《自然》子刊：完成干细胞治疗1型糖尿病的奥德赛之旅

二十多年来，多能干细胞一直有望成为治疗1型糖尿病患者的可再生β细胞来源。最近，研究人员通过一种穿孔封装装置优化移植干细胞衍生组织的分化、存活和功能，取得了具有临床意义的代谢益处，这种装置在全身免疫抑制的保护下促进与受体血管的整合。尽管取得了这一成功，但旅程尚未结束，因为普遍治愈需要更大的β细胞质量。

近日，悉尼大学百年研究所和医学与健康学院在期刊杂志《nature》上发表了一篇“Finishing the odyssey to a stem cell cure for type 1 diabetes”（完成干细胞治疗1型糖尿病的历程的文章）。

文章总结总结了最近的跨学科进展，这些进展可以最大限度地增加移植装置内的功能性β细胞质量，并提供免疫特权环境，从而消除全身免疫抑制的需要。

2023年，期刊杂志《nature biotechnology》发表的一篇文章表示封装的干细胞衍生β细胞能控制1型糖尿病患者的血糖，这项研究使得干细胞治疗在治愈1型糖尿病的路上又更近了一步。

《自然》子刊：完成干细胞治疗1型糖尿病的奥德赛之旅

本文将总结在实现基于细胞的血糖控制改善方面已经克服的主要障碍，并强调这一重要的概念验证临床研究与大多数1型糖尿病患者的持久治愈之间的关键问题。

干细胞治疗1型糖尿病的原理

胰岛β细胞的自身免疫性破坏使1型糖尿病（T1D）患者终生依赖胰岛素控制血糖水平。随着时间的推移，处理不当会导致微血管和大血管并发症，严重影响生活质量。遗憾的是，为减少这些长期高血糖并发症而进行的强化降糖治疗会增加低血糖事件的风险。

旨在用 “人工胰腺 “取代β细胞功能的技术解决方案可通过整合连续血糖监测和自动胰岛素输送来改善血糖控制。然而，这些系统还无法与人类胰岛提供的精妙血糖控制相媲美，T1D患者仍需承受慢性疾病的持续管理和费用负担。

目前，恢复功能性β细胞质量的治疗方法最终可消除对外源性胰岛素的需求。事实上，将遗体胰岛移植到免疫抑制的T1D受者体内已表明，可以实现良好的血糖控制，同时降低低血糖风险。胰岛移植对个别T1D胰岛受体的益处不应被低估，然而，供体组织的有限供应限制了这一策略的潜在影响，在包括美国在内的许多国家，仍只有临床试验参与者才能使用这一策略。相比之下，如果人类多能干细胞（hPSCs）能够免受自身免疫攻击，理论上可以对其进行扩增和分化，以恢复所有符合条件的T1D患者的β细胞功能。

总结：干细胞疗法治疗1型糖尿病正是从1型糖尿病的发病机制出发，从内分泌细胞和免疫细胞两个方面，试图恢复患者正常的产胰岛素功能，改变患者异常的自身免疫状态，继而从根本上治愈1型糖尿病。

改进封装策略，保护干细胞移植物

现在有了合适的细胞来源，防止移植排斥是基于hPSC疗法面临的最大挑战之一。T1D的自身免疫性质给基于细胞的疗法带来了挑战，因为免疫系统随时准备破坏新移植的物质，即使它来自患者自身的干细胞。从尸体移植中可以看出，全身免疫抑制可以保护并维持不匹配的供体β细胞处于功能状态。

此外，临床移植显示，约10,000个胰岛当量/千克的功能性β细胞可消除对外源性胰岛素的需求，为治疗效果设定了明确的目标。遗憾的是，这种钝性方法将对胰岛素的依赖换成了持续的免疫抑制，从而增加了感染、某些癌症和治疗方案特异性毒性的风险。

人们一直致力于将移植物封装在生物相容性材料中，既能防止免疫浸润，又能使营养物质和废物充分扩散，以支持β细胞的健康，从而消除全身免疫抑制的需要。尽管40多年前就已证明，微囊化足以在动物模型中保持胰岛功能数周而无需免疫抑制，但在细胞不可渗透的材料中保持功能性β细胞团仍是一大挑战。微囊化的胰岛（单个胰岛或小簇群）可分散到受体组织中，与宿主有较大的接触面积。然而，不透水的屏障阻止了与血管的直接接触，而血管产生的基底膜可能对β细胞的最佳功能至关重要。

由于细胞不透性材料必然会阻止β细胞与内皮细胞直接接触，一些研究小组在细胞透性设备方面另辟蹊径，其中包括Viacyte公司的VC-02设备。虽然VC-02的具体配置仍属专利，但其主要特点似乎有助于临床成功，即在另一层穿孔无纺布中包裹一层穿孔封装膜。VC-02设备装载了部分分化到PP阶段的人类多能干细胞衍生胰腺内胚层细胞 (PEC)，被称为PEC-Direct（图1）。

在T1D患者全身免疫抑制的保护下，将部分分化的hPSC衍生PEC装入装置中。穿孔设计有利于内皮细胞的浸润，而外部的无纺布则限制了纤维异物反应。成熟后，功能性β细胞占细胞总量的3%。 

使用PEC-Direct治疗1型糖尿病的临床经验

虽然大多数临床经验与将尸体胰岛移植到肝脏门静脉有关，但临床前模型已对皮下、网膜和肌肉内等其他部位进行了广泛研究。这些部位可能会给胰岛存活带来额外的挑战，因为现有的有限临床数据表明，无囊肝外移植效果不佳。然而，在动物模型中，皮下移植的封装hPSC衍生PP在4-6个月内分化为含有功能性葡萄糖反应性β细胞的组织。

在此经验基础上，两项平行的首次人体研究旨在优化PEC-Direct皮下植入物的细胞剂量和穿孔结构，研究对象为少量T1D受者（n=1732；n=1533），结果表明，胰岛素分泌细胞产生的标志物C肽可在移植后6个月在部分患者体内检测到，并可持续到24个月。一部分患者在膳食刺激后C肽达到>30pM（6/24，注意有些人在两项研究中都进行了分析），这一水平与T1D并发症的减少有关。然而，没有一人达到与改善代谢控制相关的200pM临界值，也没有人达到与尸体胰岛接受者胰岛素独立性相关的1000pM水平。

作为参考，健康人餐后C肽水平在1000-3000pM之间。重要的是，观察到的胰岛素分泌可直接归因于VC-02装置，而非受者自身β细胞功能的恢复，因为在仔细研究过的两名患者中，移除外植体后C肽水平没有改善。虽然移植的PEC细胞与尸体胰岛的胰岛当量只能进行近似比较，但这些试点最多只能提供胰岛素独立性所需的移植量的一半。由于回收的装置主要含有胰高血糖素+α细胞（16%），只有一小部分胰岛素+β细胞（3%），因此移植细胞不足以改善血糖的二级指标也就不足为奇了。

无论如何，这些首次进行的人体研究证明了这种方法在高风险（无低血糖意识）患者中的整体安全性，所有严重不良事件都归咎于免疫抑制方案或手术过程，这表明最大化移植规模和β细胞组成对临床效果至关重要。

优化的PEC直接移植可改善部分1型糖尿病患者的血糖控制

Keymeulen等人在一份为期1年的中期结果报告中提供了证据，证明hPSC移植即将为许多1型糖尿病患者带来益处。

他们采用了适应性试验设计，将移植量增加了2-3倍，所有装置都采用了与之前试验中最佳疗效相关的穿孔模式和密度。移植受者的选择标准与之前的试验相似，要求T1D稳定（>5年）、低血糖并发症风险高（克拉克评分≥4）、移植前餐刺激C肽水平≤30pM。

在增加剂量和优化设备配置后，3/10的受者在移植后6个月内的餐后C肽水平≥100pM，其中一人超过了200pM的阈值，具有代谢意义。

令人兴奋的是，该受试者在目标血糖范围内停留的时间（通过连续血糖监测）得到了改善，这是一种具有临床意义的功能衡量标准。

持久治愈1型糖尿病的途径

通过在体外重现胚胎胰腺的发育过程，产生的胰腺前体显然有可能在移植后的4-6个月内完成分化为功能性β细胞。

发育生物学的其他线索表明：内源性内分泌前体和血管之间存在特定阶段的相互作用，影响着胰腺的分化。最初，内皮细胞诱导内分泌细胞分化，然后内皮细胞发出信号，增加局部血管网络的密度和血管基底膜的沉积，从而促进β细胞的功能。

因此，β细胞通过与血管的相互作用参与了特化龛的构建，这种相互作用对随后的β细胞成熟至关重要。虽然PEC-Direct装置的穿孔设计允许内皮细胞浸润，但这种血管网络的生长需要时间，而且与受体成纤维细胞的竞争只被外部无纺布层部分阻挡（图1），这表明对这些过程的机械控制存在局限性。

表1总结了PEC-Direct设备与其他细胞疗法相比的优缺点。

在此，我们重点介绍最近的进展，这些进展有助于最大限度地提高血管化β细胞的产量，并在最佳情况下提供免疫特异性龛，从而无需全身免疫抑制（图2）。

免疫调节材料和细胞可用于为移植的PEC创建免疫特权生态位，并进一步阻止成纤维细胞浸润。通过改善微环境并将其他胰腺细胞类型转化为β细胞命运，可以潜在地增加β细胞数量。

基于hPSC的T1D疗法的最终目标是在不需要全身免疫抑制的情况下提供长期的β细胞功能。含有PD-L155或FasL56等单个免疫调节因子的微凝胶的同种移植可对免疫功能正常宿主的移植物存活率产生深远影响。

结论

经过数十年的共同努力，我们已研发出第一种干细胞替代疗法，该疗法对1型糖尿病患者有临床益处。各个领域的最新进展为这种慢性代谢疾病的终身治愈指明了方向。

参考资料：Hunault, L., Hesselson, D. Finishing the odyssey to a stem cell cure for type 1 diabetes. npj Metab Health Dis 2, 9 (2024). https://doi.org/10.1038/s44324-024-00014-5

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