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『珍藏版』Science特别专栏丨一个世纪的进展:胰岛β细胞移植
2021-09-27
今年是胰岛素发明100周年。2021年7月31日,Science杂志重磅推出了特别专栏邀请领域内的大牛们撰写系列综述去系统概述T1D在过去一个世纪的研究进展以及目前的治疗现状【1-5】Science 特别专栏 | 一个世纪的进展:预防儿童1型糖尿病)。本文是由来自佛罗里达大学药学院病理学系的Todd M. Brusko、工程学院生物医学工程系的Cherie L. Stabler和科罗拉多大学医学院巴巴拉戴维斯糖尿病中心的Holger A. Russ教授共同撰写的题为Strategies for durable b cell replacement in type 1 diabetes的综述文章,同时也是是该系列的第三篇文章。这篇文章聚焦于T1D治疗的胰岛β细胞移植并系统梳理了目前胰岛β细胞移植领域的研究进展以及接下来仍面临的挑战。
 
 
 
前言
 
在过去的十年间,葡萄糖传感器、胰岛素泵等技术水平的提升极大地改善了糖尿病的护理和控制。然而,血糖感知和胰岛素吸收所带来的延迟效应使得血糖依旧不能被稳定的控制,同时,这些价格高昂的电子设备也加重了患者的精神和经济负担。相比较而言,细胞疗法则具备无可比拟的优势。由于移植的胰岛细胞可以在体内实时感知和控制血糖水平,因此细胞疗法具有自主性高、治愈效果好等优点。然而该疗法也同样面临诸多难题:
 
第一,由于胰岛素供体往往来自遗体捐献,所以可用供体器官严重短缺;第二,接受临床胰岛移植 (CIT) 的患者需要终身服用抗免疫排斥药物;第三,由于植入位点的不适应性,即使移植成功的胰岛细胞功能也会不断下降。因此,在过去的数十年间,为了获得持久的、可再生的细胞治疗效果,科学家们为解决这些难题一直在不断努力。
 
图片
获取足量的胰岛β细胞来源
 
CIT治疗的成功使得我们对于胰岛β细胞需求大大增加,同时也推动了我们对于β细胞生物学的理解和新的细胞工具的开发。β细胞按来源不同可分为两个大类 (如Fig.1A所示):猪胰岛和人多能干细胞 (PSCs)。猪胰岛尽管可用供体充足,但是存在超急性排斥反应和潜在的人畜共患病感染风险,因此科学家们正努力通过基因工程来降低猪胰岛的免疫排斥并提高其安全性。目前,干细胞移植取得瞩目进展。用于糖尿病治疗的干细胞主要是胚胎干细胞 (ESCs) 和诱导多能干细胞 (iPCSs),由于其强大的自我更新和多向分化能力,干细胞移植已经成为β细胞移植的主流方向。但目前ESCs来源的胰岛细胞距离临床应用仍存在多种技术障碍和伦理障碍需克服。相比较而言,iPSCs则不存在这些问题,但是其分化效果的可重复性依然受克隆变异所限制。
 
目前主要有两种方式去获取干细胞来源的β样细胞 (sBCs)。其中发展较为成熟的是胰腺祖细胞 (PP 细胞) 移植,但是PP细胞往往需要数月的时间才能在体内分化出足量的sBCs细胞发挥功能。另外一种替代方法是在体外产生sBCs,这一方法的优势在于可以迅速获取大量可用的sBCs细胞。由于大规模培养细胞的纯化与富集为临床转化带来了巨大挑战,因此改进现有的分化方案将是未来的首选之策。
 
总的来说,β细胞工程技术的进步正在为细胞疗法的临床转化扫清障碍,例如建立具有可重复的质量控制的细胞库,规模化的细胞培养条件的成熟以及细胞低温保存和复苏技术的进步。目前,已经有多项细胞疗法获得了FDA的临床转化批准,其中sBCs细胞是走在最前列的 (如Fig.1B所示)。尽管成绩喜人,但未来仍需更多的努力去解决sBCs细胞的主要局限性,包括功能不成熟、免疫原性和体内存活率低等问题。
 
Fig.1 可用的β细胞来源及临床研究进展
 
创建最适的细胞移植环境
 
细胞移植过程中一个主要的技术障碍就是胰岛β细胞在患者体内很难存活。比如说,CIT试验观察到移植后超过一半的注入类胰岛受到急性损伤;肝脏胰岛注射由于严重的炎症反应和胰岛血运重建不足也会导致胰岛细胞死亡和大量损失。但是,与全组织移植不同,β细胞移植的位置选择和植入参数则具有很大的灵活性。因此,为了提高β细胞移植后的存活率,科研人员主要从以下两个方向需求突破:
 
第一,寻找更适合的移植位点。临床前和临床研究已经筛选了大量肝外植入部位,例如皮下,网膜等 (如Fig.2A所示)。由于担心畸形瘤的产生,sBCs细胞移植位置主要考虑到方便检测和易于回收这两个因素。因此,尽管一些移植位点具有特殊优势,但绝大部分都没有达到理想的移植条件。比如皮下部位虽然易于植入、监测和取回,但血管通达性差,且具有免疫反应性。
 
第二,基于材料的辅助手段,如特殊装置、水凝胶和支架的使用 (如Fig.2B所示)。选择适当的材料和设计参数可以弥补植入位置的缺陷,进而为移植细胞提供机械支持、血管新生甚至是免疫保护。比如临时导管可用于创建新的皮下血管通道,以改善移植细胞的生长环境。另外一个比较流行的方法是将PP细胞装在一个涂有半透膜的封装装置中,从而在保证营养物质的输送前提下阻止植入细胞和宿主细胞的交流,同时也可以赋予植入细胞免疫保护功能(注:类似的新材料和新方法综述里介绍了很多,这里不胜枚举)
 
 
 
β细胞移植所面临的免疫挑战
 
免疫系统对应激信号极为敏感,并能产生持久的免疫记忆,这为细胞疗法带来了很大的挑战。比如说,移植的胰岛会遭受以下三种免疫考验:第一,瞬时的血液介导的炎症反应 (IBMIR);第二,同种异体的免疫识别与排斥;第三,先前存在的适应性免疫记忆所引起的复发性自身免疫反应。此外,肝内移植还会激活凝血和补体系统。尽管IBMIR在异种移植中更为明显,临床上自体胰岛移植也会经历类似的炎症反应。因此,这些早期应激事件损害β细胞功能,并在移植后的最初几个小时到几天内导致大量细胞死亡。
 
同种异体移植物识别是通过对同种受体和移植物供体之间遗传多态性进行免疫学检测而在排斥反应中起着核心作用,因此保护移植的β细胞免受免疫排斥的策略取决于细胞来源和质量、宿主和供体之间的遗传多态性、受体的免疫状况以及用于调节受体的免疫抑制方案。而对于接受胰岛移植的患者而言,例如CIT受者在移植前后的不同阶段则需要广泛的和靶向的免疫抑制剂。
 
同时,新材料和新技术的发展为为细胞疗法的免疫挑战提供了新的解决方案 (详见Fig.3)。比如说,通过建立PSC来源的β细胞库用于匹配T1D患者常见的MHCI类和II类等位基因,可以缓解HLA配型问题。CRISPR-Cas9技术的出现有望构建出 “低免疫原性”的PSC细胞。另外一个有希望建立长久免疫耐受的策略是充分发挥Treg细胞的潜能,将其变成一种“有生命力的药物”。此外,将β细胞封装在半透性材料中也是阻止宿主免疫细胞浸润的常用方法。最后,细胞植入特定部位也为局部免疫调节和诱导免疫耐受提供了可能性。
 
总结与展望
 
对T1D发病机制了解的不断深入推动了细胞移植疗法在免疫干预上的进步,但我们仍然迫切需要新的治疗方案来恢复T1D患者植入的β细胞的功能性。虽然细胞工程提供了一个有效的权宜之计,但仍然无法复制天然胰岛的动态响应能力。
 
近年来,β细胞来源、植入物设计和免疫调节治疗方面的进步为恢复内源性β细胞的功能提供了机会,但将这些复杂的治疗方法从概念转变为大规模人群的临床治疗将是一个巨大的挑战,这需要干细胞和β细胞生物学家、工程专家、免疫学家与临床医生共同努力,并且这些努力的成功将取决于研究基础设施、重点网络的支持以及学术界和工业界的通力合作。
 
最后,作者对β细胞移植技术的未来进行几点展望。首先,作者认为β细胞疗法治疗T1D的成功最终将取决于细胞产品的临床疗效和耐久性。另外,应该通过开发信息模型系统进行临床前迭代测试来降低临床试验的风险。其次,监管机构必须继续协助研究人员克服在产品转化过程中所面临的监管障碍。最后,正如作者在文末说到:“在胰岛素发现的一百年后,我们现在有很大的希望通过β细胞移植疗法来恢复对于T1D的代谢控制”。
 
原文链接:
https://science.sciencemag.org/content/373/6554/516
 
制版人:十一
 
 

参考文献

 
1. Colin M. Dayan et al., Science 373, 506–510 (2021)
2. Bluestone et al., Science 373, 510–516 (2021)
3. T. M. Brusko et al., Science 373, 516–522 (2021).
4. Bruce A. Perkins et al., Science 373, 516–522 (2021).
5. Yevgeniya Nusinovich,, Science 373 (6554), 504-505
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