北京時(shí)間3月19日深夜，中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所）曾藝研究組的文章“Long-term expansion of pancreatic islet organoids from resident Procr+ progenitors”在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊Cell上發(fā)表。該研究發(fā)現(xiàn)并鑒定了小鼠胰島中的干細(xì)胞類群，基于這些干細(xì)胞，建立了小鼠胰島類器官體外長(zhǎng)期擴(kuò)增的培養(yǎng)體系。

 

        糖尿病是由遺傳因素和環(huán)境因素長(zhǎng)期共同作用導(dǎo)致的一種慢性、全身性代謝疾病。全球有4.3億的糖尿病患者，其中1/4在中國(guó)。胰島β細(xì)胞功能失常導(dǎo)致的胰島素分泌不足是1型糖尿病和2型糖尿病的共同特征之一，許多患者需要終生使用胰島素進(jìn)行治療。近年來(lái)，胰島移植作為新興的糖尿病治療方法取得了一定的成功。但供體胰島的嚴(yán)重不足極大限制了這種方法的普及。如何打破供體的局限，獲得可用于移植的功能性胰島β細(xì)胞，一直是糖尿病治療領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)。

 

        如何源源不斷地獲得可用于移植的胰島β細(xì)胞？一種思路是通過(guò)胚胎干細(xì)胞 (ES/iPS) 定向誘導(dǎo)分化來(lái)獲取功能性胰島細(xì)胞，這類研究在國(guó)際上已經(jīng)取得了卓越的進(jìn)展。然而這種通過(guò)基因重編程方法獲得的細(xì)胞伴隨著一定的成瘤隱患。另一種思路是以器官（組織）的成體干細(xì)胞為來(lái)源，在體外制備功能性類器官。器官特有的成體干細(xì)胞可以遵循“天然”的分化路徑，在體外合適的培養(yǎng)條件下通過(guò)增殖（自我更新）和分化，形成該器官的功能細(xì)胞。這類基于成體干細(xì)胞獲得的類器官，其安全性、操作簡(jiǎn)單性已在腸道等多個(gè)系統(tǒng)中得到驗(yàn)證。但是，胰島中是否存在成體干細(xì)胞一直飽受爭(zhēng)議。因此，發(fā)現(xiàn)并鑒定胰島干細(xì)胞是培養(yǎng)功能性胰島類器官的先決條件，也是長(zhǎng)期難題。

 

        曾藝研究組致力于成體干細(xì)胞的研究，包括發(fā)現(xiàn)干細(xì)胞身份屬性、研究干細(xì)胞信號(hào)調(diào)控及其與疾病的關(guān)系。已經(jīng)在乳腺上皮 (Nature, 2015、Cell Res., 2019)、卵巢上皮 (Nature Comm., 2019) 及血管內(nèi)皮 (Cell Res., 2016) 等多個(gè)組織中發(fā)現(xiàn)了具有干細(xì)胞特性的新細(xì)胞類群，并解析了這些干細(xì)胞在器官發(fā)育及癌癥發(fā)生中的重要作用。

 

        為了尋找胰島中的成體干細(xì)胞，曾藝研究組的研究人員通過(guò)對(duì)成年小鼠胰島進(jìn)行高通量的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，發(fā)現(xiàn)了一群新的細(xì)胞類群，其具有上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化的特性，并特異表達(dá)一種標(biāo)簽，蛋白C受體 (Procr)。為了在體內(nèi)觀察這群細(xì)胞的分布及特性，研究人員構(gòu)建了Procr報(bào)告基因小鼠 (Procr-mGFP-2A-LacZ), 進(jìn)一步確認(rèn)了這群Procr+細(xì)胞不表達(dá)胰島分化細(xì)胞的分子標(biāo)記，與其它已知的胰島分化細(xì)胞截然不同，可能處于未分化的狀態(tài)。通過(guò)體內(nèi)譜系示蹤實(shí)驗(yàn) (Procr-CreERT2;Rosa26-confetti)，發(fā)現(xiàn)Procr+細(xì)胞在體內(nèi)正常生理狀態(tài)下分化形成胰島的全部細(xì)胞類型 (Alpha, Beta, Delta, PP cells)。這些體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明了這群Procr+細(xì)胞是胰島中的成體干細(xì)胞。

 

        研究人員進(jìn)一步把體內(nèi)的發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化成為體外的應(yīng)用，建立了一種Procr+胰島干細(xì)胞與血管細(xì)胞共培養(yǎng)的3D培養(yǎng)體系，成功獲得有功能的胰島類器官。這種在體外重構(gòu)的類器官包含胰島所有的細(xì)胞類型，在功能、形態(tài)、超微結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)錄組都與真正的小鼠胰島表現(xiàn)出很大的相似性，能夠迅速地響應(yīng)糖刺激、分泌胰島素。這種胰島類器官能夠在體外培養(yǎng)傳代20代以上，每次傳代保持3～7倍的細(xì)胞數(shù)目增長(zhǎng)。當(dāng)把這些長(zhǎng)期培養(yǎng)的類器官移植到糖尿病小鼠模型體內(nèi)（腎包膜），它們能夠恢復(fù)小鼠的血糖水平，挽救糖尿病表型。這部分體外培養(yǎng)的工作展示了Procr+細(xì)胞的應(yīng)用潛力，也進(jìn)一步印證了Procr+細(xì)胞的干細(xì)胞性質(zhì)。

 

        該研究工作首次鑒定了小鼠胰島中的成體干細(xì)胞的身份，回答了長(zhǎng)期以來(lái)成體胰島是否存在干細(xì)胞這一爭(zhēng)議性問(wèn)題，是干細(xì)胞基礎(chǔ)研究的重大突破。這項(xiàng)工作建立的小鼠胰島類器官的培養(yǎng)體系，能夠作為體外的模型，研究生理及病理（遺傳操縱、藥物影響）條件下胰島細(xì)胞的增殖、分化及其與微環(huán)境的相互作用。尤其重要的是，它為未來(lái)糖尿病的治療，為在體外獲得大量有功能的胰島β細(xì)胞，開(kāi)拓了新的途徑、提供了理論和技術(shù)的支持。

 

        該研究工作由分子細(xì)胞中心曾藝研究組與荷蘭Hubrecht研究所Hans Clevers教授研究組合作完成。分子細(xì)胞中心王代松博士為該研究論文的第一作者。該論文的其他作者還包括曾藝研究組王經(jīng)強(qiáng)博士、博士研究生白藍(lán)月、實(shí)驗(yàn)技術(shù)員潘虹和中科院上海營(yíng)養(yǎng)與健康研究所生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)中心馮華博士。同時(shí)，該研究得到了北京大學(xué)湯富酬教授，李莉、李琳博士；北京大學(xué)徐成冉教授、于欣欣博士；中科院神經(jīng)科學(xué)研究所劉志勇教授、李超博士在單細(xì)胞測(cè)序分析方面的大力支持。該工作的數(shù)據(jù)收集還得到了分子細(xì)胞中心細(xì)胞分析技術(shù)平臺(tái)葛靈、何鈞、王艷、涂溢暉以及中科院上海營(yíng)養(yǎng)與健康研究所生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)中心信長(zhǎng)朋博士的大力支持。該項(xiàng)成果得到了中科院、國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、上海市科委及分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心主任基金等的經(jīng)費(fèi)支持。

 

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