曹書義 袁莉

胰腺上皮細胞可能成為胰島β細胞再生的新來源

曹書義 袁莉

促進β細胞再生，維持功能性β細胞的數(shù)量，是治療糖尿病的根本。胰腺上皮細胞包括β細胞、導(dǎo)管細胞、腺泡細胞及α細胞。研究表明，與多能干細胞相比，這些成體細胞具有更明顯的優(yōu)勢，可能通過不同途徑重新生成β細胞從而實現(xiàn)β細胞的再生。已分化的β細胞可以被誘導(dǎo)增殖或者退回至祖細胞狀態(tài)重新分化為β細胞。而在胰腺受損、代謝應(yīng)激、基因操作等條件下，其他胰腺上皮細胞可能直接轉(zhuǎn)分化為β細胞或者成為內(nèi)分泌兼性祖細胞再分化為β細胞。

糖尿病；胰腺上皮細胞；胰島β細胞；再生

糖尿病是一種復(fù)雜的多病因疾病，以β細胞功能異常和（或）數(shù)量不足為特征，最終導(dǎo)致機體代謝異常、多器官結(jié)構(gòu)及功能受損。因此，恢復(fù)功能性β細胞數(shù)量，有望從根本上治療糖尿病。目前研究的主要目標(biāo)是使已存在的β細胞或者生成新的β細胞。理論上擁有無限分化潛能的胚胎干細胞及誘導(dǎo)性多能干細胞，能夠定向分化產(chǎn)生新的β細胞。但是，應(yīng)用干細胞治療糖尿病，機體內(nèi)可能會形成腫瘤或者發(fā)生免疫排斥反應(yīng)。在這種情況下，胰腺上皮細胞（導(dǎo)管上皮細胞、腺泡細胞、α細胞）成為多能干細胞的潛在替代品。一方面,它們擁有被原位利用的潛能，“引入”腫瘤疾病的風(fēng)險也更低；另一方面，這些胰腺上皮細胞起源于共同的祖細胞，擁有相似的表觀遺傳學(xué)圖譜，更容易向β細胞轉(zhuǎn)化[1]。本文對胰腺本身作為β細胞再生來源的相關(guān)進展進行探討。

1 分化的β細胞自身增殖

β細胞是一種增殖能力較低的細胞類型。人β細胞增殖主要發(fā)生在新生兒時期，兩歲以后幾乎不再增殖[2]。而近來的一項研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)手術(shù)切除的年長者胰腺內(nèi)存在（0.22±0.03）%Ki67+/insulin+細胞，表明在尸體解剖和尸體捐贈者胰腺內(nèi)Ki67的活性可能被人為降低，意味著β細胞的更新率比普遍認(rèn)為的更高[3]。在病理或者生理狀態(tài)下如胰島素抵抗或者妊娠、肥胖，成體β細胞復(fù)制能力提高。有研究將人胰島移植入肥胖的免疫缺陷小鼠體內(nèi)，證明在肥胖條件下人胰島β細胞發(fā)生增殖[4]。

成體β細胞復(fù)制的過程尚未完全揭示，但是大量的研究證實血糖是控制β細胞復(fù)制的關(guān)鍵性系統(tǒng)因素。在接受人胰島移植的免疫缺陷小鼠體內(nèi)，高血糖可刺激人胰島β細胞的增殖[5]。而Porat等[6]認(rèn)為，高糖狀態(tài)下糖代謝活動增強及β細胞反應(yīng)性胰島素分泌增加，可誘導(dǎo)β細胞的分裂及增殖。因此，β細胞的工作負(fù)荷即β細胞為了維持正常血糖水平所分泌胰島素的量，是β細胞復(fù)制的主要決定因素。增加β細胞工作負(fù)荷的化合物，如葡萄糖激酶催化劑可通過激活糖酵解途徑，明顯提高老齡小鼠β細胞的增殖能力[7]。

2 由其他胰腺上皮細胞重編為β細胞

導(dǎo)管上皮細胞、腺泡細胞、α細胞與β細胞共存于同一胰腺環(huán)境內(nèi)，且含量豐富。這些胰腺內(nèi)非β細胞若能原位轉(zhuǎn)化為β細胞,將會極大改善糖尿病的治療，因此備受研究者們關(guān)注。

2.1 導(dǎo)管上皮細胞 在胰腺發(fā)育過程中，頂部的細胞最終發(fā)育為腺泡細胞，導(dǎo)管上皮細胞則為內(nèi)分泌前體細胞提供來源，使其分層聚集形成胰島。而且有研究發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重破壞小鼠腺泡細胞及內(nèi)分泌腺組織后，導(dǎo)管上皮細胞重現(xiàn)胚胎胰腺發(fā)育程序，重編為內(nèi)分泌細胞和腺泡細胞[8]。說明在特定的環(huán)境下，胰腺導(dǎo)管上皮細胞能夠作為兼性內(nèi)分泌前體細胞。對人胰腺的研究也發(fā)現(xiàn)，糖耐量減低者胰腺導(dǎo)管內(nèi)的胰島素陽性細胞比例增加，表明作為對糖耐量減低的代償，胰腺內(nèi)可能出現(xiàn)來源于導(dǎo)管祖細胞的β細胞[9]。

然而，Rankin等[10]采用胰腺導(dǎo)管結(jié)扎方案，發(fā)現(xiàn)胰腺組成發(fā)生改變，導(dǎo)管上皮細胞增殖增加，誘導(dǎo)了神經(jīng)元素3的表達，但是β細胞數(shù)量并沒有增加，也未出現(xiàn)導(dǎo)管內(nèi)分泌祖細胞向β細胞譜系的轉(zhuǎn)化。但是這并不能否定導(dǎo)管祖細胞在β細胞再生過程中的重要作用。因為不同的物種可能演變出不同的再生機制，而且所有的部分胰腺損傷模型并不完全相同。損傷的程度和精確的類型可能依手術(shù)的細微差別而不同，從而影響了隨后發(fā)生的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。

2.2 腺泡細胞 成體腺泡細胞是胰腺內(nèi)含量最多的細胞類型。近來研究表明，特定環(huán)境下腺泡細胞可能重新獲得自我更新和向?qū)Ч芗毎皟?nèi)分泌細胞分化的潛力。Pan等[11]發(fā)現(xiàn)將小鼠胰腺導(dǎo)管結(jié)扎后腺泡細胞內(nèi)多潛能性因子被重新活化，重編為胰島素陽性細胞，最終表達成熟β細胞標(biāo)記物，而聯(lián)合鏈脲佐菌素破壞已存在的β細胞可促進腺泡細胞向內(nèi)分泌細胞的轉(zhuǎn)化。對成人胰腺的研究發(fā)現(xiàn)，外分泌腺泡中普遍出現(xiàn)產(chǎn)胰島素細胞，推測外分泌腺具有產(chǎn)胰島素的潛力，這些腺泡細胞可能為β細胞的內(nèi)源性祖細胞[12]。固有的或外在的信號通路因子也能夠使腺泡細胞向β細胞轉(zhuǎn)化，成為β細胞再生的重要途徑。Baeyens等[13]發(fā)現(xiàn)，用細胞因子（表皮生長因子和睫狀神經(jīng)營養(yǎng)因子）處理糖尿病小鼠，可刺激完全分化的腺泡細胞轉(zhuǎn)化為有功能的β細胞樣細胞，使其血糖水平恢復(fù)正常。

2.3 α細胞 相對于外分泌腺細胞，胰島各內(nèi)分泌細胞型之間具有較為密切的譜系關(guān)系，更可能發(fā)生胰島內(nèi)相互轉(zhuǎn)化。人表觀基因組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，許多與基因調(diào)控相關(guān)的β細胞特異性基因也被二價標(biāo)記于α細胞，說明α細胞的表觀遺傳可塑性更強，更容易向β細胞轉(zhuǎn)化[14]。因此，一些研究采用單基因操作誘導(dǎo)胰島α細胞向β細胞的轉(zhuǎn)化。Yang等[15]證明在胚胎期神經(jīng)元素3陽性祖細胞內(nèi)胰-十二指腸同源盒因子表達增強，而出生后幾乎所有表達胰-十二指腸同源盒因子的α細胞短期內(nèi)均轉(zhuǎn)化為類似正常β細胞的胰島素陽性細胞。在α細胞內(nèi)異常表達成對盒基因4，可啟動α細胞向β細胞樣細胞轉(zhuǎn)化[16]。

環(huán)境誘因?qū)е娄录毎^度破壞，可促使成熟α細胞自發(fā)轉(zhuǎn)變。Thorel等[17]用白喉毒素將RIP-DTR小鼠的胰島β細胞幾乎全部破壞，誘發(fā)糖尿病，并應(yīng)用遺傳譜系追蹤技術(shù)監(jiān)測到新的再生β細胞包含α細胞的譜系追蹤標(biāo)記物，說明α細胞可自發(fā)轉(zhuǎn)化為β細胞。然而，這些實驗中盡管來源于α細胞的β細胞在總β細胞中所占比例較為明顯，但是功能性β細胞的實際數(shù)量很少。因為過度破壞β細胞的情況下，小鼠體內(nèi)幾乎沒有β細胞殘留。而且α細胞向β細胞的自發(fā)轉(zhuǎn)化仍有待證實。有研究用鏈脲佐菌素破壞非人類靈長目動物的β細胞，并沒有激發(fā)α細胞的復(fù)制及β細胞的再生[18]。

3 去分化的β細胞重新分化

對β細胞去分化的廣義解釋為分化狀態(tài)的喪失，即基因表達及結(jié)構(gòu)、功能方面的變化。盡管β細胞去分化的具體定義尚不明確，但是其作為2型糖尿病的部分病因已引起重視。Talchai等[19]通過構(gòu)建胰島β細胞特異性敲除轉(zhuǎn)錄因子FoxO1小鼠模型，證實在應(yīng)激誘發(fā)的高血糖狀態(tài)下，β細胞可去分化為內(nèi)分泌祖細胞樣細胞。同時糖耐量減低者體內(nèi)出現(xiàn)共表達間充質(zhì)細胞與α細胞表型標(biāo)記物的胰島β細胞[20]。另一項研究則發(fā)現(xiàn)，高脂飲食猴子體內(nèi)β細胞數(shù)量減少，特異性轉(zhuǎn)錄因子消失，α細胞數(shù)量增多。表明代謝應(yīng)激狀態(tài)下，β細胞可能發(fā)生去分化，重編為α細胞[21]。

Weir等[22]認(rèn)為β細胞去分化可能是由高血糖引起，通過治療恢復(fù)正常血糖可以使去分化的β細胞重新獲得β細胞表型。最近，Wang等[23]研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病小鼠β細胞去分化為神經(jīng)元素3陽性而胰島素陰性的細胞；遺傳譜系標(biāo)記追蹤顯示，經(jīng)胰島素治療降低血糖后，去分化的β細胞重新分化為神經(jīng)元素3陰性而胰島素陽性的細胞。通過擴增這些祖細胞樣細胞并使其再分化，去分化的β細胞可能被用于重構(gòu)功能性β細胞團。然而，重新利用去分化β細胞再生β細胞的方案仍存在很多問題。一方面β細胞去分化在人糖尿病中的作用有待證實，另一方面，實現(xiàn)體內(nèi)再分化的途徑尚未確定。

4 結(jié)語與展望

在適當(dāng)條件下，胰腺上皮細胞，不管是已分化細胞還是兼性祖細胞，都可能作為β細胞再生的巨大儲備資源。因此，在未來幾年，胰腺本身可能作為β細胞再生繼而治療糖尿病的細胞來源。然而，操縱成體胰腺上皮細胞的可塑性用于臨床治療，僅處于初步探索中。對控制β細胞命運的分子機制及影響胰腺上皮細胞身份的因素的深入研究，將會為胰腺上皮細胞重編為β細胞提供新的線索。

［1］Avrahami D，Kaestner KH.Epigenetic regulation of pancreas development and function[J].Semin Cell Dev Biol，2012，23（6）：693-700.

［2］Gregg BE，Moore PC，Demozay D，et al.Formation of a human beta-cell population within pancreatic islets is set early in life[J].J Clin Endocrinol Metab，2012，97（9）：3197-3206.

［3］Caballero F，Siniakowicz K，Hollister-Lock J，et al.Birth and death of human beta-cells in pancreases from cadaver donors，autopsies，surgical specimens，and islets transplanted into mice[J].Cell Transplant，2014，23（2）：139-151.

［4］Gargani S，Thevenet J，Yuan JE，et al.Adaptive changes of human islets to an obesogenic environment in the mouse[J].Diabetologia，2013，56（2）：350-358.

［5］Levitt HE，Cyphert TJ，Pascoe JL，et al.Glucose stimulates human beta cell replication in vivo in islets transplanted into NOD-severecombined immunodeficiency（SCID）mice[J].Diabetologia，2011，54（3）：572-582.

［6］Porat S，Weinberg-Corem N，Tornovsky-Babaey S，et al.Control of pancreatic beta cell regeneration by glucose metabolism[J].Cell Metab，2011，13（4）：440-449.

［7］Stolovich-Rain M，Hija A，Grimsby J，et al.Pancreatic beta cells in very old mice retain capacity for compensatory proliferation[J].J Biol Chem，2012，287（33）：27407-27414.

［8］Criscimanna A，Speicher JA，Houshmand G，et al.Duct cells contribute to regeneration of endocrine and acinar cells following pancreatic damage in adult mice[J].Gastroenterology，2011，141（4）：1451-1462，1462.e1-6.

［9］Yoneda S，Uno S，Iwahashi H，et al.Predominance of beta-cell neogenesis rather than replication in humans with an impaired glucose tolerance and newly diagnosed diabetes[J].J Clin Endocrinol Metab，2013，98（5）：2053-2061.

［10］Rankin MM，Wilbur CJ，Rak K，et al.beta-Cells are not generated in pancreatic duct ligation-induced injury in adult mice[J].Diabetes，2013，62（5）：1634-1645.

［11］Pan FC，Bankaitis ED，Boyer D，et al.Spatiotemporal patterns of multipotentialityin Ptf1a-expressing cellsduring pancreas organogenesis and injury-induced facultative restoration[J].Development，2013，140（4）：751-764.

［12］Yu L，Luo JX，Wei JL，et al.Insulin-producing acinar cells in adult human pancreas[J].Pancreas，2014，43（4）：592-596.

［13］Baeyens L，Lemper M，Leuckx G，et al.Transient cytokine treatment induces acinar cell reprogramming and regenerates functional beta cell mass in diabetic mice [J].Nat Biotechnol，2014，32（1）：76-83.

［14］Bramswig NC，Everett LJ，Schug J，et al.Epigenomic plasticity enables human pancreatic alpha to beta cell reprogramming[J].J Clin Invest，2013，123（3）：1275-1284.

［15］Yang YP，Thorel F，Boyer DF，et al.Context-specific alpha-tobeta-cell reprogramming by forced Pdx1 expression[J].Genes Dev，2011，25（16）：1680-1685.

［16］Al-Hasani K，Pfeifer A，Courtney M，et al.Adult duct-lining cells can reprogram into beta-like cells able to counter repeated cycles of toxin-induced diabetes[J].Dev Cell，2013，26（1）：86-100.

［17］Thorel F，Nepote V，Avril I，et al.Conversion of adult pancreatic alpha-cells to beta-cells after extreme beta-cell loss[J].Nature，2010，464（7292）：1149-1154.

［18］Saisho Y，Manesso E，Butler AE，et al.Ongoing beta-cell turnoverin adultnonhuman primatesisnotadaptively increased in streptozotocin-induced diabetes[J].Diabetes，2011，60（3）：848-856.

［19］Talchai C，Xuan S，Lin HV，et al.Pancreatic beta cell dedifferentiation as a mechanism of diabetic beta cell failure[J].Cell，2012，150（6）：1223-1234.

［20］White MG，Marshall HL，Rigby R，et al.Expression of mesenchymal and α-cell phenotypic markers in islet β-cells in recently diagnosed diabetes[J].Diabetes Care，2013，36（11）：3818-3820.

［21］Fiori JL，Shin YK，Kim W，et al.Resveratrol prevents beta-cell dedifferentiation in nonhuman primates given a high-fat/highsugar diet[J].Diabetes，2013，62（10）：3500-3513.

［22］Weir GC，Aguayo-Mazzucato C，Bonner-Weir S.beta-cell dedifferentiation in diabetes is important，but what is it?[J].Islets，2013，5（5）：233-237.

［23］Wang Z，York NW，Nichols CG，et al.Pancreatic beta cell dedifferentiation in diabetes and redifferentiation following insulin therapy[J].Cell Metab，2014，19（5）：872-882.

Pancreatic epithelium may be a new source of islet β cells regeneration

Cao Shuyi，Yuan Li.Department of Endocrinology，Union Hospital，Tongji Medical College，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430022，China

Yuan Li，Email：yuanli18cn@yahoo.com.cn

Promoting β cells regeneration and increasing the number offunctional β cells is crucial to treat diabetes.Pancreatic epithelial cells include β cell，duct cell acinar cell，and α cell.Compared with pluripotent stem cells，the adult cells have a clear advantage to realize the regeneration of β cells through different pathways.The differentiated β cells can be induced to proliferation or lost to dedifferentiation.Then the dedifferentiated cells may redifferentiate to β cells.Under specific conditions such as damaged pancreas，metabolic stress，genetic operation，other cells in pancreatic epithelium also exhibit the plasticity to go directly toβ cells or become endocrine facultative progenitor cells toreprogramme into β cells.

Diabetes mellitus；Pancreatic epithelial cells；Islet β cells；Regeneration

（Int J Endocrinol Metab，2015，35：114-116）

10.3760/cma.j.issn.1673-4157.2015.02.011

430022 武漢，華中科技大學(xué)同濟醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院內(nèi)分泌科

袁莉，Email:yuanli18cn@yahoo.com.cn

2014-10-23）