胰島β 細胞去分化、轉分化在糖尿病發病中的作用

任惠珠，王珊珊 綜 述，單春艷 審 校

（天津醫科大學朱憲彝紀念醫院腎病內科，天津市內分泌研究所，國家衛健委激素與發育重點實驗室，天津市代謝性疾病重點實驗室，天津 300314）

既往研究認為，胰島β 細胞數量減少是引起胰島素分泌受損的主要原因，因胰島β 細胞的再生能力差，β 細胞凋亡增加是導致β 細胞數量減少的關鍵因素。但尸檢發現2 型糖尿病（T2DM）患者胰島β細胞數量減少與功能減退程度不成比例[1]。2017 年Banting 獎獲得者Accili[2]提出，胰島素分泌受損的關鍵因素是胰島β 細胞去分化而非凋亡。β 細胞去分化后將失去分泌胰島素的功能，并轉化為具有多向分化潛能的內分泌前體細胞，導致成熟的β 細胞數量減少。本文就胰島β 細胞去分化和轉分化的過程以及在糖尿病發病中的作用作一綜述，旨在尋找糖尿病治療新思路。

1 胰島β 細胞去分化、轉分化的概念

胰島中存在α、β、δ 和PP 4 種不同類型的內分泌細胞，均為終末分化形態的成熟細胞。α 細胞約占胰島細胞總數的30%，主要分泌胰高血糖素，升高血糖。β 細胞占胰島細胞總數的60%，其主要功能是合成和分泌胰島素，降低血糖。胰島β 細胞起源于胚胎干細胞，成熟代謝表型在出生后幾周即獲得。與體重匹配的正常受試者相比，確診糖尿病時，患者的β 細胞功能減少25%～60%，但β 細胞死亡的程度相對較低，無法完全解釋T2DM 患者β 細胞功能的受損。1999 年有學者提出了β 細胞去分化的概念[3]。2004 年Gershengorn 等[4]在體外培養的人胰島細胞中觀察到胰島β 細胞去分化現象。胰島β 細胞去分化是指成熟的β 細胞在不同程度上失去其分化的表型和細胞特性，并退化到分化程度較低或類似前體的狀態，出現祖細胞的特征，喪失部分或全部的胰島素分泌功能。β 細胞去分化表現為β 細胞中高表達基因表達下調，還表現為成熟β 細胞中表達量極低或表達缺失的基因表達上調或出現前體內分泌細胞的基因表達上調。除細胞死亡外，β 細胞去分化被認為是糖尿病患者β 細胞功能受損的另一個主要原因。細胞分化不是一個單向的過程，發育成熟的胰島細胞也具有一定的可塑性，在多種因素的作用下能夠與其他類型胰島細胞相互轉分化，從而引起胰島細胞類型的重構[5]。β 細胞轉分化是指在一定條件下，β 細胞失去其特有的表型，并且獲得新的表型而轉化為其他類型的內分泌細胞，其細胞形態、表型及功能均發生了轉變[6]。胰島β細胞去分化和轉分化都將引起體內成熟β 細胞數量的減少，胰島素分泌受損，導致糖尿病的發生、發展。

2 胰島β 細胞去分化、轉分化的機制

2.1 慢性高血糖引起胰島β 細胞去分化、轉分化 葡萄糖是β 細胞功能的主要生理調節劑。大鼠胰島和純化的β 細胞在10 mmol/L 葡萄糖培養基中功能最佳，在過低或過高的葡萄糖培養基中功能差。適宜濃度的生理葡萄糖刺激與胰島素和胰島素分泌觸發途徑在內的幾種關鍵基因的mRNA 水平增加有關。除代謝基因外，生理葡萄糖刺激通過調節幾種應激反應和促生存/促凋亡效應物，改善和維持β 細胞分化表型。

生理葡萄糖刺激在維持β 細胞分化表型中起關鍵作用，β 細胞分化程度與胰島素分泌功能之間關系密切。暴露于超生理葡萄糖水平（如糖尿病）會導致β 細胞去分化[7]。與細胞凋亡類似，慢性高血糖對β 細胞表型造成損害，是β 細胞去分化的主要原因。與糖毒性相關的β 細胞特性喪失歸因于許多基因表達的改變：β 細胞中高表達基因（如關鍵轉錄因子、胰島素、糖代謝相關基因以及蛋白質加工和分泌相關基因）表達下調。早期對β 細胞系以及離體的嚙齒動物和人胰島的研究表明，長時間暴露于高濃度的葡萄糖中將顯著降低胰島素的mRNA 表達。在ZDF 大鼠和90%胰腺切除小鼠中也有同樣的發現[8-9]。在這些動物模型中，應用鈉-葡萄糖協同轉運蛋白（SGLT2）抑制劑可以恢復胰島素的mRNA表達使血糖正常，也印證了葡萄糖毒性的作用。T2DM 患者β 細胞的胰島素mRNA 表達降低，與β細胞特異性轉錄因子胰-十二指腸同源盒基因（PDX）1、肌腱膜纖維肉瘤癌基因同系物A（MAFA）表達下降有關。PDX1 作為胰島β 細胞表型的主要調節因子，具有激活β 細胞和抑制α 細胞的作用。特異性敲除小鼠胰島β 細胞PDX1 基因，小鼠在數天后出現嚴重的高血糖，同時大多數PDX1 基因缺失的β 細胞迅速獲得α 細胞的超微結構和生理特征，提示PDX1 缺失的胰島β 細胞轉分化為α 細胞[10]。MAFA 是一種具有亮氨酸結構的轉錄因子，可調控胰島素的合成、分泌和糖代謝等相關基因的表達，對維持成年胰腺結構和功能穩定發揮重要作用，并且MAFA 是唯一能將內分泌祖細胞分化成β細胞的激活因子。Rattanaamnuaychai 等[11]發現胰島β 細胞發生去分化與轉錄因子MAFA 的減少有一定相關性。有研究發現，1 型糖尿病患者的胰島大小和分布情況與非糖尿病患者無差異，但胰島密度明顯下降，且胰島中以胰高血糖素陽性的細胞為主。單純的胰島β 細胞缺失會導致胰島體積縮小，但不會影響胰島密度，因此認為1 型糖尿病患者β 細胞缺乏的同時，β 細胞轉分化為α 細胞也增加[12]。叉頭轉錄因子O1（FoxO1）基因敲除小鼠世系追蹤法發現，β 細胞數量減少并不是因為單純的細胞死亡，而是細胞發生去分化，去分化后的β 細胞成為具有多項分化潛能的祖細胞樣細胞，失去其特異性的細胞表型和分泌能力，最終導致胰島β 細胞功能下降，部分細胞會進一步轉分化為α 細胞[13]。Accili[2]教授團隊發現FoxO1 敲除小鼠由于長期的代謝壓力，β細胞發生去分化，回歸內分泌前體細胞狀態，胰島β細胞特異性轉錄因子PDX1、MAFA、NK6 轉錄因子相關1（NKX6.1）及葡萄糖轉運蛋白2 表達下降，而胚胎期的轉錄因子Ngn3、Oct4、Nango 等表達增加，β 細胞向α 細胞、PP 細胞等其他內分泌細胞轉分化。

胰島β 細胞通過轉分化為其他類型的內分泌細胞來逃避高血糖的負荷，在糖尿病患者和糖尿病動物模型中均有β 細胞轉分化為α 細胞的證據。胰島β 細胞轉分化雖然不會引起β 細胞的直接死亡，但其分泌胰島素的功能喪失，大量胰島α 細胞分泌胰高血糖素，加重糖尿病的進展。在糖尿病患者使用降糖藥物或消除實驗動物高血糖刺激，使其血糖恢復正常后，兩者間的轉變能部分逆轉[14]。

2.2 脂毒性引起胰島β 細胞去分化、轉分化 最近的研究顯示，在脂代謝紊亂情況下胰島β 細胞發生去分化、轉分化，導致細胞功能障礙。游離脂肪酸能降低PDX1 基因的表達，體外棕櫚酸培養Wistar 大鼠胰島細胞的實驗發現，培養48 h 后，PDX1 的mRNA 水平明顯下降，而缺乏PDX1 的胰島β 細胞轉分化為α 細胞[15]。有研究顯示，軟脂酸通過阻止PDX1和MAFA 的結合能力，以及阻止PDX1 的核轉運，阻斷葡萄糖對MAFA mRNA 和蛋白表達的刺激，從而影響胰島β 細胞分泌胰島素的功能[16]。

2.3 氧化應激、內質網應激、炎癥和缺氧引起胰島β 細胞去分化、轉分化 轉錄因子不僅在胰腺形成的過程中發揮作用，而且對胰腺內分泌細胞的表型分化和維持具有重要作用。維持胰島β 細胞特性的轉錄因子主要有PDX1、FoxO1 和NKX6.1、MAFA等。經過氧化氫處理后的β 細胞系和離體的胰島改變了MAFA 和PDX1 的表達水平和DNA 結合活性，證明了抗氧化劑可以阻止因氧化應激所導致的胰島素基因表達的改變。通過應用抗氧化基因Gpx1，可恢復糖尿病db/db 小鼠胰島中表達降低的MAFA 水平。使用谷胱甘肽過氧化物酶模擬物可顯著阻止糖尿病ZDF 大鼠胰島中PDX1 和MAFA 表達的改變。慢性內質網應激可能影響核糖核酸內切酶活性，從而導致內質網相關RNA 的裂解，包括胰島素的裂解。氧化應激、內質網應激、缺氧使FoxO1活性降低，促進了β 細胞的去分化。NKX6.1 是維持胰島β 細胞功能的關鍵蛋白，有研究表明T2DM 患者胰腺β 細胞數量和非糖尿病患者相比明顯減少，而α/β 的比例和胰島素及胰高血糖素雙陽性細胞比例在糖尿病組中更高，且兩組整體的胰島大小無顯著差異，其中近一半雙陽性細胞表現為β 細胞特異性核轉錄因子NKX6.1 陰性[17]。

3 基于β 細胞去分化、轉分化的糖尿病治療新思路

慢性高血糖、脂毒性、氧化應激和內質網應激、炎癥和缺氧等導致胰島β 細胞去分化，成熟β 細胞喪失部分或全部的胰島素分泌功能。改善胰島β 細胞功能和增加β 細胞數量是當前糖尿病治療領域的熱點。

筆者可以利用胰島細胞間動態轉化、促進胰島中其他內分泌細胞向成熟β 細胞轉分化，從而補充胰島β 細胞數量，維持正常的胰島素分泌需求，治療糖尿病。研究發現，γ-氨基丁酸（GABA）旁分泌作用于α 細胞，可抑制胰高血糖素的分泌，以自分泌方式作用于β 細胞，增加胰島素的分泌[18]。此外，可以利用干細胞具備的增殖能力和分化潛能，定向誘導胰腺干細胞、胚胎干細胞、骨髓干細胞、臍血干細胞等分化為胰島β 細胞。有研究證實，胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）能通過促進α 細胞的轉分化而導致β細胞新生[14]。過表達轉錄因子PDX1 和NKX6.1 能促進α 細胞向β 細胞轉分化，在一定程度上達到補充胰島β 細胞數量的作用[19]。在1 型糖尿病中發現單個肽能誘導胰島細胞的轉分化，短肽雨蛙素在β 細胞缺乏的情況下，能誘導α 細胞向β 細胞轉分化[13]。在特定條件下，胰島β 細胞與胰島α 細胞之間可以發生轉分化。胰腺導管結扎術及部分胰腺切除術不僅可使小鼠胰島內α 細胞轉分化為β 細胞，也可誘導腺管細胞和腺泡細胞發生轉分化[20]。在鏈脲佐菌素誘導的糖尿病大鼠模型中，體育鍛煉對細胞因子誘導的胰島β 細胞死亡具有潛在的保護作用，可促進胰腺非β 細胞向β 細胞轉分化[21]。

深入了解胰島β 細胞去分化和轉分化的機制有利于改善胰島β 細胞功能和增加β 細胞數量，為糖尿病的治療提供新思路。