胰腺β细胞的缺失和功能衰竭会导致葡萄糖稳态的破坏以及糖尿病的进展。尽管全胰腺或胰岛移植是补充β细胞和治疗糖尿病的一种有前景的方法，但供体胰岛的严重短缺使得大多数糖尿病患者无法接受这种治疗。干细胞，特别是诱导多能干细胞（iPSCs），因其自我更新能力以及分化为功能性β细胞的能力，在糖尿病治疗方面极具潜力。

从干细胞到胰腺β细胞：糖尿病的策略、应用和潜在治疗方法

近期发表在权威期刊杂志《 Molecular and Cellular Biochemistry》的一项研究，为糖尿病患者带来了巨大的希望，并且必将改变未来的临床实践。

在这篇综述中，我们首先介绍功能性β细胞的发育过程及其异质性，然后重点阐述从干细胞生成β细胞的最新研究进展，以及这些β细胞在疾病建模、药物研发和临床治疗中的潜在应用。

最后，我们探讨了目前在开发基于干细胞的治疗策略以改善糖尿病治疗方面所面临的挑战。尽管仍然存在一些重大的技术障碍，但干细胞为糖尿病患者带来了巨大的希望，并且必将改变未来的临床实践。

糖尿病：现状、发病根源、传统治疗难题与干细胞带来的新希望

糖尿病是一种多维代谢紊乱，主要特征是血糖升高和糖脂代谢受损。2021年全球糖尿病患者人数估计为5.37亿，预计到2045年这一数字将达到7.83亿。

美国糖尿病协会将糖尿病大致分为四类：1型糖尿病 (T1DM)、2型糖尿病 (T2DM)、妊娠期糖尿病 (GDM) 以及由单基因突变或胰腺外分泌疾病或药物副作用引起的特定类型糖尿病。

T1DM和T2DM分别占糖尿病总人口的约5%–10%和90%–95%。糖尿病的进展可导致多种微血管或大血管并发症，如视网膜病变、肾病、足部溃疡以及心血管、脑和周围血管疾病。

尽管饮食调整和抗高血糖药物等多种策略可以改善葡萄糖耐量并暂时维持血糖稳态，但糖尿病尚无真正的治愈方法。1型糖尿病以及晚期2型糖尿病和部分单基因糖尿病仍然依赖外源性胰岛素注射。然而，这种治疗通常与心血管并发症甚至危及生命的低血糖发作的巨大风险有关。

胰腺β细胞通过动态分泌胰岛素维持血糖平衡，其功能异常或数量减少是糖尿病发生的核心机制。

1型糖尿病源于自身免疫攻击导致的β细胞缺失，2型糖尿病则由胰岛素抵抗伴随的β细胞代偿衰竭引发，单基因糖尿病则与特定基因突变直接相关。

目前临床采用的胰腺 / 胰岛移植虽能重建胰岛素分泌功能，但手术风险、评估标准缺失及供体短缺问题显著限制其普及。

近年来干细胞技术的突破为糖尿病治疗提供了新路径，尤其是诱导多能干细胞 (iPSC) 可通过重编程成体细胞高效生成β样细胞，为解决供体不足问题带来革命性希望。

胰腺β细胞成熟和异质性

干细胞是非特化细胞，能够自我更新并分化为多种功能活跃细胞，因此在基于细胞的疾病治疗中具有巨大潜力。为了利用干细胞创建功能齐全的β细胞，我们需要了解β细胞成熟过程并定义功能成熟的β细胞的构成。通常使用葡萄糖反应性来确定β细胞成熟度，出生后β细胞成熟会继续进行，伴随分子和代谢事件，β细胞能够实现葡萄糖刺激的胰岛素分泌。以前，β细胞发育和成熟的过程是在体外人工重现的。

目前，单细胞分析和成像技术的进步使得在体内识别细胞类型并随时间追踪其谱系成为可能。此外，存在多种β细胞亚型，它们在胰岛内发挥着不同的作用。

胰岛发育和β细胞成熟

目前，调节胰腺发育的分子事件仅在动物模型（主要是小鼠）中得到阐明。其中，胰岛发育及β细胞成熟机制在小鼠模型中已获较深入解析：胰腺祖细胞通过PDX1调控启动发育程序，经Notch信号通路决定分化方向，内分泌前体细胞在 NGN3驱动下形成胰岛。ARX、PAX4等转录因子分别调控α/β细胞命运，β细胞需经历代谢模式转变（糖酵解→线粒体氧化代谢）以获得葡萄糖刺激胰岛素分泌功能，MAFA通过调控Gck、Slc30a8等基因维持其代谢稳态。

人类胰腺发育研究存在显著空白，种属差异揭示关键分子机制不同：人类β细胞持续表达啮齿类胚胎期特有的MAFB，单细胞测序发现 GATA5、NR2F1等物种特异性转录因子表达模式。随着单细胞技术发展，未来有望精准解析人类宫内发育分子事件，为干细胞分化β细胞提供更可靠的发育模板。

β细胞异质性

胰腺β细胞的形态、功能和基因表达并不一致（图1）。

胰腺β细胞的形态、功能和基因表达并不一致。就形态异质性而言，不同β细胞的细胞核和其他细胞器的大小不同。就基因表达而言，不同成熟阶段的β细胞表现出不同的表面标志物表达，例如ST8SIA1和CD9，以及β细胞标志物表达，例如PDX1和NKX6.1。就功能而言，不同β细胞群体的应激反应和胰岛素分泌并不相同

异质性维度与特征

形态异质性：胰岛β细胞在细胞核大小、细胞器分布及空间定位（如血管/神经末梢邻近性）上存在显著差异，影响葡萄糖敏感性。

功能异质性：约25%的β细胞在葡萄糖刺激下呈现“可切换状态”（有反应↔无反应动态转换），而75%保持稳定反应模式。

亚群划分依据：通过分子标志物（如Fltp、CD9、ST8SIA1）及表观遗传特征（H3K27me3水平）可区分不同功能亚群。

动态应激响应：不同亚群对氧化应激、内质网（ER）应激的未折叠蛋白反应（UPR）强度差异显著，导致压力适应能力分层。

更好地了解β细胞异质性使我们能够阐明糖尿病中β细胞衰竭的致病机制。每个β细胞亚群可能在疾病进展中发挥不同的作用，揭示它们的功能特征可以识别与糖尿病中 β 细胞功能障碍相关的特定细胞亚型。不同亚型的 β 细胞在代谢、分泌和应激反应方面可能有所不同，这为开发针对特定细胞亚型的靶向疗法提供了潜在机会。

了解个体患者中不同类型 β 细胞的内容和功能状态无疑有助于制定个性化治疗方法，有效控制血糖水平。此外，了解 β 细胞在体外分化过程中的异质性对于优化分化方案和生成用于细胞替代疗法的功能性 β 细胞至关重要。

小结：β细胞异质性是其功能弹性与病理脆弱性的双重基础，解析亚群特异性机制将为糖尿病精准治疗提供全新突破口。

从干细胞如何生成β细胞？

干细胞存在于胚胎组织、胎儿组织和成体细胞中。

根据发育潜能，干细胞可分为四大类：全能干细胞、单能干细胞、多能干细胞和多能干细胞。全能干细胞（如受精卵）可分化成任何类型的细胞，包括胎盘细胞。相比之下，单能干细胞的分化潜力最窄，只能专攻一种细胞类型，如肌肉卫星细胞或精原细胞干细胞；这些细胞只能分别分化为肌肉细胞和精子细胞。多能干细胞 (PSC)，如源自植入前胚胎囊胚的胚胎干细胞 (ESC) 和源自遗传重编程体细胞的iPSC，可用于建立生物体中除胎盘以外的所有细胞类型。多能干细胞，如成体间充质干细胞 (MSC)，可以在其所在的特定组织中分化成几种细胞类型。

多年来，干细胞重编程协议的显著进步使得人类PSC（hPSC）和MSC成为生成新β细胞的有希望的、理论上无限的细胞来源（图2）。

干细胞，包括胚胎干细胞 (ESC)、间充质干细胞 (MSC) 和诱导性多能干细胞 (iPSC)，可以通过化学或遗传方式分化为胰岛内分泌细胞。干细胞分化为胰岛素分泌细胞的过程始于定形内胚层细胞的形成，随后细胞命运缩小到原始肠管、胰腺内胚层、胰腺祖细胞和内分泌祖细胞，最后专门化为功能性 β 样细胞，这些细胞表达 β 细胞标志，例如 NKX6.1、PDX1 和 NEUROD1

来自人类胚胎干细胞（hESC）如何分化β细胞

胚胎干细胞（ESC）分化为β细胞的过程涉及多阶段调控，主要通过模拟胚胎胰腺发育路径实现：

定向分化为内胚层：通过激活 Activin/Nodal 信号通路，诱导ESC形成定型内胚层，表达SOX17等标记。

胰腺祖细胞阶段：抑制TGF-β和 Wnt 信号，结合 FGF10 和 Notch 通路调控，促使细胞向胰腺前体细胞分化，表达 PDX1 等关键转录因子。

内分泌前体细胞生成：进一步调控 Notch 和 RA（视黄酸）信号，促进细胞退出细胞周期，形成表达 NKX6.1、PAX4 等的内分泌前体细胞。

β细胞成熟：通过激活 MAFA、PDX1 等基因，结合葡萄糖刺激，诱导胰岛素分泌功能的成熟，最终形成具有葡萄糖响应性的 β 细胞。

技术进展：

• 2014年Rezania团队开发的七阶段方案首次实现高效分化，细胞表达MAFA并具备类胰岛功能。
• Pagliuca团队通过直接分化法，无需基因编辑即可生成大量功能性β细胞。
• 近年通过3D类器官培养（如Li等）优化细胞结构，提升代谢成熟度。

来自人类诱导PSC（hiPSC）的如何分化β细胞

与hESC具有相似多能性的HiPSC是由成人体细胞产生的，可以生成患者特异性的β细胞用于自体移植，且免疫后果更少。为了真正增强hiPSC在β细胞再生方面的能力，需要可重复且有效的方案来指导iPSC分化为功能性β细胞。

到目前为止，已经开发出了许多iPSC到β细胞的分化方案，这些方案通过用不同的信号分子和生长因子依次处理iPSC来重现胚胎胰腺的器官形成阶段。与hESC类似，hiPSC分化为胰岛素分泌细胞的过程也是从定形内胚层细胞开始，依次缩小为原肠管、胰腺内胚层、胰腺祖细胞和内分泌祖细胞，最后分化为β细胞（图2）。

MSCs如何向功能性β细胞的转分化

MSCs是一类多能间充质基质细胞，可粘附于塑料，表达间充质标志物，但不表达造血标志物。迄今为止，已从围产期来源分离出MSCs，包括羊水、胎盘、脐带血和基质（华通氏胶），以及各种成人组织，如骨髓、脂肪组织、肝脏、牙髓、扁桃体、子宫内膜、骨膜和外周血。

这些细胞有几个优点；它们拥有免疫调节功能，但没有致畸性或免疫生成性。此外，MSC可以合成各种细胞因子和生长因子，从而促进周围细胞的存活。Berman等人将同种异体MSCs与胰岛共移植，并表明MSCs增强了胰岛功能。MSC还可以释放微泡 (MV)。微泡中含有生物活性分子，可以改变靶细胞的转录和增殖以及免疫调节，从而导致功能和表型变化。因此，MSC衍生的MV可以成为一种新的治疗资源。

此外，由于MSC细胞表面主要组织相容性复合体 (MHC) II类分子和共刺激分子表达减少，因此MSC被认为是免疫特权细胞。另外，MSC可以通过直接的细胞间相互作用和可溶性因子分泌来破坏各种免疫反应途径。MSC的这些免疫特性使其成为各种再生医学应用的有希望的候选对象。

研究表明，分化细胞在葡萄糖刺激下会分泌胰岛素和C肽，并在移植到糖尿病动物体内时控制糖尿病。

干细胞衍生的β细胞为疾病建模和药物发现提供了平台

从患者细胞中产生的PSC衍生β样细胞携带患者的遗传变异和表观遗传结构，有望在体外重现糖尿病的病理生理状况。这些患者特异性β样细胞还为高通量药物筛选和验证提供了一个绝佳的平台，可为靶向治疗提供新的选择（图3）。迄今为止，人们已经付出了大量努力来了解糖尿病病理生理学并使用基于iPSC的疾病模型开发治疗药物。

患者特异性或基因编辑的PSC衍生的胰岛或β样细胞可用于模拟糖尿病，从而深入了解糖尿病条件下β细胞功能障碍背后的遗传和细胞缺陷。此外，hPSC衍生的胰岛与各种主要外周组织共培养有助于了解组织间激素和分子通讯对β细胞动力学的影响。此外，疾病模型与高通量筛选技术相结合，为筛选药物和进一步评估其对β细胞身份和功能的影响提供了无限的细胞来源。

PSC衍生的胰腺β样细胞在细胞治疗中的潜在应用

干细胞分化方案和药物输送装置的显著进步使干细胞疗法成为治疗糖尿病的有希望的方法（图4）。

到目前为止，已经启动了许多使用hPSC衍生的胰腺谱系治疗糖尿病的临床试验。

2014年，Viacyte, Inc.（前身为 Cythera Inc.或Novocell Inc.）领导了首次人体试验 (NCT02239354)，以评估将hESC衍生的胰腺内胚层细胞 (PEC) 纳入称为 PEC-Encap (VC-01) 的密封封装装置的安全性和有效性，该装置可保护移植物免受免疫侵入。

然而，由于氧气和营养供应受损，该装置中植入的PEC无法成功植入宿主组织。为了克服这些限制，ViaCyte选择了一种名为PEC-Direct (VC-02) 的装置，允许植入的细胞直接接触宿主血管而无需免疫隔离；因此，需要同时进行免疫抑制治疗。

2017年，Viacyte 启动了另外两项临床试验，使用装载有PEC的PEC-Direct设备治疗1型糖尿病患者（NCT03162926）或患有低血糖无意识的1型糖尿病患者（NTC03163511）。

2021年，两项研究报告了这些正在进行的多中心 I/II 期临床试验的初步结果，涉及两组各15名和17名1型糖尿病患者。

尽管出现了一些与免疫抑制相关的不良事件，但临床结果表明该手术相对安全，且未发生畸胎瘤。重要的是，移植的 VC-02装置内的移植PEC在皮下植入后可存活长达26周，并可通过分泌C肽分化为对葡萄糖有反应的胰岛素产生细胞，从而导致功能性 β 细胞标志物的表达和进餐刺激后C肽的释放。然而，由于β细胞质量不足，没有一名患者实现胰岛素独立。事实上，表达胰高血糖素的α 细胞代表了移植物内的主要群体。

最近，ViaCyte与CRISPR Therapeutics合作，宣布启动一项临床试验，使用由基因组编辑的低免疫hPSC生成的PEC，它可以逃避宿主的免疫系统（https://viacyte.com/pipeline/#PEC-QT-VCTX210）。

干细胞疗法正成为一种有前途的糖尿病治疗方法。多项临床试验评估了在1型糖尿病患者中植入干细胞衍生的β样细胞的安全性和有效性。干细胞疗法仍存在一些挑战，例如免疫排斥、最佳移植部位和治疗安全性。

尽管封装的PEC能够在植入后分化为成熟的β细胞，但由于体内成熟时间延长，该​​过程需要数月时间，并且由PEC产生的功能性β细胞仅占移植物内分泌成分的一小部分。此外，β细胞对氧气和营养物质的需求更大，移植早期细胞周围缺乏血管化将导致移植的β细胞大量死亡。为了克服这一限制，体外生成完全分化的β样细胞已引起人们的极大兴趣，这是一种潜在策略，可增加移植物中功能性β细胞的百分比，并在移植后立即启动其功能。

2021年，Vertex Pharmaceuticals启动了一项 I/II 期临床试验 (VX-880, NCT04786262)，其中将 hESC 衍生的完全分化的 β 样细胞通过门静脉移植到患有低血糖无意识和严重低血糖的T1DM患者的肝脏中。第一组结果显示，患者在移植后 90 天内恢复了胰岛素分泌能力，外源性胰岛素给药量减少了91%，但需要长期免疫抑制治疗。

2023年，Vertex Pharmaceuticals Inc. 获得批准进行额外的I/II期临床试验，使用其专有的免疫保护装置（通道阵列装置），而无需使用免疫抑制疗法 (VX-264, NCT05791201)。这些试验的比较将提供机会，以无偏倚地评估干细胞衍生的 PEC 与 β 样细胞和移植部位的相对影响。

结论

干细胞衍生的β样细胞或胰岛的最新进展不仅促进了β细胞衰竭分子基础的研究，还为治疗糖尿病提供了可能的新疗法。

然而，仍然存在几个重大的技术障碍：

(1) 适当分化植入的细胞，以确保它们能够正常运作并避免不受控制的细胞分裂。尽管正在进行的临床试验中使用的胰腺祖细胞可以在体内分化并成熟为类似人类胰岛的结构，但未成熟的多激素细胞随时间的功能尚不清楚。

(2) 开发有效的免疫抑制策略以防止免疫排斥。患者的免疫系统可能会将植入的干细胞或转化的胰岛素产生细胞识别为外来物质并攻击它们。需要进行更多研究来确定这些新型靶向疗法对糖尿病治疗的安全性和实用性。

尽管如此，基于干细胞的细胞疗法为糖尿病患者带来了巨大的希望，并且肯定会改变未来的临床实践。

参考资料：Feng, X., Zhang, H., Yang, S. et al. From stem cells to pancreatic β-cells: strategies, applications, and potential treatments for diabetes. Mol Cell Biochem 480, 173–190 (2025). https://doi.org/10.1007/s11010-024-04999-x

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