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胰腺干细胞与再生医学之胰腺β细胞的再生

干细胞与纳米医学2020-10-18 11:03:08

来源:《现代干细胞与再生医学》庞希宁 徐国彤 付小兵

编辑:中科政兴

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胰腺再生模型

 

人类的胰腺损伤后再生还不清楚,但是小鼠胰腺具有低水平的持续再生能力并能损伤后进行再生。在胰腺导管的短暂结扎或乙硫氨酸处理胰岛细胞和胰管导致其选择性破坏后,腺泡组织会迅速再生。通过手术摘除胰腺的60%~90%导致腺泡和胰岛组织的再生,这种观察最早追溯到20世纪20年代。链脲霉素(STZ)能选择性地破坏胰岛β细胞群。没有其他的损伤β细胞不会再生,STZ治疗后进行局部胰腺切除术(PP)后β细胞会明显再生。

 

胰腺β细胞的再生来源于局部胰腺切除术的母细胞

 

基因标记研究强烈地证明了再生的β细胞源于局部胰腺切除术的母细胞。为了研究正常和损伤条件下再生β细胞的来源,2004DOR等选择性标记的完全分化的β细胞中携带他莫昔芬诱导的Cre/雌激素受体融合基因的胰岛素启动子和报告基因构建由人胎盘碱性磷酸酶基因(HPAP)通过一种普遍存在的CMV/β-肌动蛋白启动子由加注好液氟液氧混合剂的停止盒分隔。脉冲式的他莫昔芬注射允许 CreER蛋白转运到细胞核,并切除停止盒,HPAP向脉冲期间表示。脉冲后,将标记的β细胞能够在胰腺的生长或PP后再生过程中进行跟踪。如果新的β细胞产生非胰岛素干细胞,它们将是无标记的,仅能通过稀释HPAP细胞的百分比时间进行比较。如果它们从预先存在的β细胞产生,HPAP细胞的百分比将不会改变。

 

生理和病理生理过程中β细胞的再生

 

研究发现,在妊娠期女性、部分胰腺切除术患者和肥胖人群中,B细胞可再生,B细胞再生的发现也支持胰腺于细胞的概念。

 

妊娠期β细胞的再生  为了适应生理需求,在人和实验动物的妊娠期,胰腺β细胞可进行再生。例如,在妊娠期大鼠的胰腺中,胚胎第10天时BrdU的吸收值增加了3,14天时则增加了10,这间接证明了胰岛细胞增殖显著促进胰岛体积的增加。然而,在妊娠期实验小鼠的胰腺中,直至胚胎第15.5,胰岛体积仅增加了2,BrdU标记也仅增加了3倍。这也许是由不同物种之间再生能力不同或者不同检测方法的灵敏度不同造成的。实验证明,在人类的妊娠期,无论是孕妇胰岛的体积还是胰岛β细胞的数量均有所增加。在啮齿类动物和人的妊娠期,β细胞数量的增加可能是由于催乳激素和胎盘催乳素的刺激引起的。

 

肥胖患者B细胞的再生  某些病理过程诸如肥胖可以引起β细胞再生。例如,对于患有肥胖症的啮齿类动物,由于对胰岛素产生了抵抗作用,β细胞数量增加了9倍。在肥胖的小鼠和人类胰腺组织中进行双染,可以检测到胰岛素分泌细胞表达Ki-67(一个与细胞增殖严格相关的指标),表明在肥胖的条件下,胰岛细胞可进行再生。如前所述,小鼠的再生能力要远强于人类。有关一个被命名为A的肥胖突变小鼠家族的研究表明,降低多发性内分泌腺瘤蛋白有助于适应性β细胞增殖。

 

综上所述,实验说明由β细胞的增殖引起的相关机制在小鼠生理妊娠和病理肥胖过程中起着重要作用。在人类妊娠或肥胖的情况下,确立这种机制是否起作用同样是一件非常有趣的工作。

 

部分胰腺切除后β细胞再生  像体内许多其他器官一样,胰腺的损伤可引起胰岛再生,胰腺切除术就属于胰腺损伤的一种。例如,将鼠的胰腺切除90%后第4,胰腺组织增生至未切除胰腺的27%,岛数量也恢复至未切除时的45%。然而,不同物种之间再生能力也是不同的。对一只成年犬类即使是进行50%的胰腺切除也会导致短期内空腹血糖浓度迅速升高,在一段时间之后衍变为糖尿病。同样,切除成人体内50%的胰腺也可以导致切除后引发的肥胖症和糖尿病。这些研究再次表明,不同物种之间胰岛的再生能力存在差异:啮齿类动物胰岛的再生能力要远强于大型哺乳类动物。这种不同物种之间控制再生能力机制的差异有待于进一步研究。

 

在胰岛再生过程中,究竟哪些成分利用了现存的胰岛细胞以维持成人β细胞的数量?其他组织细胞对维持β细胞数量做了多大贡献?这些问题尚未完全阐明。这方面的知识,对制订一个可行的促进β细胞在体内和体外再生的方案起着重大的作用。

 

干细胞或非β细胞可再生出β细胞

 

很多研究表明,与肝脏相似,胰腺导管结扎术或STZ导致胰腺损伤后已存在的β细胞不能增殖,胰导管干细胞、腺泡细胞或胰岛非β细胞能再生出新的β细胞

 

导管细胞  STZ处理的糖尿病仓鼠给予胰岛新生相关蛋白( INGAP8)能够刺激导管细胞产生新的胰岛。胰岛新生相关蛋白是由15个氨基酸片段组成的叫作Reg的β细胞再生诱导蛋白,它是胰腺损伤的标志物,表达于体内外的人和小鼠的胰岛。胰岛数量增加了75%,循环血糖和胰岛素水平恢复正常,逆转了糖尿病状态。 INGAP104-118诱导β细胞再生与导管细胞PDX-1增加有关。小鼠和人的Reg蛋白都能促进非肥胖型糖尿病小鼠(NOD)β细胞的再生。大量的生长因子、激素及它们的受体通过诱导PDX1的表达刺激β细胞再生于导管细胞。 Betacellulin(BTC,EGF家族成员),胰高血糖素样肽-1(GLP-1),及其受体 Exendin-4(Ex-4)能促进90%胰腺切除术后STZ小鼠β细胞再生。

 

腺泡细胞  大鼠脾脏胰腺结扎术证明腺泡细胞转换成导管上皮细胞后能够分化成β细胞。静脉给予胃泌素3天可将腺泡来源的导管细胞诱导为β细胞,使β细胞的量增加一倍。已有报道认为体外培养的胰腺腺泡细胞能够转分化成导管样的细胞球,球体边缘的细胞能够分化成胰岛素阳性的细胞。人的腺泡细胞通过GFP dsRed2标记后与胚胎胰腺细胞(能产生分化相关的所有信号分子)混合在一起能够分化成产生胰岛素、胰高血糖素和生长抑素的胰岛内分泌细胞。

 

胰岛干细胞  大量研究表明,PDX-1表达的胰岛干细胞存在于受损胰腺中,并能在体内和体外环境下分化为新的β细胞。2004Choi等报道富集胰岛的小鼠胰腺片段培养于含有纤连蛋白的无血清培养基,并添加FGF-2LIF,失去三维结构并产生不分泌胰岛素的异种形态的细胞群。胰岛素的缺失与大量凋亡有关。胰岛剩余细胞迅速增殖并表达大量干细胞标记物包括胚胎干细胞转录因子 NanogOct-4及胚胎胰腺转录因子Sox10,并且表达大量的NSC标记物。当重新高密度接种于Ln-1,它们会形成胰岛样的细胞簇,产生胰岛素,并且也会形成胚胎CNS及神经巢样形态的细胞。这些数据解释了胰岛组织中的多能干细胞分化替代了培养过程中死亡的胰岛β细胞,它们也能分化形成神经细胞。