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自体干细胞移植治疗2型糖尿病的疗效:受糖尿病病程和肥胖影响

糖尿病(DM)是导致全球死亡和残疾的主要原因之一。当胰腺不能产生足够的胰岛素或胰岛素抵抗导致高血糖时,就会发生这种慢性代谢疾病。2型糖尿病(T2DM)是糖尿病的三种类型之一,占所有病例的85%至95%。2017年,全球约有4.25亿人被诊断患有糖尿病,预计到2035年这一数字将增加50%。越南的糖尿病发病率增加了两倍,从2002年的2.7%增加到2010年的5.4%。生活质量下降、合并症和经济负担是T2DM 患者面临的主要问题。

自体干细胞移植治疗2型糖尿病的疗效:受糖尿病病程和肥胖影响
The absorption of glucose by the cell. Type 2 diabetes. Increase and decrease blood sugar. Insulin. Infographics. Vector illustration on isolated background

干细胞具有免疫调节特性和再生能力,可刺激受伤胰腺的恢复,因此最近已成为治疗T2DM的潜在候选疗法。在大量使用动物模型进行临床前研究的基础上,进行了几项人体临床试验,以评估干细胞疗法治疗T2DM的安全性和有效性。在不同类型的干细胞中,骨髓来源的单核细胞(BM-MNCs)和骨髓来源的间充质干/基质细胞(BM-MSCs)是测试最多的细胞类型,并被认为在治疗T2DM中是安全的。

根据国际细胞和基因治疗学会(ISCT)的说法,骨髓-间充质干细胞是多能祖细胞,可分化成中胚层系,包括脂肪细胞、软骨细胞和成骨细胞。骨髓-间充质干细胞因其特殊的生物学特性,包括易于分离、增殖能力强以及通过旁分泌机制产生免疫调节作用等,已成为再生医学的重要候选细胞。由于其特殊的治疗用途,BM-间充质干细胞已被广泛用于治疗各种疾病,包括心血管疾病、肝脏再生、骨和软骨愈合、神经退行性疾病和肺窘迫综合征。

据报道,对于2型糖尿病患者,自体骨髓间充质干细胞输注可降低胰岛素需求和糖化血红蛋白 (HbA1c) 水平,尽管这种治疗的有效持续时间相对较短。两项临床试验表明,在给药后9个月和2年观察到干细胞效力丧失。

BM -MSC给药对2型糖尿病患者的疗效也存在矛盾,2016年进行的一项系统评价报告称干细胞疗法可改善 C 肽水平,而2018年的第二项评价则报告了相反的结论。

迄今为止,只有一项研究试图评估通过三种途径给药的自体BM-MNC的效果,包括胰十二指肠上动脉、脾动脉和外周静脉途径。

因此,根据干细胞本身的质量和给药途径评估自体BM-MSC治疗2型糖尿病患者的安全性和有效性具有重要意义。

自体干细胞移植治疗2型糖尿病的疗效:受糖尿病病程和肥胖影响

本研究的目的如下:

  • 探讨静脉途径与胰动脉途径注射骨髓-间充质干细胞在治疗2型糖尿病中的安全性及相关因素。
  • 研究2型糖尿病对骨髓-间充质干细胞分子和细胞特征的影响,重点关注代谢活动和mtDNA改变。

材料和方法

研究设计和参与者

本研究是一项开放标签、非对照、随机临床试验。2017年12月至2019年2月期间,患者入选越南河内 Vinmec Times City国际医院内科。如果患者(年龄超过18岁)被诊断为2型糖尿病,其定义为HbA1c水平高(7.5%至9%)且空腹血糖 (FBG) 水平低于10mmol/L,则入选患者。纳入和排除标准的详细信息显示在图 1 中。临床试验已获得 Vinmec 国际医院伦理委员会(编号 130817/2017/QĐ-VMEC)和越南卫生部(编号 5393/QĐ-BYT)的批准。

本研究已在ClinicalTrials.gov注册(编号 NCT03343782)。对照组的BM-MSC是在获得Vinmec国际医院伦理委员会批准的健康捐赠者知情同意的情况下获得的(编号 122/2019/QĐ-VMEC)。本研究纳入了符合第1组纳入标准的30名患者,并随机分为两组:一组接受静脉输注,另一组接受胰腺背动脉输送(图1)。

纳入标准  

  • 年龄18岁以上。
  • 被诊断患有2型糖尿病的男女患者。
  • 7.5%<HbA1c<9.0%且FBG<10mmol/L。

排除标准  

  • 被诊断患有1型糖尿病的患者。
  • 被诊断患有癌症、慢性疾病或内脏器官衰竭的患者。
  • 怀孕或哺乳期的妇女。
  • 无法获得同意。
  • 临床上有凝血障碍的患者。
  • 目前正在接受严重急性疾病治疗的患者。

为了对骨髓-间充质干细胞进行表型和分子分析,将从非糖尿病捐赠者(年龄匹配)和2型糖尿病患者收集的样本分为四组:第1组(无2型糖尿病的健康捐赠者,年龄匹配)、第2组(平均2型糖尿病持续时间为5年)、第3组(平均2型糖尿病持续时间为10年)和第4组(2型糖尿病持续时间超过15年)。

图1:本次试验的治疗程序。
图1:本次试验的治疗程序。

筛选了107名患者,选出30名符合研究所有纳入标准的患者。根据移植途径,将患者随机分为两组:一组通过静脉输注接受干细胞,另一组通过胰腺背动脉接受干细胞。

给药方式

第四组通过静脉途径输注干细胞,输注速度为40 mL/小时,输注时间30分钟;DPA组在局麻下将导管插入股动脉,再直达胰背动脉,以20 mL/小时的速度输注干细胞,输注时间30分钟。

评估结果

安全性评估(主要结果)

给药后 48 小时监测给药相关风险,包括高血糖、过敏反应、荨麻疹、呼吸困难、缺氧、呕吐、发热、疼痛、局部感染、局部血肿、高血压、低血压、心动过缓、心动过速、寒战和血红蛋白尿,并在首次给药后 1、3、6 和 12 个月进行评估。

治疗效果评估(次要结果)

所有患者均需在首次给药后1、3、6和12个月接受评估。每次随访的评估包括以下参数:一般状况、血液学分析、血糖水平、空腹血糖水平、糖化血红蛋白水平、C 肽水平以及记录的抗糖尿病药物(包括胰岛素剂量和药物使用情况)。在基线和给药后6和12个月使用治疗相关影响测量-糖尿病 (TRIM-D) 工具对患者的生活质量进行评估。

结果

自体骨髓间充质干细胞治疗对2型糖尿病患者是安全的

筛选了107名患者,选出30名符合所有纳入标准的患者(图1)。入选患者的详细特征如表1所示。研究期间未发生严重不良事件 (SAE)。

表格1:2型糖尿病患者干细胞移植前的特征
表格1:2型糖尿病患者干细胞移植前的特征

缩写:BMI,身体质量指数;DPA,胰腺背动脉输注;F,女性;FBG,空腹血糖;HbA1c,糖化血红蛋白;IV,静脉输注;M,男性;T2DM,2型糖尿病。

自体骨髓间充质干细胞治疗2型糖尿病的结果

两组患者服药后前3个月HbA1c均略有下降,6个月后恢复正常,IV组甚至有所上升。两组患者FBG浓度均在服药后3个月降低,12个月后维持在基线水平。值得注意的是,IV组患者服药后12个月C肽水平降低,DPA组患者C肽水平上升。不同给药途径组患者HbA1c、FBG和C肽变化差异均无统计学意义。

进一步按2型糖尿病病程分析治疗结果,发现在患2型糖尿病时间不到10年且BMI小于23kg/m2的患者中,HbA1c水平显著下降(P=0.045;表2)。患2型糖尿病时间不到10年的患者在服药后12个月的FBG水平下降,尤其是BMI小于23kg/m2的患者,FBG水平从基线时的8.5±3.5mmol/L下降到服药后12个月的6.8±2.4 mmol/L。

所有患2型糖尿病时间超过10年的患者的HbA1c、FBG和C肽水平均未表现出任何显著变化,但BMI高于23 kg/m2的患者在干预后HbA1c和FBG水平略有上升。基线C肽水平与正常范围相比相对较低,与 T2DM 持续时间和患者BMI无关,给药后C肽水平呈下降趋势,尤其是在T2DM病史为10年的患者中。总之,结果表明该疗法的短期疗效与T2DM持续时间和患者肥胖有很强的相关性。

表2:采用单因素方差分析方法分析不同人群HbA1c、空腹血糖及C肽水平随时间的变化
表2:采用单因素方差分析方法分析不同人群HbA1c、空腹血糖及C肽水平随时间的变化

服用糖尿病药物后剂量的变化

纳入研究的30例患者根据服药前服用的药物分为3个亚组:仅使用胰岛素的患者(4例)、仅使用药物的患者(14例)和使用胰岛素和多种药物联合治疗的患者(12例)。

结果显示,4例仅使用胰岛素的患者中,有2例在12个月的随访中减少了胰岛素用量,平均减少量为6IU/日。10例使用多种药物的患者中,有5例在干预后12个月减少了口服药物的使用量,平均减少量为868毫克。3例使用胰岛素和单一药物联合治疗的患者中,有1例在12个月的随访中减少了药物剂量,但增加了胰岛素使用量。在11名使用胰岛素和多种药物的患者中,有8人报告了类似的观察结果;其中5人减少了口服药物的使用,另外2人在使用12个月后减少了胰岛素的使用。

TRIM-D总评分表明患者的生活质量有所改善(给药后从基线时的68.4±6.0显著降低至6个月时的63.2±7.9和12个月时的57±4.6;P=0.026),尤其是与日常生活和心理状态相关的价值。

2型糖尿病病程会改变自体BM-MSC的增殖率,但不会改变其干细胞表型

数据表明,尽管从2型糖尿病患者中分离的自体BM-MSC表现出正常形态、根据ISCT指南接受MSC标志物表达以及分化为中胚层细胞谱系的能力,但它们的增殖率相对于2型糖尿病的持续时间而降低(图2)。

图2
图2:从对照组(第1组)和2型糖尿病 (T2DM) 患者(T2DM持续时间:第2组:<5年,第3组:5-10年,第 4组:>10年)中分离的自体骨髓间充质干细胞 (BM-MSC) 的特征。

A,在异种和无血清培养条件下培养的 BM-MSC 的典型形态。这些细胞呈塑料粘附、梭形和成纤维细胞状。

B,BM-MSC 的群体倍增时间(小时)表明第3组和第4组的生长率与第1组(对照组)和第2组相比存在显著差异。

C,间充质干细胞表面标志的流式细胞术分析,包括阳性标志 CD73、CD90 和 CD105,以及造血标志的缺失(CD34、CD45、CD14 或 CD11b、CD79α 或 CD19 和 HLA-DR)证实所有 BM-MSC 表达的阳性标志超过 95% 且阴性标志不到 2%。

D,在无异种和无血清条件下培养的所有细胞均保持正常核型。

E,四组的所有 BM-MSC 均能够分化为脂肪细胞、软骨细胞和成骨细胞。

2型糖尿病改变BM-MSC的代谢特征

总的来说,2型糖尿病在BM-MSCs中引入了线粒体呼吸应激,并降低了这些细胞的糖酵解活性。

图3:从对照组和2型糖尿病 (T2DM) 患者中分离的骨髓间充质干细胞 (BM-MSC) 的代谢概况。

A、使用 Seahorse XF 细胞能量表型测试对 OCR(pmol/分钟/细胞)和 ECAR(mpH/分钟/细胞)进行表型分析。

B、正常个体和 2 型糖尿病患者样本之间的代谢潜力 ([应激 OCR 或 ECAR ÷ 基线 OCR 或 ECAR] × 100%)。

C、使用 Seahorse XF 细胞线粒体应激测试评估的线粒体呼吸概况。箭头表示将特定应激物寡霉素、羰基氰化物-4 苯腙和鱼藤酮/抗霉素A注射到测定培养基中。

D、计算出的对照组和 2 型糖尿病样本的呼吸值。

E,使用 Seahorse XF 糖酵解压力测试试剂盒获得的 BM-MSC 糖酵解概况;箭头表示将葡萄糖、寡霉素和 2-脱氧葡萄糖注入测定培养基。

F,计算从对照组和 T2DM 组分离的 BM-MSC 的糖酵解速率、糖酵解能力和糖酵解储备。

讨论

我们的研究证实,通过静脉或胰腺背动脉途径进行自体BM-MSC给药对于治疗2型糖尿病是安全的。从开始收集和准备BM干细胞到12个月的随访,研究期间没有发生任何严重不良事件。

在治疗潜力方面,我们的研究结果显示,对于病程少于10年且BMI<23kg/m2的T2DM患者,在服药后的前 3个月内,HbA1c和FBG水平降低,但6个月后效果似乎减弱。此外,同一组患者在服药后12个月的 HbA1c水平显著降低,研究结束时FBG水平降至正常水平 (6.8±2.4mmol/L)。 FBG水平的降低在统计学上并不显著,但被认为具有临床意义,因为给药后12个月的降低仍保持在正常范围内。

我们的试验首次证明了BM-MSC治疗结果与2型糖尿病病程及患者BMI之间的相关性。据报道,自体BM-MSC移植的长期影响相对较小,因为MSC的积极作用早在治疗后1个月就已观察到,并在治疗后3至6个月再次开始减弱。我们的数据与其他研究结果一致,这些研究支持干细胞疗法对2型糖尿病的短期影响。此外,疾病持续时间和肥胖被视为重要的临床参数,它们会通过降低细胞质量来改变细胞疗法的结果。

据报道,从患2型糖尿病超过10年且BMI>25 kg/m2的患者中分离出的脂肪来源MSC (AD-MSC)表现成骨分化和植入能力降低,并增加了患2型糖尿病相关合并症的风险。因此,我们的研究结果支持与治疗效果相关的两个重要观点:

(a) 两次输注之间的间隔应小于3个月,以维持治疗的积极效果;

(b) 2型糖尿病持续时间和患者的BMI可能在2型糖尿病患者干细胞治疗的治疗效果中发挥关键作用。

我们建议,未来使用自体BM-MSC的研究应侧重于2型糖尿病病史少于10年且BMI<23kg/m2的患者,以进一步提高治疗效果。

得出结论

  • 自体骨髓间充质干细胞治疗可降低病程<10年且体重指数<23的2型糖尿病 (T2DM) 患者的HbA1c和空腹血糖水平,并且有效性在6个月后似乎减弱。
  • 2型糖尿病的持续时间通过降低增殖率、损害糖酵解过程、降低线粒体功能和改变线粒体变体直接改变了骨髓间充质干细胞的表型。
  • 这些结果支持了对于被诊断为2型糖尿病的患者,需要在诊断后尽早而不是稍后进行干细胞干预。

总结

这项研究表明,自体注射骨髓间充质干细胞 (BM-MSC) 对2型糖尿病 (T2DM) 患者是安全的,静脉和胰腺背动脉输注之间的疗效没有显著差异。对于T2DM病史<10年且体重指数<23的患者,注射可导致糖化血红蛋白和空腹血糖水平短期降低。表型分析暂时将治疗效果与T2DM持续时间联系起来。

这项研究表明,在T2DM持续时间<10年且无肥胖的患者中,应自体注射BM-MSC来治疗T2DM。

参考资料:Liem Thanh Nguyen, Duc M. Hoang, Kien T. Nguyen, Duc M. Bui, Hieu T. Nguyen, Hong T.A. Le, Van T. Hoang, Hue T. H. Bui, Phuong T.M. Dam, Xuan T.A. Hoang, Anh T.L. Ngo, Hang M. Le, Nhi Y. Phung, Duc M. Vu, Trung T. Duong, Tu D. Nguyen, Lien T. Ha, Hoa T.P. Bui, Hoa K. Nguyen, Michael Heke, Anh V. Bui, Type 2 Diabetes Mellitus Duration and Obesity alter the Efficacy of Autologously Transplanted Bone Marrow-derived Mesenchymal Stem/Stromal Cells, Stem Cells Translational Medicine, Volume 10, Issue 9, September 2021, Pages 1266–1278, https://doi.org/10.1002/sctm.20-0506

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