Cell ：曾艺组首次鉴定小鼠胰岛成体干细胞，建立胰岛类器官体外长期扩增培养体系学术资讯

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糖尿病是由遗传因素和环境因素长期共同作用导致的一种慢性、全身性代谢疾病。全球有4.3亿的糖尿病患者，其中1/4在中国。胰岛β细胞功能失常导致的胰岛素分泌不足是1型糖尿病和2型糖尿病的共同特征之一，许多患者需要终生使用胰岛素进行治疗【1】。近年来，胰岛移植作为新兴的糖尿病治疗方法取得了一定的成功。但供体胰岛的严重不足极大限制了这种方法的普及。如何打破供体的局限，获得可用于移植的功能性胰岛β细胞，一直是糖尿病治疗领域的巨大挑战【1, 2】。

如何源源不断地获得可用于移植的胰岛β细胞？一种思路是通过胚胎干细胞 (ES/iPS) 定向诱导分化来获取功能性胰岛细胞，这类研究在国际上已经取得了卓越的进展，然而这种通过重编程方法获得的细胞伴随着潜在的成瘤隐患【3, 4】。另一种思路是以器官（组织）的成体干细胞为来源，在体外制备功能性类器官。器官特有的成体干细胞可以遵循“天然”的分化路径，在体外合适的培养条件下通过增殖（自我更新）和分化，形成该器官的功能细胞。这类基于成体干细胞获得的类器官，其安全性、操作简单性已在肠道等多个系统中得到验证【5】。

但是，成年的胰岛中是否存在干细胞一直饱受争议【6-9】。因此，发现并鉴定胰岛干细胞是培养功能性胰岛类器官的先决条件，也是长期难题。中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）曾艺课题组致力于成体干细胞的研究，包括发现干细胞身份属性、研究干细胞信号调控及其与疾病的关系。已经在乳腺上皮 (Nature, 2015、Cell Res., 2019)、卵巢上皮 (Nature comm., 2019) 及血管内皮 (Cell Res., 2016) 等多个组织中发现了具有干细胞特性的新细胞类群（专家点评Cell Research | 曾艺/邵志敏合作团队发现三阴性乳腺癌新的分型诊断标记和治疗靶点；Nat Comm | 曾艺/李文合作团队发现小鼠卵巢上皮干细胞的身份属性及其在排卵后卵巢上皮的修复的作用），并解析了这些干细胞在器官发育及癌症发生中的重要作用。

2020年3月19日，曾艺研究组在Cell上发表文章Long-term expansion of pancreatic islet organoids from resident Procr+ progenitors。该研究成功鉴定了小鼠胰岛中的干细胞类群，并借助干细胞与血管内皮细胞共培养的方法，获得了有功能的小鼠胰岛类器官。为研究生理及病理条件下胰岛的发育与胰岛细胞的增殖分化及胰岛与其它微环境的相互作用提供了理想的体外模型，也为未来糖尿病的治疗提供了理论依据和技术支持。

为了寻找胰岛中的成体干细胞，曾艺课题组的研究人员通过对成年小鼠胰岛进行高通量的单细胞转录组测序，发现了一群新的细胞类群，其具有上皮-间质转化的特性，特异表达一种标签，蛋白C受体 (Procr)。为了在体内观察这群细胞的分布及特性，研究人员构建了Procr报告基因小鼠 (Procr-mGFP-2A-LacZ), 进一步确认了这群Procr+细胞不表达胰岛分化细胞的分子标记，与其它已知的胰岛分化细胞截然不同，可能处于未分化的状态。

通过体内谱系示踪实验 (Procr-CreERT2;Rosa26-confetti)，发现Procr+细胞在体内正常生理状态下分化形成胰岛的全部细胞类型 (Alpha, Beta, Delta, PP cells)。这些体内实验证明了这群Procr+细胞是胰岛中的成体干细胞。进一步地，研究人员把体内的发现转化成为体外的应用，建立了一种Procr+胰岛干细胞与血管细胞共培养的3D培养体系，成功获得有功能的胰岛类器官。这种在体外重构的类器官包含胰岛所有的细胞类型，在功能、形态、超微结构及转录组都与真正的小鼠胰岛表现出很大的相似性，能够迅速地响应糖刺激、分泌胰岛素。

这种胰岛类器官能够在体外培养传代20代以上，每次传代保持3～7倍的细胞数目增长。当把这些长期培养的类器官移植到糖尿病小鼠模型体内（肾包膜），它们能够恢复小鼠的血糖水平，挽救糖尿病表型。这部分体外工作展示了Procr+细胞的应用潜力，进一步印证了Procr+细胞的干细胞性质。

图示：第一部分的工作发现并鉴定了小鼠胰岛的Procr+成体干细胞（左）；第二部分工作建立胰岛类器官培养和长期扩增的体系（右）。第一部分的发现是第二部分的基础，第二部分在体外展示了Procr+细胞的应用潜力，也进一步印证了Procr+细胞的干细胞性质。

该研究工作首次鉴定了小鼠胰岛中的成体干细胞的身份，回答了长期以来成体胰岛是否存在干细胞这一争议性问题，是干细胞基础研究的重要突破。这项工作建立的小鼠胰岛类器官的培养体系，能够作为体外的模型，研究生理及病理（遗传操纵、药物影响）条件下胰岛细胞的增殖、分化及其与微环境的相互作用。尤其重要的是，它为未来糖尿病的治疗，为在体外获得大量有功能的胰岛β细胞，开拓了新的途径、提供了理论和技术的支持。据悉，该研究工作由分子细胞卓越中心曾艺课题组与荷兰Hubrecht研究所Hans Clevers教授课题组合作完成。分子细胞卓越中心王代松博士为该研究论文的第一作者。同时，该研究得到了北京大学汤富酬课题组、北京大学徐成冉课题组、中科院神经科学研究所刘志勇课题组在单细胞测序方面的大力支持。该工作的数据收集还得到了分子细胞卓越中心动物实验技术平台、细胞分析技术平台以及中科院计算生物学研究所生物医学大数据中心的大力支持。原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.02.048

参考文献

1. Zhou, Q., and Melton, D.A. (2018). Pancreas regeneration. Nature 557, 351-358.2. Lysy, P.A., Weir, G.C., and Bonner-Weir, S. (2013). Making beta cells from adult cells within the pancreas. Curr Diab Rep 13, 695-703.3. Pagliuca, F.W., Millman, J.R., Gurtler, M., Segel, M., Van Dervort, A., Ryu, J.H., Peterson, Q.P., Greiner, D., and Melton, D.A. (2014). Generation of functional human pancreatic beta cells in vitro. Cell 159, 428-439.4. Rezania, A., Bruin, J.E., Arora, P., Rubin, A., Batushansky, I., Asadi, A., O'Dwyer, S., Quiskamp, N., Mojibian, M., Albrecht, T., et al. (2014). Reversal of diabetes with insulin-producing cells derived in vitro from human pluripotent stem cells. Nat Biotechnol 32, 1121-1133.5. Gehart, H., van Es, J.H., Hamer, K., Beumer, J., Kretzschmar, K., Dekkers, J.F., Rios, A., and Clevers, H. (2019). Identification of Enteroendocrine Regulators by Real-Time Single-Cell Differentiation Mapping. Cell 176, 1158-1173 e1116.6. Dor, Y., Brown, J., Martinez, O.I., and Melton, D.A. (2004). Adult pancreatic beta-cells are formed by self-duplication rather than stem-cell differentiation. Nature 429, 41-46.7. Teta, M., Rankin, M.M., Long, S.Y., Stein, G.M., and Kushner, J.A. (2007). Growth and regeneration of adult beta cells does not involve specialized progenitors. Dev Cell 12, 817-826.8. Inada, A., Nienaber, C., Katsuta, H., Fujitani, Y., Levine, J., Morita, R., Sharma, A., and Bonner-Weir, S. (2008). Carbonic anhydrase II-positive pancreatic cells are progenitors for both endocrine and exocrine pancreas after birth. Proc Natl Acad Sci U S A 105, 19915-19919.9. Xu, X., D'Hoker, J., Stange, G., Bonne, S., De Leu, N., Xiao, X., Van de Casteele, M., Mellitzer, G., Ling, Z., Pipeleers, D., et al. (2008). Beta cells can be generated from endogenous progenitors in injured adult mouse pancreas. Cell 132, 197-207.

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