胰腺β細胞的缺失和功能衰竭會導致葡萄糖穩態的破壞以及糖尿病的進展。盡管全胰腺或胰島移植是補充β細胞和治療糖尿病的一種有前景的方法，但供體胰島的嚴重短缺使得大多數糖尿病患者無法接受這種治療。干細胞，特別是誘導多能干細胞（iPSCs），因其自我更新能力以及分化為功能性β細胞的能力，在糖尿病治療方面極具潛力。

從干細胞到胰腺β細胞：糖尿病的策略、應用和潛在治療方法

近期發表在權威期刊雜志《 Molecular and Cellular Biochemistry》的一項研究，為糖尿病患者帶來了巨大的希望，并且必將改變未來的臨床實踐。

在這篇綜述中，我們首先介紹功能性β細胞的發育過程及其異質性，然后重點闡述從干細胞生成β細胞的最新研究進展，以及這些β細胞在疾病建模、藥物研發和臨床治療中的潛在應用。

最后，我們探討了目前在開發基于干細胞的治療策略以改善糖尿病治療方面所面臨的挑戰。盡管仍然存在一些重大的技術障礙，但干細胞為糖尿病患者帶來了巨大的希望，并且必將改變未來的臨床實踐。

糖尿病：現狀、發病根源、傳統治療難題與干細胞帶來的新希望

糖尿病是一種多維代謝紊亂，主要特征是血糖升高和糖脂代謝受損。2021年全球糖尿病患者人數估計為5.37億，預計到2045年這一數字將達到7.83億。

美國糖尿病協會將糖尿病大致分為四類：1型糖尿病 (T1DM)、2型糖尿病 (T2DM)、妊娠期糖尿病 (GDM) 以及由單基因突變或胰腺外分泌疾病或藥物副作用引起的特定類型糖尿病。

T1DM和T2DM分別占糖尿病總人口的約5%–10%和90%–95%。糖尿病的進展可導致多種微血管或大血管并發癥，如視網膜病變、腎病、足部潰瘍以及心血管、腦和周圍血管疾病。

盡管飲食調整和抗高血糖藥物等多種策略可以改善葡萄糖耐量并暫時維持血糖穩態，但糖尿病尚無真正的治愈方法。1型糖尿病以及晚期2型糖尿病和部分單基因糖尿病仍然依賴外源性胰島素注射。然而，這種治療通常與心血管并發癥甚至危及生命的低血糖發作的巨大風險有關。

胰腺β細胞通過動態分泌胰島素維持血糖平衡，其功能異常或數量減少是糖尿病發生的核心機制。

1型糖尿病源于自身免疫攻擊導致的β細胞缺失，2型糖尿病則由胰島素抵抗伴隨的β細胞代償衰竭引發，單基因糖尿病則與特定基因突變直接相關。

目前臨床采用的胰腺 / 胰島移植雖能重建胰島素分泌功能，但手術風險、評估標準缺失及供體短缺問題顯著限制其普及。

近年來干細胞技術的突破為糖尿病治療提供了新路徑，尤其是誘導多能干細胞 (iPSC) 可通過重編程成體細胞高效生成β樣細胞，為解決供體不足問題帶來革命性希望。

胰腺β細胞成熟和異質性

干細胞是非特化細胞，能夠自我更新并分化為多種功能活躍細胞，因此在基于細胞的疾病治療中具有巨大潛力。為了利用干細胞創建功能齊全的β細胞，我們需要了解β細胞成熟過程并定義功能成熟的β細胞的構成。通常使用葡萄糖反應性來確定β細胞成熟度，出生后β細胞成熟會繼續進行，伴隨分子和代謝事件，β細胞能夠實現葡萄糖刺激的胰島素分泌。以前，β細胞發育和成熟的過程是在體外人工重現的。

目前，單細胞分析和成像技術的進步使得在體內識別細胞類型并隨時間追蹤其譜系成為可能。此外，存在多種β細胞亞型，它們在胰島內發揮著不同的作用。

胰島發育和β細胞成熟

目前，調節胰腺發育的分子事件僅在動物模型（主要是小鼠）中得到闡明。其中，胰島發育及β細胞成熟機制在小鼠模型中已獲較深入解析：胰腺祖細胞通過PDX1調控啟動發育程序，經Notch信號通路決定分化方向，內分泌前體細胞在 NGN3驅動下形成胰島。ARX、PAX4等轉錄因子分別調控α/β細胞命運，β細胞需經歷代謝模式轉變（糖酵解→線粒體氧化代謝）以獲得葡萄糖刺激胰島素分泌功能，MAFA通過調控Gck、Slc30a8等基因維持其代謝穩態。

人類胰腺發育研究存在顯著空白，種屬差異揭示關鍵分子機制不同：人類β細胞持續表達嚙齒類胚胎期特有的MAFB，單細胞測序發現 GATA5、NR2F1等物種特異性轉錄因子表達模式。隨著單細胞技術發展，未來有望精準解析人類宮內發育分子事件，為干細胞分化β細胞提供更可靠的發育模板。

β細胞異質性

胰腺β細胞的形態、功能和基因表達并不一致（圖1）。

胰腺β細胞的形態、功能和基因表達并不一致。就形態異質性而言，不同β細胞的細胞核和其他細胞器的大小不同。就基因表達而言，不同成熟階段的β細胞表現出不同的表面標志物表達，例如ST8SIA1和CD9，以及β細胞標志物表達，例如PDX1和NKX6.1。就功能而言，不同β細胞群體的應激反應和胰島素分泌并不相同

異質性維度與特征

形態異質性：胰島β細胞在細胞核大小、細胞器分布及空間定位（如血管/神經末梢鄰近性）上存在顯著差異，影響葡萄糖敏感性。

功能異質性：約25%的β細胞在葡萄糖刺激下呈現“可切換狀態”（有反應?無反應動態轉換），而75%保持穩定反應模式。

亞群劃分依據：通過分子標志物（如Fltp、CD9、ST8SIA1）及表觀遺傳特征（H3K27me3水平）可區分不同功能亞群。

動態應激響應：不同亞群對氧化應激、內質網（ER）應激的未折疊蛋白反應（UPR）強度差異顯著，導致壓力適應能力分層。

更好地了解β細胞異質性使我們能夠闡明糖尿病中β細胞衰竭的致病機制。每個β細胞亞群可能在疾病進展中發揮不同的作用，揭示它們的功能特征可以識別與糖尿病中 β 細胞功能障礙相關的特定細胞亞型。不同亞型的 β 細胞在代謝、分泌和應激反應方面可能有所不同，這為開發針對特定細胞亞型的靶向療法提供了潛在機會。

了解個體患者中不同類型 β 細胞的內容和功能狀態無疑有助于制定個性化治療方法，有效控制血糖水平。此外，了解 β 細胞在體外分化過程中的異質性對于優化分化方案和生成用于細胞替代療法的功能性 β 細胞至關重要。

小結：β細胞異質性是其功能彈性與病理脆弱性的雙重基礎，解析亞群特異性機制將為糖尿病精準治療提供全新突破口。

從干細胞如何生成β細胞？

干細胞存在于胚胎組織、胎兒組織和成體細胞中。

根據發育潛能，干細胞可分為四大類：全能干細胞、單能干細胞、多能干細胞和多能干細胞。全能干細胞（如受精卵）可分化成任何類型的細胞，包括胎盤細胞。相比之下，單能干細胞的分化潛力最窄，只能專攻一種細胞類型，如肌肉衛星細胞或精原細胞干細胞；這些細胞只能分別分化為肌肉細胞和精子細胞。多能干細胞 (PSC)，如源自植入前胚胎囊胚的胚胎干細胞 (ESC) 和源自遺傳重編程體細胞的iPSC，可用于建立生物體中除胎盤以外的所有細胞類型。多能干細胞，如成體間充質干細胞 (MSC)，可以在其所在的特定組織中分化成幾種細胞類型。

多年來，干細胞重編程協議的顯著進步使得人類PSC（hPSC）和MSC成為生成新β細胞的有希望的、理論上無限的細胞來源（圖2）。

干細胞，包括胚胎干細胞 (ESC)、間充質干細胞 (MSC) 和誘導性多能干細胞 (iPSC)，可以通過化學或遺傳方式分化為胰島內分泌細胞。干細胞分化為胰島素分泌細胞的過程始于定形內胚層細胞的形成，隨后細胞命運縮小到原始腸管、胰腺內胚層、胰腺祖細胞和內分泌祖細胞，最后專門化為功能性 β 樣細胞，這些細胞表達 β 細胞標志，例如 NKX6.1、PDX1 和 NEUROD1

來自人類胚胎干細胞（hESC）如何分化β細胞

胚胎干細胞（ESC）分化為β細胞的過程涉及多階段調控，主要通過模擬胚胎胰腺發育路徑實現：

定向分化為內胚層：通過激活 Activin/Nodal 信號通路，誘導ESC形成定型內胚層，表達SOX17等標記。

胰腺祖細胞階段：抑制TGF-β和 Wnt 信號，結合 FGF10 和 Notch 通路調控，促使細胞向胰腺前體細胞分化，表達 PDX1 等關鍵轉錄因子。

內分泌前體細胞生成：進一步調控 Notch 和 RA（視黃酸）信號，促進細胞退出細胞周期，形成表達 NKX6.1、PAX4 等的內分泌前體細胞。

β細胞成熟：通過激活 MAFA、PDX1 等基因，結合葡萄糖刺激，誘導胰島素分泌功能的成熟，最終形成具有葡萄糖響應性的 β 細胞。

技術進展：

• 2014年Rezania團隊開發的七階段方案首次實現高效分化，細胞表達MAFA并具備類胰島功能。
• Pagliuca團隊通過直接分化法，無需基因編輯即可生成大量功能性β細胞。
• 近年通過3D類器官培養（如Li等）優化細胞結構，提升代謝成熟度。

來自人類誘導PSC（hiPSC）的如何分化β細胞

與hESC具有相似多能性的HiPSC是由成人體細胞產生的，可以生成患者特異性的β細胞用于自體移植，且免疫后果更少。為了真正增強hiPSC在β細胞再生方面的能力，需要可重復且有效的方案來指導iPSC分化為功能性β細胞。

到目前為止，已經開發出了許多iPSC到β細胞的分化方案，這些方案通過用不同的信號分子和生長因子依次處理iPSC來重現胚胎胰腺的器官形成階段。與hESC類似，hiPSC分化為胰島素分泌細胞的過程也是從定形內胚層細胞開始，依次縮小為原腸管、胰腺內胚層、胰腺祖細胞和內分泌祖細胞，最后分化為β細胞（圖2）。

MSCs如何向功能性β細胞的轉分化

MSCs是一類多能間充質基質細胞，可粘附于塑料，表達間充質標志物，但不表達造血標志物。迄今為止，已從圍產期來源分離出MSCs，包括羊水、胎盤、臍帶血和基質（華通氏膠），以及各種成人組織，如骨髓、脂肪組織、肝臟、牙髓、扁桃體、子宮內膜、骨膜和外周血。

這些細胞有幾個優點；它們擁有免疫調節功能，但沒有致畸性或免疫生成性。此外，MSC可以合成各種細胞因子和生長因子，從而促進周圍細胞的存活。Berman等人將同種異體MSCs與胰島共移植，并表明MSCs增強了胰島功能。MSC還可以釋放微泡 (MV)。微泡中含有生物活性分子，可以改變靶細胞的轉錄和增殖以及免疫調節，從而導致功能和表型變化。因此，MSC衍生的MV可以成為一種新的治療資源。

此外，由于MSC細胞表面主要組織相容性復合體 (MHC) II類分子和共刺激分子表達減少，因此MSC被認為是免疫特權細胞。另外，MSC可以通過直接的細胞間相互作用和可溶性因子分泌來破壞各種免疫反應途徑。MSC的這些免疫特性使其成為各種再生醫學應用的有希望的候選對象。

研究表明，分化細胞在葡萄糖刺激下會分泌胰島素和C肽，并在移植到糖尿病動物體內時控制糖尿病。

干細胞衍生的β細胞為疾病建模和藥物發現提供了平臺

從患者細胞中產生的PSC衍生β樣細胞攜帶患者的遺傳變異和表觀遺傳結構，有望在體外重現糖尿病的病理生理狀況。這些患者特異性β樣細胞還為高通量藥物篩選和驗證提供了一個絕佳的平臺，可為靶向治療提供新的選擇（圖3）。迄今為止，人們已經付出了大量努力來了解糖尿病病理生理學并使用基于iPSC的疾病模型開發治療藥物。

患者特異性或基因編輯的PSC衍生的胰島或β樣細胞可用于模擬糖尿病，從而深入了解糖尿病條件下β細胞功能障礙背后的遺傳和細胞缺陷。此外，hPSC衍生的胰島與各種主要外周組織共培養有助于了解組織間激素和分子通訊對β細胞動力學的影響。此外，疾病模型與高通量篩選技術相結合，為篩選藥物和進一步評估其對β細胞身份和功能的影響提供了無限的細胞來源。

PSC衍生的胰腺β樣細胞在細胞治療中的潛在應用

干細胞分化方案和藥物輸送裝置的顯著進步使干細胞療法成為治療糖尿病的有希望的方法（圖4）。

到目前為止，已經啟動了許多使用hPSC衍生的胰腺譜系治療糖尿病的臨床試驗。

2014年，Viacyte, Inc.（前身為 Cythera Inc.或Novocell Inc.）領導了首次人體試驗 (NCT02239354)，以評估將hESC衍生的胰腺內胚層細胞 (PEC) 納入稱為 PEC-Encap (VC-01) 的密封封裝裝置的安全性和有效性，該裝置可保護移植物免受免疫侵入。

然而，由于氧氣和營養供應受損，該裝置中植入的PEC無法成功植入宿主組織。為了克服這些限制，ViaCyte選擇了一種名為PEC-Direct (VC-02) 的裝置，允許植入的細胞直接接觸宿主血管而無需免疫隔離；因此，需要同時進行免疫抑制治療。

2017年，Viacyte 啟動了另外兩項臨床試驗，使用裝載有PEC的PEC-Direct設備治療1型糖尿病患者（NCT03162926）或患有低血糖無意識的1型糖尿病患者（NTC03163511）。

2021年，兩項研究報告了這些正在進行的多中心 I/II 期臨床試驗的初步結果，涉及兩組各15名和17名1型糖尿病患者。

盡管出現了一些與免疫抑制相關的不良事件，但臨床結果表明該手術相對安全，且未發生畸胎瘤。重要的是，移植的 VC-02裝置內的移植PEC在皮下植入后可存活長達26周，并可通過分泌C肽分化為對葡萄糖有反應的胰島素產生細胞，從而導致功能性 β 細胞標志物的表達和進餐刺激后C肽的釋放。然而，由于β細胞質量不足，沒有一名患者實現胰島素獨立。事實上，表達胰高血糖素的α 細胞代表了移植物內的主要群體。

最近，ViaCyte與CRISPR Therapeutics合作，宣布啟動一項臨床試驗，使用由基因組編輯的低免疫hPSC生成的PEC，它可以逃避宿主的免疫系統（https://viacyte.com/pipeline/#PEC-QT-VCTX210）。

干細胞療法正成為一種有前途的糖尿病治療方法。多項臨床試驗評估了在1型糖尿病患者中植入干細胞衍生的β樣細胞的安全性和有效性。干細胞療法仍存在一些挑戰，例如免疫排斥、最佳移植部位和治療安全性。

盡管封裝的PEC能夠在植入后分化為成熟的β細胞，但由于體內成熟時間延長，該??過程需要數月時間，并且由PEC產生的功能性β細胞僅占移植物內分泌成分的一小部分。此外，β細胞對氧氣和營養物質的需求更大，移植早期細胞周圍缺乏血管化將導致移植的β細胞大量死亡。為了克服這一限制，體外生成完全分化的β樣細胞已引起人們的極大興趣，這是一種潛在策略，可增加移植物中功能性β細胞的百分比，并在移植后立即啟動其功能。

2021年，Vertex Pharmaceuticals啟動了一項 I/II 期臨床試驗 (VX-880, NCT04786262)，其中將 hESC 衍生的完全分化的 β 樣細胞通過門靜脈移植到患有低血糖無意識和嚴重低血糖的T1DM患者的肝臟中。第一組結果顯示，患者在移植后 90 天內恢復了胰島素分泌能力，外源性胰島素給藥量減少了91%，但需要長期免疫抑制治療。

2023年，Vertex Pharmaceuticals Inc. 獲得批準進行額外的I/II期臨床試驗，使用其專有的免疫保護裝置（通道陣列裝置），而無需使用免疫抑制療法 (VX-264, NCT05791201)。這些試驗的比較將提供機會，以無偏倚地評估干細胞衍生的 PEC 與 β 樣細胞和移植部位的相對影響。

結論

干細胞衍生的β樣細胞或胰島的最新進展不僅促進了β細胞衰竭分子基礎的研究，還為治療糖尿病提供了可能的新療法。

然而，仍然存在幾個重大的技術障礙：

(1) 適當分化植入的細胞，以確保它們能夠正常運作并避免不受控制的細胞分裂。盡管正在進行的臨床試驗中使用的胰腺祖細胞可以在體內分化并成熟為類似人類胰島的結構，但未成熟的多激素細胞隨時間的功能尚不清楚。

(2) 開發有效的免疫抑制策略以防止免疫排斥。患者的免疫系統可能會將植入的干細胞或轉化的胰島素產生細胞識別為外來物質并攻擊它們。需要進行更多研究來確定這些新型靶向療法對糖尿病治療的安全性和實用性。

盡管如此，基于干細胞的細胞療法為糖尿病患者帶來了巨大的希望，并且肯定會改變未來的臨床實踐。

參考資料：Feng, X., Zhang, H., Yang, S.?et al.?From stem cells to pancreatic β-cells: strategies, applications, and potential treatments for diabetes.?Mol Cell Biochem?480, 173–190 (2025). https://doi.org/10.1007/s11010-024-04999-x

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