胰岛β 细胞去分化、转分化在糖尿病发病中的作用

任惠珠，王珊珊 综 述，单春艳 审 校

（天津医科大学朱宪彝纪念医院肾病内科，天津市内分泌研究所，国家卫健委激素与发育重点实验室，天津市代谢性疾病重点实验室，天津 300314）

既往研究认为，胰岛β 细胞数量减少是引起胰岛素分泌受损的主要原因，因胰岛β 细胞的再生能力差，β 细胞凋亡增加是导致β 细胞数量减少的关键因素。但尸检发现2 型糖尿病（T2DM）患者胰岛β细胞数量减少与功能减退程度不成比例[1]。2017 年Banting 奖获得者Accili[2]提出，胰岛素分泌受损的关键因素是胰岛β 细胞去分化而非凋亡。β 细胞去分化后将失去分泌胰岛素的功能，并转化为具有多向分化潜能的内分泌前体细胞，导致成熟的β 细胞数量减少。本文就胰岛β 细胞去分化和转分化的过程以及在糖尿病发病中的作用作一综述，旨在寻找糖尿病治疗新思路。

1 胰岛β 细胞去分化、转分化的概念

胰岛中存在α、β、δ 和PP 4 种不同类型的内分泌细胞，均为终末分化形态的成熟细胞。α 细胞约占胰岛细胞总数的30%，主要分泌胰高血糖素，升高血糖。β 细胞占胰岛细胞总数的60%，其主要功能是合成和分泌胰岛素，降低血糖。胰岛β 细胞起源于胚胎干细胞，成熟代谢表型在出生后几周即获得。与体重匹配的正常受试者相比，确诊糖尿病时，患者的β 细胞功能减少25%～60%，但β 细胞死亡的程度相对较低，无法完全解释T2DM 患者β 细胞功能的受损。1999 年有学者提出了β 细胞去分化的概念[3]。2004 年Gershengorn 等[4]在体外培养的人胰岛细胞中观察到胰岛β 细胞去分化现象。胰岛β 细胞去分化是指成熟的β 细胞在不同程度上失去其分化的表型和细胞特性，并退化到分化程度较低或类似前体的状态，出现祖细胞的特征，丧失部分或全部的胰岛素分泌功能。β 细胞去分化表现为β 细胞中高表达基因表达下调，还表现为成熟β 细胞中表达量极低或表达缺失的基因表达上调或出现前体内分泌细胞的基因表达上调。除细胞死亡外，β 细胞去分化被认为是糖尿病患者β 细胞功能受损的另一个主要原因。细胞分化不是一个单向的过程，发育成熟的胰岛细胞也具有一定的可塑性，在多种因素的作用下能够与其他类型胰岛细胞相互转分化，从而引起胰岛细胞类型的重构[5]。β 细胞转分化是指在一定条件下，β 细胞失去其特有的表型，并且获得新的表型而转化为其他类型的内分泌细胞，其细胞形态、表型及功能均发生了转变[6]。胰岛β细胞去分化和转分化都将引起体内成熟β 细胞数量的减少，胰岛素分泌受损，导致糖尿病的发生、发展。

2 胰岛β 细胞去分化、转分化的机制

2.1 慢性高血糖引起胰岛β 细胞去分化、转分化 葡萄糖是β 细胞功能的主要生理调节剂。大鼠胰岛和纯化的β 细胞在10 mmol/L 葡萄糖培养基中功能最佳，在过低或过高的葡萄糖培养基中功能差。适宜浓度的生理葡萄糖刺激与胰岛素和胰岛素分泌触发途径在内的几种关键基因的mRNA 水平增加有关。除代谢基因外，生理葡萄糖刺激通过调节几种应激反应和促生存/促凋亡效应物，改善和维持β 细胞分化表型。

生理葡萄糖刺激在维持β 细胞分化表型中起关键作用，β 细胞分化程度与胰岛素分泌功能之间关系密切。暴露于超生理葡萄糖水平（如糖尿病）会导致β 细胞去分化[7]。与细胞凋亡类似，慢性高血糖对β 细胞表型造成损害，是β 细胞去分化的主要原因。与糖毒性相关的β 细胞特性丧失归因于许多基因表达的改变：β 细胞中高表达基因（如关键转录因子、胰岛素、糖代谢相关基因以及蛋白质加工和分泌相关基因）表达下调。早期对β 细胞系以及离体的啮齿动物和人胰岛的研究表明，长时间暴露于高浓度的葡萄糖中将显著降低胰岛素的mRNA 表达。在ZDF 大鼠和90%胰腺切除小鼠中也有同样的发现[8-9]。在这些动物模型中，应用钠-葡萄糖协同转运蛋白（SGLT2）抑制剂可以恢复胰岛素的mRNA表达使血糖正常，也印证了葡萄糖毒性的作用。T2DM 患者β 细胞的胰岛素mRNA 表达降低，与β细胞特异性转录因子胰-十二指肠同源盒基因（PDX）1、肌腱膜纤维肉瘤癌基因同系物A（MAFA）表达下降有关。PDX1 作为胰岛β 细胞表型的主要调节因子，具有激活β 细胞和抑制α 细胞的作用。特异性敲除小鼠胰岛β 细胞PDX1 基因，小鼠在数天后出现严重的高血糖，同时大多数PDX1 基因缺失的β 细胞迅速获得α 细胞的超微结构和生理特征，提示PDX1 缺失的胰岛β 细胞转分化为α 细胞[10]。MAFA 是一种具有亮氨酸结构的转录因子，可调控胰岛素的合成、分泌和糖代谢等相关基因的表达，对维持成年胰腺结构和功能稳定发挥重要作用，并且MAFA 是唯一能将内分泌祖细胞分化成β细胞的激活因子。Rattanaamnuaychai 等[11]发现胰岛β 细胞发生去分化与转录因子MAFA 的减少有一定相关性。有研究发现，1 型糖尿病患者的胰岛大小和分布情况与非糖尿病患者无差异，但胰岛密度明显下降，且胰岛中以胰高血糖素阳性的细胞为主。单纯的胰岛β 细胞缺失会导致胰岛体积缩小，但不会影响胰岛密度，因此认为1 型糖尿病患者β 细胞缺乏的同时，β 细胞转分化为α 细胞也增加[12]。叉头转录因子O1（FoxO1）基因敲除小鼠世系追踪法发现，β 细胞数量减少并不是因为单纯的细胞死亡，而是细胞发生去分化，去分化后的β 细胞成为具有多项分化潜能的祖细胞样细胞，失去其特异性的细胞表型和分泌能力，最终导致胰岛β 细胞功能下降，部分细胞会进一步转分化为α 细胞[13]。Accili[2]教授团队发现FoxO1 敲除小鼠由于长期的代谢压力，β细胞发生去分化，回归内分泌前体细胞状态，胰岛β细胞特异性转录因子PDX1、MAFA、NK6 转录因子相关1（NKX6.1）及葡萄糖转运蛋白2 表达下降，而胚胎期的转录因子Ngn3、Oct4、Nango 等表达增加，β 细胞向α 细胞、PP 细胞等其他内分泌细胞转分化。

胰岛β 细胞通过转分化为其他类型的内分泌细胞来逃避高血糖的负荷，在糖尿病患者和糖尿病动物模型中均有β 细胞转分化为α 细胞的证据。胰岛β 细胞转分化虽然不会引起β 细胞的直接死亡，但其分泌胰岛素的功能丧失，大量胰岛α 细胞分泌胰高血糖素，加重糖尿病的进展。在糖尿病患者使用降糖药物或消除实验动物高血糖刺激，使其血糖恢复正常后，两者间的转变能部分逆转[14]。

2.2 脂毒性引起胰岛β 细胞去分化、转分化 最近的研究显示，在脂代谢紊乱情况下胰岛β 细胞发生去分化、转分化，导致细胞功能障碍。游离脂肪酸能降低PDX1 基因的表达，体外棕榈酸培养Wistar 大鼠胰岛细胞的实验发现，培养48 h 后，PDX1 的mRNA 水平明显下降，而缺乏PDX1 的胰岛β 细胞转分化为α 细胞[15]。有研究显示，软脂酸通过阻止PDX1和MAFA 的结合能力，以及阻止PDX1 的核转运，阻断葡萄糖对MAFA mRNA 和蛋白表达的刺激，从而影响胰岛β 细胞分泌胰岛素的功能[16]。

2.3 氧化应激、内质网应激、炎症和缺氧引起胰岛β 细胞去分化、转分化 转录因子不仅在胰腺形成的过程中发挥作用，而且对胰腺内分泌细胞的表型分化和维持具有重要作用。维持胰岛β 细胞特性的转录因子主要有PDX1、FoxO1 和NKX6.1、MAFA等。经过氧化氢处理后的β 细胞系和离体的胰岛改变了MAFA 和PDX1 的表达水平和DNA 结合活性，证明了抗氧化剂可以阻止因氧化应激所导致的胰岛素基因表达的改变。通过应用抗氧化基因Gpx1，可恢复糖尿病db/db 小鼠胰岛中表达降低的MAFA 水平。使用谷胱甘肽过氧化物酶模拟物可显著阻止糖尿病ZDF 大鼠胰岛中PDX1 和MAFA 表达的改变。慢性内质网应激可能影响核糖核酸内切酶活性，从而导致内质网相关RNA 的裂解，包括胰岛素的裂解。氧化应激、内质网应激、缺氧使FoxO1活性降低，促进了β 细胞的去分化。NKX6.1 是维持胰岛β 细胞功能的关键蛋白，有研究表明T2DM 患者胰腺β 细胞数量和非糖尿病患者相比明显减少，而α/β 的比例和胰岛素及胰高血糖素双阳性细胞比例在糖尿病组中更高，且两组整体的胰岛大小无显著差异，其中近一半双阳性细胞表现为β 细胞特异性核转录因子NKX6.1 阴性[17]。

3 基于β 细胞去分化、转分化的糖尿病治疗新思路

慢性高血糖、脂毒性、氧化应激和内质网应激、炎症和缺氧等导致胰岛β 细胞去分化，成熟β 细胞丧失部分或全部的胰岛素分泌功能。改善胰岛β 细胞功能和增加β 细胞数量是当前糖尿病治疗领域的热点。

笔者可以利用胰岛细胞间动态转化、促进胰岛中其他内分泌细胞向成熟β 细胞转分化，从而补充胰岛β 细胞数量，维持正常的胰岛素分泌需求，治疗糖尿病。研究发现，γ-氨基丁酸（GABA）旁分泌作用于α 细胞，可抑制胰高血糖素的分泌，以自分泌方式作用于β 细胞，增加胰岛素的分泌[18]。此外，可以利用干细胞具备的增殖能力和分化潜能，定向诱导胰腺干细胞、胚胎干细胞、骨髓干细胞、脐血干细胞等分化为胰岛β 细胞。有研究证实，胰高血糖素样肽-1（GLP-1）能通过促进α 细胞的转分化而导致β细胞新生[14]。过表达转录因子PDX1 和NKX6.1 能促进α 细胞向β 细胞转分化，在一定程度上达到补充胰岛β 细胞数量的作用[19]。在1 型糖尿病中发现单个肽能诱导胰岛细胞的转分化，短肽雨蛙素在β 细胞缺乏的情况下，能诱导α 细胞向β 细胞转分化[13]。在特定条件下，胰岛β 细胞与胰岛α 细胞之间可以发生转分化。胰腺导管结扎术及部分胰腺切除术不仅可使小鼠胰岛内α 细胞转分化为β 细胞，也可诱导腺管细胞和腺泡细胞发生转分化[20]。在链脲佐菌素诱导的糖尿病大鼠模型中，体育锻炼对细胞因子诱导的胰岛β 细胞死亡具有潜在的保护作用，可促进胰腺非β 细胞向β 细胞转分化[21]。

深入了解胰岛β 细胞去分化和转分化的机制有利于改善胰岛β 细胞功能和增加β 细胞数量，为糖尿病的治疗提供新思路。