在實驗室中由幹細胞誘導為成熟的胰島素生成細胞(圖:Hebrok Lab/UCSF)

醫學界多年來試圖解決第一型糖尿病造成的胰島素依賴問題,科學家嘗試過完整胰臟移植,也嘗試過將具有調控血糖功能的部分胰臟進行移植。不論何種方式,都受限於捐贈人數過少,但患病人數過多此種供不應求的情形。近年來,研究人員開始嘗試從實驗室培養出成熟的胰島生成細胞,卻苦無進展。最近,加州大學舊金山分校(UC San Francisco)的研究人員首次將人類幹細胞轉化為成熟的胰島素生成細胞,這是第一型糖尿病治療方法的重大突破。

再生醫學的重大突破

更換第一型糖尿病患者身上缺失的細胞,長久以來一直是再生醫學(regenerative medicine)的目標。但到目前為止,科學家尚未釐清如何在實驗室中培養出可生成胰島素的細胞,並能如同在健康人體內一樣正常的運作。

加州大學舊金山分校糖尿病中心主任馬第亞斯·亥柏克教授(Matthias Hebrok)表示:「我們現在可以培養出胰島素生成細胞,其外觀和行為都很像我們體內的胰島 β 細胞。這對『培養健康細胞並移植到糖尿病患者』的目標來說是關鍵一步。」

第一型糖尿病的治療

第一型糖尿病是一種自身免疫性疾病,患者體內的白血球會破壞自體產生胰島素的胰腺 β 細胞,常於兒童期發病。如果沒有胰島素來調節血液中的葡萄糖濃度,血糖濃度過高會導致嚴重的器官損傷,最終將導致死亡。這種疾病可以經由定期注射胰島素和飲食,加以控制體內血糖濃度,以避免更嚴重的併發症發生,例如腎臟病變、視網膜病變、血管病變最終導致截肢。但患有第一型糖尿病的人仍常有嚴重的健康問題,如腎衰竭、心髒病和中風。

當疾病的併發症危及生命時,患者就需要接受胰臟移植,但器官移植等待時間很長。在美國約 150 萬名第一型糖尿病患者中,每年僅約 1000 人接受胰腺移植手術。手術也存在風險,受贈者必須終身服用免疫抑制藥物,許多的胰臟移植手術案例,最終也因某種原因而失敗。只移植胰島(胰臟的內分泌組織)的治療方法,目前正處於臨床試驗階段,但該方法仍須依賴捐贈者的胰臟。

因此長期以來,醫學界希望能在實驗室中利用幹細胞培養出健康的 β 細胞。如此一來,患者不需等待胰臟或胰島移植,就能直接移植由實驗室培養出的健康 β 細胞。但多年來,科學家始終無法將幹細胞分化成完全成熟的 β 細胞。

形式與功能的相輔相成

亥柏克教授表示:「我們和其他科學家所製造的細胞,都被困在一個不成熟的階段,這些不成熟的細胞無法對血糖濃度變化作出充分反應,並正確分泌胰島素。此問題一直是這個領域的主要瓶頸。」

在這項研究中,研究人員意識到,在實驗室培養的 β 細胞完全成熟的關鍵,在於 β 細胞發育過程中的一個環節:β 細胞從胰臟分離出來並形成胰島的過程。研究人員裘夷·奈爾博士(Gopika Nair)表示:「生物學的一個關鍵原則是形隨機能(form follows function),因此我們推斷胰島的形成可能是 β 細胞成熟的重要過程。」

研究人員以人工分離部分分化的胰臟幹細胞,並在實驗室重新複製形成胰島的細胞簇時,細胞突然快速發育。不僅 β 細胞對血糖的反應更像成熟的胰島素生成細胞,而且胰島的其他細胞似乎也開始正常發育,這是研究人員過去從未在實驗室發現的現象。

小鼠移植成效

研究人員隨後將這些實驗室培養的胰島細胞移植到健康小鼠體內,結果發現這些細胞在幾天內就能正常運作。研究人員觀察血糖濃度變化產生的相應胰島素濃度,發現其表現如同小鼠自生的胰島一樣。

在與該校的生物工程師、遺傳學家及其他科學家的合作之下,研究團隊正致力於將再生醫學從夢想變為現實,團隊正研究使用 CRISPR 基因編輯,將這些細胞移植到患者體內,並免除病患需額外服用免疫抑制藥物的限制。

奈爾博士表示:「目前胰島素注射等治療方法,只能治標但無法治本。我們的研究成果指出了幾個令人興奮的方向,也許最終能找到完全治癒的方法。」

 

參考資料:

  1. Nicholas Weiler (Feb. 01. 2019.) Functional Insulin-Producing Cells Grown in Lab. UC San Fransico.
  2. Gopika Nair et al., (Feb. 01. 2019.) Recapitulating endocrine cell clustering in culture promotes maturation of human stem-cell-derived β cells. Nature Cell Biology
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