姜含蕾 蔣瀟婷 李小曼 姜 超 鄭文思 王 琛

糖尿病是一種慢性代謝性疾病，嚴重危害人類健康。截至2017年，全世界約有4.25億糖尿病患者[1]。糖尿病的主要特征是高血糖，以及由長期高血糖導致的各種組織的慢性損害和功能障礙[2]。胰島β細胞數(shù)量減少和(或)功能障礙導致β細胞分泌的胰島素不足以維持機體血糖穩(wěn)態(tài)調節(jié)，從而引起高血糖，這是1型糖尿病和2型糖尿病發(fā)生、發(fā)展的核心環(huán)節(jié)[3]。近幾年的研究[4-5]發(fā)現(xiàn)，2型糖尿病的發(fā)病機制中除胰島β細胞凋亡外，胰島β細胞去分化也參與其中。本文對2型糖尿病中胰島β細胞去分化的表現(xiàn)和發(fā)生機制，以及其與2型糖尿病的關系等作一綜述，以期為2型糖尿病患者的早期篩查和治療提供新思路。

1 β細胞去分化的特征

胰島β細胞去分化是指成熟的β細胞失去其成熟細胞的特征，喪失部分或全部胰島素分泌能力，出現(xiàn)祖細胞特征并可能轉分化為胰島其他細胞。其主要特征有兩個：β細胞特異基因表達的改變和相應的細胞形態(tài)功能的改變。

通常在β細胞發(fā)育成熟過程中，一些祖細胞特征性基因表達量會逐漸減少。然而，β細胞在去分化的過程中，祖細胞特征性基因表達則會增加。如在胚胎細胞中高度表達的八聚體結合轉錄因子4基因(oct4)和nanog，在胚胎胰腺祖細胞上特異性表達的性別決定區(qū)Y框蛋白9基因(sox9)和發(fā)狀分裂相關增強子1基因(hes1)[6-7]，在胎兒內分泌祖細胞特異表達的神經(jīng)元素3基因(ngn3)，都會在胰島β細胞去分化的過程中呈現(xiàn)出高表達的現(xiàn)象[4]，相應的蛋白產(chǎn)物，如轉錄因子Oct4、Nanog和Ngn3目前被普遍用作β細胞去分化的標志物。其次，胰島β細胞的特異基因表達下調，這些基因往往與β細胞的形態(tài)和功能有關。如調控β細胞形態(tài)分化的肝細胞核因子1基因(hnf1α)和肝細胞核因子4α(hnf4α)[8]，調控胰島素基因表達的NK6同源框蛋白1基因(nkx6.1)、胰十二指腸同源盒1(pdx1)、肌腱膜纖維肉瘤癌基因A型同系物基因(mafaA)和神經(jīng)源性分化因子1(neurod1)[4, 9]，抑制其他類型內分泌細胞基因表達的配對盒轉錄因子6基因(pax6)[7, 10]，與葡萄糖刺激的胰島素分泌(glucose-stimulated insulin secretion, GSIS)過程有關的葡萄糖轉運體2(glut2)、葡萄糖激酶(gck)、內向整流型鉀離子通道亞家族J成員11(kcnj11)、鋅轉運體8(znt8)和胰高血糖素樣肽1受體(glp1r)等基因[5,8,11-12]，都會在β細胞去分化過程中表達下調，這也是造成β細胞形態(tài)功能改變的重要原因。此外，去分化的β細胞還可以高表達α細胞特異基因，如參與胰高血糖前激素表達的mafB和α細胞的調控因子arx[4,8,13-14]。

在去分化的過程中，上述基因層面的變化也會反映在細胞層面，主要表現(xiàn)為胰島素合成、儲存和分泌過程的異常。首先，由于去分化的β細胞缺乏轉錄因子Pdx1、MafaA和Nkx6.1，使得胰島素基因無法正常轉錄和翻譯，造成胰島素合成量明顯減少，細胞胰島素染色陰性；同時，由于胰島β細胞向α細胞轉分化，胰島中胰高血糖素陽性細胞數(shù)量增多。其次，因為胰島素的儲存量不足，使β細胞出現(xiàn)“顆粒”減少的現(xiàn)象，表現(xiàn)為流式分析儀檢測時細胞側向散射光減弱[15]。另外，由于Glut2、ZnT8等轉運蛋白的缺失，β細胞對葡萄糖刺激的敏感性，以及胰島素分泌能力均降低，導致GSIS功能喪失。

2 β細胞去分化的機制

導致β細胞去分化的影響機制首先由Talchai等[4]報道，目前研究較多的是轉錄因子介導的β細胞去分化。

2.1 叉頭框蛋白O1(FoxO1)依賴的β細胞去分化的機制 FoxO1屬于FoxO家族，是對β細胞的分化、增殖和存活起著重要調控作用的轉錄因子。2012年Talchai等[4]發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)oxO1缺乏是引起胰島β細胞去分化的重要原因。在胚胎期，F(xiàn)oxO1通過oct4、nanog等基因調控細胞的多能性[16]。在內分泌細胞分化的過程中，F(xiàn)oxO1、Ngn3和Pdx1蛋白在細胞中共定位，F(xiàn)oxO1通過抑制Ngn3表達可促進β細胞成熟[4, 17]。在成熟的β細胞中，當高糖高脂誘導氧化應激時，F(xiàn)oxO1會受磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)信號通路調節(jié)，進入細胞核，并通過過氧化物酶體增殖劑激活受體α(PPAR-α)抑制脂質氧化，促進MafaA和NeuroD1的表達，增加胰島素的合成與分泌[18]。但是隨著細胞氧化應激的出現(xiàn)和加劇，F(xiàn)oxO1表達逐漸下調，導致Pdx1、MafaA、Nkx6.1等轉錄因子水平降低，胰島素分泌合成減少；同時FoxO1缺乏的β細胞會恢復Ngn3的表達，出現(xiàn)內分泌祖細胞的表型，發(fā)生去分化的現(xiàn)象[4]。但是目前對于FoxO1表達下調的原因尚無明確的解釋，有研究[19-20]結果表明，F(xiàn)oxO1活性抑制可能與Akt 上游激動劑轉化生長因子β受體1(Alk5)的活性有關。

2.2 非FoxO1依賴的β細胞去分化的機制 除FoxO1外，其他因子如Sox5、成纖維細胞生長因子(Fgf)也可以參與β細胞去分化的調控[7,21]。轉錄因子Sox5通過調控β細胞特異的基因，參與囊泡釋放和激素分泌的過程[21]。Axelsson等[21]發(fā)現(xiàn)，Sox5敲除后小鼠β細胞Pdx1、MafaA表達顯著下調，胰島素合成減少。同時β細胞線粒體活性受損，使得ATP減少，去極化激活的Ca2+流入過程受阻，導致胰島素分泌過程無法啟動，β細胞GSIS功能異常。相反，db/db小鼠過量表達Sox5后，β細胞關鍵基因表達上調，GSIS的能力提升，類似去分化的現(xiàn)象減弱[21]。Fgf有多種家族成員，其中Fgf1與Fgf2屬于相同的亞家族[7]。Fgf1或Fgf2處理人β細胞系(EndoC-βH1)可以導致胰島細胞轉錄因子MafaA、MafaB、Pax6、NeuroD1，以及Glut2和Znt8表達下調，而去分化β細胞標志物Sox9、Hes1、Ngn3表達上調[22]。該發(fā)現(xiàn)在人體中得到證實。在2型糖尿病患者的胰腺組織中，F(xiàn)gf信號通路和去分化的標志物處于激活狀態(tài)，表明Fgf參與去分化的過程[7]。

3 β細胞去分化參與2型糖尿病發(fā)病

胰島β細胞衰竭表現(xiàn)為β細胞的數(shù)量減少和功能下降，是糖尿病發(fā)病中公認的核心環(huán)節(jié)。去分化目前被視為使2型糖尿病中β細胞數(shù)量減少和胰島素分泌受損的重要因素之一[13,23]，可能是胰島β細胞“逃避”高血糖負荷的手段。

首先，β細胞的去分化現(xiàn)象在一系列糖尿病小鼠模型實驗、β細胞譜系追蹤實驗中得到了很好的驗證[4,24]。其表現(xiàn)為胰島β細胞脫顆粒，胰島素耗竭，對葡萄糖的敏感性降低，內分泌祖細胞基因(如ngn3和nanog)的表達上調[24]，以及細胞獲得更多類似于干細胞的特征[15]。并且在多個糖尿病小鼠模型中都發(fā)現(xiàn)了FoxO1表達下調的現(xiàn)象[4,25]。通過觀察2型糖尿病患者捐贈的胰腺，也有類似的發(fā)現(xiàn)[13,26]，表明胰島β細胞去分化伴隨著糖尿病發(fā)生的過程。此外，研究[5,27]還發(fā)現(xiàn)在長期高血糖的作用下，β細胞也通過轉分化為其他類型的內分泌細胞(如分泌胰高血糖素的α樣內分泌細胞)來逃避高血糖的負荷。在糖尿病的動物模型和患者中，都觀察到β細胞轉分化為α細胞[13-14,27]，這可以解釋糖尿病患者胰高糖素水平升高的現(xiàn)象[14]。

同時，由β細胞的去分化帶來的胰島細胞數(shù)量減少和功能下降也已經(jīng)得到證實。如上所述，F(xiàn)oxO1 和Sox5是胰島β細胞去分化過程中重要的抑制因子。通過敲除小鼠的foxo1或sox5可以建立β細胞自主去分化的模型[4,21]。foxo1或sox5基因敲除的小鼠β細胞中，祖細胞標志物表達水平顯著升高，胰島素合成和分泌的能力顯著下降，最終出現(xiàn)高血糖癥狀[5,21]。同時，在敲除foxo1的β細胞中，α、δ、Pp細胞所分泌的胰高血糖素、生長激素抑制激素和胰多肽表達水平升高[4]。因此，β細胞向α細胞等內分泌細胞的轉變也是導致胰島β細胞數(shù)量減少的原因之一。

盡管如此，已經(jīng)去分化的β細胞在接受治療之后，可重新分化為成熟的具有分泌功能的胰島β細胞[24]。鉀離子通道亢進(KATP-GOF)小鼠是一種由β細胞興奮抑制誘導的糖尿病模型[24]。Wang等[24]用胰島素處理KATP-GOF小鼠60 d，小鼠血糖水平降低，胰島β細胞容量恢復，胰島細胞由原來的胰島素分泌-/Ngn3+轉變?yōu)橐葝u素分泌+/Ngn3-。對非肥胖糖尿病小鼠模型(GK-S)實施胃腸重組術(Roux-en-Y gastric bypass, RYGB)[28]，以及對db/db小鼠進行卡路里限制或對飼喂養(yǎng)后，小鼠β細胞特征性標志物(胰島素、Pdx1、MafaA、Glut2)表達情況得到改善，GSIS功能恢復[29-30]。2型糖尿病早期患者通過單獨飲食控制也可以改善β細胞的功能，恢復第一時相胰島素的分泌，逆轉β細胞去分化的病理狀態(tài)[23,29]。這種細胞的再分化是2型糖尿病治療領域關注的熱點之一，可通過早期干預，挽救去分化的β細胞，達到治療糖尿病的目的。

4 β細胞去分化的人群檢測

迄今為止，有關胰島β細胞去分化的判斷，都是基于胰島原位各種基因表達檢測實現(xiàn)的[4-5]。在人體水平，采用同樣的手段來評估β細胞去分化顯然不可取。胰島β細胞的主要功能是在葡萄糖的刺激下合成和分泌胰島素。胰島β細胞受到血糖刺激，感知血糖變化而分泌胰島素的能力，被稱為β細胞的葡萄糖敏感性(β-cell glucose sensitivity，βCGS)。鑒于去分化的β細胞對葡萄糖刺激不反應——βCGS下降，就可以通過在人體水平檢測βCGS來反映β細胞去分化的程度。

在體胰島βCGS評估最早見于2002年Mari 等[31]的報道。他們根據(jù)口服葡萄糖耐量試驗(OGTT)中不同血糖水平，計算C肽分泌速率的平均斜率，來評估β細胞對不斷升高的葡萄糖濃度的反應能力。其中C肽的分泌速率根據(jù)Eaton等[32]和Van Cauter等[33]提出的胰島素釋放率數(shù)學模型計算得出，能夠準確地反映餐前胰島素的分泌。但是，在日常工作中，C肽測定不是正常葡萄糖耐量人群和未使用過胰島素治療的2型糖尿病患者的檢測指標，同時其檢測在大樣本流行病學研究中也較為少見。因此，通過C肽水平計算餐前胰島素的分泌在大樣本人群中不適用。2017年Li等[34]研究提出用OGTT中不同葡萄糖刺激下血漿胰島素分泌的速率(insulin release rate response to glucose，IRRG)替代評估胰島βCGS。研究顯示，IRRG與βCGS均與1相胰島素分泌處置指數(shù)密切相關，且IRRG 降低是遠期2型糖尿病發(fā)生的危險因素[34]。盡管OGTT中血漿胰島素水平不能真實地反映β細胞的胰島素分泌，但是鑒于胰島素測定在臨床廣泛應用，在缺乏C肽數(shù)據(jù)的情況下，IRRG可以作為反映βCGS的簡易指標，用于臨床研究評估。

5 小 結

綜上所述，高糖等應激情況下β細胞去分化引起β細胞質量下降是2型糖尿病發(fā)生的重要機制。β細胞去分化(包括轉分化)可能是應激條件下逃避細胞死亡的一種適應性機制，并且在一定情況下是可逆的。β細胞去分化的過程涉及營養(yǎng)物質誘導的基因調節(jié)，提示可以通過改變生活方式或在未完全發(fā)病前進行干預來防止糖尿病的發(fā)生，或在發(fā)病后可以針對某個基因或作用于代謝通路中的某個靶點來逆轉已經(jīng)去分化的β細胞，以達到治療糖尿病的目的。進一步探索β細胞去分化在糖尿病中發(fā)揮的作用可以為診斷和治療提供優(yōu)化的臨床思路，對糖尿病的預防和干預起積極作用。β細胞去分化作為2型糖尿病發(fā)病的重要機制，在疾病早期即可發(fā)生，IRRG作為反映βCGS的簡易指標可以用于人群的早期篩查，為及早發(fā)現(xiàn)并預防2型糖尿病提供新思路。