【糖尿病学术前沿】根治糖尿病——细胞治疗技术研究进展

细胞治疗的背景介绍

糖尿病的发病关键在于内源性胰岛素的分泌不足。1型糖尿病由于自身免疫破坏β细胞，胰岛素分泌绝对不足，需终生胰岛素替代治疗。2型糖尿病晚期由于胰岛素抵抗和β细胞功能衰竭，也需要补充外源性胰岛素¹。补充外源性胰岛素可采用每日多次胰岛素注射、胰岛素泵或连接血糖监测仪的胰岛素泵（后者也就是我们常说的人工胰腺）等方法。这些方法能够在一定程度上改善HbA_1c，降低远期并发症发生风险，但是操作复杂，治疗负担重，并不能永久性重建糖尿病患者的生理性血糖稳态。要想实现治愈糖尿病的远期目标，我们需要恢复患者自身内源性胰岛素分泌，而细胞治疗技术为恢复内源性胰岛素分泌带来了新的希望。2020年9月，Nair等人在《Nat Rev Endocrinol》杂志上发表文章，系统总结了糖尿病细胞治疗的方法和挑战，为该领域的研究指明了方向²。

糖尿病细胞治疗的核心目标在于恢复足够数量的功能性β细胞。功能性β细胞具有以下特点：在营养物质刺激下，可动态双相分泌胰岛素，去除刺激后，胰岛素分泌迅速停止，而且能够对肠道和神经系统信号做出反应。根据功能性β细胞来源不同，细胞治疗可分为胰岛移植、干细胞移植、近缘体细胞转分化和工程合成细胞等多种方式，其中胰岛移植和干细胞移植是目前研究的热门方向（图1）。

图1 糖尿病细胞治疗分类

胰岛移植和干细胞移植

胰岛移植

胰岛移植的前身是胰腺移植，考虑到胰腺移植手术创伤大、并发症多，而糖尿病患者胰腺外分泌功能正常，因此胰腺移植逐渐简化为胰岛移植。根据胰岛来源，胰岛移植可分为异种胰岛移植和同种胰岛移植，前者一般来自无菌环境下的养殖猪，胰岛结构与人体相似，供体数量不受限，但异种移植免疫排斥反应较为严重，而且存在猪内源性逆转录病毒感染风险；后者一般来自心源性死亡供体，供体数量较为受限，且存在同种免疫排斥反应，但几乎不存在逆转录病毒感染风险³。一项在北美八家医学中心完成的单臂、开放标签三期临床研究表明，在病程大于五年的成人1型糖尿病患者中，同种胰岛移植可显著改善HbA_1c水平，减少严重低血糖事件和外源性胰岛素用量（图2）。基于该项研究结果，同种胰岛移植目前在部分国家已经获批用于治疗1型糖尿病患者⁴。

图2 胰岛移植治疗1型糖尿病的三期临床研究结果

胰岛移植后第75天，第365天及第730天时，与基线相比，HbA_1c<7.0% 的患者比例明显上升（图A），HbA_1c水平明显降低（图B），发生严重低血糖事件的患者明显减少（图C，仅移植后第365天和第730天数据），外源性胰岛素用量明显减少（图D）。所有统计学检验p值均＜0.001

2017年，美国制定了《临床胰岛移植标准化操作流程》，详细列出了胰岛细胞制备的七个步骤⁵，极大提高了胰岛细胞制备的成功率（图3）。2019年，中国也推出了《临床胰岛制备技术专家共识》，在胰腺筛选、胰腺获取及保存、胰腺消化、胰岛纯化、胰岛培养和胰岛质量鉴定六个方面制定了详细标准，标志着我国也逐步形成了适合中国人群的胰岛制备方法⁶。

图3 胰岛细胞移植的七个步骤示意图

1，胰腺消化酶灌注；2，放入“胰腺消化罐”；3，胰腺消化；4，胰岛细胞提取及纯化；5，胰岛细胞培养；6，胰岛细胞质量鉴定；7，胰岛细胞门静脉注射

干细胞移植

胰岛移植目前最大的问题在于供体短缺，而干细胞移植理论上来说可大批量生产，不受供体数量的限制，因此是目前研究的热点。干细胞分为成体干细胞和人多能干细胞，两种干细胞有各自的优缺点（表1）。

表1 成体干细胞和人多能干细胞优缺点比较

成体干细胞包括间充质干细胞、胰腺干细胞和肝脏干细胞等多种类型，广泛存在于成体组织和器官中，平时处于静息状态，机体受损时可在局部微环境诱导下分化为特定的组织细胞类型，可用于直接移植，也可用于体外诱导分化后移植。1型糖尿病大鼠模型研究结果表明⁷，成体干细胞体外诱导分化后移植的效果优于直接移植（图4）。

图4 1型糖尿病大鼠成体干细胞移植

与对照组相比，移植未分化的间充质干细胞和分化的间充质干细胞均能显著改善血浆胰岛素水平（图A）和血糖水平（图B），但间充质干细胞体外诱导分化后移植效果更优

多能干细胞包括胚胎干细胞和诱导多能干细胞，须在体外诱导分化后再进行移植，而体外诱导分化过程是当前亟待解决的技术难点（图5）。

图5 人多能干细胞体外诱导分化后移植流程示意图

第1步，获取人多能干细胞并定向分化为双能祖细胞；第2步，添加细胞因子促使双能祖细胞分化为不成熟β细胞；第3步，调整TGFβ信号通路，获得具有动态分泌功能且聚集成胰岛样结构的成熟β细胞；第4步，成熟β细胞产品规模生产后移植回患者体内

细胞治疗的挑战

实现细胞治疗技术的临床应用，需要高效的批量生产平台、严格的体外细胞分化质控措施以及可靠的免疫保护方案。随着细胞治疗生物加工平台的演进，前两个问题都基本得到了解决，但是胰岛细胞移植后的免疫排斥问题仍有待解决。总体来看，目前常用的免疫保护策略分为三种：全身免疫抑制、局部免疫阻断和干细胞免疫教育。

全身免疫抑制剂

随着免疫抑制剂更新换代，胰岛移植的免疫抑制方案也在逐渐完善。2000年前，糖皮质激素是免疫抑制方案的主要组成部分，但是会损伤移植的胰岛细胞，导致胰岛移植失败率很高；2000至2006年，临床多采用不包含糖皮质激素的Edmonton免疫抑制方案，但胰岛移植失败率仍高达50%-80%；目前临床多采用Hering提出的免疫抑制方案（图6），胰岛移植的失败率进一步降低⁸。

图6 用于胰岛移植的Hering免疫抑制方案

诱导期应用抗胸腺细胞球蛋白+依那西普，维持期应用西罗莫司+他克莫司

局部免疫阻断

将胰岛细胞装入生物相容性材料做成的免疫隔离装置，可隔绝自身免疫系统对植入细胞的排异反应，同时允许小分子物质自由交换，包括葡萄糖、胰岛素和其他细胞代谢产物等。目前研究最为充分的封装材料包括海藻酸盐⁹和聚四氟乙烯¹⁰两种，相关的临床试验正在进行中（图7）。

图7 免疫隔离装置示意图

左侧为海藻酸盐做成的纸片状结构，大小为4X8X0.25cm，每位患者需移植六张纸片；右侧为聚四氟乙烯做成的微囊样结构，约为半张名片大小，每位患者需移植四到六个微囊

干细胞免疫教育

利用脐血多能干细胞的免疫调节作用，可在体外直接对淋巴细胞进行处理，减少记忆性效应T细胞数目，然后将体外处理后的淋巴细胞回输到患者体内，以纠正免疫系统紊乱¹¹。该方法操作简单（只需两次静脉穿刺），无需组织配型（脐血多能干细胞免疫原性很低），无免疫排斥反应（脐血多能干细胞附着在教育器内，未进入患者体内），适用于大多数糖尿病患者（图8）。

图8 干细胞免疫教育闭环系统示意图

总 结

无论1型还是2型糖尿病，均存在β细胞数量和功能的损害，而常规补充外源性胰岛素的治疗方式无法根治糖尿病，以重建β细胞数量和功能为目标的细胞治疗为根治糖尿病提供了潜在的解决方案。在糖尿病细胞治疗领域，胰岛移植和干细胞移植是研究热点。相比于胰岛移植，干细胞移植不受胰岛供体数量的限制，但距离大规模临床应用仍有一定距离。最近几年，干细胞体外分化质控体系的建立以及第四代悬浮搅拌生物反应器的应用解决了胰岛细胞高质量、大规模生产的困难。但是现有的免疫保护策略还需进一步优化，保证胰岛细胞移植后能够长期存活，进一步提高细胞治疗的成功率。目前在研的多种免疫保护策略中，基于细胞封装技术的局部免疫阻断技术是值得关注的发展方向。

“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”，科学的进展从不是一帆风顺，糖尿病的细胞疗法历经不少质疑，也走过许多弯路，但终有一天我们能够实现彻底治愈糖尿病的宏大目标。

参考文献

1.Kendall DM, et al. Am J Med. 2009;122(6 Suppl):S37-50

2. Nair, G.G, et al. Nat Rev Endocrinol, 2020;16(9):506-518

3. 黄孝伦. 中华移植杂志(电子版), 2017(3)

4. Hering BJ, et al. Diabetes Care, 2016;39:1230–1240

5. Shapiro AM, et al. Nat Rev Endocrinol, 2017;13(5):268‐277

6.中华医学会器官移植分会胰腺小肠移植学组. 中华器官移植杂志, 2019;40(9):515-518

7.Wassef MA, et al. Biochem Biophys Rep. 2016;5:468-475

8.Hering BJ, et al. JAMA. 2005;293(7):830-5

9. Storrs R, et al. Ann N Y Acad Sci, 2001;944(1) :252-266

10. Tejal Desai, et al. Nat Rev Drug Discov, 2017;16(5):338-350

11. Yong Zhao, et al. Stem Cells Transl Med. 2017;6(8):1684-1697

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《糖尿病学术前沿》介绍：

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