间充质干细胞治疗糖尿病及其机制
不论是胰岛β细胞的自身免疫破坏为特征的胰岛素绝对缺乏的T1DM，抑或是胰岛素抵抗与胰岛功能障碍的T2DM，到了病程后期均表现为由于胰岛β细胞受损导致的胰岛素分泌绝对或相对不足，为此治疗糖尿病的理想目标是重建患者体内的功能性胰岛β细胞的总量。MSCs是干细胞家族的重要成员之一，来源于发育早期的外胚层和中胚层。MSCs最早是在骨髓中发现，随后还发现存在于人体发生、发育过程的许多种组织和器官之中。具有多向分化潜能、免疫调剂、自我更新、不断增殖及来源方便的特点，可在体外培养扩增，并能在特定条件下分化为成骨细胞、软骨细胞、神经细胞、肌肉细胞，脂肪细胞等。近年来日益受到研究人员的关注。MSCs具有广阔的应用前景，是细胞替代治疗的组织工程的首选种子细胞，是移植和自身免疫系统疾病治疗领域的研究热点。
（一）MSCs分化为I PCs
MSCs可被诱导分化为IPCs，这是最早发现的MSCs治疗糖尿病的机制。因此，MSCs可替代受损或功能低下的β细胞分泌胰岛素起降糖作用，是糖尿病最直接、最根本的治疗方法。目前已有多种诱导方案在体外稳定诱导MSCs分化为IPCs，并能有效控制血糖在正常范围内。在将人骨髓间充质干细胞诱导得到的IPCs移植到小鼠体内后，发现糖尿病小鼠体内人胰岛素的含量和释放谱与正常小鼠相似，而糖尿病小鼠释放的内源性胰岛素很少。这表明来源于人MSCs分化的IPCs可替代受损的胰岛细胞分泌胰岛素，充分证明来源于人MSCs的IPCs可以治疗糖尿病。然而，MSCs向IPCs的分化仍有许多问题需要解决。例如，诱导的细胞可能引起免疫排斥，一些常用于诱导分化的化合物会损伤细胞，以及病毒介导的诱导分化存在致瘤风险。尽管 MSCs 具有抑制免疫排斥的免疫调节作用，但一些研究表明，MSCs 在分化为 IPCs、平滑肌细胞和内皮细胞后会失去免疫豁免状态并获得免疫原性。先前的研究表明，使用病毒载体将外源遗传物质导入细胞存在致瘤风险。而化学诱导分化中一些常用于诱导干细胞分化为IPCs的小分子化合物，如TSA，会增加细胞的凋亡率。因此，改进现有的诱导方法，寻找新的诱导方法以获得有效、安全的IPCs具有重要意义。刘建萍团队采用了体外小分子化合物诱导方法成功地将MSCs 分化为胰岛素分泌细胞，并对胰岛素分泌机制展开了研究。
（二）MSCs改善胰岛素抵抗
胰岛素抵抗（IR）是一种异常生理状态，其中身体对内源性或外源性分泌的胰岛素的反应降低。IR与T2DM 的发病机制有关。为了达到良好的降血糖效果，临床上需要改善IR。随着研究的进展，研究人员发现间充质干细胞对糖尿病的作用不仅仅由胰岛素的分泌介导；大多数 MSCs 可以通过其抗炎潜力改善 IR。2012年，首次报道MSC治疗可以改善 T2DM 患者的胰岛素敏感性。MSCs 治疗导致胰岛素靶组织中葡萄糖转运蛋白-4（Glucose transporter-4，GLUT4）、磷酸化胰岛素受体底物-1（phosphorylated insulin receptor substrate-1，pIRS-1）和磷酸化蛋白激酶 B （phosphorylated protein kinase B，pAKT） 的表达增加。GLUT4、IRS-1和AKT对胰岛素信号传导和葡萄糖摄取至关重要。GLUT4表达降低、IRS-1和AKT磷酸化失调提示IR。高等人通过在骨髓间充质干细胞中过表达apelin改善T2DM大鼠的胰岛素抵抗。在此过程中，炎症因子IL-6和肿瘤坏死因子-α的分泌显著减少，而抗炎因子脂联素的分泌显著增加。炎症细胞因子IL-6和TNF-α与胰岛素抵抗有关。此外，谢和高等人利用UC-MSCs诱导巨噬细胞向具有抗炎表型的M2细胞极化，以改善T2 DM小鼠或大鼠的IR。此外，Zhang等证明M2细胞通过重塑肥胖小鼠的炎症/巨噬细胞稳态来改善胰岛素抵抗。进一步分析表明，促炎表型M1细胞刺激UC-MSCs增加IL-6的表达，促进巨噬细胞中STAT6的磷酸化，最终使巨噬细胞极化为M2表型。这两项研究中IL-6水平的变化似乎相互矛盾。然而，这也解释了炎症的过程。当存在IR时，MSCs增加IL-6的表达，促进M1向M2巨噬细胞分化，从而改善IR，降低炎性细胞因子水平。因此，在间充质干细胞治疗的早期（24小时），IL-6的表达水平升高，而在移植的晚期（移植42天后），IR得到改善，IL-6水平降低。这些结果证明，MSCs通过调节炎症因子的释放、上调抗炎因子和/或下调炎症因子来改善胰岛素抵抗。
（三）MSCs作用于胰岛β细胞
一些研究发现，MSCs在输注后归巢到胰腺，并分化为胰岛β细胞。然而，输注后糖尿病动物胰腺中的MSCs很少，而且只有一小部分分化为胰岛β细胞，这远远不足以解释MSCs治疗诱导产生大量新β细胞。因此，间充质干细胞促进β细胞再生可能还有其他机制。
研究发现，人骨髓间充质干细胞（human bone marrow mesenchymal stem cells，HBM-MSCs）治疗增加了糖尿病小鼠的体积、数量和胰岛素免疫反应性。此外，研究还观察到经HBM-MSC治疗的糖尿病小鼠的许多胰岛从胰管萌发，表明HBM-MSCs促进内源性胰岛的修复和再生。类似地，Hao等人的研究结果表明，单次注射BM-MSCs可减轻胰岛形态结构损伤，显著恢复胰岛素阳性细胞比例，增加胰岛数目，但数量仍低于正常。在多次注射BM-MSCs后，受损胰岛逐渐恢复到接近正常水平，胰岛数量和胰岛胰岛素阳性细胞比例也恢复到接近正常水平。此外，人胰岛与高表达betatrophin的人脂肪间充质干细胞共培养可在葡萄糖或氯化钾和精氨酸的刺激下诱导胰岛增殖、β细胞特异性转录因子的表达和胰岛素的产生。(https://www.daowen.com)
MSCs除了促进胰岛增殖和修复外，还能抑制胰岛β细胞去分化。胰腺β细胞去分化是指胰岛β细胞失去其特有的表型，导致内分泌功能下降，这是T2DM的一个重要机制。动物实验表明，在T2DM小鼠模型中，胰腺β细胞特异性转录因子Nkx6.1和Pdx1减少，而祖细胞标志物NGN3和OCT4增加，从而影响胰腺β细胞的功能和数量。临床试验也证实，T2DM患者的胰腺β细胞经历了显著的去分化。Wang等人研究发现，MSCs可以通过IL-1ra介导的方式逆转β细胞去分化，从而减轻β细胞功能障碍。该研究结果表明， T2DM患者胰岛细胞中促炎细胞因子的表达增加，可激活MSCs分泌IL-1R拮抗剂并作用于炎症的胰岛，逆转β细胞的去分化。体内实验进一步表明，MSCs治疗db/db小鼠可以改善db/db小鼠的血糖，逆转胰腺β细胞的去分化。然而，关于MSCs对糖尿病胰腺β细胞的去分化作用的研究报道还很少。进一步地深入探索将有助于研究人员了解MSCs治疗糖尿病的机制，为MSCs治疗糖尿病提供新思路。图6-2总结了MSC治疗糖尿病的多种机制。
图6-2 MSCs治疗糖尿病的多种机制
（四）调节免疫细胞及抑制炎症因子
糖尿病是一种复杂的疾病，涉及多种因素，如遗传易感性、免疫失调和环境因素等。其中，T1DM主要是由自身免疫导致的胰岛β细胞的损伤。T1DM的最佳治疗方法应该是理想地保留剩余的β细胞，恢复β细胞功能，并保护替代的胰岛素产生细胞免受自身免疫。干细胞具有免疫和再生特性，可用于改善T1DM的治疗。事实上，干细胞可以通过重塑免疫反应和抑制自身反应性T细胞功能来重建外周对β细胞的耐受性。
间充质干细胞具有低免疫原性，且对多种免疫细胞起到免疫调节的作用。具体地说，MSCs现在被认为具有强大的抗炎和免疫调节特性。在许多研究中，已被证明与抑制效应T细胞激活相关，且MSCs对T细胞的抑制可能是直接的，也可能是通过对树突状细胞（dc）等抗原提呈细胞的调节作用间接发生的，导致细胞因子表达改变和抗原提呈受损。来自脂肪组织间充质干细胞（AD-MSCs）的外泌体对链脲佐菌素诱导的T1DM具有改善T细胞炎症反应和减轻临床症状的免疫调节作用。AD-MSC的外泌体通过在不改变淋巴细胞增殖速度的情况下增加调节性T细胞的数量及其产物，对自身免疫性T1DM具有改善作用，使其成为更有效、更实用的候选药物。
在过去的30年里，人们对骨髓间充质干细胞的治疗应用进行了大量的探索。在病理条件下，骨髓间充质干细胞优先迁移到淋巴器官、异体移植、损伤和/或系统性输血后的炎症组织部位，在这些部位，骨髓间充质干细胞与激活的免疫细胞相互作用并调节其功能。越来越多的证据表明，糖尿病发病的原因部分是由胰岛巨噬细胞的增加引起。有研究表明，MSCs可以通过将M1促炎型巨噬细胞极化成M2抗炎型巨噬细胞从而对细胞起到抗炎作用。Yin等将UC-MSCs注射到T2DM小鼠体内，发现 UC-MSCs能降低T2DM小鼠的血糖，并显著促进T2DM小鼠胰岛的恢复，进一步研究发现，胰腺炎症被显著抑制，原位 M1型巨噬细胞向抗炎型M2型巨噬细胞转化。Xie等发现，移植 UC-MSCs 能通过上调 IL-6 的表达从而促进T2DM大鼠脂肪组织巨噬细胞（ATMS） 表达 M2抗炎表型，从而保护胰岛β细胞。综上所述，干细胞可以通过免疫调节及抗炎作用从而改善糖尿病症状。