T1DM是由产生胰岛素的胰腺β细胞自身免疫性破坏引起的^[2]。患者需要每日多次注射胰岛素，这些胰岛素虽然可以挽救生命，但生活方式发生显著变化。因为他们的自身免疫系统会攻击调节血糖的胰细胞，所以为了调节血糖，T1DM患者需自行测量血糖，且每天需要多次注射胰岛素。

       2014年，哈佛干细胞研究所联合主任、干细胞和再生生物学Douglas Melton教授和他的同事们首次发现干细胞在某些条件下可以转化为具有胰岛功能的β细胞^[3]。实际上，Melton教授最初并不是从事于干细胞研究，所有的一切都起源于Melton教授的儿子在6个月大的时候被诊断为T1DM。T1DM患者体内缺乏胰腺β细胞，他认为利用胚胎干细胞可以培育出新β细胞。

胚胎干细胞分化为胰岛素分泌细胞

       Melton教授和他的团队花了15年的时间才弄清整个步骤，即每一个分子经过怎样的转变最终变成能够分泌胰岛素的β细胞。整个过程需要合适的化学物质和三维培养系统，以及高旋转烧瓶，30天内能培养出功能齐全的β胰细胞。在该初始过程中，β细胞占干细胞分化的最终细胞混合物的30％，该项技术于2015年申请专利^[4]。

干细胞分化为β细胞的条件和方法

       “你可以认为细胞疗法是T1DM最自然的治疗方式，从最根本上解决问题，让T1DM患者重新拥有已消失的β细胞。”Melton教授说。

       但是要想细胞疗法真正应用于T1DM患者，这个30％的β细胞浓度似乎是不够乐观的。

       “想要提高干细胞分化成为β细胞的比例，我们需要真正了解其他70％的细胞，” Melton实验室研究生、当前研究的主要作者Adrian Veres说。 “直到最近，我们才弄清楚了干细胞分化的所有细胞类型。”

       此项研究^[1]报告了超过100,000份经历体外β细胞再分化的人类细胞的转录分析，并描述了所出现的细胞，如β细胞、α细胞、类胰腺外分泌细胞的非内分泌细胞以及类似肠嗜铬细胞等先前未报道的细胞。研究显示内分泌细胞在没有外源生长因子的情况下能够保持同一性，并且在体外培养中显示了与体内β细胞成熟相关的基因表达情况。

       随着基因检测技术的兴起，可以利用单细胞测序来识别干细胞分化的细胞种类。细胞都含有相同的基因组，但细胞类型根据哪些基因是活性的或表达而不同。研究人员使用单细胞测序来鉴定数万个细胞中表达的完整基因目录。然后，他们根据细胞的表达模式对细胞进行分组。

       除此之外，还可以应用生物学来描述这些细胞。Adrian Veres和他的同事们首次发现一种仅存在β细胞上表达的蛋白质，鉴定为CD49a（也称为ITGA1），可作为β细胞群的表面标志物，也就意味着这种蛋白质是一种生物“钩子”，专门从干细胞分化的混合细胞中捕获β细胞^[5]。

       经过以上两步筛选与浓缩，可将干细胞分化的β细胞纯度增加至80％。另外，此研究使用高分辨率测序时间进程来表征人胰腺内分泌细胞诱导过程中的基因表达动态，从中开发了体外β细胞分化的谱系模型。

       正如Melton教授所料，干细胞具有与产生人胰腺激素细胞相似的基因表达模式，如产生胰高血糖素的α细胞和产生胰岛素的β细胞。出乎意料的是，研究人员还发现了一种新型细胞，它可以产生神经递质5-羟色胺。

       “当我们致力于将干细胞衍生的β细胞植入患者体内时，更纯净的混合物意味着我们可以使用侵入性更小的装置来提供相同数量的功能细胞，” Semma Therapeutics公司细胞生物学研究副总裁Felicia Pagliuca说。

       因此，优化干细胞衍生的混合细胞是细胞治疗T1DM的关键。“现在我们面临的最大问题是80％的β细胞是否是我们想要的，”Veres说， “也许需要更多的其他细胞类型来帮助调节β细胞，使它们正常运作。我们将找出不同细胞间如何相互作用，这是我们下一步想研究的”。

参考文献

1. Veres, A. et al. Charting cellular identity during human in vitro β-cell differentiation. Nature volume 569, pages368–373 (2019).

2. Rezania, A. et al. Reversal of diabetes with insulin-producing cells derived in vitro from human pluripotent stem cells. Nat. Biotechnol. 32, 1121–1133 (2014).

3. Cell, 2014, doi：10.1016/j.cell.2014.09.040.

4. 专利之星检索系统.

5. Advancing cell therapy for diabetes.