2022年2月4日，北京大學基礎醫學院鄧宏魁研究組、中國醫學科學院/北京協和醫學院彭小忠研究組和天津市第一中心醫院沈中陽研究組合作在Nature Medicine發表題為Human Pluripotent Stem Cell-derived Islets Ameliorate Diabetes in Nonhuman Primates的研究論文，該研究首先在原有工作基礎上進一步優化和改進了人多能幹細胞向胰島細胞的分化製備方案，獲得了功能成熟的人多能幹細胞分化來源的胰島細胞；進一步將其移植入非人靈長類糖尿病動物模型中，系統評估了人多能幹細胞分化的胰島治療糖尿病的安全性和有效性。
人多能幹細胞具有無限增殖和分化為功能性細胞的潜能，這使得利用人多能幹細胞來源的功能細胞有望用於多種重大疾病的治療。糖尿病是威脅人類健康的重大疾病之一，會導致多種併發症的發生，併發症致殘致死率極高，嚴重影響了患者的生活質量甚至危及生命。我國已經成為世界上糖尿病患病人數最多的國家，急需開發有效治療糖尿病的新方法。現時臨床胰島移植治療糖尿病已有成熟的科技方案和良好的臨床效果，但人胰腺供體稀缺的問題，極大限制其廣泛應用。人多能幹細胞製備的胰島細胞有望突破此瓶頸，是人多能幹細胞在轉化醫學領域可能最快取得突破的方向。然而，人多能幹細胞分化的胰島用於臨床糖尿病治療的安全性和有效性，尚未得到系統研究和證實。
早在2005年，北京大學鄧宏魁研究組率先採用類比胰腺體內發育，分步定向誘導分化的策略，應用Activin A誘導小鼠多能幹細胞分化成內胚層細胞，然後用視黃酸（Retinoic acid，RA）誘導細胞向胰腺命運特化，最後加入促進胰腺β細胞分化的因數，在體外分步誘導小鼠多能幹細胞分化成為胰腺β細胞（Shi et al，Stem Cells，2005）。該方法隨後被德國Anna Wobus研究組進一步證實（Rolletschek et al，Diabetologia，2006），Activin A和RA隨後被廣泛地用於誘導多能幹細胞向胰腺β細胞定向分化的研究中。
2006年美國Novocell公司（現更名為ViaCyte公司）採用了鄧宏魁研究組報導的Actinvin A和RA，並進一步加上其它誘導因數分步處理，將人多能幹細胞誘導成胰島素分泌細胞（D'Amour et al，Nat Biotechnol，2006）。在2007年北京大學鄧宏魁實驗室也報導了在已有的工作基礎之上建立的誘導人多能幹細胞定向分化為胰腺β細胞的科技方案，並首次獲得了能够改善小鼠糖尿病症狀的人多能幹細胞來源的胰腺β細胞（Jiang et al，Cell Res，2007）。繼人iPS細胞成功建系之後，張毅研究組以及鄧宏魁研究組報導了人iPS細胞向胰腺β細胞的定向分化（Tateishi et al，J Biol Chem，2008；Zhang et al，Cell Res，2009）；哈佛大學Douglas A. Melton研究組製備了糖尿病人特异性的iPS細胞，並將其誘導為胰腺β細胞（Maehr et al，Proc Natl Acad Sci U S A，2009）。這些研究進展為利用人多能幹細胞治療糖尿病奠定了早期的研究基礎。
在本研究中，鄧宏魁研究組大幅改進了人多能幹細胞向胰島細胞的分化方案，重點解决了如何高效率地誘導從胰腺前體細胞向胰島內分泌細胞命運特化的難題（圖1）。他們通過三維重構誘導前腸後部細胞形成胰島樣細胞球，並優化胰腺前體向內分泌前體細胞分化的誘導條件，最終能够在不同的供體來源的人多能幹細胞株上實現穩定、高效的胰島細胞誘導分化，獲得結構和功能與人原代胰島相似的人多能幹細胞分化胰島。將人多能幹細胞分化胰島移植入糖尿病模型小鼠體內，可以有效逆轉糖尿病，而且在長達48周的觀察週期中，所有移植小鼠中均未觀察到移植細胞致瘤現象（圖2）。
圖1.人多能幹細胞定向分化為胰島細胞
圖2.人多能幹細胞分化的胰島細胞移植入糖尿病小鼠模型後逆轉小鼠糖尿病
在此基礎上，研究團隊進一步將人多能幹細胞分化的胰島細胞移植入糖尿病非人靈長類模型中，觀察其長期安全性和有效性。非人靈長類動物模型在遺傳學、解剖學、代謝和生理學方面與人類高度相似，使其成為非常理想的模型系統。研究團隊使用臨床常用的胰島移植方案——肝門靜脈移植，將人多能幹細胞分化的胰島細胞輸注到糖尿病模型猴體內，受體猴的空腹血糖和平均餐前血糖顯著降低。研究團隊觀察到，接受細胞移植的糖尿病猴的C肽（胰島素分泌標記物）釋放能够響應餐食或葡萄糖刺激。糖化血紅蛋白（HbA1c）是臨床常用的名額，用於綜合評價糖尿病患者的中長期的血糖控制情况；HbA1c每降低一個百分點，糖尿病相關併發症的風險就會隨之顯著下降。值得指出的是，在4只長期跟蹤觀察的糖尿病模型猴上，HbA1c與移植前峰值相比，下降了2%以上。研究人員還發現，在一隻血糖波動幅度大、控制整體較差的糖尿病模型猴上，移植人多能幹細胞分化的胰島細胞後其血糖的控制得到了明顯改善。這一結果提示了人多能幹細胞分化的胰島細胞移植有望用於脆性糖尿病患者的治療，可以有效降低脆性糖尿病患者的死亡風險。綜上所述，該研究在非人靈長類動物糖尿病模型上長期系統地追跡觀察，證明了人多能幹細胞分化的胰島細胞在糖尿病治療中的安全性和有效性。
圖3.人多能幹細胞分化的胰島細胞移植入糖尿病猴模型有效改善其血糖控制
近期，利用人多能幹細胞分化的細胞治療糖尿病取得了一些重要的進展。美國ViaCyte公司嘗試使用人多能幹細胞分化的胰腺前體細胞結合大包囊裝置進行糖尿病治療，他們報導的17名患者中，部分患者在植入細胞後6個月，能够檢測到低水準的C肽分泌；同時，患者達到目標血糖範圍內的時間新增了13%。這一研究成果證明該方法的安全性，但也表明該方法獲得的人多能幹細胞分化的胰腺前體細胞與人原代分離的胰島在臨床療效方面存在的顯著差距。Melton團隊與美國Vertex公司合作，直接利用人多能幹細胞分化的胰島細胞進行移植，並在首位細胞移植志願者中，觀察到了內源胰島素分泌的明顯恢復，且細胞移植後90天，患者每日胰島素用量降低了91%。雖然僅有一例患者的數據報導，但該成果令人振奮。
本研究成功地在非人靈長類動物模型上證明了人多能幹細胞分化的胰島細胞在糖尿病治療中的安全性和有效。該研究與Vertex報導的個例臨床研究成果，充分展示了人多能幹細胞來源的胰島細胞在1型糖尿病治療中的巨大潜力，該療法有望成為治療甚至治癒1型糖尿病的全新方案。
北京大學基礎醫學院鄧宏魁教授、中國醫學科學院/北京協和醫學院彭小忠教授、天津市第一中心醫院沈中陽教授為論文共同通訊作者。北京大學湯超教授和李程教授對本文有重要貢獻。這項研究得到了國家重點研發計畫項目、國家自然科學基金支持。這項研究也得到了清華大學-北京大學生命科學聯合中心的支持。
[原文連結]https://www.nature.com/articles/s41591-021-01645-7