二十多年來(lái)，多能干細(xì)胞一直有望成為治療1型糖尿病患者的可再生β細(xì)胞來(lái)源。最近，研究人員通過(guò)一種穿孔封裝裝置優(yōu)化移植干細(xì)胞衍生組織的分化、存活和功能，取得了具有臨床意義的代謝益處，這種裝置在全身免疫抑制的保護(hù)下促進(jìn)與受體血管的整合。盡管取得了這一成功，但旅程尚未結(jié)束，因?yàn)槠毡橹斡枰蟮摩录?xì)胞質(zhì)量。

《自然》子刊：完成干細(xì)胞治療1型糖尿病的奧德賽之旅

近日，悉尼大學(xué)百年研究所和醫(yī)學(xué)與健康學(xué)院在期刊雜志《nature》上發(fā)表了一篇“Finishing the odyssey to a stem cell cure for type 1 diabetes”（完成干細(xì)胞治療1型糖尿病的歷程的文章）。

文章總結(jié)總結(jié)了最近的跨學(xué)科進(jìn)展，這些進(jìn)展可以最大限度地增加移植裝置內(nèi)的功能性β細(xì)胞質(zhì)量，并提供免疫特權(quán)環(huán)境，從而消除全身免疫抑制的需要。

2023年，期刊雜志《nature biotechnology》發(fā)表的一篇文章表示封裝的干細(xì)胞衍生β細(xì)胞能控制1型糖尿病患者的血糖，這項(xiàng)研究使得干細(xì)胞治療在治愈1型糖尿病的路上又更近了一步。

本文將總結(jié)在實(shí)現(xiàn)基于細(xì)胞的血糖控制改善方面已經(jīng)克服的主要障礙，并強(qiáng)調(diào)這一重要的概念驗(yàn)證臨床研究與大多數(shù)1型糖尿病患者的持久治愈之間的關(guān)鍵問(wèn)題。

干細(xì)胞治療1型糖尿病的原理

胰島β細(xì)胞的自身免疫性破壞使1型糖尿病（T1D）患者終生依賴(lài)胰島素控制血糖水平。隨著時(shí)間的推移，處理不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致微血管和大血管并發(fā)癥，嚴(yán)重影響生活質(zhì)量。遺憾的是，為減少這些長(zhǎng)期高血糖并發(fā)癥而進(jìn)行的強(qiáng)化降糖治療會(huì)增加低血糖事件的風(fēng)險(xiǎn)。

旨在用 “人工胰腺 “取代β細(xì)胞功能的技術(shù)解決方案可通過(guò)整合連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)和自動(dòng)胰島素輸送來(lái)改善血糖控制。然而，這些系統(tǒng)還無(wú)法與人類(lèi)胰島提供的精妙血糖控制相媲美，T1D患者仍需承受慢性疾病的持續(xù)管理和費(fèi)用負(fù)擔(dān)。

目前，恢復(fù)功能性β細(xì)胞質(zhì)量的治療方法最終可消除對(duì)外源性胰島素的需求。事實(shí)上，將遺體胰島移植到免疫抑制的T1D受者體內(nèi)已表明，可以實(shí)現(xiàn)良好的血糖控制，同時(shí)降低低血糖風(fēng)險(xiǎn)。胰島移植對(duì)個(gè)別T1D胰島受體的益處不應(yīng)被低估，然而，供體組織的有限供應(yīng)限制了這一策略的潛在影響，在包括美國(guó)在內(nèi)的許多國(guó)家，仍只有臨床試驗(yàn)參與者才能使用這一策略。相比之下，如果人類(lèi)多能干細(xì)胞（hPSCs）能夠免受自身免疫攻擊，理論上可以對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)增和分化，以恢復(fù)所有符合條件的T1D患者的β細(xì)胞功能。

總結(jié)：干細(xì)胞療法治療1型糖尿病正是從1型糖尿病的發(fā)病機(jī)制出發(fā)，從內(nèi)分泌細(xì)胞和免疫細(xì)胞兩個(gè)方面，試圖恢復(fù)患者正常的產(chǎn)胰島素功能，改變患者異常的自身免疫狀態(tài)，繼而從根本上治愈1型糖尿病。

改進(jìn)封裝策略，保護(hù)干細(xì)胞移植物

現(xiàn)在有了合適的細(xì)胞來(lái)源，防止移植排斥是基于hPSC療法面臨的最大挑戰(zhàn)之一。T1D的自身免疫性質(zhì)給基于細(xì)胞的療法帶來(lái)了挑戰(zhàn)，因?yàn)槊庖呦到y(tǒng)隨時(shí)準(zhǔn)備破壞新移植的物質(zhì)，即使它來(lái)自患者自身的干細(xì)胞。從尸體移植中可以看出，全身免疫抑制可以保護(hù)并維持不匹配的供體β細(xì)胞處于功能狀態(tài)。

此外，臨床移植顯示，約10,000個(gè)胰島當(dāng)量/千克的功能性β細(xì)胞可消除對(duì)外源性胰島素的需求，為治療效果設(shè)定了明確的目標(biāo)。遺憾的是，這種鈍性方法將對(duì)胰島素的依賴(lài)換成了持續(xù)的免疫抑制，從而增加了感染、某些癌癥和治療方案特異性毒性的風(fēng)險(xiǎn)。

人們一直致力于將移植物封裝在生物相容性材料中，既能防止免疫浸潤(rùn)，又能使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)和廢物充分?jǐn)U散，以支持β細(xì)胞的健康，從而消除全身免疫抑制的需要。盡管40多年前就已證明，微囊化足以在動(dòng)物模型中保持胰島功能數(shù)周而無(wú)需免疫抑制，但在細(xì)胞不可滲透的材料中保持功能性β細(xì)胞團(tuán)仍是一大挑戰(zhàn)。微囊化的胰島（單個(gè)胰島或小簇群）可分散到受體組織中，與宿主有較大的接觸面積。然而，不透水的屏障阻止了與血管的直接接觸，而血管產(chǎn)生的基底膜可能對(duì)β細(xì)胞的最佳功能至關(guān)重要。

由于細(xì)胞不透性材料必然會(huì)阻止β細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞直接接觸，一些研究小組在細(xì)胞透性設(shè)備方面另辟蹊徑，其中包括Viacyte公司的VC-02設(shè)備。雖然VC-02的具體配置仍屬專(zhuān)利，但其主要特點(diǎn)似乎有助于臨床成功，即在另一層穿孔無(wú)紡布中包裹一層穿孔封裝膜。VC-02設(shè)備裝載了部分分化到PP階段的人類(lèi)多能干細(xì)胞衍生胰腺內(nèi)胚層細(xì)胞 (PEC)，被稱(chēng)為PEC-Direct（圖1）。

在T1D患者全身免疫抑制的保護(hù)下，將部分分化的hPSC衍生PEC裝入裝置中。穿孔設(shè)計(jì)有利于內(nèi)皮細(xì)胞的浸潤(rùn)，而外部的無(wú)紡布則限制了纖維異物反應(yīng)。成熟后，功能性β細(xì)胞占細(xì)胞總量的3%。 

使用PEC-Direct治療1型糖尿病的臨床經(jīng)驗(yàn)

雖然大多數(shù)臨床經(jīng)驗(yàn)與將尸體胰島移植到肝臟門(mén)靜脈有關(guān)，但臨床前模型已對(duì)皮下、網(wǎng)膜和肌肉內(nèi)等其他部位進(jìn)行了廣泛研究。這些部位可能會(huì)給胰島存活帶來(lái)額外的挑戰(zhàn)，因?yàn)楝F(xiàn)有的有限臨床數(shù)據(jù)表明，無(wú)囊肝外移植效果不佳。然而，在動(dòng)物模型中，皮下移植的封裝hPSC衍生PP在4-6個(gè)月內(nèi)分化為含有功能性葡萄糖反應(yīng)性β細(xì)胞的組織。

在此經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，兩項(xiàng)平行的首次人體研究旨在優(yōu)化PEC-Direct皮下植入物的細(xì)胞劑量和穿孔結(jié)構(gòu)，研究對(duì)象為少量T1D受者（n=1732；n=1533），結(jié)果表明，胰島素分泌細(xì)胞產(chǎn)生的標(biāo)志物C肽可在移植后6個(gè)月在部分患者體內(nèi)檢測(cè)到，并可持續(xù)到24個(gè)月。一部分患者在膳食刺激后C肽達(dá)到>30pM（6/24，注意有些人在兩項(xiàng)研究中都進(jìn)行了分析），這一水平與T1D并發(fā)癥的減少有關(guān)。然而，沒(méi)有一人達(dá)到與改善代謝控制相關(guān)的200pM臨界值，也沒(méi)有人達(dá)到與尸體胰島接受者胰島素獨(dú)立性相關(guān)的1000pM水平。

作為參考，健康人餐后C肽水平在1000-3000pM之間。重要的是，觀察到的胰島素分泌可直接歸因于VC-02裝置，而非受者自身β細(xì)胞功能的恢復(fù)，因?yàn)樵谧屑?xì)研究過(guò)的兩名患者中，移除外植體后C肽水平?jīng)]有改善。雖然移植的PEC細(xì)胞與尸體胰島的胰島當(dāng)量只能進(jìn)行近似比較，但這些試點(diǎn)最多只能提供胰島素獨(dú)立性所需的移植量的一半。由于回收的裝置主要含有胰高血糖素+α細(xì)胞（16%），只有一小部分胰島素+β細(xì)胞（3%），因此移植細(xì)胞不足以改善血糖的二級(jí)指標(biāo)也就不足為奇了。

無(wú)論如何，這些首次進(jìn)行的人體研究證明了這種方法在高風(fēng)險(xiǎn)（無(wú)低血糖意識(shí)）患者中的整體安全性，所有嚴(yán)重不良事件都?xì)w咎于免疫抑制方案或手術(shù)過(guò)程，這表明最大化移植規(guī)模和β細(xì)胞組成對(duì)臨床效果至關(guān)重要。

優(yōu)化的PEC直接移植可改善部分1型糖尿病患者的血糖控制

Keymeulen等人在一份為期1年的中期結(jié)果報(bào)告中提供了證據(jù)，證明hPSC移植即將為許多1型糖尿病患者帶來(lái)益處。

他們采用了適應(yīng)性試驗(yàn)設(shè)計(jì)，將移植量增加了2-3倍，所有裝置都采用了與之前試驗(yàn)中最佳療效相關(guān)的穿孔模式和密度。移植受者的選擇標(biāo)準(zhǔn)與之前的試驗(yàn)相似，要求T1D穩(wěn)定（>5年）、低血糖并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)高（克拉克評(píng)分≥4）、移植前餐刺激C肽水平≤30pM。

在增加劑量和優(yōu)化設(shè)備配置后，3/10的受者在移植后6個(gè)月內(nèi)的餐后C肽水平≥100pM，其中一人超過(guò)了200pM的閾值，具有代謝意義。

令人興奮的是，該受試者在目標(biāo)血糖范圍內(nèi)停留的時(shí)間（通過(guò)連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)）得到了改善，這是一種具有臨床意義的功能衡量標(biāo)準(zhǔn)。

持久治愈1型糖尿病的途徑

通過(guò)在體外重現(xiàn)胚胎胰腺的發(fā)育過(guò)程，產(chǎn)生的胰腺前體顯然有可能在移植后的4-6個(gè)月內(nèi)完成分化為功能性β細(xì)胞。

發(fā)育生物學(xué)的其他線索表明：內(nèi)源性?xún)?nèi)分泌前體和血管之間存在特定階段的相互作用，影響著胰腺的分化。最初，內(nèi)皮細(xì)胞誘導(dǎo)內(nèi)分泌細(xì)胞分化，然后內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)出信號(hào)，增加局部血管網(wǎng)絡(luò)的密度和血管基底膜的沉積，從而促進(jìn)β細(xì)胞的功能。

因此，β細(xì)胞通過(guò)與血管的相互作用參與了特化龕的構(gòu)建，這種相互作用對(duì)隨后的β細(xì)胞成熟至關(guān)重要。雖然PEC-Direct裝置的穿孔設(shè)計(jì)允許內(nèi)皮細(xì)胞浸潤(rùn)，但這種血管網(wǎng)絡(luò)的生長(zhǎng)需要時(shí)間，而且與受體成纖維細(xì)胞的競(jìng)爭(zhēng)只被外部無(wú)紡布層部分阻擋（圖1），這表明對(duì)這些過(guò)程的機(jī)械控制存在局限性。

表1總結(jié)了PEC-Direct設(shè)備與其他細(xì)胞療法相比的優(yōu)缺點(diǎn)。

在此，我們重點(diǎn)介紹最近的進(jìn)展，這些進(jìn)展有助于最大限度地提高血管化β細(xì)胞的產(chǎn)量，并在最佳情況下提供免疫特異性龕，從而無(wú)需全身免疫抑制（圖2）。

免疫調(diào)節(jié)材料和細(xì)胞可用于為移植的PEC創(chuàng)建免疫特權(quán)生態(tài)位，并進(jìn)一步阻止成纖維細(xì)胞浸潤(rùn)。通過(guò)改善微環(huán)境并將其他胰腺細(xì)胞類(lèi)型轉(zhuǎn)化為β細(xì)胞命運(yùn)，可以潛在地增加β細(xì)胞數(shù)量。

基于hPSC的T1D療法的最終目標(biāo)是在不需要全身免疫抑制的情況下提供長(zhǎng)期的β細(xì)胞功能。含有PD-L155或FasL56等單個(gè)免疫調(diào)節(jié)因子的微凝膠的同種移植可對(duì)免疫功能正常宿主的移植物存活率產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

結(jié)論

經(jīng)過(guò)數(shù)十年的共同努力，我們已研發(fā)出第一種干細(xì)胞替代療法，該療法對(duì)1型糖尿病患者有臨床益處。各個(gè)領(lǐng)域的最新進(jìn)展為這種慢性代謝疾病的終身治愈指明了方向。

參考資料：Hunault, L., Hesselson, D. Finishing the odyssey to a stem cell cure for type 1 diabetes. npj Metab Health Dis 2, 9 (2024). https://doi.org/10.1038/s44324-024-00014-5

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