糖尿病對脂肪干細胞分化能力的影響

陳文嬌 劉毅

[摘要]脂肪干細胞是存在于脂肪組織中的具有自我更新和多向分化潛能的成體干細胞，在創(chuàng)面治療和整形美容方面都已經(jīng)取得了良好效果。并且，脂肪干細胞具有來源廣泛、體內(nèi)含量多、免疫原性低等優(yōu)點，臨床應(yīng)用前景十分廣泛。但是糖尿病患者異常的體內(nèi)環(huán)境可以影響脂肪干細胞的生物學(xué)特性。本文就糖尿病對脂肪干細胞分化能力的影響進行綜述。

[關(guān)鍵詞]糖尿病;脂肪干細胞;分化;生物學(xué)特性

[中圖分類號]R587.1? ? [文獻標(biāo)志碼]A? ? [文章編號]1008-6455（2022）05-0176-05

Effect of Diabetes Mellitus on Differentiation of Adipose Derived Stem Cells

CHEN Wenjiao，LIU Yi

（Department of Burns and Plastic Surgery & Wound Repair Surgery，the Lanzhou University Second Hospital， Lanzhou 730030， Gansu，China）

Abstract： Adipose derived stem cells existing in adipose tissue are adult stem cells. Adipose derived stem cells have self-renewal and multi-directional differentiation potential，which have achieved good results in wound healing and plastic surgery. Moreover， adipose derived stem cells have many advantages， such as wide source， abundant content in vivo and low immunogenicity，so their clinical application prospect is very wide. However， the abnormal internal environment in diabetic patients can affect the biological characteristics of adipose derived stem cells. This article reviews the effect of diabetes on the differentiation of adipose derived stem cells.

Key words： diabetes mellitus; adipose derived stem cells; differentiation; biological characteristics

糖尿病是一種由胰島素分泌和（或）利用缺陷所引起的以高血糖為特征的慢性代謝性疾病。隨著人口老齡化程度的加劇，中國已經(jīng)成為全球糖尿病第一大國。糖尿病及其并發(fā)癥長期威脅人類健康，現(xiàn)有的治療方法均不甚理想，只能解除或緩解癥狀，延緩疾病進展，不能從根本上治愈該疾病。研究者們一直致力于尋找一種安全、有效且經(jīng)濟的治療方法。近年來有研究證明，干細胞在糖尿病治療方面有著積極效果，被認為是有效治療糖尿病的理想細胞類型，干細胞移植被認為是新的希望。人脂肪間充質(zhì)干細胞（human Adipose mesenchymal stem cells，hADSCs）因其具有高增殖率、多向分化潛能而被看作是一個比骨髓間充質(zhì)干細胞（BMSCs）更好的干細胞源。

ADSCs具有諸多優(yōu)勢：脂肪組織在人體內(nèi)大量存在，脂肪抽吸術(shù)創(chuàng)傷很小，不易造成供體部位病損，1 g脂肪組織可以分離得到5 000個干細胞，是同質(zhì)量骨髓組織所得間充質(zhì)干細胞的500倍[1];在分化性能上，ADSCs可以向脂肪、骨、軟骨、骨骼肌、心肌和平滑肌等中胚層組織分化，也可以向內(nèi)皮細胞、上皮細胞、肝細胞、神經(jīng)元細胞和胰腺細胞等非中胚層組織分化[2]。而且，與其他間充質(zhì)干細胞（Mesenchymal stem cells，MSCs）相比，ADSCs不僅含有瘦素、脂肪細胞因子和內(nèi)脂素等可調(diào)節(jié)血糖平衡的生物活性物質(zhì)[3]，還具有低免疫原性和較強的免疫調(diào)節(jié)功能，并在長期體外培養(yǎng)過程中表現(xiàn)出較強的遺傳穩(wěn)定性。因此，ADSCs作為治療糖尿病的種子細胞來源更具有優(yōu)勢。

糖尿病患者體內(nèi)長期的高血糖環(huán)境、ROS與酮體等物質(zhì)增多，會對ADSCs的生物學(xué)特性產(chǎn)生影響[4]。有研究表明，細胞表面標(biāo)志物在糖尿病患者ADSCs和非糖尿病患者ADSCs中的表達有和間充質(zhì)干細胞相類似的特征，但高糖影響各種ADSCs細胞因子的表達，使其生理途徑和旁分泌功能受到損害。因此，在糖尿病環(huán)境下，ADSCs的增殖活性較低，衰老程度更高[5]，分化能力也會受到影響，移植后的存活率也更低。

1? 成脂分化

ADSCs在誘導(dǎo)下可以逐步分化為成熟脂肪細胞：ADSCs最先分化為脂肪細胞系，進而轉(zhuǎn)化為前脂肪細胞，最終分化為成熟脂肪細胞[6]。并且，來源于不同個體、不同部位的ADSCs分化能力有明顯差別，其具體原因尚不清楚。

在糖尿病患者中，長期高血糖會損害多個器官，包括心臟、腎臟和眼睛，還會影響血管和神經(jīng)[7]。在細胞水平上，高血糖可導(dǎo)致多種細胞類型的損傷。目前，高血糖對ADSCs成脂分化的研究已經(jīng)有很多，但是研究結(jié)果并不統(tǒng)一。一方面，部分研究表明，高血糖可能會增加脂肪生成。Xiao S等[8]研究比較了糖尿病患者ADSCs（dADSCs）和非糖尿病患者ADSCs（nADSCs）的生物學(xué)特性，兩種類型的ADSCs均可分化為脂肪細胞，但是dADSCs的成脂分化能力強于nADSCs，其研究結(jié)果與Cramer等[9]一致;另一方面，也有研究表明，高糖脅迫誘導(dǎo)ADSCs自噬、凋亡明顯，細胞內(nèi)ROS水平顯著升高。糖尿病ADSCs的細胞活力明顯下降，細胞成脂分化程度明顯下降[10]。Barbagallo等[11]研究結(jié)果顯示，在2型糖尿病患者來源的細胞中，脂肪前體細胞失去了分化為成熟和功能性脂肪細胞的能力，并且，除了脂肪酸結(jié)合蛋白-4（FABP4）和DLK-1外，所有的成脂標(biāo)志物在分化后的糖尿病脂肪細胞中均不表達。因此，糖尿病患者可能通過脂肪組織轉(zhuǎn)化失敗形成無功能脂肪細胞，并影響新陳代謝的脂肪因子分泌，從而導(dǎo)致代謝綜合征和2型糖尿病的發(fā)生。Ewa?widerska等[12]研究了高血糖對人內(nèi)臟脂肪細胞（HPA-v）增殖、分化和成熟的影響。實驗結(jié)果表明，高血糖通過加速脂滴的形成，使其數(shù)量和體積增加，從而改變了HPA-v分化形態(tài)。在正常和高血糖條件下，脂質(zhì)的定性和定量組成是不同的，高糖處理的細胞中脂滴數(shù)量增加。無論是在生理和高血糖條件下的脂肪生成，還是在慢性和可變血糖的脂肪生成的特定階段，CCAAT增強子結(jié)合蛋白（C/EBPα）和過氧化物酶體增殖物激活受體γ（PPARγ）基因的表達譜都發(fā)生了顯著變化。PPARγ和C/EBPα是調(diào)節(jié)脂肪沉積的兩個關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子[13]，PPARγ的上調(diào)/下調(diào)通過控制脂肪沉積來調(diào)節(jié)ADSCs中的脂肪生成[14-16]。長期暴露于高糖中未分化的ADSCs上調(diào)炎癥反應(yīng)（IR）基因的一個子集，并改變其啟動子組蛋白甲基化模式。細胞外葡萄糖水平升高使ADSCs中的IR基因表達程序變得敏感，而在脂肪細胞分化過程中，IR基因的表達會加劇，有利于脂肪刺激后的轉(zhuǎn)錄炎癥反應(yīng)[17]。

2? 成骨分化

在骨再生中，骨髓間充質(zhì)干細胞（BMSCs）起著重要作用。然而，在高糖微環(huán)境中，BMSCs的骨再生能力受到抑制，這是由于高糖條件下BMSCs的增殖和遷移能力受到抑制。大量證據(jù)表明，糖尿病會降低骨密度，增加骨折風(fēng)險，影響成骨細胞的正常代謝，從而改變正常的骨再生和愈合[18-20]，骨缺損難以修復(fù)。ADSCs作為一種優(yōu)秀的種子細胞替代源，研究糖尿病環(huán)境下ADSCs的成骨特性，為其在特定環(huán)境中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。dADSCs和nADSCs均可分化為成骨細胞，但dADSCs成骨分化能力弱于nADSCs[8]。堿性磷酸酶（ALP）活性是評價ADSCs成骨分化潛能的一個指標(biāo)，它隨nADSCs和dADSCs培養(yǎng)基中葡萄糖濃度的增加而下降。在較高的葡萄糖濃度下，dADSCs的ALP活性下降最為顯著。在所有的葡萄糖濃度下，dADSCs的ALP顯著降低，低于nADSCs的ALP活性的20%[21]。

晚期糖基化終末產(chǎn)物（AGEs）是由葡萄糖與長期高血糖產(chǎn)生的蛋白質(zhì)發(fā)生非酶反應(yīng)而形成的[22]。它通過還原糖與蛋白質(zhì)的氨基相互作用，引發(fā)一系列復(fù)雜的重排和脫水反應(yīng)，最終生成一類不可逆的交聯(lián)和熒光片段，可以改變細胞內(nèi)蛋白質(zhì)和其他細胞外基質(zhì)的功能組分[22-23]。AGEs受體（RAGE）是一種細胞膜特異性受體，與AGEs相互作用，影響細胞功能。大量研究表明，在糖尿病患者中，AGEs-AGEs受體交互作用可誘導(dǎo)成骨細胞凋亡，抑制細胞增殖和遷移，降低骨量，促進骨質(zhì)疏松[24-26]，AGEs的形成和積累會影響骨代謝，增加骨脆性。AGEs和高糖（HG）在體外可導(dǎo)致ADSCs質(zhì)量的丟失，并可能通過抑制鈣化的成熟而導(dǎo)致體內(nèi)組織修復(fù)延遲。單用AGEs對ADSCs成骨的影響比HG強，但與HG聯(lián)合應(yīng)用時的作用減弱。AGEs+HG也減少了ADSCs鈣化結(jié)節(jié)的數(shù)量[27]。2型糖尿病的異常環(huán)境導(dǎo)致干細胞成骨功能顯著下降。然而，對于患者來說，基因序列在發(fā)病前后并沒有變化。這種現(xiàn)象可能與DNA甲基化引起的成骨相關(guān)基因表達的改變有關(guān)[28]。Cramer等[29]指出，dADSCs基因表達的某些變化是不可逆的，胰島素干預(yù)后，dADSCs的功能只能部分恢復(fù)。

3? 成內(nèi)皮細胞分化

糖尿病血管病變包括主要血管病變和微血管病變，是許多糖尿病慢性并發(fā)癥的病理基礎(chǔ)[30]，也是糖尿病患者預(yù)后不良的重要原因，這一病變是由多種因素導(dǎo)致的，而內(nèi)皮細胞功能異常是主要原因及始發(fā)因素。血管生成和成纖維細胞的遷移對傷口愈合至關(guān)重要，因為它們可以增加傷口附近的血液供應(yīng)，從而改善細胞增殖和代謝。因此，改善成纖維細胞和內(nèi)皮細胞的功能，促進血管生成對傷口愈合具有重要意義[30]。最近，ADSCs因具有多向分化的潛力和分泌各種生長因子和炎癥因子的能力，已成為移植治療中促進難愈性傷口愈合的重要工具。

內(nèi)皮細胞在調(diào)節(jié)血管張力、管壁滲透性、參與血管形成和重塑、參與細胞內(nèi)激素的下游信號傳遞功能等方面發(fā)揮了重要作用。糖尿病條件下，高血糖、高血脂、血液流變學(xué)及血流動力學(xué)發(fā)生改變和組織抗氧化能力減弱等均會導(dǎo)致內(nèi)皮細胞損傷[31]和各種血管生成生長因子的表達下調(diào)，導(dǎo)致血管生成受損和傷口愈合延遲。間充質(zhì)干細胞能夠促進血管新生[32]，適合于糖尿病及其并發(fā)癥的治療[33]。有研究顯示，間充質(zhì)干細胞能夠保護胰島細胞的完整性。間充質(zhì)干細胞分泌的血管內(nèi)皮生長因（VEGF）、肝細胞生長因子（HGF）、轉(zhuǎn)化生長因子（TGF）等，能夠促進胰島的血管重建和細胞增殖分裂，增強胰島細胞的存活[34-36]。

在適當(dāng)誘導(dǎo)劑存在的條件下，ADSCs具有向血管內(nèi)皮細胞分化的能力，還有一些證據(jù)表明，ADSCs比BMSCs具有更高的血管生成和免疫調(diào)節(jié)能力，可能更適合某些臨床應(yīng)用[37-39]，該領(lǐng)域研究進展為缺血性疾病的治療帶來曙光[40]。曹瑩等[41]將從脂肪組織提取的細胞中分選CD3l、CD34陰性細胞，并培養(yǎng)在含有VEGF等生長因子的培養(yǎng)液中，最終可以發(fā)現(xiàn)管樣結(jié)構(gòu)形成，同時檢測內(nèi)皮細胞特異性抗體表達陽性，并具有典型的內(nèi)皮細胞吞噬功能。對于血管內(nèi)皮細胞功能嚴(yán)重異常的糖尿病患者，其自身來源ADSCs是否仍然具有向內(nèi)皮細胞誘導(dǎo)分化的能力以及與正常人ADSCs相比是否存在差異顯得尤為重要。朱琳等[42]初步證實糖尿病患者來源的ADSCs在體外誘導(dǎo)條件下，可以分化為內(nèi)皮細胞，為糖尿病患者自體ADSCs移植治療缺血性疾病提供了理論依據(jù)。

有報道認為高糖環(huán)境會提高間充質(zhì)干細胞的自噬能力，從而發(fā)揮細胞的自我保護功能，對抗高糖損傷，促進糖尿病傷口愈合，但是持續(xù)的高糖條件也會對間充質(zhì)干細胞等細胞造成嚴(yán)重損傷[43]，導(dǎo)致間充質(zhì)干細胞的細胞治療作用降低。已有研究表明，高血糖嚴(yán)重影響間充質(zhì)干細胞的生物學(xué)特性。從T2DM患者脂肪組織中分離的ADSCs具有較低的增殖活性，對缺氧等促血管生成刺激的反應(yīng)性較差[44]。Nina A Dzhoyashvili[45]發(fā)現(xiàn)T2DM患者ADSCs血管生成活性顯著下降，這種損傷可能是由于ADSCs分泌的促血管生成和抗血管生成生長因子的協(xié)同網(wǎng)絡(luò)受到干擾所致。在高血糖狀態(tài)下，VEGF的mRNA和蛋白質(zhì)水平顯著降低，而HGF和FGF的mRNA水平不受影響。將高血糖條件下培養(yǎng)的ADSCs移植到小鼠缺血肢體，與正常血糖條件下培養(yǎng)的ADSCs移植到缺血區(qū)相比，缺血區(qū)的血流灌注和毛細血管密度顯著降低。這些結(jié)果表明，高血糖損害ADSCs中VEGF的產(chǎn)生，從而降低移植到缺血肢體的ADSCs的血管生成能力[46]。弓家弘研究結(jié)果也表明AGEs、高糖及兩者聯(lián)合干預(yù)后ADSCs向成熟內(nèi)皮分化較少，部分停留在幼稚階段[47]，這些均會限制ADSCs自體細胞治療的效果。還有研究發(fā)現(xiàn)，高濃度葡萄糖會產(chǎn)生超氧陰離子而導(dǎo)致人臍靜脈血管內(nèi)皮功能障礙[48]，但在高糖環(huán)境下，趨化因子8（CXCL-8）能夠刺激間充質(zhì)干細胞旁分泌VEGF、EGF，提高了對臍靜脈血管內(nèi)皮細胞招募的能力[49]。另外，Nina A Dzhoyashvili等[45]也發(fā)現(xiàn)從高血糖患者分離的ADSCs在正常血糖條件下進行體外培養(yǎng)，可以逆轉(zhuǎn)高血糖對ADSCs的某些影響，并掩蓋T2DM對ADSCs特性的影響。

4? 成胰島素生成細胞分化

糖尿病是一種高度流行的內(nèi)分泌代謝疾病，發(fā)病率不斷上升。1型和2型糖尿病的病因不同，前者以自身免疫介導(dǎo)的胰島β細胞破壞為特征，后者則是胰島素抵抗和進行性胰島素分泌不足的結(jié)果[50]。補充胰島素是治療這兩種糖尿病的一種策略。隨著器官移植技術(shù)的發(fā)展，人們試圖通過胰腺或胰島細胞移植為糖尿病患者提供新的胰島素分泌細胞（Insulin producing cells，IPCs），以達到控制血糖乃至治愈糖尿病的目的。但是，由于供體的稀缺、異種移植的免疫排斥反應(yīng)和受體長期服用免疫抑制藥物等諸多不利因素，其臨床應(yīng)用受到了限制。MSCs成為細胞再生治療的理想候選細胞，它可以通過多種機制改善糖尿病。大多數(shù)研究表明，MSCs可以調(diào)節(jié)宿主免疫系統(tǒng)，從而減輕炎癥和胰島素耐受，也能產(chǎn)生旁分泌因子，觸發(fā)局部干細胞自我更新和分化為功能性細胞。一些研究也證實了MSCs可以在損傷部位歸巢并分化為功能性β細胞[51]。

人體脂肪組織中含有的多能干細胞有可能分化為胰腺細胞譜系。目前，作為對當(dāng)代糖尿病治療方案的補充，干細胞移植可恢復(fù)衰竭的β細胞功能，調(diào)節(jié)代謝過程。另外，間充質(zhì)干細胞分泌VEGF、HGF、胰島素樣生長因子-1（IGF-1）、血小板生長因子（PDGF）等細胞因子，對β細胞的再生起到了促進作用，同時構(gòu)建了適合內(nèi)源胰島細胞增殖并分泌胰島素的微環(huán)境[53-55]。Timper等[56]的調(diào)查顯示，從4個捐獻者提取的人ADSCs可以分化為胰島素、生長抑素和胰高血糖素生成細胞。報道顯示胰腺部分切除后的小鼠胰島可以再生，用胰腺部分切除后殘余胰腺的提取物治療鏈脲佐菌素（STZ）誘導(dǎo)的糖尿病小鼠可以使血糖恢復(fù)正常水平。Hu J等[57]為2型糖尿病大鼠輸注ADSCs后，與糖尿病對照組相比，ADSCs組高血糖在2周內(nèi)有所改善，可維持6周左右，血漿胰島素和C肽濃度明顯改善，胰島β細胞增多，vWF含量增加，而caspase-3活性降低，TNF-α、IL-6和IL-1β濃度明顯降低。胰島素靶組織中GLUT4、INSR的表達和胰島素信號分子的磷酸化也得到有效改善。該實驗結(jié)果表明，ADSCs輸注可通過恢復(fù)胰島β細胞和改善胰島素敏感性來輔助治療T2DM。Dang LT等[58]為糖尿病小鼠靜脈輸注較高細胞劑量ADSCs后第56天，糖尿病小鼠的血糖比第0天下降了約20%，恢復(fù)期小鼠的糖耐量和胰島素分泌也有改善。這些胰島功能的改善可能是通過胰島細胞數(shù)量增加和減少胰島細胞受損來實現(xiàn)的。自體ADSCs輸注可能是治療T2DM的有效方法。

在細胞培養(yǎng)過程中，葡萄糖不僅是誘導(dǎo)胰島素分泌的關(guān)鍵因素，還是維持胰腺β細胞分化為穩(wěn)定表型的關(guān)鍵代謝產(chǎn)物。因此，葡萄糖在體外培養(yǎng)獲得IPCs的分化方案中作為一種輔助成分，用于提高誘導(dǎo)效率[59]。Qu等[60]在誘導(dǎo)ADSCs成胰島素生成細胞分化過程中，首先在含25 mmol/L葡萄糖的培養(yǎng)基中培養(yǎng)3 d，再添加誘導(dǎo)劑對細胞逐步進行誘導(dǎo)分化。Yabe等在誘導(dǎo)第2周將基礎(chǔ)培養(yǎng)基換為高糖培養(yǎng)基。在誘導(dǎo)培養(yǎng)過程中，許多研究均用高糖培養(yǎng)基代替普通培養(yǎng)基以提高誘導(dǎo)效率[61-62]。Yeonhee Hong等[63]研究發(fā)現(xiàn)，在hADSCs培養(yǎng)基中補充葡萄糖胺可通過提高β細胞特異性基因的mRNA水平，促進hADSCs向葡萄糖反應(yīng)性IPCs分化。并且，晚期補充葡萄糖胺對IPCs分化和基礎(chǔ)胰島素分泌的影響最大，表明葡萄糖胺可能影響胰島β細胞的成熟階段。此外，補充葡萄糖胺也能增加分化型IPCs中Syt4、Gck和Glut2等基因的mRNA表達水平。這些結(jié)果表明，葡萄糖胺可能有助于hADSCs向功能性β細胞分化。雖然目前階段誘導(dǎo)所得的細胞對于葡萄糖刺激不能形成較為靈敏的應(yīng)答反應(yīng)，但是一些標(biāo)記基因的表達也顯示出它們的應(yīng)用潛能。進一步研究將有待于揭示它們的應(yīng)用價值[64-65]。

到目前為止，不僅從脂肪組織中分離得到了成體干細胞，皮膚、肝臟、消化道上皮、胰腺、神經(jīng)脊，甚至羊水、毛囊、牙髓及眼瞼中都證明存在原位的干細胞群。ADSCs來源廣泛、可利用性強，為治療分離足夠數(shù)量的脂肪干細胞相對容易，早期ADSCs的臨床使用也并未產(chǎn)生不良后果。ADSCs可能被用來作為一種替代源，成功地取代間充質(zhì)干細胞或胚胎干細胞未來在糖尿病的臨床治療中應(yīng)用。但是，仍然要清楚地看到，雖然關(guān)于糖尿病對脂肪干細胞生物學(xué)特性的研究已經(jīng)有很多，很多研究只是在細胞實驗和動物實驗方面得出了一些結(jié)論。并且，糖尿病對ADSCs生物學(xué)特性影響的部分研究結(jié)果并不統(tǒng)一，糖尿病對ADSCs生物學(xué)特性影響的具體機制研究并不完善。因此，目前ADSCs在治療糖尿病的臨床應(yīng)用中依然受到限制。隨著科學(xué)研究的深入，相信ADSCs對糖尿病的治療應(yīng)用將會有更廣闊的前景，越來越多的關(guān)于脂肪干細胞臨床應(yīng)用的出現(xiàn)應(yīng)該只是時間問題了。

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[收稿日期]2020-12-15

本文引用格式：陳文嬌，劉毅.糖尿病對脂肪干細胞分化能力的影響[J].中國美容醫(yī)學(xué)，2022，31（5）：176-181.