我已經探索：胰腺細胞的可塑性：胰島β細胞再生的新思路

在糖尿病的發生髮展中，胰島β細胞功能進行性喪失，最終導致高血糖的惡化和各種併發症的發生。治療糖尿病最重要的策略之一是恢復功能性β細胞總量。目前常用的策略有如下幾種：(1)胰島移植或胰腺移植；(2)將多潛能幹細胞(包括胚胎幹細胞和誘導性多潛能幹細胞)或各種類型成體幹細胞(如間充質幹細胞、肝臟前體細胞等)在體外誘導分化為胰島素分泌細胞後進行細胞移植，補充胰島細胞數量；(3)促進成體幹細胞(如胰腺幹細胞等)在體內直接轉分化為胰島樣細胞，恢復β細胞總量；(4)將終末分化細胞(如成纖維細胞等)在體內或體外直接轉化為β細胞^[1]。

胰腺本身具有較高的可塑性。胰腺導管細胞、腺泡細胞、胰腺內分泌其他類型細胞均可轉化為β細胞，且β細胞也具有自我增殖的潛能。研發促進β細胞再生的方案有助於為糖尿病治療提供新的思路。

傳統觀念認為，胎兒和幼年期的β細胞有一定的增殖能力，而成年後β細胞的增殖能力很低。隨後的研究發現，在生理和某些病理條件下(如妊娠、肥胖等)，成體β細胞可代償性增生，以維持機體的血糖穩態。譜系追蹤實驗證實，在小鼠胰腺切除術後，殘存的β細胞是胰島新生的主要來源。另有研究顯示，成人胰島中也存在少量增殖性的β細胞^[2]。

成熟β細胞具有獨特的特徵，可表達特異性的基因[如胰島素、配對盒因子4(Pax4)、葡萄糖激酶、激素原轉化酶等]，具有特異性的結構元件(分泌顆粒)，發揮特異性的功能(葡萄糖感知功能和葡萄糖刺激的胰島素分泌)。近年來的研究發現，在某些生理或病理性應激下或在體外長期培養中，β細胞可丟失這些特性，退回到早期、較為原始的階段，此即β細胞去分化^[3,4]。去分化可能是糖尿病個體β細胞功能減退的新機制。撤除體內的生理或病理性應激^[4]、應用某些降糖方案(如胰島素治療)^[3]，均可部分恢復β細胞的某些特性。再次獲得成熟β細胞特徵的過程叫做再分化。研究顯示，FoxO1、Hedgehog/Gli及Notch信號通路可能參與調控β細胞的去分化和再分化^[4,5,6]。

在發育生物學上，胰腺內分泌細胞來源於神經元素3(Ngn3)陽性的內分泌前體細胞。成熟的胰島內有多種細胞類型，包括β細胞(分泌胰島素)、α細胞(分泌胰高糖素)、δ細胞(分泌生長抑素)、PP細胞(分泌胰多肽)等。胰島其他類型細胞與β細胞之間存在較大的相似性。因此，通過模擬發育相關的轉錄機制、調控特異性轉錄因子的表達，可誘導胰島其他類型細胞向β細胞轉化。

胰島α和β細胞之間具有相似的表觀遺傳特徵，表達相似的多種轉錄因子(如Pax6、Isl1等)，具有相似的激素分泌相關元件(如葡萄糖激酶、ATP敏感K^＋通道等)。兩種細胞均毗鄰血管，便於激素釋放入血中。此外，α細胞總量在各種β細胞損傷條件下並不減少，甚至還會代償性增加。因此，α細胞是體內β細胞重編程的理想來源。

胰十二指腸同源盒因子1(Pdx1)是胰腺細胞譜系命運決定的關鍵性轉錄因子，其在胚胎後期主要富集於β細胞，且在成熟β細胞中持續表達，故許多研究應用Pdx1誘導α細胞向β細胞重編程。Yang等^[7]的研究發現，在小鼠胰腺內分泌前體細胞(Ngn3啟動子控制下)過表達Pdx1可輕微促進前體細胞向β細胞分化，減少其向α細胞分化。有趣的是，幾乎所有表達Pdx1的α細胞在出生後迅速轉化為胰高糖素和胰島素雙陽性的過渡細胞，繼而轉化為成熟β細胞。然而，在小鼠α細胞(胰高糖素啟動子控制下)過表達Pdx1，則僅能抑制胰高糖素的表達，並不能誘導α細胞向β細胞轉化，提示在Pdx1誘導α細胞向β細胞轉化中，其作用時機非常重要。

通過改變α細胞和β細胞主要調控基因(Arx和Pax4)的相對表達量也可誘導α細胞向β細胞轉化。在胰高糖素啟動子控制下過表達Pax4可誘導α細胞向β細胞轉化。鏈脲佐菌素(STZ)誘導β細胞丟失後，Pax4過表達介導的α細胞向β細胞轉化可重建β細胞總量，恢復小鼠的血糖穩態，且該轉化過程在幼年或成年的小鼠中均可發生^[8,9]。大量α細胞向β細胞轉化可引起胰高糖素水平降低，激活導管來源的前體細胞，使其重新表達內分泌前體細胞標誌物Ngn3，並促使其持續分化為內分泌細胞，以代償α細胞數量的不足；而新生成的α細胞在Pax4過表達的情況下又被轉化為β細胞，最終導致β細胞大量新生^[9]。與過表達Pax4類似，在胰高糖素啟動子控制下敲除Arx也可促進α細胞向β細胞轉化，該轉化同樣也可在任何年齡段發生，從而重建功能性β細胞總量，逆轉小鼠糖尿病的發生。此外，在Arx敲除的α細胞中進一步滅活Pax4並不影響α細胞向β細胞的轉化，提示Arx在α細胞向β細胞轉化中似乎發揮更重要的作用^[10]。

表觀遺傳修飾也可調控α細胞向β細胞的轉化。在原代培養的小鼠和人類胰島中，添加組蛋白甲基轉移酶非特異性抑製劑(Adox)可誘導胰高糖素和胰島素在同一細胞中共表達，Adox還可誘導胰高糖素和Pdx1在人類胰島中共表達^[11]。此外，某些小分子化合物，如BRD7389和GW8510，可上調小鼠α細胞的胰島素表達，促進人類離體胰島的胰島素分泌，提示其可能促進α細胞向β細胞轉化^[12]。然而，任何一種表觀遺傳調控因子或小分子物質似乎尚無法誘導細胞表型的完全轉化。

在某些極端條件下，α細胞可自發轉化為β細胞。譜系追蹤實驗證實，在白喉毒素條件性誘發β細胞幾乎完全缺失後，鄰近的α細胞可自發獲得β細胞的表型特徵，但從α細胞中獲得顯著的β細胞再生需要長達數月的時間^[13]。Chung等^[14]的研究顯示，通過聯合胰腺導管結紮和四氧嘧啶的方法可在兩周內誘導大量的β細胞新生，這些新生的β細胞主要來源於α細胞。該方法可誘導β細胞迅速大量再生，且在年輕和成年的個體中均可發生。Chera等^[15]的研究發現，α細胞向β細胞轉化並非通過α細胞增殖而實現，而是α細胞的表觀遺傳重編程導致其丟失原有的表型，獲得β細胞表型。從青春期到成年甚至老年，α細胞均可向β細胞轉化，但青春期前則檢測不到α細胞的轉化。相反，δ細胞在青春期前可轉化為β細胞，而且該轉化的效率非常高，通常可完全逆轉糖尿病，而成年後則無法完成δ細胞向β細胞的轉化。δ細胞向β細胞的轉化涉及δ細胞去分化為前體細胞、前體細胞增殖、前體細胞再分化為β細胞等環節。上述結果提示，胰腺內分泌細胞具有較大的可塑性，機體在不同的年齡階段具有不同的代償機制，不同類型的細胞通過特定的方式在特定條件下可轉化為功能性β細胞。

在胚胎胰腺前體細胞或成年胰腺導管細胞中，滅活Fbw7(SCF型E3泛素連接酶底物識別元件)均可穩定Ngn3的表達，進而重新啟動胰腺內分泌的發育過程，誘導導管細胞向胰島β細胞(最主要方向)、α細胞及δ細胞轉化。這些從導管細胞重編程而來的β細胞在細胞形態、特異性基因表達、胰島素含量、葡萄糖刺激的胰島素分泌反應等方面都類似於真正的β細胞。近期有研究發現，在小鼠胰腺導管中注射促炎性細胞因子(腫瘤壞死因子α、白細胞介素1β及干擾素γ的混合)可激活Ngn3的表達，促進導管細胞轉化為β細胞^[16]。

在成人原代胰腺導管細胞中轉染Ngn3或NeuroD可啟動內分泌的重編程。抑制Delta－Notch信號通路或共表達轉錄因子Myt1可增強胰腺導管向內分泌的重編程^[17]。過表達前脂肪因子1(Pref－1)或給予重組Pref－1蛋白可促進轉錄因子FoxO1和Pdx1的核質轉位，增加胰島素合成，促進PANC－1細胞向胰島細胞分化；同時Pref－1還可促進胰島素分泌^[18]。在胰高糖素樣肽1存在的條件下，胰腺導管細胞系PANC－1(人類)和ARIP(大鼠)均可被重編程為胰島素分泌細胞。DNA甲基轉移酶特異性抑製劑5－氮－2"脫氧胞苷可激活導管細胞Ngn3的表達，從而啟動內分泌的分化路徑^[19]。上述結果提示，通過過表達胰腺內分泌的基因、抑制外分泌的基因、添加細胞因子或小分子物質等方法均可將胰腺導管細胞向β細胞轉化。

四、胰腺腺泡細胞轉化為胰島β細胞

腺泡細胞是胰腺組織中最大的組成部分，故可作為胰島β細胞重編程的潛在來源。過表達β細胞的轉錄因子，抑制腺泡細胞發育相關的信號通路或轉錄因子，均可誘導腺泡細胞向β細胞轉化。Zhou等^[20]的研究顯示，胰腺內注射編碼Pdx1、Ngn3及MafA的腺病毒可誘導腺泡細胞產生β細胞，分泌胰島素，逆轉成年小鼠STZ誘導的高血糖。譜系追蹤實驗證實，抑制Notch信號通路或下調胰腺外分泌特異性轉錄因子1(Ptf1a)表達均可促進腺泡細胞來源的β細胞新生^[21,22]。然而，重編程形成的β細胞並不能有序地排列成為胰島樣結構，並且在長期培養後胰島細胞開始逐漸減少^[20]。近期，通過改善誘導方法，可顯著提高腺泡細胞向β細胞轉化的效率，所生成的β細胞可長期存活(至少13個月)，並可聚集成胰島樣結構^[23]。

在損傷等應激條件下，即使沒有誘導因子的存在，體內的腺泡細胞也可自發性重新獲得多潛能性，繼而分化為成熟β細胞。研究顯示，胰腺導管結紮可促使Ptf1a陽性的腺泡細胞重新激活Sox9和Hnf1β的表達，促使其轉化為導管前體細胞，繼而形成Ngn3陽性的內分泌前體細胞，最終分化為成熟β細胞。在胰腺導管結紮的同時，利用STZ去除小鼠體內原有的β細胞，可顯著增加腺泡細胞向胰島細胞轉化的效率^[24]。

細胞因子也可促進腺泡細胞向β細胞的轉化。在糖尿病小鼠中注射表皮生長因子和促胃液素可誘導腺泡細胞向β細胞轉化。同樣，聯合表皮生長因子、尼克醯胺、白血病抑制因子或睫狀神經營養因子可在體外促進腺泡細胞重編程為胰島素分泌細胞^[25]。譜系追蹤實驗證實，無論是在應用細胞因子處理的糖尿病小鼠還是在體外培養的成年胰腺外分泌細胞中，β細胞均可來源於腺泡細胞，且該重編程同樣依賴於Ngn3的激活^[26]。此外，表觀遺傳修飾(如添加5－氮－2"脫氧胞苷)、抑制上皮間質轉化[如添加轉化生長因子β1抑製劑(SB431542)]也可在體外促進人胰腺外分泌細胞向β細胞重編程^[27]。

既往認為，胰腺的腺泡細胞、導管細胞及各種類型內分泌細胞是終末分化的細胞，增殖能力有限，也很難轉化為其他的細胞類型，故胰腺在損傷後難以再生。近年來的研究顯示，胰腺細胞具有較高的可塑性。β細胞在應激條件下可去分化為前體細胞，避免了細胞死亡；在撤除應激條件後，去分化細胞可再分化為成熟β細胞。在某些特定的條件下，體內的α細胞和δ細胞可通過不同路徑轉化為β細胞，重建功能性β細胞總量。抑制α細胞特異性轉錄因子Arx，過表達β細胞特異性轉錄因子Pax4，均可誘導α細胞向β細胞轉化。胰腺導管結紮可促進導管細胞和腺泡細胞轉化為β細胞。過表達內分泌前體細胞或β細胞的特異性轉錄因子(如Pdx1、Ngn3、MafA等)，抑制外分泌胰腺的轉錄因子(如Fbw7、Ptf1a等)，可誘導外分泌胰腺向β細胞轉化。此外，表觀遺傳修飾、細胞因子或小分子物質均有助於細胞類型的轉化。

基於胰腺細胞各種類型在發育生物學上的緊密聯繫，體內促進β細胞再生或誘導胰腺其他類型細胞向β細胞轉化是糖尿病的潛在治療策略。然而，胰腺細胞間的相互轉化僅處於探索階段，大部分研究在動物模型中完成，缺乏人體的研究報道；去分化和轉分化的分子機制尚未完全闡明；此外，開發非病毒載體的轉染工具(如RNA或蛋白轉染)、改變胰腺細胞的微環境(如添加細胞因子、細胞外基質或小分子物質)等策略是β細胞再生實現基礎－臨床轉化的重要研究方向。

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