人體血糖濃度的調控主要由胰島素和胰高血糖素在多個層次相互制約實現。其中，由胰島β細胞產生的胰島素負責促進血糖吸收，降低血糖濃度。胰島β細胞破壞或功能障礙會導致糖尿病。與長期注射胰島素不同，胰島移植通常可以使患者血糖水平在數年內保持正常，并可預防糖尿病的繼發性并發癥。然而，供者數量稀少限制了這類療法的應用。

2014年，在一篇Cell論文中[1]，領導這項新研究的Douglas Melton博士實驗室首次開創了一種方法，將干細胞轉化為產生胰島素的β細胞。然而，在最初的研究中，β細胞在最終的細胞混合物中只占30%。為了改善β細胞的比例，研究團隊希望了解其它70%的細胞是什么。單細胞測序技術的發展幫助攻克了這一難題。（圖片來源：Cell）

近年來，一些研究顯示，利用衍生自干細胞的胰島β細胞來替換胰島中被破壞的β細胞可能會為治愈糖尿病帶來希望。5月8日，最新發表在Nature上的一項研究中[2]，哈佛大學Douglas Melton博士帶領的科學家團隊描繪了干細胞分化成胰島樣細胞（islet-like cells）的分子步驟，為未來生產用于移植的胰島細胞提供了重要指導。

圖片來源：Nature

人類多能干細胞能夠無限地自我更新，并在體內產生各種類型的細胞。因為，很多研究團隊致力于開發干細胞在體外分化成胰島細胞的protocols。一個理想的protocol需要實現，促進干細胞分化為完全成熟的α細胞和β細胞；之后，α細胞和β細胞能夠被分離、純化以及重新組裝成用于移植的胰島樣結構（islet-like structures）。為了實現這一宏偉目標，科學家們需要透徹理解所有胰島細胞的分化程序以及胰島形成的方式。

體外β細胞分化的單細胞RNA測序（圖片來源：Nature）

在這項新研究中，Melton博士等分析了干細胞向胰腺祖細胞和激素生產細胞（hormone-producing cells，也叫內分泌細胞）分化過程中不同時間點的超過10萬個細胞。細胞的單細胞RNA測序（scRNA-seq）在分化過程的每一步取樣，然后進行計算分析，這使得鑒定細胞類型以及通過時間追蹤細胞的譜系成為可能。Melton博士等通過這種方法制作了胰島祖細胞如何發育成分化細胞不同譜系的精美圖片（下圖）。

人類胰島細胞的體外分化 | 該研究表明，SC-α和SC-β能夠被純化，再重組產生干細胞衍生的胰島，用于細胞替代療法。（圖片來源：Nature）

研究人員發現，衍生自干細胞的胰腺祖細胞能夠有效分化，但用于處理它們的信號因子組合稍微不同，就會影響祖細胞產生激素表達細胞和非激素表達細胞的比例。

在該研究中，三種最豐富的激素表達細胞類型是來源于干細胞的α細胞 (SC-α)、來源于干細胞的β細胞 (SC-β)以及來源于干細胞的類似于腸嗜鉻細胞的細胞(SC-EC)。

研究人員還發現，未成熟的SC-α能夠表達兩種胰島激素（胰島素和胰高血糖素），不過，這種多激素細胞在培養5周后會變成單激素細胞，即變成只表達胰高血糖素的細胞。

SC-EC的特性（圖片來源：Nature）

SC-EC的發現令人驚訝，因為腸嗜鉻細胞通常存在于腸內（不存在于胰腺中）并產生血清素（有助于調節腸道運動和消化）。當研究人員在分化階段改變提供給細胞的信號因子組合（雞尾酒）時，SC-EC/(SC-α+SC-β)的比率變化很大。此外，不同的信號因子組合也會改變非增殖性內分泌細胞/增殖性非內分泌細胞（腺泡細胞和胰腺導管細胞）的比率。

利用CD49a純化SC-β細胞（圖片來源：Nature）

為了制造安全且功能成熟的干細胞衍生胰島等效物，研究人員必須分離純化理想的內分泌細胞亞型，然后將其重組為假胰島（pseudoislets）。在該研究中，科學家們發現，一個簡單的分離和聚集程序（一種物理分離法）能夠從培養物中去除大多數增殖性非內分泌細胞。此外，他們確定了CD49a (也稱為ITGA1 )是SC-β表達的表面分子。結合利用CD49a抗體的磁性細胞分選技術能夠使研究者們獲得包含80% SC-β的培養物。

經過兩步富集后，細胞簇顯示出更多的β細胞(粉紅色)。（圖片來源：Melton實驗室）

需要指出的是，雖然該研究可將細胞混合物中β細胞的純度提升至80%，但科學家們表示，并不一定β細胞純度越高就越好。控制混合物中β細胞比例的能力是這項研究的關鍵發現。現在，他們將專注于調查混合物中各類細胞的最佳比例。

“也許我們需要更多其它類型的細胞來幫助調節β細胞，這樣它們才能正常工作。我們將找出這些細胞類型是如何相互作用的。”論文第一作者Adrian Veres解釋道。

總結來說，該研究中，Veres等重建了人類胰腺祖細胞和分化的內分泌細胞之間的譜系關系，并揭示了這些細胞類型出現的順序，以及伴隨著每個分化軌跡發生的動態分子變化，提供了關于干細胞分化成胰島細胞深入的機制見解。

那么，我們距離利用β細胞替代療法治療糖尿病還有多遠呢？目前，已有臨床試驗在測試移植干細胞來源的胰島祖細胞到1型糖尿病患者中的安全性和有效性。然而，被移植的胰腺祖細胞仍需要分化和成熟為β細胞來實現由葡萄糖刺激引發的有效胰島素分泌。但在體內，我們無法控制胰腺祖細胞所接觸的信號因子。因此，更理想的產品是，在移植到患者體內前，也就是在體外培養時，細胞就能夠響應葡萄糖分泌胰島素，且在移植到患者體內后，立即發揮作用。此外，值得一提的是，僅移植SC-β并不足以治療1型糖尿病，因為α細胞對嚴格控制人類胰島的激素分泌以及葡萄糖水平的整體調節也至關重要。

Nature的觀點文章稱，Veres等人在解決一些關鍵問題方面取得了重大進展。首次，他們提供了詳細的scRNA-seq數據集，涵蓋了體外胰島細胞分化的主要步驟。此外，研究的一個關鍵發現是，SC-α和SC-β能夠一起產生，但腸道內分泌SC-EC和增殖性非分泌細胞也會出現。這表明，生產安全的產品需要將SC-α和SC-β分離至高純度，且為了避免導致癌癥的風險，還需要移除增殖性祖細胞。最后，科學家們通過對scRNA-seq數據的詳細分析鑒定出了有望進一步改善胰島細胞分化和純化過程的新型表面標志物和信號通路。因此，總結來說，該研究意義重大，讓我們離β細胞替代療法在臨床上得以應用，從而改變糖尿病治療更近一步。

相關論文：

[1] Felicia W. Pagliuca et al. Generation of Functional Human Pancreatic β Cells In Vitro. Cell(2014).

[2]Adrian Veres et al. Charting cellular identity during human in vitro β-cell differentiation. Nature（2019）.

參考資料：

1# A map of β-cell differentiation pathways supports cell therapies for diabetes

2# Research boosts the yield of insulin-producing cells for diabetes therapy