基因修飾后的干細胞治療2型糖尿病的臨床研究

發(fā)表時間：2021-07-08 17:03作者：杭吉干細胞科技

全世界目前有超過四億的二型糖尿病（T2DM）患者，僅在2019年因為糖尿病及其并發(fā)癥而死亡的人數(shù)高達420萬。T2DM已成為威脅人類生命健康最為嚴重的慢性病之一，其主要臨床表現(xiàn)為胰島素抵抗、胰島功能耗竭。

傳統(tǒng)T2DM治療藥物依然難以使部分患者血糖恢復正常，并且有造成低血糖、腹瀉、惡心、嘔吐等多種不良反應的可能性。

為了增強MSCs針對T2DM的療效，清華大學杜亞楠研究團隊利用慢病毒感染體系對人脂肪來源的MSCs進行Exendin-4的基因修飾（MSC-Ex4），Exendin-4是胰高血糖素樣肽-1受體激動劑（GLP-1RAs）家族中的一員，已經在臨床上批準用于治療T2DM。然而Exendin-4作為只有39個氨基酸的多肽，極易被腎臟清除，在體內半衰期只有半天。

本研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)注射MSC-Ex-4小鼠體內Exendin-4濃度達峰時間可顯著延長，實現(xiàn)了Exendin-4的長效釋放。

并且由于MSC內源表達Extendin-4的受體GLP-1R，因此MSC-Ex-4可通過自分泌效應增強自身在糖尿病高糖環(huán)境下的存活和療效，同時其分泌的其他活性因子可通過內分泌作用保護胰腺β細胞，并通過旁分泌作用改善肝細胞胰島素敏感性，減少肝細胞脂質積累（圖1）。

圖1. MSC-Ex-4的構建示意圖，對胰腺和肝臟細胞的潛在作用機制和對T2DM的治療策略。

（A）通過慢病毒轉導系統(tǒng)構建Exendin-4基因工程MSCs (MSC-Ex-4)，在不斷釋放Exendin-4的同時可對APOM、IGFBP2等蛋白因子分泌進行調節(jié)。其中，MSC-Ex-4分泌的Exendin-4可通過自分泌與自身的GLP-1R相互作用延長其在高糖應激下的抗逆能力。同時MSC-Ex-4分泌的其他活性因子可通過內分泌作用保護胰腺β細胞，通過旁分泌作用改善肝細胞胰島素敏感性，減少肝細胞脂質積累。

（B）多次系統(tǒng)性注射可以顯著改善二型糖尿病癥狀。通過注射3D明膠微支架輔助MSC-Ex-4作為細胞包封和給藥載體，單次局部給藥可實現(xiàn)長效治療效果。

MSC-Ex-4在模擬T2DM高糖環(huán)境的體外模型中表現(xiàn)出良好的抗逆能力。

進一步研究證實，這種能力得益于MSC-Ex-4自分泌的Exenidn-4配體結合了自身表達的GLP-1R受體并激活下游的AMPK信號通路，從而促進了細胞增殖，并且顯著增強了抗凋亡及抵抗衰老能力。

與此同時，MSC-Ex-4分泌的Exendin-4可促進胰島β細胞增殖，抑制其衰老和凋亡。進一步，通過對MSC-Ex-4的轉錄組和分泌組學進行分析，發(fā)現(xiàn)其分泌的大量生物活性因子(如IGFBP2、APOM等)也可通過旁分泌作用激活肝臟細胞PI3K-AKT信號通路從而改善肝臟胰島素敏感性并減少脂質積累（圖2）。

圖2. MSC-Ex-4在高糖環(huán)境下抗凋亡和抗衰老能力增強，細胞內AMPK信號通路被激活（A-C）。

同時MSC-Ex-4可促進胰島細胞增殖和抑制凋亡（D-F），并通過分泌因子激活肝臟細胞PI3K-AKT信號通路（G-I）。

在高脂飲食誘導的小鼠T2DM模型中，通過追蹤尾靜脈注射后的MSCs，發(fā)現(xiàn)MSC-Ex-4在注射一周后的存活數(shù)量相較于未修飾對照組提高了40%。在一個月治療后，小鼠的葡萄糖耐量和胰島素敏感性都具有明顯改善，代謝活動能力顯著增強。并且高脂飲食所導致的脂肪肝病征也明顯緩解。

通過對肝臟轉錄組測序分析，肝臟中糖脂代謝相關通路上調。而進一步研究人員從蛋白水平上驗證了AKT信號通路被激活，顯示該體內存活率的提高和MSC-Ex-4內分泌和旁分泌的雙重作用相關（圖3）。

圖3. MSC-Ex-4系統(tǒng)性注射治療示意圖（A）。MSC-Ex-4注射一周后在體存活數(shù)量增加（B），

同時Exendin-4達峰時間顯著延長（C）。小鼠代謝表型顯著改善（D-G）。

最后，研究團隊利用3D多孔明膠微支架（微載體）對MSC-Ex-4細胞進行包裹和體內遞送。該多孔微載體相關技術為課題組前期開發(fā)，可作為干細胞生長的微環(huán)境(microniche) 輔助高效干細胞治療，并且由北京華龕生物科技有限公司進行了轉化和商品化，相關明膠微載體產品分別獲批中國藥監(jiān)局首款細胞用藥用輔料資質和美國FDA首款細胞用DMF藥用輔料資質。

在此明膠微載體的輔助下，單劑量皮下注射可進一步延長MSC-Ex-4在體內的存活時間至一個月。而血清胰島素、甘油三酯（TGs）水平以及葡萄糖耐量等指標也顯示該微載體作為細胞藥劑可增強MSC-Ex-4治療效果達兩個月以上。

這些發(fā)現(xiàn)為MSC-Ex-4和明膠微載體聯(lián)用改善包括糖尿病和代謝相關脂肪性肝病（MAFLD）在內的代謝功能障礙疾病以及其他相關并發(fā)癥(如糖尿病足，糖尿病嚴重下肢缺血等)提供了新的策略和方法（圖4）。