小分子化合物誘導(dǎo)干細(xì)胞分化為胰島素分泌細(xì)胞研究進(jìn)展

廖菁菁，郝好杰，劉建萍井岡山大學(xué)附屬醫(yī)院 內(nèi)分泌科，江西吉安 4000；解放軍總醫(yī)院，北京 0085；南昌大學(xué)第二附屬醫(yī)院 內(nèi)分泌科，江西南昌 0006

根據(jù)國際糖尿病協(xié)會(huì)(IDF)調(diào)查，2011年全球糖尿病患者為3.66億，到2030年預(yù)計(jì)將達(dá)到5.22億，即患病率將達(dá)到7.7%[1]。而國內(nèi)最新大樣本流行病學(xué)調(diào)查顯示，中國成人糖尿病患病率為11.6%[2]。糖尿病已經(jīng)成為一種非常普遍的疾病，目前主要是通過口服降糖藥及注射外源性胰島素進(jìn)行治療，但長期注射胰島素給患者帶來很多不便，也不能阻止各種糖尿病慢性并發(fā)癥的發(fā)生[3]，因此迫切需要一些新的治療方法。糖尿病是由于胰島B細(xì)胞受損，導(dǎo)致胰島素分泌缺陷和(或)作用缺陷，從而使患者血液中葡萄糖水平增高。如能重建患者體內(nèi)有功能的B細(xì)胞，就有可能治愈糖尿病。近年來，細(xì)胞治療成為非常有前景的治療方法。目前，將各種來源的細(xì)胞誘導(dǎo)分化或轉(zhuǎn)分化為胰島素分泌細(xì)胞(insulin-producing cells，IPCs)[4-6]，為糖尿病細(xì)胞治療開辟了一條新道路。關(guān)于IPCs再生來源的干細(xì)胞已有綜述報(bào)道[7]，但有關(guān)IPCs的誘導(dǎo)方法及小分子化合物在干細(xì)胞向IPCs誘導(dǎo)分化過程中的作用的文獻(xiàn)報(bào)道較少。本文就各種來源干細(xì)胞向IPCs分化的誘導(dǎo)方法及相關(guān)小分子化合物在誘導(dǎo)過程中所起的作用進(jìn)行綜述。

1 胰島素分泌細(xì)胞的來源

現(xiàn)階段研究較多的用于治療糖尿病的干細(xì)胞可分為3類：胚胎干細(xì)胞、誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞(induced pluripotent stem cells，iPs)及成體干細(xì)胞。胚胎干細(xì)胞是一種全能干細(xì)胞，具有多向分化潛能及自我更新能力，在適當(dāng)?shù)臈l件下可分化為3個(gè)胚層細(xì)胞，包括IPCs[8-9]。最初誘導(dǎo)效率較低，且生成的IPCs對葡萄糖刺激不敏感，隨著不斷的研究，尤其是利用小分子化合物分階段誘導(dǎo)后，誘導(dǎo)效率明顯提高，誘導(dǎo)出的IPCs對葡萄糖的敏感性也大大提高了[7]。

目前，用確定的轉(zhuǎn)錄因子將體細(xì)胞重編程為誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞的方法已經(jīng)建立[10-11]，這些iPS細(xì)胞與胚胎干細(xì)胞有相似的特性，具有多向分化及自我更新能力。同時(shí)自體細(xì)胞來源的多能干細(xì)胞避免了免疫排斥問題，也避開了倫理及法律上的爭議。不同來源的iPS細(xì)胞在動(dòng)物模型中可治療各種疾病，包括將其誘導(dǎo)分化為IPCs治療糖尿病[12-14]。

成體干細(xì)胞是胚胎干細(xì)胞分化形成的各特定類型細(xì)胞的干細(xì)胞或前體細(xì)胞，在適當(dāng)?shù)臈l件下可以轉(zhuǎn)分化為其他類型的細(xì)胞，包括轉(zhuǎn)分化為IPCs[15]。這種轉(zhuǎn)分化過程包括幾種可能的途徑：1)從一種已分化細(xì)胞轉(zhuǎn)分化為另一種分化細(xì)胞；2)已分化的細(xì)胞去分化為一種共同的前體細(xì)胞后再分化為另一種細(xì)胞；3)將成體組織中存在的多能細(xì)胞誘導(dǎo)分化為另一種細(xì)胞；4)與另一已分化的細(xì)胞融合為多能細(xì)胞。成體干細(xì)胞相對胚胎干細(xì)胞來說，取材更方便，成瘤風(fēng)險(xiǎn)更低，且無倫理上的爭議[16]。

2 小分子化合物誘導(dǎo)IPCs生成

Hou等[17]用7種小分子化合物將小鼠成體細(xì)胞誘導(dǎo)為多能細(xì)胞，這種應(yīng)用小分子化合物進(jìn)行重編程的非轉(zhuǎn)基因方法較轉(zhuǎn)基因方法對臨床意義更大，因?yàn)樾》肿踊衔餆o免疫原性、可滲入細(xì)胞、操作方便、容易合成及保存，且其對特異蛋白的抑制或激活功能多是可逆的，應(yīng)用時(shí)濃度可以準(zhǔn)確控制[17]。目前，已有很多實(shí)驗(yàn)室通過不同的生長因子與小分子化合物的組合，直接將胚胎干細(xì)胞、誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞及成體干細(xì)胞分階段誘導(dǎo)分化為IPCs，表1中歸納了部分作者的誘導(dǎo)方案。

3 小分子化合物在IPCs誘導(dǎo)分化過程中的作用

從表1中可以看到不同的細(xì)胞誘導(dǎo)分化為IPCs需要不同的培養(yǎng)基、生長因子及小分子化合物，但它們也有一些共同的特點(diǎn)，如都是分階段進(jìn)行誘導(dǎo)，誘導(dǎo)分化過程中使用的生長因子及小分子化合物部分是一樣的。這些生長因子及小分子化合物可促進(jìn)B細(xì)胞的增殖和分化、增加胰島素含量。如表皮生長因子(epidermal growth factor，EGF)是EGF蛋白家族中的一員，對細(xì)胞的存活、增殖及分化起重要作用[23]，已有研究發(fā)現(xiàn)其可以促進(jìn)胰十二指腸同源框蛋白1陽性細(xì)胞增殖[12]。堿性成纖維生長因子與EGF聯(lián)合使用或單獨(dú)使用，有利于IPCs分化[24-25]。激活素A是轉(zhuǎn)化生長因子-β超家族的成員，可調(diào)節(jié)細(xì)胞的增殖和分化，誘導(dǎo)胚胎干細(xì)胞向終末內(nèi)胚層分化，與其他細(xì)胞因子聯(lián)合作用可進(jìn)一步誘導(dǎo)分化為IPCs[24,26]。5-氮雜胞苷，一種DNA甲基化酶抑制劑，可逆轉(zhuǎn)DNA的甲基化過程，刺激分化過程中胰腺內(nèi)分泌細(xì)胞相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子(Ngn3、Pdx1)的表達(dá)。Pennarossa等[27]利用5-AZA使人成纖維細(xì)胞經(jīng)過一個(gè)短暫的去甲基化狀態(tài)后，成功轉(zhuǎn)分化為IPCs，將重編程所得IPCs移植入糖尿病小鼠體內(nèi)后可逆轉(zhuǎn)其高血糖狀態(tài)。曲古霉素A，一種非特異組蛋白去乙?；敢种苿烧{(diào)節(jié)染色體重構(gòu)，使干細(xì)胞去分化，并進(jìn)一步向胰腺內(nèi)分泌細(xì)胞分化，增加內(nèi)分泌細(xì)胞的數(shù)量，與5-AZA聯(lián)合應(yīng)用可促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞、肝干細(xì)胞向IPCs分化[19-22]。維甲酸可誘導(dǎo)人胚胎干細(xì)胞表達(dá)胰腺發(fā)育過程中重要的轉(zhuǎn)錄因子Ngn3和神經(jīng)源性分化因子，并進(jìn)一步促進(jìn)Pdx1、成對盒基因4(Pax4)及同源盒基因6.1(Nkx6.1)表達(dá)，誘導(dǎo)生成IPCs[28-29]。尼克酰胺是各種誘導(dǎo)方案中常用的一種小分子化合物，早在20世紀(jì)90年代，Otonkoski等就利用尼克酰胺誘導(dǎo)人胎胰向內(nèi)分泌細(xì)胞分化，其研究表明，用10 nmol/L尼克酰胺作用于未分化的上皮細(xì)胞簇，可使發(fā)育過程中的胰島B細(xì)胞DNA含量增加2倍，胰島素含量增加3倍，同時(shí)，胰島素、胰高血糖素及生長抑素的基因表達(dá)量也增加了[16]。艾塞那肽-4是胰高血糖素樣肽1(GLP-1)激動(dòng)劑，可通過刺激B細(xì)胞的復(fù)制及再生增加B細(xì)胞團(tuán)的數(shù)量，并可增加胰島素基因表達(dá)及胰島素原的合成，與利索茶堿共作用時(shí)可逆轉(zhuǎn)受損的糖尿病鼠的B細(xì)胞[30]。也有報(bào)道體外高濃度的艾塞那肽-4可增加小鼠胚胎干細(xì)胞來源的IPCs胰島素的分泌量[31]。艾塞那肽-4與激活素A聯(lián)合作用，可上調(diào)Pdx1、Ngn3，胰島素、胰高血糖素、生長抑素、胰多肽及葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)子2(Glut2)的表達(dá)，這些基因可促進(jìn)有功能的B樣細(xì)胞的生成[20]。

表1 小分子化合物誘導(dǎo)干細(xì)胞分化為胰島素分泌細(xì)胞Tab. 1 Differentiation of stem cells into insulin-producing cells using small molecule compounds

4 展望

近年來的研究表明，不同來源的細(xì)胞通過轉(zhuǎn)基因[26,32]及非轉(zhuǎn)基因[12,18,22]的方法都可以誘導(dǎo)分化或轉(zhuǎn)分化為IPCs，因此選擇一個(gè)最佳的細(xì)胞類型及誘導(dǎo)方案也是目前一個(gè)比較棘手的問題。胚胎發(fā)育過程中，肝與胰腺共同來源于內(nèi)胚層，發(fā)育上的同源性提示肝和胰腺在細(xì)胞增殖及分化調(diào)控等方面有很高的相似性[33]，兩者之間的轉(zhuǎn)化涉及相對較少的表觀基因改變，且肝具有強(qiáng)大的修復(fù)與再生能力，能為胰島素分泌細(xì)胞的重編程提供大量的細(xì)胞來源。近來的研究發(fā)現(xiàn)，miR-302可促進(jìn)Pdx1、Ngn3、V-MAF肌肉腱膜纖維肉瘤癌基因同源A(MafA)將人成體肝細(xì)胞重編程為胰島素分泌細(xì)胞，過表達(dá)miR-302a可增加胰腺發(fā)育相關(guān)基因Pdx1的表達(dá)[34]。因此，將肝細(xì)胞重編程為胰島素分泌細(xì)胞在糖尿病細(xì)胞治療方面具有很大潛力。非內(nèi)分泌的胰腺細(xì)胞及胰島細(xì)胞與胰島B細(xì)胞來源同一胚層，或許會(huì)是一個(gè)比較好的選擇[35]。轉(zhuǎn)基因方法存在轉(zhuǎn)染基因整合及誘變的風(fēng)險(xiǎn)[8]，因此通過小分子化合物這種非轉(zhuǎn)基因的方法誘導(dǎo)分化或重編程出IPCs的策略越來越受到人們的關(guān)注。小分子化合物更像是一種藥物，通過小分子化合物抑制或激活組織細(xì)胞發(fā)育過程中相關(guān)基因及信號(hào)通路將細(xì)胞進(jìn)行誘導(dǎo)分化及轉(zhuǎn)分化。但是，目前我們對于各種小分子化合物的作用機(jī)制及其與胰腺發(fā)育過程中各信號(hào)通路是如何相互影響的并不清楚。想要通過小分子化合物誘導(dǎo)出我們需要的產(chǎn)胰島素細(xì)胞，就需要了解各組織自然發(fā)育過程中基因表達(dá)及小分子化合物是如何調(diào)節(jié)這種復(fù)雜的基因網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的。這需要我們進(jìn)行深入研究，這是一個(gè)很艱辛的過程，是一個(gè)挑戰(zhàn)，但又吸引我們不斷探索，因?yàn)槲覀兞私獾脑蕉?，解析的越清楚，離治愈糖尿病的日子就越近。

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