來源：iNature（ID:Plant_ihuman）
以間充質幹細胞（MSC）為基礎的治療糖尿病相關代謝紊亂的方法受到細胞存活不足和高葡萄糖應激下治療效果有限的阻礙。
2021年7月2日，清華大學杜亞楠團隊在ScienceAdvances線上發表題為“Exendin-4 gene modification and microscaffold encapsulation promote self-persistence and antidiabetic activity of MSCs”的研究論文，該研究使用Exendin-4（MSC-Ex-4）（一種胰高血糖素樣肽1（GLP-1）類似物）對MSC進行基因工程改造，並證明了它們在2型糖尿病（T2DM）小鼠模型中增强的細胞功能和抗糖尿病功效。
從機制上講，MSC-Ex-4通過GLP-1R介導的AMPK訊號通路的自分泌啟動實現了自我增强並提高了在高葡萄糖應激下的存活率。同時，MSC-Ex-4分泌的Exendin-4通過內分泌作用抑制胰腺β細胞的衰老和凋亡，而MSC-Ex-4分泌的生物活性因數（例如，IGFBP2和APOM）則通過旁分泌增强胰島素敏感性並通過PI3K-Akt啟動减少肝細胞中的脂質積累。此外，該研究將MSC-Ex-4封裝在3D明膠微支架中用於單劑量給藥，以將治療效果延長3個月。總之，該研究結果提供了對Exendin-4介導的MSCs自我持續性和抗糖尿病活性的機制見解，為T2DM提供更有效的基於MSC的治療。
迄今為止，全世界有超過4.36億人患有糖尿病，預計到2045年這一數位將達到7億。2型糖尿病（T2DM）約占糖尿病病例的90%，其特徵是胰島素抵抗和高血糖，這是由肥胖、缺乏運動、不健康飲食和遺傳引起的。當肝臟、肌肉和脂肪組織中的細胞對胰島素無反應並導致葡萄糖攝取失敗時，就會發生胰島素抵抗。胰腺β細胞將通過新增胰島素產生來補償胰島素抵抗，最終導致β細胞衰竭和不可逆的高血糖。囙此，長期暴露於慢性高血糖會抑制增殖並誘導β細胞凋亡，從而導致β細胞量减少和β細胞功能障礙。
此外，T2DM與肝功能障礙密切相關，超過90%的T2DM肥胖患者患有代謝相關性脂肪肝（MAFLD）。肝細胞通過將營養物質以糖原和甘油三酯（TG）的形式儲存起來，在葡萄糖和脂質穩態中發揮著重要作用。在肝臟胰島素抵抗狀態下，胰島素不能抑制糖异生，但會加速肝細胞中的脂肪酸合成，從而新增肝臟葡萄糖的產生和TG的積累。儘管存在β細胞和肝細胞功能障礙，但高血糖和高甘油三酯血症會加劇肌肉和脂肪組織的胰島素抵抗狀態，同時引起其他器官和組織的功能障礙。囙此，T2DM與多種併發症密不可分，包括冠心病、中風和視網膜病變。
除了改變生活方式外，還需應用降糖藥物以更好地維持T2DM患者的正常血糖水准。胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）是一種腸促胰島素激素，通過與GLP-1受體（GLP-1R）相互作用來新增胰島素和抑制胰高血糖素分泌，從而幫助控制血糖波動。然而，GLP-1因其半衰期短而很少用於T2DM治療，它會在幾分鐘內被二肽基肽酶-4迅速降解。第一個獲批用於T2DM治療的GLP-1R激動劑Exendin-4是一種39個胺基酸的肽，是一種GLP-1類似物，半衰期較長，為2.4小時。它通過抑制細胞凋亡和促進細胞增殖來增强β細胞質量，從而新增胰島素分泌量。此外，已證明Exendin-4是一種有效的候選藥物，可減輕體重，改善糖尿病和MAFLD。儘管Exendin-4在調節血糖和胰島素反應方面有所改善，但由於腎臟消除，其血漿半衰期仍然有限。囙此，需要每天給藥兩次，這會導致血漿濃度的意外波動和GLP-1R的間歇性啟動。
儘管上述降糖藥物治療帶來了益處，但仍有部分患者無法恢復正常血糖或出現低血糖、腹瀉、噁心、嘔吐等多種副作用。近年來，基於細胞的療法已成為對抗包括T2DM在內的多種難治性疾病的替代方法。特別是，間充質幹/基質細胞（MSCs）在一些臨床前和臨床嘗試中已證明其對改善由T2DM引起的高血糖、胰島素抵抗和全身炎症的治療作用，從而為治療T2DM提供了一種新方案。同時，技術進步仍然迫切需要將基於MSC的療法成功轉化為T2DM的臨床治療。要克服的主要障礙之一是體內給藥後MSC的增殖和存活率降低。
囙此，已經研究了多種策略，例如生物資料封裝、基因工程和MSC預處理，以提高存活率、延遲清除動力學和維持體內MSC分泌因數。此外，優化MSCs的給藥途徑至關重要，因為靜脈內給藥的MSCs主要滯留在肺部和隨後的組織中，導致治療效果减弱。此外，對MSCs在T2DM中的治療機制的全面瞭解仍然難以捉摸。MSCs被證明可以促進內源性胰島素的產生並刺激β細胞的增殖。此外，MSC以其調節免疫反應的能力而聞名，這對於改善由T2DM引起的全身炎症至關重要。
鑒於Exendin-4和MSCs在治療T2DM方面的上述缺陷，研究人員已經探索了如何協同Exendin-4和MSCs的治療益處。MSC也已用GLP-1進行基因修飾，在T2DM治療中顯示出優於野生型MSC的治療功效。然而，應該強調的是，這些組合療法繼承了許多缺陷。例如，當與MSC一起給藥時，單劑量游離Exendin-4的治療效果和持續時間是有限的。此外，考慮到GLP-1的半衰期只有2分鐘，而且治療T2DM需要高有效劑量，預計GLP-1修飾的MSCs很難顯著提高MSCs的治療效果。
在這裡，在發現人MSCs表達GLP-1R的基礎上，該研究通過慢病毒轉導系統構建了Exendin-4基因工程MSCs（MSC-Ex-4）來驗證MSC-Ex- 4分泌的Exendin-4可以通過GLP-1R介導的自分泌啟動AMPK訊號通路，從而通過延長其在高糖應激下的存活時間和增强抗糖尿病功效來潜在地促進自我持久性。該研究還探索了有關MSC-Ex-4保護胰腺β細胞的內分泌作用和MSC-Ex-4改善肝細胞功能的旁分泌作用的潜在機制。除了MSC-Ex-4分泌的Exendin-4外，推測MSC-Ex-4的其他分泌組可以减少細胞衰老和凋亡，同時促進胰腺β細胞的增殖，以及提高胰島素敏感性和减少脂質積累。最後，該研究系統地提供了多劑量的游離MSC-Ex-4，並用可注射的三維（3D）明膠微支架（GMs）作為細胞封裝和遞送載體來輔助MSC-Ex-4，以實現長效治療效果單劑量局部給藥。
總之，該研究結果提供了對Exendin-4介導的MSCs自我持續性和抗糖尿病活性的機制見解，為T2DM提供更有效的基於MSC的治療。
參考消息：
https://advances.sciencemag.org/content/7/27/eabi4379
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