简介：糖尿病是一类以高血糖为特征的代谢性疾病。据估计，全球约有4亿人患有糖尿病，长期血糖控制不良增大发生微血管和大血管并发症的风险，从而导致多器官的慢性损害和功能障碍。胰岛类器官是由胚胎干细胞（Embryonic stem cell，ESC）、诱导性多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSC）、成体干细胞（adult stem cell, ASC）、胰腺祖细胞或部分已分化细胞应用体外培养技术建立的3D组织，具有自我更新和自我组装的能力，在适当的微环境条件下可以形成类似于来源组织的结构和功能。胰岛类器官具有模拟天然胰岛的分泌功能的优势，能够作为组织器官的替代品应用于发育生物学、药物筛选、疾病建模和个性化医学的试验研究，还可以作为临床器官移植手术的来源器官，在治疗糖尿病上有着巨大的潜力。然而目前胰岛类器官同时也还存在着如细胞类型组成缺乏，尺寸不可控，形状异质性，缺乏血管系统和内分泌功能不完善等问题。
本文以《Ameliorating and refining islet organoids to illuminate treatment and pathogenesis of diabetes mellitus》文章的第一部分到第四部分为知识框架，讨论胰岛类器官的构建策略，胰岛类器官在糖尿病中的作用，以及胰岛类器官目前面临的挑战。
一、胰岛类器官的构建
构建胰岛类器官的过程一般包括3个关键步骤：(1) 选择并获取来源细胞，并诱导来源细胞分化或转分化为胰岛细胞。(2)培育具有3D结构的功能胰岛。(3)促进类器官的形态和功能上的成熟。
1.1 诱导分化
1）hPSC：hPSCs包括人类胚胎干细胞（hESCs）和人类诱导多能干细胞（hiPSCs），具有无限自我更新和分化成三个胚层（即内胚层、中胚层和外胚层）所有细胞类型的卓越能力，这种独特的功能使其成为胰岛器官组织工程的理想候选者。
2）ACS：ASC存在于人体的多种组织中，是一种具有多向分化、产生本系统组织的一类细胞，在成熟组织中能够更新修复已死亡或损伤的细胞。由于ASC衍生的组织具有来源组织的特性，并且能够避免致瘤性，ASC被认为是类器官培育的另外一种来源。
1.2 胰岛类器官的3D培育
培育胰岛类器官的途径有两种方法，一种是将hPSCs进行悬浮培养，利用hPSCs自组织能力形成3D结构；另一种方法是在构建好的支架上培养细胞，使其形成3D结构。相比于传统的单层培养，悬浮培养能够降低细胞间的黏附作用，充分利用细胞和基质间的相互作用。构建支架促进细胞簇形成是另一种培育策略。天然的结构例如将ECM作为支架，可以促进细胞-基质相互作用和3D结构形成。也可通过选择猪的胰腺和脱细胞方法，整个供体器官提供ECM成分以及保留3D结构。
11.3 胰岛类器官的成熟策略
经上述诱导、培育方案后的胰岛类器官与天然胰岛相比，仍然有两大局限，一是内分泌功能不成熟，二是缺乏可灌注的血管。
胰岛有丰富的血管供应，为人体胰岛提供充足的氧气和营养，并对血糖进行微调和调节。构成血管网络的内皮细胞不仅能主动调节血管通透性，促进胰岛器官组织的血管化，还能调控一些重要免疫介质的表达和移动。间充质细胞也参与了类器官组织的构建，间充质细胞能触发自组织启动。除了在体系中添加相应细胞组分，在分子层面调控也是促细胞成熟的策略。
图1 构建胰岛类器官的流程和策略
二二、胰器官的应用
2.1类器官/β细胞替代疗法
对于不适用外源性胰岛素治疗的T1DM患者，包括胰腺移植、胰岛移植和β细胞替代治疗是另一可行的方案。目前，同种异体胰岛移植仍然缺乏器官来源。相比之下，胰岛类器官技术可利用多能干细胞定向分化可产生更大规模的包括β细胞在内的胰岛内分泌细胞。此外，胰岛类器官技术可通过整合免疫调节细胞或选择患者自体干细胞作为来源避免免疫攻击的安全性问题。
2.2 糖尿病药物筛选开发与精准治疗
糖尿病患者对药物的反应具有遗传异质性。基于sc-β细胞和胰岛类器官筛选特定基因相关的糖尿病潜在治疗药物的可行性已在多项研究中证实。如对hESCs衍生β细胞进行GWAS来鉴定T2DM易感基因突变，以高含量化学筛选方式鉴定了一种候选药物T5224，可通过抑制FOS/JUN通路挽救CDKA11突变所致β细胞葡萄糖糖分泌缺陷。然而，基于sc-β细胞或胰岛类器官的药物筛选平台具有缺乏其他糖尿病致病相关器官共同作用环境的问题，应用器官芯片技术联合胰岛类器官及其他类器官的药物筛选平台是可能的解决方案。
2.3糖尿病发病机制研究
基因突变是多种类型糖尿病发生的重要原因。在细胞水平，基于人干细胞衍生的β细胞或胰岛模型的研究可进一步明确致病基因、功能基因以及糖尿病相关基因的具体致病机制。在器官水平，类器官相比小鼠模型，能够更好地维持患者来源细胞的功能、生理学特征，能克服模型小鼠物种差异性及遗传多样性不足的缺陷，从而有利于阐释基因在人类中不同于小鼠的致病作用。
图2 胰岛类器官在糖尿病发病机制研究和治疗改善中的应用
三、胰岛类器官面临的挑战
3.1 胰岛类器官构建挑战
1）选择细胞外基质：类器官制备ECM包括Matrigel、生物来源的天然聚合物、人工合成聚合物、人或动物来源的脱细胞ECM等。小鼠来源的Matrigel是最早且最广泛用于类器官培养的ECM，然而由于Matrigel存在成分不明、批次差异、免疫原性等问题，限制了其临床应用。天然聚合物利于细胞黏附与细胞间相互作用，但其生物来源也导致了批次差异、机械性能难于控制等缺陷。人工合成的各类水凝胶是新型ECM，水凝胶生化线索设置不佳将导致细胞未附着于水凝胶的凋亡，这可能是水凝胶系统培养类器官功能维持时间不足的原因。
2）3D培养技术的挑战：常用的悬浮培养技术使得细胞能够自发聚集形成类似人体组织的结构。然而，悬浮培养中hPSCs自发聚集形成的细胞簇大小不一。此外，细胞间和细胞与基质间的相互作用可能被破坏，而微孔支架培养技术作为一种更优的方案，可通过微孔直径控制聚集细胞簇的大小及细胞-细胞、细胞-基质间的相互作用，从而获得大小均一、信号转导环境保留、具有产胰岛素响应葡萄糖的胰岛类器官。微流控的动态培养系统为细胞提供了更佳的营养支持环境，与静态培养系统相比，生成的胰岛类器官中缺氧应激减少，胰岛素分泌功能提升，器官保持活力与有效功能的时间大大延长。
3.2 胰岛类器官模型可信性
1）与天然胰岛的功能差异：胰岛类器官的整体功能较天然胰岛也有缺陷，如缺乏完整神经-体液调节系统和基于该调节系统的众多β细胞同步、稳定而快速的胰岛素释放。胰岛类器官的功能还存在产生时间及持续时间的缺陷。hPSC来源的胰岛，移植于小鼠2-6周后才可响应葡萄糖刺激释放胰岛素。发育阶段方面，hPSC来源的胰岛类器官中β细胞转录组更类似于胎儿β细胞。胰岛类器官与天然胰岛的代谢组同样存在差异，其中包括糖酵解及线粒体葡萄糖代谢差异。
3.3 胰岛类器官移植治疗的安全性
1）致瘤性：当前干细胞定向分化方案产生天然胰岛不存在的异质增殖细胞，是移植后产生肿瘤的潜在风险来源。因此，一方面需要避免使用高致瘤倾向的来源组织及将高致瘤风险的诱导策略，另一方面可以定义更准确的细胞表面标志物进行细胞分选及抗体选择性杀伤去除致瘤细胞。
2）免疫排斥：同种异体移植仍是目前的主要手段，相应的移植排斥是一个在类器官构建时需要关注的问题。同种异体来源的胰岛移植导致的免疫排斥反应包括超急性排斥反应、急性排斥反应和慢性排斥反应，其中急性排斥反应最为常见。通过对移植细胞进行基因编辑，选择性消融HLA 分子是目前抑制移植排斥的一种有效策略。此外，胰岛类器官构建中生物来源或人工合成的基质、支架材料仍存在一定的免疫原性。使用特定材料构建物理半透性屏障封装胰岛是可行的策略。
3）感染及血栓：缺乏质控的含有病原体的生物来源培养基是潜在的感染来源。连续灌注下为细胞提供更佳营养支持的微流控系统同时也面临着微生物污染的挑战。胰岛类器官尚未具备有功能的免疫系统，进一步增加了感染风险。
图3 胰岛类器官的应用在模型可信度和转化安全性方面面临挑战
原文和图片来源：Li Y, Xu M, Chen J, Huang J, Cao J, Chen H, Zhang J, Luo Y, Wang Y, Sun J. Ameliorating and refining islet organoids to illuminate treatment and pathogenesis of diabetes mellitus. Stem Cell Res Ther. 2024 Jun 27;15(1):188. doi: 10.1186/s13287-024-03780-7
链接：https://stemcellres.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13287-024-03780-7
