Nature Outlook：抛弃胰岛素，新疗法有望拯救1型糖尿病
这是《肠道产业》第 692 篇文章
编者按
1 型糖尿病（T1D）多发在儿童和青少年，也可发生于各种年龄。当前，主要通过注射胰岛素，来治疗该疾病。然而，即便注射胰岛素，T1D 患者的预期寿命也比平均寿命少 12 年。那么，除了胰岛素，还有什么其他疗法可以治愈 T1D 呢？
今天，我们特别编译发表在 Nature Outlook 杂志上关于 T1D 的文章。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。
抛弃胰岛素
胰岛素是医学领域最具变革性的发现之一。1921 年，这种激素的分离使 1 型糖尿病（T1D）成为一种可治疗的疾病，而不再是一种绝症。然而，越来越多的人认为 100 年后，用于治疗 T1D 的胰岛素疗法可能会濒临淘汰。
胰岛素对于维持血液中葡萄糖的稳态至关重要。它由胰腺中的 β 细胞产生，β 细胞可持续检测循环中的葡萄糖浓度，并相应地分泌胰岛素——血糖水平越高，分泌的胰岛素就越多，以抵消葡萄糖浓度的增加。然而，在 T1D 中，β 细胞会被人体自身的免疫系统所破坏。
虽然这种自身免疫病的病因尚不完全清楚，但其影响是明确的：由于没有 β 细胞，也没有胰岛素，循环中的血糖水平会持续地升高，并产生毒性。这种慢性高血糖会损害血管和神经，导致不良影响不断累积，如果不加以治疗，还会导致死亡。
如今，我们可以通过密切监测血糖水平和注射胰岛素，来减轻 T1D 的影响。然而，尽管我们在自动胰岛素输送系统方面取得了进展，但对大多数人来说，这仍然意味着他们需要认真管理自己的生理需求，以掌控他们的生活。而且，即使人们承担了这种负担，T1D 患者的预期寿命也比平均寿命少 12 年1。
Frederick Banting 因发现胰岛素，在 1923 年获得诺贝尔生理学奖，他知道自己的研究结果并不是灵丹妙药——他在诺贝尔演讲结束时说：“胰岛素并不能治愈糖尿病。”
然而，现在越来越多的科学家和医生正在讨论治愈 T1D 的问题。他们的重点不是为身体提供胰岛素，而是替换产生胰岛素的 β 细胞。
在 21 世纪之交，来之不易的研究突破表明，移植已故捐赠者的 β 细胞可以成功治疗 T1D 患者2。一些复杂的因素——尤其是缺少捐赠者——限制了这种方法的应用。但今天，干细胞生物学允许在实验室中创造出能感知葡萄糖、胰岛素的细胞——这意味着可能可以无限供应 β 细胞。
2021 年 6 月，在美国糖尿病协会（American Diabetes Association）的线上年会上，位于加利福尼亚州圣地亚哥的再生医学公司 ViaCyte 报告称，在一项小型临床试验中，来自胚胎干细胞的细胞帮助 T1D 患者更好地控制了血糖。
ViaCyte 公司的临床开发副总裁 Manasi Sinha Jaiman 说：“看到与临床相关的结果极大地改变了对 T1D 患者的治疗，这真是令人难以置信的兴奋。”他还表示：“这是 20 年来研究的巅峰。”
ViaCyte 公司的成功和其他科学进步正在吸引着更多的公司进入该领域。但是，尽管制造 β 细胞并将其移植到人体的想法听起来很简单，但基本的问题仍然存在。研究人员需要解决哪些细胞最适合使用，它们应该被移植到哪里，以及如何确保它们免受受体免疫系统的攻击等问题。
图.被包裹的 β 细胞
从失败中获得成功
T1D 被认为是再生医学中最难摘取的果实之一。T1D 是一种自身免疫系统选择性地杀死单一细胞的疾病，所以需要替换什么细胞显而易见。
此外，在胰腺中，β 细胞是五种内分泌细胞类型之一，它们存在于朗格汉斯岛（即胰岛）中，胰岛像一个小口袋一样包裹着能够产生激素的细胞。虽然大约有 100 万个胰岛分布在整个器官中，但它们只占整个器官质量的 1-2%。
同样重要的是，尽管胰腺是 β 细胞天然的“家”，但 β 细胞却可以被放置在其他地方。在帕金森病中，移植的神经元必须整合到现有的大脑网络中才能发挥功能。与此不同的是，20 世纪 70 年代初对糖尿病大鼠的实验表明，将分离的胰岛注入其肝脏的门静脉后，大鼠的血糖控制也会恢复正常2。因此，β 细胞似乎只要能够进入血液，就能发挥功能。
然而，在 20 世纪 80 年代和 90 年代，科学家试图在 T1D 患者身上复制这一结果时——使用从已故捐赠者的胰腺中提取的胰岛——却很少取得成功2。1993 年，当外科医生 James Shapiro 来到加拿大埃德蒙顿的 Alberta 大学时，该大学的移植项目已经终止。他说：“没有人愿意继续开展这个项目，因为它太失败了。”
但是通过查阅文献后，Shapiro 确信，如果这些细胞真的移植并存活了下来，它们就会有所帮助。于是，他增加了细胞的用量——每个受体使用 2 到 4 个供体组织——并缩短了取出细胞和移植细胞之间的间隔时间，以改善细胞健康。
最重要的是，他还意识到，以前用来阻止免疫系统攻击移植组织的药物可能也会破坏 β 细胞。为了避免这种情况，他设计了一种新的药物治疗方案3。
Shapiro 的第一批患者中，所有的 7 位患者都能在至少一年的时间内停用胰岛素。值得注意的是，其中有一位患者在 20 多年后仍然不需要使用胰岛素。Shapiro 说：“我们从概念上证明了胰岛细胞移植可以极大地改善患者的生活。”
Shapiro 的方法，现在被称为埃德蒙顿方案，目前在少数中心被用于将 β 细胞移植到那些无法通过胰岛素控制 T1D 的患者体内。
但是，这种疗法的缺点是，受体必须长期服用强效免疫抑制药物，这使得他们容易受到感染和其他并发症的影响。而且，即使有大量的 T1D 患者愿意进行这种疗法，但由于捐赠者太少，也只能为一小部分患者提供细胞。
图. 在 1 型糖尿病中，免疫细胞（红色）攻击胰岛中的 β 细胞（绿色）。
无限供应
干细胞的关键特征是它们具有分化成其他细胞类型的潜力。最初关于人类干细胞的研究依赖于从终止妊娠的胚胎中提取的细胞，这些细胞几乎可以分化为任何类型的细胞。后来的方法是利用分化的细胞产生干细胞，也就是诱导多能干细胞（iPSCs）。
当前，科学家们致力于通过使用不同的信号分子将细胞从一种类型转化为另一种类型，以揭示引导干细胞沿着特定轨迹发展的方法。
虽然有发育知识作为指导，但发现正确的信号分子，及其正确的浓度和接触时间，在很大程度上依赖于经验。
Kevin D'Amour 最近辞去了 ViaCyte 公司的首席科学官一职，但仍是该公司的顾问。他回忆说，在干细胞慢慢向 β 细胞表型转变的过程中，“即使没做过数千次，也做过数百次的实验”。
这项技术的巨大吸引力在于，干细胞可以转化为持续分裂的细胞系，这就意味着来自单个供体的细胞可以产生数万亿的细胞。因此，一个可以直接转化为 β 细胞（或更普遍的分泌激素的胰岛细胞）的自我更新的细胞系基本上能够提供取之不尽的可移植细胞。
这种细胞产品相当于再生医学中的药物。该领域的主要挑战是开发出一种好的药物。
马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的干细胞生物学家 Doug Melton 是这一领域的奠基人。他是一名发育神经生物学家，直到他 6 个月大的儿子在 20 世纪 90 年代初被诊断出患有 T1D 时，他放弃一切去寻找治疗这种疾病的方法，最终进入了干细胞领域。他回忆说，他曾告诉妻子，可能需要四五年的时间来寻找一种制造 β 细胞的方法。
然而，他的估计有一点偏差。想要制造 β 细胞，诱导干细胞需要经过一系列的中间阶段，比如制造可以成为胰腺中任何细胞的细胞。最终， Melton 花了将近 15 年的时间研究出所有这些步骤以及如何调控它们。
Melton 的团队以及加拿大温哥华不列颠哥伦比亚大学 Tim Kieffer 的团队在 2014 年分别发表了他们的方法4,5。
由于获得了 β 细胞生产协议的专利，2015 年，Melton 创办了一家初创公司，该公司于 2019 年 9 月被位于马萨诸塞州波士顿的 Vertex 制药公司以 9.5 亿美元的价格收购。
2021 年 3 月，Vertex 公司宣布，美国食品和药物管理局（FDA）已授予其专有的胰岛素制造细胞和其他内分泌细胞的混合物（现在称为 VX-880）快速通道资格，并且该公司正在开始一项 17 人的 I 期临床试验，这将是首次在人身上测试源自干细胞的胰岛细胞。
与此同时，ViaCyte 公司采取了一种略有不同的方法。D'Amour 说：“我们和这个领域的每个人都有这样的想法：我们要提取干细胞，我们要制造功能性胰岛，然后我们要进行移植。”但他在 2000 年代中期做的一项实验改变了 ViaCyte 公司的战略。
D'Amour 团队在 β 细胞的制造方面处于领先地位，他们开创了将人类干细胞转化为胰腺祖细胞的方法6。但他们并没有试图将这些细胞进一步转化为胰岛细胞，而是将胰腺祖细胞直接注射到糖尿病小鼠体内。2-3 个月后，这些细胞发育成熟为胰岛细胞，免疫抑制小鼠的血糖水平开始得到控制。
因此，当 Melton 和其他人确定如何制造 β 细胞时，ViaCyte 公司已经开始了第一个移植胰腺祖细胞的临床试验，现在正在进行第四次和第五次试验。
区分哪些细胞是最好的治疗方法需要时间。Melton 认为，移植完全分化的细胞将更好地控制受体的细胞用量。
Kieffer 表示同意，不过依赖祖细胞在受体体内成熟的方法会带来额外的变异性和不确定性，以及需要等待数月才能出现功能细胞。但他也指出，祖细胞对移植手术的适应性更强，而且它们更容易制造，成本也更低。他说，只有临床试验才能确定哪种细胞类型是最好的。
图.ViaCyte 公司制造的胰腺细胞。
免疫保护
然而，无论移植哪种细胞，接受者的身体都不会张开双臂欢迎它们。这些外来细胞是免疫系统的首要攻击目标，
保护移植细胞免受免疫攻击（这可能使治疗毫无意义）的最简单方法是按照埃德蒙顿方案给药，并使用完整的免疫抑制药物方案。这就是 Vertex 公司在第一次试验中所做的。
Vertex 公司的 Felicia Pagliuca 在 Melton 的实验室参与了 β 细胞的制造，她说：“在这种类型的治疗中，有如此强大临床先例的细胞治疗方法并不多。”该试验将对 VX-880 细胞和从尸体中获得的胰岛进行比较。
最终，研究人员希望让接受者免于终身免疫抑制。目前的策略集中在封装上，即通过物理屏障将移植的细胞与免疫系统隔离。这种封装可以是宏观的，即在信用卡大小的设备中填充细胞并植入，也可以是微观的，即在输送前将胰岛单独涂上一层屏蔽聚合物。
封装需要一种微妙的平衡。虽然细胞需要与免疫系统隔离，但它们仍然需要获得营养和氧气才能生存。佛罗里达州迈阿密大学的生物医学工程师 Alice Tomei 解释说：“就 β 细胞而言，为了对循环中的葡萄糖做出反应，它们需要很好地进入血流。如果没有血管的形成，它们就不能真正提供良好的代谢控制。”
2014 年，ViaCyte 公司的首次大规模封装装置的临床试验失败了：接受者的身体将该装置视为外来物，并在其上富集了一层免疫细胞，杀死了里面的细胞。
2021 年 6 月，ViaCyte 公司的最新试验报告显示，该公司的细胞可以在人体内成熟，并提供一定程度的临床益处。该试验使用了一种穿孔的临时封装装置，这些孔使血管得以在装置内生长，维持了细胞的存活，但受者需要长期的免疫抑制，因为免疫细胞也可以进入其中。
ViaCyte 和 Vertex 公司现在都在开发新的宏观封装装置，并且都使用了创新材料，以避免引起异物反应。Vertex 公司的专利技术是公司内部开发的，而 ViaCyte 公司则与位于特拉华州纽瓦克的材料公司 W. L. Gore 合作，该公司以 Gore-Tex 防水织物而闻名。他们共同研究的装置现在正进入 II 期试验。
与此同时，Tomei 则专注于微囊化，并已开发出一种水凝胶细胞涂层，在排除免疫细胞的同时允许 β 细胞发挥作用8。
当前，她正与加拿大伦敦的一家再生医学公司 Sernova 合作，研究一种方法，在引入微囊化胰岛的两周前，将细胞袋嵌入皮肤下面。在这两周内，新的血管会进入袋中，并且最初的炎症会逐步消退——这两种情况都有助于胰岛的移植。Sernova 公司目前正在进行一项 I/II 期试验以评估这种细胞袋。
继续试验的另一个关键方面是确定细胞放置的最佳位置：不同的部位在设备内部和周围生成血管的能力不同；当细胞需要替换时，它们要能够容纳设备并耐受多次移植；还有就是需要考虑简单的移植设备的舒适程度。
Melton 说：“我认为没有人知道该把这些设备放在哪里。”到目前为止，该领域已经在不同的皮下位置进行了移植试验，而且，还考虑了大网膜——包围肠道的一大块脂肪组织。
超级细胞
除了物理上保护胰岛细胞不受免疫系统的攻击外，另一种方法是对它们进行基因改造。ViaCyte 和 Vertex 公司都在探索这一点，但对自己的战略都守口如瓶。
Melton 认为有几个可能的解决方案。一个是从癌细胞如何逃避免疫攻击中寻找线索。肿瘤学研究表明，某些细胞表面蛋白的表达会抑制免疫反应——这种现象可用于保护 β 细胞。
另一个方案是改造细胞的抗原呈递分子。这些分子可以被移除，或者像 Melton 正在做的那样，被替换掉。他正在研究如果胰岛细胞在胎儿形成时表达这些分子会发生什么，这些分子通常会阻止母亲的免疫系统攻击胎儿。
基因编辑所提供的可能性并不局限于对细胞进行隐蔽。Kieffer 说：“这项技术还可以用来提高移植率、存活率和机体性能。”例如，细胞可以适应与封装装置或血管缺乏的移植部位相关的轻度缺氧，甚至可以更好地耐受冷冻保存。
“当我们开始研究时，我们的目标是制造一个正常的、天然的 β 细胞。”Melton 说，“现在我有了一个不同的目标。我不想制造普通的细胞，我想制造一个超级细胞。”
所有这些方法的问题是，细胞会变得太善于生存了。在缺乏功能性免疫监测的情况下，如果移植的细胞感染了病毒或开始分裂——可能会导致癌症或释放过多的危险激素，因此需要有一种方法来消灭它们。
基于此，研究人员正在研究向 β 细胞注入自杀基因的方法，这种基因会在细胞分裂或给人服用特定药物时产生一种细胞杀伤蛋白。
Melton 认为，与逃避免疫攻击相比，整合自杀基因是一个直接的挑战。他梦想着在未来，细胞治疗成为常规，人们可以在许多年内，都不再担心糖尿病问题。“我认为这很有挑战性，”他说，“但我不认为这很疯狂。”
参考文献：
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1. Katsarou, A. et al. Nature Rev. Dis. Primers 3, 17016 (2017).
2. Gamble, A., Pepper, A. R., Bruni, A. & Shapiro, A. M. J. Islets 10, 80–94 (2018).
3. Shapiro, A. M. J. et al. N. Engl. J. Med. 343, 230–238 (2000).
4. Pagliuca, F. W. et al. Cell 159, 428–439 (2014).
5. Rezania, A. et al. Nature Biotechnol. 32, 1121–1133 (2014).
6. D’ Amour, K. A. et al. Nature Biotechnol. 24, 1392–1401 (2006).
7. Kroon, E. et al. Nature Biotechnol. 26, 443–452 (2008).
8. Stock, A. A. et al. Stem Cell Rep. 14, 91–104 (2020).
原文链接：
https://www.nature.com/articles/d41586-021-01842-x
作者｜Liam Drew
编译｜書7464
审校｜617
编辑｜笑咲
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