利用干细胞制造胰岛素分泌的胰腺β细胞

人体在基因上可能倾向于攻击自己的细胞，破坏胰腺中制造胰岛素的β细胞，这有助于将糖转化为能量。这种被称为1型糖尿病的疾病可以发生在任何年龄段，如果不小心注射胰岛素或使用胰岛素泵来平衡体内的糖分水平，可能会致命。

但宾夕法尼亚州立大学生物医学工程和生物学副教授Xiaojun "Lance" Lian表示，可能还有另一种个性化的选择。Lian和他的团队首次在实验室中用小分子将人类干细胞转化为能够生产胰岛素的β细胞，这使得这个过程更加高效和划算。

干细胞可以通过其周围环境的信号变成其他类型的细胞，一些成熟细胞可以恢复成干细胞诱导的多能性。研究人员发现，他们的方法适用于人类胚胎干细胞和诱导多能干细胞，这两种细胞都来自联邦批准的干细胞系。Lian教授表示，这种方法的有效性可以减少或消除未来对人类胚胎干细胞的需求。他们今天(8月26日)在《Stem Cell Reports》上发表了他们的研究结果。

Lian教授说:“糖尿病在美国和世界各地都是一种严重的疾病。患者自身的免疫细胞会杀死自身产生胰岛素和调节血糖水平的能力。我们认为干细胞有可能解决这个问题，让人重新适当地调节胰岛素和葡萄糖水平。”

干细胞可以通过环境条件或实验室干扰变成任何类型的细胞。Lian教授说，关键在于找出使干细胞转变为所需细胞类型的精确条件。

Lian教授说:“如果我们能将干细胞转化为胰腺β细胞，并将其移植回患者体内，就有可能治愈糖尿病。这是个很难回答的问题。20多年来，科学家们一直在试图找到解决办法。我们的实验室意识到我们必须采取一种不同的方法。”

据Lian说，在之前的尝试中，研究人员使用生长因子或蛋白质组来操纵干细胞成为各种类型的细胞。然而，增长因素昂贵且不稳定，导致生产过程成本高且效率低。

“2012年，我们的团队发现了一种全新的分子介质，可以将干细胞分化到中胚层或内胚层阶段，这是细胞成熟过程中的发展点，”Lian教授说，并指出这一过程使用了小的有机分子，而不是更大的生长因子。“这些小分子比生长因子便宜得多，也稳定得多，我们仍然可以模仿生长因子的作用，将干细胞分化到一个中间阶段。”

这些小分子由一种名为CHIR99021 (CHIR)的化合物组成，并激活一种名为Wnt的信号通路，该通路将引导细胞进入一种中间类型。当Wnt完全激活时，细胞变成中胚层，最终成为成熟的心脏细胞。但较小剂量的CHIR仅部分激活Wnt通路，导致内胚层细胞可以被诱导成成熟的胰腺细胞或肝细胞。

“没有其他人发现这一点，因为你必须精确、仔细地优化CHIR浓度，”第一作者、Lian教授实验室的生物医学工程博士生Yuqian Jiang说。“我们知道CHIR对干细胞分化很重要，但其他人可能只测试这种化学物质的一种脱靶浓度，认为它根本不起作用。我们测试了所有可能的浓度，找到了能将干细胞分化成内胚层细胞的精确浓度。”

研究人员给细胞注入浓度不断增加的CHIR。他们发现，最低剂量不足以转化细胞，而高剂量则完全杀死细胞。在第二和第三低剂量时，高达87%的干细胞成为内胚层细胞，这些细胞可以进一步引导成为胰腺细胞。

“β细胞的分化需要大约一个月的时间，在不同的步骤中加入由以前的研究建立的不同化学混合物，”Jiang说。但之前的研究方案使用生长因子将干细胞推进到内胚层细胞。我们的方案消除了这种需求，节省了成本，同时仍能生产大量细胞。”

研究人员还用葡萄糖测试了发育好的胰岛细胞。Lian说，这些细胞根据它们所处环境中的葡萄糖产生胰岛素，展示了它们的功能。为了防止患者的身体杀死这些细胞——这是1型糖尿病患者的首要问题——研究人员计划在移植干细胞之前，用生物材料聚合物封装改造后的细胞。这可以在保护细胞的同时，让它们感知周围环境，并产生适当水平的胰岛素。

Lian说:“我们的方法允许我们使用相同的低成本化学物质，在不同剂量下生成不同的中间细胞类型，其中一种可以变成胰腺细胞。我们现在正在努力优化这种方法，并将其转移到临床试验中，但我们已经做了显著降低成本的艰苦工作。细胞疗法很棒，但并不是每个人都能负担得起。我们的目标是让所有需要的人都能得到它。”

其他贡献者包括Lian的实验室成员，2018年毕业，目前在中国Bioland Laboratory工作的Chuanxin Chen，以及生物医学工程系和哈克生命科学研究所博士后Lauren N. Randolph和埃伯利理学院化学系的Xin Zhang和Songtao Ye等人。

Yuqian Jiang, Chuanxin Chen, Lauren N. Randolph, Songtao Ye, Xin Zhang, Xiaoping Bao, Xiaojun Lance Lian. Generation of pancreatic progenitors from human pluripotent stem cells by small molecules. Stem Cell Reports, 2021; DOI: 10.1016/j.stemcr.2021.07.021