糖尿病对脂肪干细胞分化能力的影响

陈文娇 刘毅

[摘要]脂肪干细胞是存在于脂肪组织中的具有自我更新和多向分化潜能的成体干细胞，在创面治疗和整形美容方面都已经取得了良好效果。并且，脂肪干细胞具有来源广泛、体内含量多、免疫原性低等优点，临床应用前景十分广泛。但是糖尿病患者异常的体内环境可以影响脂肪干细胞的生物学特性。本文就糖尿病对脂肪干细胞分化能力的影响进行综述。

[关键词]糖尿病;脂肪干细胞;分化;生物学特性

[中图分类号]R587.1    [文献标志码]A    [文章编号]1008-6455（2022）05-0176-05

Effect of Diabetes Mellitus on Differentiation of Adipose Derived Stem Cells

CHEN Wenjiao，LIU Yi

（Department of Burns and Plastic Surgery & Wound Repair Surgery，the Lanzhou University Second Hospital， Lanzhou 730030， Gansu，China）

Abstract： Adipose derived stem cells existing in adipose tissue are adult stem cells. Adipose derived stem cells have self-renewal and multi-directional differentiation potential，which have achieved good results in wound healing and plastic surgery. Moreover， adipose derived stem cells have many advantages， such as wide source， abundant content in vivo and low immunogenicity，so their clinical application prospect is very wide. However， the abnormal internal environment in diabetic patients can affect the biological characteristics of adipose derived stem cells. This article reviews the effect of diabetes on the differentiation of adipose derived stem cells.

Key words： diabetes mellitus; adipose derived stem cells; differentiation; biological characteristics

糖尿病是一種由胰岛素分泌和（或）利用缺陷所引起的以高血糖为特征的慢性代谢性疾病。随着人口老龄化程度的加剧，中国已经成为全球糖尿病第一大国。糖尿病及其并发症长期威胁人类健康，现有的治疗方法均不甚理想，只能解除或缓解症状，延缓疾病进展，不能从根本上治愈该疾病。研究者们一直致力于寻找一种安全、有效且经济的治疗方法。近年来有研究证明，干细胞在糖尿病治疗方面有着积极效果，被认为是有效治疗糖尿病的理想细胞类型，干细胞移植被认为是新的希望。人脂肪间充质干细胞（human Adipose mesenchymal stem cells，hADSCs）因其具有高增殖率、多向分化潜能而被看作是一个比骨髓间充质干细胞（BMSCs）更好的干细胞源。

ADSCs具有诸多优势：脂肪组织在人体内大量存在，脂肪抽吸术创伤很小，不易造成供体部位病损，1 g脂肪组织可以分离得到5 000个干细胞，是同质量骨髓组织所得间充质干细胞的500倍[1];在分化性能上，ADSCs可以向脂肪、骨、软骨、骨骼肌、心肌和平滑肌等中胚层组织分化，也可以向内皮细胞、上皮细胞、肝细胞、神经元细胞和胰腺细胞等非中胚层组织分化[2]。而且，与其他间充质干细胞（Mesenchymal stem cells，MSCs）相比，ADSCs不仅含有瘦素、脂肪细胞因子和内脂素等可调节血糖平衡的生物活性物质[3]，还具有低免疫原性和较强的免疫调节功能，并在长期体外培养过程中表现出较强的遗传稳定性。因此，ADSCs作为治疗糖尿病的种子细胞来源更具有优势。

糖尿病患者体内长期的高血糖环境、ROS与酮体等物质增多，会对ADSCs的生物学特性产生影响[4]。有研究表明，细胞表面标志物在糖尿病患者ADSCs和非糖尿病患者ADSCs中的表达有和间充质干细胞相类似的特征，但高糖影响各种ADSCs细胞因子的表达，使其生理途径和旁分泌功能受到损害。因此，在糖尿病环境下，ADSCs的增殖活性较低，衰老程度更高[5]，分化能力也会受到影响，移植后的存活率也更低。

1  成脂分化

ADSCs在诱导下可以逐步分化为成熟脂肪细胞：ADSCs最先分化为脂肪细胞系，进而转化为前脂肪细胞，最终分化为成熟脂肪细胞[6]。并且，来源于不同个体、不同部位的ADSCs分化能力有明显差别，其具体原因尚不清楚。

在糖尿病患者中，长期高血糖会损害多个器官，包括心脏、肾脏和眼睛，还会影响血管和神经[7]。在细胞水平上，高血糖可导致多种细胞类型的损伤。目前，高血糖对ADSCs成脂分化的研究已经有很多，但是研究结果并不统一。一方面，部分研究表明，高血糖可能会增加脂肪生成。Xiao S等[8]研究比较了糖尿病患者ADSCs（dADSCs）和非糖尿病患者ADSCs（nADSCs）的生物学特性，两种类型的ADSCs均可分化为脂肪细胞，但是dADSCs的成脂分化能力强于nADSCs，其研究结果与Cramer等[9]一致;另一方面，也有研究表明，高糖胁迫诱导ADSCs自噬、凋亡明显，细胞内ROS水平显著升高。糖尿病ADSCs的细胞活力明显下降，细胞成脂分化程度明显下降[10]。Barbagallo等[11]研究结果显示，在2型糖尿病患者来源的细胞中，脂肪前体细胞失去了分化为成熟和功能性脂肪细胞的能力，并且，除了脂肪酸结合蛋白-4（FABP4）和DLK-1外，所有的成脂标志物在分化后的糖尿病脂肪细胞中均不表达。因此，糖尿病患者可能通过脂肪组织转化失败形成无功能脂肪细胞，并影响新陈代谢的脂肪因子分泌，从而导致代谢综合征和2型糖尿病的发生。EwaŠwiderska等[12]研究了高血糖对人内脏脂肪细胞（HPA-v）增殖、分化和成熟的影响。实验结果表明，高血糖通过加速脂滴的形成，使其数量和体积增加，从而改变了HPA-v分化形态。在正常和高血糖条件下，脂质的定性和定量组成是不同的，高糖处理的细胞中脂滴数量增加。无论是在生理和高血糖条件下的脂肪生成，还是在慢性和可变血糖的脂肪生成的特定阶段，CCAAT增强子结合蛋白（C/EBPα）和过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPARγ）基因的表达谱都发生了显著变化。PPARγ和C/EBPα是调节脂肪沉积的两个关键转录因子[13]，PPARγ的上调/下调通过控制脂肪沉积来调节ADSCs中的脂肪生成[14-16]。长期暴露于高糖中未分化的ADSCs上调炎症反应（IR）基因的一个子集，并改变其启动子组蛋白甲基化模式。细胞外葡萄糖水平升高使ADSCs中的IR基因表达程序变得敏感，而在脂肪细胞分化过程中，IR基因的表达会加剧，有利于脂肪刺激后的转录炎症反应[17]。

2  成骨分化

在骨再生中，骨髓间充质干细胞（BMSCs）起着重要作用。然而，在高糖微环境中，BMSCs的骨再生能力受到抑制，这是由于高糖条件下BMSCs的增殖和迁移能力受到抑制。大量證据表明，糖尿病会降低骨密度，增加骨折风险，影响成骨细胞的正常代谢，从而改变正常的骨再生和愈合[18-20]，骨缺损难以修复。ADSCs作为一种优秀的种子细胞替代源，研究糖尿病环境下ADSCs的成骨特性，为其在特定环境中的应用提供了理论依据。dADSCs和nADSCs均可分化为成骨细胞，但dADSCs成骨分化能力弱于nADSCs[8]。碱性磷酸酶（ALP）活性是评价ADSCs成骨分化潜能的一个指标，它随nADSCs和dADSCs培养基中葡萄糖浓度的增加而下降。在较高的葡萄糖浓度下，dADSCs的ALP活性下降最为显著。在所有的葡萄糖浓度下，dADSCs的ALP显著降低，低于nADSCs的ALP活性的20%[21]。

晚期糖基化终末产物（AGEs）是由葡萄糖与长期高血糖产生的蛋白质发生非酶反应而形成的[22]。它通过还原糖与蛋白质的氨基相互作用，引发一系列复杂的重排和脱水反应，最终生成一类不可逆的交联和荧光片段，可以改变细胞内蛋白质和其他细胞外基质的功能组分[22-23]。AGEs受体（RAGE）是一种细胞膜特异性受体，与AGEs相互作用，影响细胞功能。大量研究表明，在糖尿病患者中，AGEs-AGEs受体交互作用可诱导成骨细胞凋亡，抑制细胞增殖和迁移，降低骨量，促进骨质疏松[24-26]，AGEs的形成和积累会影响骨代谢，增加骨脆性。AGEs和高糖（HG）在体外可导致ADSCs质量的丢失，并可能通过抑制钙化的成熟而导致体内组织修复延迟。单用AGEs对ADSCs成骨的影响比HG强，但与HG联合应用时的作用减弱。AGEs+HG也减少了ADSCs钙化结节的数量[27]。2型糖尿病的异常环境导致干细胞成骨功能显著下降。然而，对于患者来说，基因序列在发病前后并没有变化。这种现象可能与DNA甲基化引起的成骨相关基因表达的改变有关[28]。Cramer等[29]指出，dADSCs基因表达的某些变化是不可逆的，胰岛素干预后，dADSCs的功能只能部分恢复。

3  成内皮细胞分化

糖尿病血管病变包括主要血管病变和微血管病变，是许多糖尿病慢性并发症的病理基础[30]，也是糖尿病患者预后不良的重要原因，这一病变是由多种因素导致的，而内皮细胞功能异常是主要原因及始发因素。血管生成和成纤维细胞的迁移对伤口愈合至关重要，因为它们可以增加伤口附近的血液供应，从而改善细胞增殖和代谢。因此，改善成纤维细胞和内皮细胞的功能，促进血管生成对伤口愈合具有重要意义[30]。最近，ADSCs因具有多向分化的潜力和分泌各种生长因子和炎症因子的能力，已成为移植治疗中促进难愈性伤口愈合的重要工具。

内皮细胞在调节血管张力、管壁渗透性、参与血管形成和重塑、参与细胞内激素的下游信号传递功能等方面发挥了重要作用。糖尿病条件下，高血糖、高血脂、血液流变学及血流动力学发生改变和组织抗氧化能力减弱等均会导致内皮细胞损伤[31]和各种血管生成生长因子的表达下调，导致血管生成受损和伤口愈合延迟。间充质干细胞能够促进血管新生[32]，适合于糖尿病及其并发症的治疗[33]。有研究显示，间充质干细胞能够保护胰岛细胞的完整性。间充质干细胞分泌的血管内皮生长因（VEGF）、肝细胞生长因子（HGF）、转化生长因子（TGF）等，能够促进胰岛的血管重建和细胞增殖分裂，增强胰岛细胞的存活[34-36]。

在适当诱导剂存在的条件下，ADSCs具有向血管内皮细胞分化的能力，还有一些证据表明，ADSCs比BMSCs具有更高的血管生成和免疫调节能力，可能更适合某些临床应用[37-39]，该领域研究进展为缺血性疾病的治疗带来曙光[40]。曹莹等[41]将从脂肪组织提取的细胞中分选CD3l、CD34阴性细胞，并培养在含有VEGF等生长因子的培养液中，最终可以发现管样结构形成，同时检测内皮细胞特异性抗体表达阳性，并具有典型的内皮细胞吞噬功能。对于血管内皮细胞功能严重异常的糖尿病患者，其自身来源ADSCs是否仍然具有向内皮细胞诱导分化的能力以及与正常人ADSCs相比是否存在差异显得尤为重要。朱琳等[42]初步证实糖尿病患者来源的ADSCs在体外诱导条件下，可以分化为内皮细胞，为糖尿病患者自体ADSCs移植治疗缺血性疾病提供了理论依据。

有报道认为高糖环境会提高间充质干细胞的自噬能力，从而发挥细胞的自我保护功能，对抗高糖损伤，促进糖尿病伤口愈合，但是持续的高糖条件也会对间充质干细胞等细胞造成严重损伤[43]，导致间充质干细胞的细胞治疗作用降低。已有研究表明，高血糖严重影响间充质干细胞的生物学特性。从T2DM患者脂肪组织中分离的ADSCs具有较低的增殖活性，对缺氧等促血管生成刺激的反应性较差[44]。Nina A Dzhoyashvili[45]发现T2DM患者ADSCs血管生成活性显著下降，这种损伤可能是由于ADSCs分泌的促血管生成和抗血管生成生长因子的协同网络受到干扰所致。在高血糖状态下，VEGF的mRNA和蛋白质水平显著降低，而HGF和FGF的mRNA水平不受影响。将高血糖条件下培养的ADSCs移植到小鼠缺血肢体，与正常血糖条件下培养的ADSCs移植到缺血区相比，缺血区的血流灌注和毛细血管密度显著降低。这些结果表明，高血糖损害ADSCs中VEGF的产生，从而降低移植到缺血肢体的ADSCs的血管生成能力[46]。弓家弘研究结果也表明AGEs、高糖及两者联合干预后ADSCs向成熟内皮分化较少，部分停留在幼稚阶段[47]，这些均会限制ADSCs自体细胞治疗的效果。还有研究发现，高浓度葡萄糖会产生超氧阴离子而导致人脐静脉血管内皮功能障碍[48]，但在高糖环境下，趋化因子8（CXCL-8）能够刺激间充质干细胞旁分泌VEGF、EGF，提高了对脐静脉血管内皮细胞招募的能力[49]。另外，Nina A Dzhoyashvili等[45]也发现从高血糖患者分离的ADSCs在正常血糖条件下进行体外培养，可以逆转高血糖对ADSCs的某些影响，并掩盖T2DM对ADSCs特性的影响。

4  成胰岛素生成细胞分化

糖尿病是一种高度流行的内分泌代谢疾病，发病率不断上升。1型和2型糖尿病的病因不同，前者以自身免疫介导的胰岛β细胞破坏为特征，后者则是胰岛素抵抗和进行性胰岛素分泌不足的结果[50]。补充胰岛素是治疗这两种糖尿病的一种策略。随着器官移植技术的发展，人们试图通过胰腺或胰岛细胞移植为糖尿病患者提供新的胰岛素分泌细胞（Insulin producing cells，IPCs），以达到控制血糖乃至治愈糖尿病的目的。但是，由于供体的稀缺、异种移植的免疫排斥反应和受体长期服用免疫抑制药物等诸多不利因素，其临床应用受到了限制。MSCs成为细胞再生治疗的理想候选细胞，它可以通过多种机制改善糖尿病。大多数研究表明，MSCs可以调节宿主免疫系统，从而减轻炎症和胰岛素耐受，也能产生旁分泌因子，触发局部干细胞自我更新和分化为功能性细胞。一些研究也证实了MSCs可以在损伤部位归巢并分化为功能性β细胞[51]。

人体脂肪组织中含有的多能干细胞有可能分化为胰腺细胞谱系。目前，作为对当代糖尿病治疗方案的补充，干细胞移植可恢复衰竭的β细胞功能，调节代谢过程。另外，间充质干细胞分泌VEGF、HGF、胰岛素样生长因子-1（IGF-1）、血小板生长因子（PDGF）等细胞因子，对β细胞的再生起到了促进作用，同时构建了适合内源胰岛细胞增殖并分泌胰岛素的微环境[53-55]。Timper等[56]的調查显示，从4个捐献者提取的人ADSCs可以分化为胰岛素、生长抑素和胰高血糖素生成细胞。报道显示胰腺部分切除后的小鼠胰岛可以再生，用胰腺部分切除后残余胰腺的提取物治疗链脲佐菌素（STZ）诱导的糖尿病小鼠可以使血糖恢复正常水平。Hu J等[57]为2型糖尿病大鼠输注ADSCs后，与糖尿病对照组相比，ADSCs组高血糖在2周内有所改善，可维持6周左右，血浆胰岛素和C肽浓度明显改善，胰岛β细胞增多，vWF含量增加，而caspase-3活性降低，TNF-α、IL-6和IL-1β浓度明显降低。胰岛素靶组织中GLUT4、INSR的表达和胰岛素信号分子的磷酸化也得到有效改善。该实验结果表明，ADSCs输注可通过恢复胰岛β细胞和改善胰岛素敏感性来辅助治疗T2DM。Dang LT等[58]为糖尿病小鼠静脉输注较高细胞剂量ADSCs后第56天，糖尿病小鼠的血糖比第0天下降了约20%，恢复期小鼠的糖耐量和胰岛素分泌也有改善。这些胰岛功能的改善可能是通过胰岛细胞数量增加和减少胰岛细胞受损来实现的。自体ADSCs输注可能是治疗T2DM的有效方法。

在细胞培养过程中，葡萄糖不仅是诱导胰岛素分泌的关键因素，还是维持胰腺β细胞分化为稳定表型的关键代谢产物。因此，葡萄糖在体外培养获得IPCs的分化方案中作为一种辅助成分，用于提高诱导效率[59]。Qu等[60]在诱导ADSCs成胰岛素生成细胞分化过程中，首先在含25 mmol/L葡萄糖的培养基中培养3 d，再添加诱导剂对细胞逐步进行诱导分化。Yabe等在诱导第2周将基础培养基换为高糖培养基。在诱导培养过程中，许多研究均用高糖培养基代替普通培养基以提高诱导效率[61-62]。Yeonhee Hong等[63]研究发现，在hADSCs培养基中补充葡萄糖胺可通过提高β细胞特异性基因的mRNA水平，促进hADSCs向葡萄糖反应性IPCs分化。并且，晚期补充葡萄糖胺对IPCs分化和基础胰岛素分泌的影响最大，表明葡萄糖胺可能影响胰岛β细胞的成熟阶段。此外，补充葡萄糖胺也能增加分化型IPCs中Syt4、Gck和Glut2等基因的mRNA表达水平。这些结果表明，葡萄糖胺可能有助于hADSCs向功能性β细胞分化。虽然目前阶段诱导所得的细胞对于葡萄糖刺激不能形成较为灵敏的应答反应，但是一些标记基因的表达也显示出它们的应用潜能。进一步研究将有待于揭示它们的应用价值[64-65]。

到目前为止，不仅从脂肪组织中分离得到了成体干细胞，皮肤、肝脏、消化道上皮、胰腺、神经脊，甚至羊水、毛囊、牙髓及眼睑中都证明存在原位的干细胞群。ADSCs来源广泛、可利用性强，为治疗分离足够数量的脂肪干细胞相对容易，早期ADSCs的临床使用也并未产生不良后果。ADSCs可能被用来作为一种替代源，成功地取代间充质干细胞或胚胎干细胞未来在糖尿病的临床治疗中应用。但是，仍然要清楚地看到，虽然关于糖尿病对脂肪干细胞生物学特性的研究已经有很多，很多研究只是在细胞实验和动物实验方面得出了一些结论。并且，糖尿病对ADSCs生物学特性影响的部分研究结果并不统一，糖尿病对ADSCs生物学特性影响的具体机制研究并不完善。因此，目前ADSCs在治疗糖尿病的临床应用中依然受到限制。随着科学研究的深入，相信ADSCs对糖尿病的治疗应用将会有更广阔的前景，越来越多的关于脂肪干细胞临床应用的出现应该只是时间问题了。

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[收稿日期]2020-12-15

本文引用格式：陳文娇，刘毅.糖尿病对脂肪干细胞分化能力的影响[J].中国美容医学，2022，31（5）：176-181.