全世界目前有超過四億的二型糖尿病（T2DM）患者，僅在2019年因為糖尿病及其併發症而死亡的人數高達420萬。T2DM已成為威脅人類生命健康最為嚴重的慢性病之一，其主要臨床表現為胰島素抵抗、胰島功能耗竭。傳統T2DM治療藥物依然難以使部分患者血糖恢復正常，並且有造成低血糖、腹瀉、噁心、嘔吐等多種不良反應的可能性。近年來，以間充質幹細胞（MSCs）為代表的幹細胞療法為治療糖尿病提供了新的手段和希望。然而，糖尿病患者體內高血糖所產生的微環境壓力顯著抑制了幹細胞MSCs在體內的存活時間從而最終影響其治療效果。
為了增强MSCs針對T2DM的療效，清華大學杜亞楠研究團隊利用慢病毒感染體系對人脂肪來源的MSCs進行Exendin-4的基因修飾（MSC-Ex4），Exendin-4是胰高血糖素樣肽-1受體激動劑（GLP-1RAs）家族中的一員，已經在臨床上準予用於治療T2DM。然而Exendin-4作為只有39個胺基酸的多肽，極易被腎臟清除，在體內半衰期只有半天。本研究中，研究人員發現注射MSC-Ex-4小鼠體內Exendin-4濃度達峰時間可顯著延長，實現了Exendin-4的長效釋放。並且由於MSC內源表達Extendin-4的受體GLP-1R，囙此MSC-Ex-4可通過自分泌效應增强自身在糖尿病高糖環境下的存活和療效，同時MSC-Ex-4分泌的Extendin-4可通過內分泌作用結合胰腺β細胞GLP-1R受體保護胰島，且分泌的其他因數通過旁分泌作用改善肝臟細胞胰島素敏感性，减少肝臟細胞脂質積累（圖1）。
圖1.MSC-Ex-4的構建示意圖，對胰腺和肝臟細胞的潜在作用機制和對T2DM的治療策略。（A）通過慢病毒轉導系統構建Exendin-4基因工程MSCs（MSC-Ex-4），在不斷釋放Exendin-4的同時可對APOM、IGFBP2等蛋白因數分泌進行調節。其中，MSC-Ex-4分泌的Exendin-4可通過自分泌與自身的GLP-1R相互作用延長其在高糖應激下的抗逆能力。同時MSC-Ex-4分泌的Extendin-4可通過內分泌作用結合胰腺β細胞GLP-1R受體保護胰島，且分泌的其他因數通過旁分泌作用改善肝臟細胞胰島素敏感性，减少肝臟細胞脂質積累。（B）多次系統性注射可以顯著改善二型糖尿病症狀。通過注射3D明膠微支架輔助MSC-Ex-4作為細胞包封和給藥載體，單次局部給藥可實現長效治療效果。
MSC-Ex-4在類比T2DM高糖環境的體外模型中表現出良好的抗逆能力。進一步研究證實，這種能力得益於MSC-Ex-4自分泌的Exenidn-4配體結合了自身表達的GLP-1R受體並啟動下游的AMPK訊號通路，從而促進了細胞增殖，並且顯著增强了抗凋亡及抵抗衰老能力。與此同時，MSC-Ex-4分泌的Exendin-4可促進胰島β細胞增殖，抑制其衰老和凋亡。進一步，通過對MSC-Ex-4的轉錄組和分泌組學進行分析，發現其分泌的大量生物活性因數（如IGFBP2、APOM等）也可通過旁分泌作用啟動肝臟細胞PI3K-AKT訊號通路從而改善肝臟胰島素敏感性並减少脂質積累（圖2）。
圖2.MSC-Ex-4在高糖環境下抗凋亡和抗衰老能力增强，細胞內AMPK訊號通路被啟動（A-C）。同時MSC-Ex-4可促進胰島細胞增殖和抑制凋亡（D-F），並通過分泌因數啟動肝臟細胞PI3K-AKT訊號通路（G-I）。
在高脂飲食誘導的小鼠T2DM模型中，通過追跡尾靜脈注射後的MSCs，發現MSC-Ex-4在注射一周後的存活數量相較於未修飾對照組提高了40%。在一個月治療後，小鼠的葡萄糖耐量和胰島素敏感性都具有明顯改善，代謝活動能力顯著增强。並且高脂飲食所導致的脂肪肝病徵也明顯緩解。通過對肝臟轉錄組測序分析，肝臟中糖脂代謝相關通路上調。而進一步研究人員從蛋白水准上驗證了AKT訊號通路被啟動，顯示該體內存活率的提高和MSC-Ex-4內分泌和旁分泌的雙重作用相關（圖3）。
圖3.MSC-Ex-4系統性注射治療示意圖（A）。MSC-Ex-4注射一周後在體存活數量新增（B），同時Exendin-4達峰時間顯著延長（C）。小鼠代謝錶型顯著改善（D-G）。
最後，研究團隊利用3D多孔明膠微支架（微載體）對MSC-Ex-4細胞進行包裹和體內遞送。該多孔微載體相關科技為課題組前期開發，可作為幹細胞生長的微環境（microniche）輔助高效幹細胞治療，並且由北京華龕生物科技有限公司進行了轉化和商品化，相關明膠微載體產品分別獲批中國藥監局首款細胞用藥用輔料資質和美國FDA首款細胞用DMF藥用輔料資質。在此明膠微載體的輔助下，單劑量皮下注射可進一步延長MSC-Ex-4在體內的存活時間至一個月。而血清胰島素、甘油三酯（TGs）水准以及葡萄糖耐量等名額也顯示該微載體作為細胞藥劑可增强MSC-Ex-4治療效果達兩個月以上。這些發現為MSC-Ex-4和明膠微載體聯用改善包括糖尿病和代謝相關脂肪性肝病（MAFLD）在內的代謝功能障礙疾病以及其他相關併發症（如糖尿病足，糖尿病嚴重下肢缺血等）提供了新的策略和方法（圖4）。
圖4.MSC-Ex-4聯合3D明膠微支架局部注射治療示意圖（A）。3D明膠微支架輔助遞送可延長MSC-Ex-4存活時間至一個月（B），治療效果至兩個月以上（D-E）。
清華大學醫學院生物醫學工程系、清華-北大生命科學聯合中心杜亞楠教授為該論文通訊作者。清華大學醫學院、生命科學聯合中心博士後張元元為本文第一作者，生命科學聯合中心博士生高爽為共同第一作者。清華大學醫學院碩士生梁愷倪、博士生吳釗釗、武冰潔以及北京華龕生物科技公司劉偉、鄢曉君亦對本研究作出重要貢獻。本項目的研究得到了國家重點研發計畫、國家自然科學基金、北京市自然科學技術委員會等多個項目的資助支持。
文章連結：
https://advances.sciencemag.org/content/7/27/eabi4379
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