì)照基因。研究者觀察了胚胎10.5d小鼠的胰腺分離出的單個(gè)細(xì)胞中的基因表達(dá)模式。在這個(gè)時(shí)期上皮細(xì)胞的形態(tài)均一,而基因表達(dá)模式分析可分為6個(gè)不同的亞型。I型只表達(dá)Pdx1,Nkx2.2和Nkx6.1,II型還表達(dá)P48,III型還表達(dá)ngn3。因?yàn)镻dx1是最早表達(dá)的胰腺臟細(xì)胞標(biāo)記蛋白,因此研究者認(rèn)為I型細(xì)胞是最好的胰腺干細(xì)胞候選者。II型細(xì)胞表達(dá)的P48是外分泌胰腺細(xì)胞的標(biāo)記,而Nkx2.2和Nkx6.1是內(nèi)分泌細(xì)胞分化所必須的。研究者根據(jù)這些研究結(jié)果推測出一個(gè)胰腺細(xì)胞分化的模型,每一個(gè)階段都對(duì)應(yīng)相應(yīng)的基因表達(dá)模式。此外,成體的胰島內(nèi)分泌細(xì)胞40~50d更新一次,其過程包括細(xì)胞凋亡和胰導(dǎo)管干細(xì)胞增殖分化成新的胰島細(xì)胞。給予葡萄糖或高血糖素樣肽(Glucagon-like peptied,GLP1)等促胰島因子48h后,胰島細(xì)胞數(shù)量可增加一倍,說明機(jī)體胰島在一定的條件與需求下進(jìn)行著不斷更新與增殖的(Rosenberg,Cell Transplant,1995)。 1.3 胰島前體細(xì)胞的標(biāo)記 Jindal(Jindal,Transplanˉtation Proceeding,1997)認(rèn)為胰臟的外分泌細(xì)胞和內(nèi)分泌細(xì)胞都來源于具有導(dǎo)管細(xì)胞特征的未分化上皮細(xì)胞,提示胰導(dǎo)管細(xì)胞可能是胰島的前體細(xì)胞。Berger [13] 也發(fā)現(xiàn)胰腺中存在干細(xì)胞,認(rèn)為胰腺干細(xì)胞是胚胎發(fā)生中沒有進(jìn)行終末分化的胰腺細(xì)胞,具有自我更新和分裂能力。應(yīng)用HE染色顯示該細(xì)胞是一種嗜堿性的單核細(xì)胞,直徑約8μm,呈圓形,細(xì)胞核為圓形或腎形,較大,多含2個(gè)核仁,染色質(zhì)細(xì)膩而分散,胞質(zhì)中不含顆粒,在形態(tài)上與小淋巴細(xì)胞極為相似。 近年來的研究揭示了胰島前體細(xì)胞的特異性標(biāo)記物,這對(duì)胰島前體細(xì)胞的提取將有很大的幫助,目前較為公認(rèn)的特異性標(biāo)記物有以下幾種,還有很多標(biāo)記物有待于發(fā)現(xiàn)。酪氨酸羥化酶(tyroxine hydroxyˉlase,TH):在大鼠胰腺發(fā)生中表現(xiàn)出發(fā)育依賴性變化。第16天胚胎的導(dǎo)管細(xì)胞可見TH的表達(dá),但成熟的內(nèi)分泌細(xì)胞中卻難以檢測到TH,胎兒和剛出生幼兒的胰島細(xì)胞和一些導(dǎo)管細(xì)胞TH呈陽性。成年大鼠胰腺中,TH僅在β細(xì)胞中表達(dá)。TH的這種表達(dá)模式可用于鑒別內(nèi)分泌前體細(xì)胞 [14] 。葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)子2(glucose transporter,Glu T-2):可在大鼠胚胎的背胰芽和腹胰芽細(xì)胞中檢出,并在胰芽發(fā)育中持續(xù)表達(dá)。孕17d,可檢測到細(xì)胞內(nèi)表達(dá)GluT-2和胰島素,以后,這些細(xì)胞聚集形成胰島的β細(xì)胞群,而那些將轉(zhuǎn)變成腺泡細(xì)胞的細(xì)胞不再表達(dá)GluT-2[15] 。細(xì)胞角蛋白20(cytokeratin,CK20):CK20是成熟胰腺導(dǎo)管細(xì)胞的一個(gè)特異標(biāo)志。在胎鼠和幼鼠的導(dǎo)管細(xì)胞和內(nèi)分泌細(xì)胞中表達(dá),而在成年動(dòng)物的導(dǎo)管細(xì)胞中有CK20表達(dá)則提示能定向分化成內(nèi)外分泌細(xì)胞的胰腺未分化細(xì)胞。誘導(dǎo)與導(dǎo)管連接的β細(xì)胞再生時(shí),CK20也可在內(nèi)分泌細(xì)胞中表達(dá),顯示了未分化細(xì)胞分化為內(nèi)分泌細(xì)胞的過程 [15] 。PDX-1:是β細(xì)胞成熟的標(biāo)志。在哺乳動(dòng)物中,這種同源域蛋白(homeodomain protein)是一種調(diào)節(jié)胰島素和抑生長素表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子,也作為胰島素啟動(dòng)因子-1(IPF-1)、抑生長素活化因子-1(STF-1)和胰島十二指腸同源域蛋白(IDX-1)而存在。PDX-1也可在尚未形成胎兒胰腺上皮細(xì)胞的所有胰島素分泌細(xì)胞中短暫表達(dá)(Bouwens,Micros.Res.Tech,1998)。Kit:Kit在胰島素細(xì)胞系中表達(dá),認(rèn)為在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)方面起作用。胎鼠和成鼠的胰島中均可檢測到Kit,經(jīng)Kit基因表達(dá)的標(biāo)記物gal證實(shí),Kit在胰島素細(xì)胞中特異表達(dá),在其他內(nèi)分泌細(xì)胞和外分泌細(xì)胞中不表達(dá) [16] 。ngn3:ngn3陽性細(xì)胞散在于胎鼠胰腺的導(dǎo)管細(xì)胞,胚胎15.5d達(dá)高峰,成熟胰島細(xì)胞則轉(zhuǎn)為陰性 [17] 。由于胰島激素或成熟內(nèi)分泌細(xì)胞不表達(dá)ngn3,因此ngn3陽性細(xì)胞可作為胰腺內(nèi)分泌細(xì)胞的前體細(xì)胞的標(biāo)記物 [18] 。波形蛋白(vimentin):Schmied [19] 將長期培養(yǎng)的胰島細(xì)胞去分化得到未分化的導(dǎo)管樣上皮細(xì)胞,這些細(xì)胞可分化成胰腺內(nèi)外分泌細(xì)胞,并限制性表達(dá)波形蛋白,所以波形蛋白可作為胰島祖細(xì)胞的分子標(biāo)志。 但在此需說明的是,最近研究人員用小鼠做了詳細(xì)的追蹤研究,Matthews [20] 通過孕鼠及乳鼠喂養(yǎng)不同劑量的維生素A,發(fā)現(xiàn)缺乏維生素A,β細(xì)胞數(shù)量和體積明顯下降。Chen Y [21] 等發(fā)現(xiàn)SOCS-1(-/-)鼠感染后外分泌部細(xì)胞死亡高于內(nèi)分泌部,可能γ干擾素或腫瘤壞死因子促進(jìn)內(nèi)分泌部增生分化。Gesina [22]通過糖皮質(zhì)激素治療通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)使激素受體缺陷的鼠,發(fā)現(xiàn)胰島素分泌細(xì)胞減少是外分泌細(xì)胞的2倍,提示糖皮質(zhì)激素有利于向外分泌分化。表達(dá)Pax-1,Pax-6,Nkx6.1處下游調(diào)控序列,而paf-1-p48和Hes-1的mRNA增高。選擇非活化激素受體基因,在鼠β細(xì)胞無明顯效果。而對(duì)于缺乏糖皮質(zhì)激素受體,且表達(dá)Pdx-1則β細(xì)胞群增長加倍。胰島細(xì)胞數(shù)量和體積均增大而α細(xì)胞除外。提示糖皮質(zhì)激素在胰腺β細(xì)胞分化中具有重要作用。 2 誘導(dǎo)干細(xì)胞分化為胰島的研究近況 應(yīng)用生物工程技術(shù)獲取胰島素分泌細(xì)胞可從以下幾個(gè)途徑:(1)胰導(dǎo)管干細(xì)胞;(2)胚胎干細(xì)胞;(3)利用基因工程技術(shù)。但將這些細(xì)胞誘導(dǎo)成胰島,僅是實(shí)驗(yàn)室研究的初級(jí)階段,并不是最終的成果! 2.1 胰導(dǎo)管干細(xì)胞應(yīng)用 (1)Peck [23] 和Ramiya [24] 分離、提取出了存在于胰腺導(dǎo)管中的胰島干細(xì)胞,經(jīng)體外誘導(dǎo)培養(yǎng)形成了胰島樣細(xì)胞。(2)Bonner [25] 發(fā)現(xiàn)角質(zhì)化細(xì)胞生長因子(keratinocyte growth factor,KGF)和煙堿(nicotine)對(duì)導(dǎo)管干細(xì)胞分化為胰島產(chǎn)生作用。(3)Ramiya [26] 從胰腺導(dǎo)管上皮細(xì)胞誘導(dǎo)分化得到“產(chǎn)生胰島的干細(xì)胞(islet producing stem cells,IPSCs)”,這些IPSCs呈較典型的胰島樣結(jié)構(gòu),并對(duì)高濃度葡萄糖有胰島素釋放應(yīng)答反應(yīng),免疫組織化學(xué)染色證實(shí)有胰島素和胰高糖素的表達(dá),RT-PCR顯示這些細(xì)胞能表達(dá)許多胰島細(xì)胞的標(biāo)志性基因,如胰島素基因,胰高糖素,生長抑素,GLUT2及谷氨酸脫羧酶等。將分化成熟的胰島細(xì)胞移植到NOD鼠體內(nèi),可完全逆轉(zhuǎn)其DM狀態(tài) [25] 。由IPSCs可誘導(dǎo)分化得到“產(chǎn)生胰島的細(xì)胞”(islet producing cells,IPCs),IPCs可分化成有組織結(jié)構(gòu)的胰島細(xì)胞團(tuán),包括A、B、D細(xì)胞,表達(dá)一系列胰島標(biāo)志,分泌胰島素并受葡萄糖誘導(dǎo)。將這些細(xì)胞移植到NOD鼠體內(nèi),可穩(wěn)定其血糖水平。 2.2 胚胎干細(xì)胞應(yīng)用 (1)Lumelsky [27] 采用胚胎干細(xì)胞體外擴(kuò)增后,篩選巢蛋白(nestin)陽性細(xì)胞,加入堿性成纖維細(xì)胞生長因子(basic fibroblast growth factor,bFGF)及B27和尼可酰胺,誘導(dǎo)成為能分泌胰島素的胰島樣結(jié)構(gòu),將其植入糖尿病鼠體內(nèi),可使血糖降低且有血管形成,只是胰島素分泌量較低。(2)Assady [28] 從ES細(xì)胞誘導(dǎo)分化得到可分泌胰島素的細(xì)胞,他們的方法是先將ES細(xì)胞在有白血病抑制因子(leukaemia inbibitory factor,LIF)存在,但無滋養(yǎng)層的條件下培養(yǎng),此時(shí)有PDX1(pancreatic and duodenal homeobox1)表達(dá),然后在無LIF的條件下促進(jìn)ES細(xì)胞增殖分化為擬胚體(Embryo Bodys,EBs),再在無血清環(huán)境下培養(yǎng),提高nestin+細(xì)胞的比例,加入bFGF繼續(xù)培養(yǎng),得到類胰島組織細(xì)胞。這些細(xì)胞表達(dá)145pgμg的鼠胰島素Ⅰ和Ⅱ,而且其表達(dá)受葡萄糖誘導(dǎo),還表達(dá)胰島淀粉多肽(isleta myloid polypepˉtide),GLUT2等胰島細(xì)胞標(biāo)志。但將這些細(xì)胞移植入糖尿病小鼠后,未能使其血糖正常化。(3)Soriˉa [29]通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)將基因插件插入到小鼠胚胎干細(xì)胞中,經(jīng)潮霉素(hygromycin)篩選,獲得含上述基因插件的干細(xì)胞,擴(kuò)增后用G418篩選,從而獲得純化的胰島。 參考文獻(xiàn) 1 Docherty K.Growth and development of theislets of Langerhans:implicaˉtions for the treatment of diabetes mellitus.Current Opinionin Pharmacoloˉ gy,2001,1:641-650. 2 Ferber S,Halkin,Cohen H,et al.Pancreatic and duodenal homeobox gene1in duce expression if insulin genes in liver and ameliorates strepto otoc in induced hyperglycemia.NatMed,2000,6:568-572. 3 Mckinnon CM,Docherty K.Pancreatic duodenal homeobox1,PDX1,aˉmajorregulator ofβcell function and identity.Diabetologia,2001,44:1203-1214. 4 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中華現(xiàn)代內(nèi)科學(xué)雜志 2005年1月 第2卷 第1期
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