糖尿病是困擾全球億萬患者的慢性代謝性疾病，長期以來，我們只能依靠胰島素和藥物來控制病情，但副作用和療效有限一直困擾著患者們。

利用干細胞治療數百萬糖尿病患者：方法、技術和未來方向

近期發表在權威期刊《Handbook of Stem Cell Applications》的一項研究，研究表明干細胞是一種可再生且安全的胰島來源，可實現廣泛的無免疫抑制胰島細胞移植，從而有望治愈糖尿病 (DM)。目前干細胞來源的胰島細胞移植臨床試驗的初步報告顯示出良好的前景。預計不久將有更多臨床試驗報告類似的有利結果，希望推動干細胞治療糖尿病的技術從考慮變為現實。

盡管優化仍在進行中，并且這些試驗的概念驗證在實施成為標準治療之前至關重要，但盡早考慮流程的可擴展性以使數百萬糖尿病患者能夠獲得治療至關重要。規劃這些技術的成功意味著在引入干細胞來源的治療方法時盡早考慮方法、技術和工藝，以優化當前的研究并最大限度地發揮未來的效用。

在此，我們討論了干細胞來源的胰島細胞移植的兩個主要競爭者，即基于可誘導多能干細胞的自體胰島和同種異體胚胎干細胞來源的胰島，并評估了它們的可擴展性潛力。此外，我們介紹了當前對優化細胞選擇和分化的人工智能方法的研究。我們還回顧了二維與三維培養技術和技術進步，希望這些技術能夠在未來大規模生產干細胞衍生的胰島。

最后，我們討論了這些技術的一個重要現實考慮因素——全球4000萬糖尿病患者的成本和可及性。我們打算在研究早期強調可擴展性問題的重要性，以解決此類問題并減少潛在的可擴展性障礙，從而促進數百萬患者早期廣泛獲得干細胞。

1型糖尿病：胰島免疫破壞與血糖穩態失衡的雙重危機

1型糖尿病 (T1D) 涉及胰島的自身免疫性破壞，胰島負責胰腺的內分泌功能。胰島由α細胞和β細胞組成，它們對局部環境作出反應，負責動態、反應性血糖控制。

簡而言之，當血糖過高（即高血糖癥）時，β細胞會釋放胰島素來降低血糖。當血糖過低（低血糖癥）時，α細胞會釋放胰高血糖素來增加血糖。通過這種方式，胰島有助于身體穩態并實現正常血糖（即葡萄糖水平從3.9到10mmol/L），無論葡萄糖攝入量如何，生理上都會迅速做出反應。

因此，在患有T1D的患者中，如果沒有胰島來促進血糖控制，則可能會發生高血糖和低血糖，導致兩種狀態下的嚴重后果。患有高血糖癥時，患者會出現排尿增多（即多尿）、口渴（即多飲）、惡心、嘔吐、腹痛、疲勞和口氣有水果味。從生理上講，當身體不能適當利用能量來源并轉變為分解代謝狀態以產生非葡萄糖源能量時，就會發生糖尿病酮癥酸中毒 (DKA)。由于脫水、酸中毒和意識模糊加重，DKA會迅速成為一種危及生命的疾病，死亡率為0.3–1.3%。

長期來看，高血糖會導致嚴重的微血管和大血管并發癥，包括冠狀動脈疾病、外周血管疾病、神經病變、腎病和視網膜病變，從而大大降低生活質量和時間。

另一方面，低血糖會立即導致自主神經和神經性低血糖并發癥，包括顫抖、嗜睡、視力和言語問題、心悸、焦慮，以及最令人擔憂的意識喪失（即糖尿病昏迷）和死亡。長期來看，低血糖會導致患者失去對這些事件的意識（即低血糖無意識），并給1型糖尿病患者帶來相當大的發病率和死亡率風險。

1922 年之前，1型糖尿病的死亡率極高，患者通常在出現癥狀后數周內就會死亡，而且沒有可用的治療方法。1922年1月，在動物模型上取得成功后，加拿大多倫多的班廷博士、貝斯特和麥克勞德使用分離胰島素治療了第一位1型糖尿病患者，患者在持續治療下存活了13年，這在當時是一項了不起的成就。班廷和麥克勞德獲得了1923年諾貝爾醫學獎。盡管有這一了不起的發現，但班廷明白胰島素只是一種治療方法，而不是治愈方法，他在獲獎感言中指出：

胰島素不是糖尿病的治愈方法，而是一種治療方法。它使糖尿病患者能夠燃燒足夠的碳水化合物，從而可以在飲食中添加足夠數量的蛋白質和脂肪，為生活中的經濟負擔提供能量。

過去一百年來，我們對胰島素的應用驗證了這一觀點。盡管胰島素的發現使患者得以避免高血糖和低血糖的急性并發癥，但外源性胰島素的血糖控制仍不完善。

胰島素治療的局限性：盡管胰島素挽救了T1D患者的生命，但外源性胰島素無法完全模擬胰島細胞的動態血糖調節功能，導致慢性并發癥（如血管病變）和低血糖風險持續存在。

血糖控制現狀：目前，成年患者達標率低，僅21%的美國成年 T1D 患者 HbA1c<7%（目標值）。此外，兒童改善有限；青少年患者平均 HbA1c 仍高達 9.0%，與 1980 年代相比無顯著進步。

低血糖風險：31-41% 患者經歷過低血糖，夜間發生率高且危害大（如意識喪失、癲癇）。

技術進展的不足：現有胰島素泵、閉環系統等技術未能完全解決血糖波動問題，需進一步優化。

未來方向：開發更接近生理性調節的 β 細胞替代療法（如干細胞分化技術），以徹底改善 T1D 患者的血糖控制和生活質量。

2型糖尿病的代謝困境與胰島移植的應用挑戰

糖尿病（DM）的臨床負擔不僅限于1型患者，全球超過4億的2型糖尿病（T2D）患者面臨高血糖和低血糖的雙重風險，其病理機制涉及胰島素分泌不足、胰島素抵抗及代償功能缺陷。盡管患者胰島未完全喪失，但仍會出現與1型糖尿病相似的代謝紊亂及并發癥。當前治療以口服藥物為主，通過促進殘存胰島功能或改善胰島素敏感性控制血糖；約15%患者因病情進展需依賴胰島素。胰島移植（ITx）理論上可提供生理性血糖調節，但因終身免疫抑制風險及供體稀缺，目前極少用于T2D患者。然而，技術優化或可突破免疫抑制限制，未來或惠及遠超1型患者數量的龐大群體，但需解決可擴展性問題。

為恢復生理性血糖調控，胰腺移植與ITx均被探索，但各有局限。胰腺移植雖能完全恢復內分泌功能，但手術風險高且依賴免疫抑制；ITx雖微創且圍手術期風險低，卻受限于供體質量不足、免疫排斥及免疫抑制副作用。兩者均因供體短缺難以滿足數億患者需求，故需嚴格分配標準，目前ITx僅適用于伴嚴重低血糖或血糖極度不穩定的1型患者。未來技術革新或能突破供體與免疫抑制瓶頸，但需平衡療效與可行性。

干細胞衍生胰島移植——突破糖尿病治療的供體與免疫抑制瓶頸

干細胞衍生胰島移植（SC-ITx）為克服傳統胰島移植（ITx）的供體短缺與免疫抑制依賴提供了革命性路徑。通過誘導性多能干細胞（iPSC）等分化技術，可大規模生產功能性胰島，臨床試驗已初步驗證其安全性與療效。相較于依賴逝者供體的同種異體移植，SC-ITx的無免疫抑制潛力（如自體或免疫保護型移植）有望惠及更廣泛患者群體，包括4億2型糖尿病患者（T2D），同時避免自身免疫復發風險。其目標不僅是治愈約400萬1型糖尿病（T1D）患者，更可能重塑糖尿病整體治療格局。

實現這一愿景需在研發早期融入可擴展性設計。需權衡同種異體與自體SC-ITx的規模化潛力，結合人工智能優化細胞篩選，并深入解析干細胞擴增條件以生產高效、功能性胰島（圖1）。此外，跨學科協作與自動化生產系統的整合將提升效率與經濟性，確保技術從實驗室到臨床的快速轉化。通過系統性突破技術瓶頸，SC-ITx或能真正成為覆蓋億萬糖尿病患者的普適性療法，終結傳統治療的局限性。

同種異體干細胞與自體干細胞的比較

目前正在研究兩種SC衍生ITx方法。每種方法都有其優點、缺點和可擴展性的獨特考慮因素。在本章的這一部分中，我們將討論這兩種方法的可擴展性考慮因素。同種異體SC衍生ITx涉及少量SC供體作為分化和胰島生成的來源。雖然由于 SC 來源較少，可能更容易擴展以進行廣泛應用，但對免疫抑制或免疫保護的要求可能會限制其整體風險收益狀況。

或者，自體iPSC衍生的ITx涉及生成患者特定的iPSC以生成胰島，從而無需任何免疫抑制要求；但是，由于這種方法需要個體化的iPSC和胰島，因此優化可擴展性的技術對于實現廣泛使用至關重要。

同種異體干細胞胰島移植的優勢與臨床突破

同種異體SC衍生ITx涉及多個胚胎或誘導多能 SC 作為所有接受者生成胰島的來源。這些 SC 來源在體外擴增，分化為胰島，并作為同種異體 ITx 提供給患者。該技術可以將 SC 擴增為大型生物反應器，以產生數百萬個細胞進行分化。同樣，從這種擴增的 SC 來源分化可以更容易地產生幾個分化的胰島用于 ITx。雖然這種方法的可擴展性可以消除 ITx 的胰島來源限制，但如果不進一步修改流程，由于胰島來??源為同種異體，患者仍然需要免疫抑制。

同種異體干細胞胰島移植優勢

供體供應無限制：通過胚胎干細胞（ESC）或誘導多能干細胞（iPSC）體外擴增分化，可規模化生產數百萬胰島細胞，突破傳統胰島移植的供體短缺瓶頸（Saima & Haider, 2021）。

技術可行性高：利用生物反應器實現干細胞擴增與定向分化，工藝可標準化，便于大規模應用。

初步臨床驗證成功：Vertex公司VX-880胚胎干細胞胰島移植聯合免疫抑制治療，使1型糖尿病（T1D）患者胰島素依賴顯著減少，血糖控制改善；

ViaCyte公司干細胞胰島樣產品在皮下裝置中成功分泌C肽（Shapiro et al., 2021）。

免疫調控潛力：基因編輯技術（如敲除HLA-I類分子、表達IL-10或PD-L1）可降低免疫原性，減少或避免免疫抑制需求。

同種異體干細胞胰島移植成果與進展

• 基因工程胰島：通過改造干細胞表達免疫耐受分子或消除HLA抗原，降低T細胞、巨噬細胞及NK細胞攻擊風險；
• 封裝技術：免疫保護裝置（如ViaCyte VC-02）在臨床試驗中初步顯示安全性與C肽分泌能力（NCT03162926），但需解決長期異物反應問題。
• 肝外移植嘗試：皮下、網膜等部位移植雖在動物模型中有效，但臨床轉化仍面臨功能維持與免疫保護挑戰。

結論：同種異體干細胞胰島移植已展現突破供體限制與改善療效的潛力，但需進一步解決免疫抑制、功能穩定性及規模化生產難題，以實現從“概念驗證”到“普惠療法”的跨越。

自體干細胞胰島移植的優勢與成果

第二種干細胞衍生胰島移植（SC-ITx）的替代方法涉及個體化生成誘導多能干細胞（iPSCs），并將其分化為胰島后進行自體移植。該技術首先需從患者體細胞生成iPSCs：通過過表達山中因子（Oct3/4、Sox2、Klf4和c-Myc）將體細胞重編程為多能干細胞。

自體干細胞胰島移植的優勢

• 完全免疫豁免：自體iPSC來源的胰島與患者遺傳背景一致，移植后無需免疫抑制，避免藥物副作用及感染風險。
• 高度個性化：基于患者自身細胞重編程，無倫理爭議，且規避同種異體移植的免疫排斥問題。
• 技術可遷移性：分化方案與移植技術已通過同種異體SC-ITx臨床驗證（如Vertex公司案例），可直接轉化至自體治療場景。

自體干細胞胰島移植的成果與進展

• 臨床前驗證成功：iPSCs分化胰島在動物模型中成功逆轉糖尿病；使用PBMC與仙臺病毒轉導技術，已實現符合GMP標準的iPSCs生產。
• 分化流程成熟：iPSC向胰島的分化路徑已明確，可生成功能性β細胞。

結論：自體iPSC衍生胰島移植憑借免疫豁免與個性化優勢，為糖尿病治愈提供理想路徑，但需突破規模化生產與成本限制，通過AI與自動化技術推動其從實驗室走向臨床普惠。

人工智能在優化細胞選擇與分化中的作用

如上所述，自體干細胞衍生胰島移植（SC-ITx）的第一步是生成患者特異性的誘導多能干細胞（iPSC）系。為實現這一目標，需采集患者體細胞（通常為外周血單核細胞PBMC）并進行體外擴增。隨后，利用仙臺病毒轉導技術，使細胞表達山中因子（Oct3/4、Sox2、Klf4和c-Myc），從而重編程為iPSCs。仙臺病毒轉導能高效遞送基因且不整合至宿主基因組。然而，僅1%-3%的PBMC能成功轉化為iPSCs，且需傳代約10次以清除病毒殘留。此后，需根據形態學手動篩選最佳iPSC克隆，并通過流式細胞術、基因分析、病毒篩查等技術進行多維度表征，最終選定無遺傳異常且多能性標記表達最優的克隆。從iPSC生成到分化為胰島的全程耗時約2個月，涉及每日精細操作。

目前，iPSC的生成和分化都是手動完成的。然而，特定的形態和生長動力學細胞特征使得能夠自動選擇最佳的 PBMC 來生成 iPSC。同樣，可以使用自動化技術選擇最佳的iPSC克隆。我們的實驗室已經展示了使用人工智能 (AI) 技術識別、追蹤和選擇最佳iPSC克隆的能力（圖2）。

（a）自動選擇 iPSC 菌落以跟蹤生長和擴增。（b）人工智能根據細胞形態、生長和擴增率選擇最佳 iPSC 克隆以供選擇。

當前流程高度依賴人工，但人工智能（AI）技術正推動其自動化與精準化。例如：

AI優化克隆篩選：通過機器學習識別iPSCs的形態與生長特征，自動選擇最優克隆。

自動化擴增與分化：如Cellino Biotech結合無標記成像與AI算法，在封閉系統中篩選并擴增iPSCs；Stem Cell Factory機器人系統實現從復蘇、培養到分化的全流程自動化。

質量與效率提升：自動化系統生產的細胞均一性更高、分化能力更強，且成本顯著降低。

AI技術同樣適用于同種異體SC-ITx的胚胎干細胞（ESC）擴增與維護，通過標準化流程提升細胞系穩定性并降低人工成本。從而提高同種異體SC衍生的ITx的潛力。

患者可及性和費用

幸運的是，對AI方法、自動化技術、3D 培養條件和技術進步的經濟評估已經顯示出可觀的預期節省。經濟分析表明，盡管前期成本較高，但在生成和維護 iPSC 系時，與手動技術相比，自動化系統在機器預期的 8 年使用壽命內總體可節省 42%（圖3）。

同樣，與2D培養條件相比，3D培養條件下的細胞擴增已被證明可將擴增能力提高至少十倍，從而進一步降低成本。通過優化3D細胞培養和擴增實現的潛在90%的節省以及自動化系統實現的42%的節省，我們認為可以實現一種具有成本效益的SC衍生ITx方法。這與CAR-T細胞療法的成本降低類似，CAR-T細胞療法最初每位患者細胞治療的費用超過一百萬美元，但現在已降至每位患者不到10萬美元，而且許多大學都具備成本效益高的生產能力。

我們猜測SC衍生的ITx也存在類似的趨勢，希望能夠為數百萬患者提供廣泛的應用。考慮到目前糖尿病治療及其并發癥的費用是大多數國家的主要醫療支出，潛在的節省是巨大的。

過結合人工智能、自動化和優化的3D培養系統，在不久的將來，生成用于移植的SC衍生胰島的成本可能會大幅下降。臨床前研究已經引起了包括ViaCyte Inc.和Vertex Pharmaceuticals在內的企業合作伙伴的興趣，以實施臨床試驗。如果臨床試驗繼續顯示出令人鼓舞的結果，那么這筆投資可能會增長，并有能力支付自動化和大型商業生物反應器的前期成本。

盡管SC衍生ITx具有可獲得、成本合適的潛力，但研究人員和資助者在與私營部門合作時應該了解這些療法的投資潛力，并考慮患者的可獲得性。正如本文所討論的那樣，數百萬患者將從這些療法中受益；為所有這些患者提供經濟上可獲得的治療方法是觸手可及的，并且仍然掌握在目前正在研究和實施這些方法的研究人員手中。

結論

隨著細胞療法不斷優化，有望治愈糖尿病，我們必須考慮我們面臨的疾病范圍。超過四百萬患者患有1型糖尿病，超過四億患者患有糖尿病。開發一種僅對部分患者無法獲得或無法擴展的療法或潛在治愈方法不應被視為一種選擇。

在整個研究、開發和臨床試驗過程中，我們必須繼續研究和優化能夠實現可擴展方法的技術。與工藝開發一樣，促進技術和自動化擴展的早期優化和協作應繼續成為優先事項。如果我們繼續考慮這些技術，那么生產一種可獲得且經濟高效的細胞產品可以治愈數百萬患者。

參考資料：Verhoeff, K., Shapiro, A.M.J. (2024). Scaling Stem Cells to Cure Millions of Patients with Diabetes: Approaches, Technology, and Future Directions. In: Haider, K.H. (eds) Handbook of Stem Cell Applications. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-99-7119-0_18

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