靶向药理疗法可恢复β细胞功能以缓解糖尿病

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NatureMetabolism：靶向药理疗法可恢复β细胞功能以缓解糖尿病

一篇发表在NatureMetabolism

文章有四位通讯作者：,,üller,HeikoLickert.分别来自HelmholtzZentrumMünchen，德国糖尿病研究中心（DZD），慕尼黑工业大学（TUM）以及InSpheroAG和NovoNordisk的科学家合作完成。

糖尿病研究所所长HeikoLickert博士解释说：“我们的研究不仅描述了β细胞去分化的途径和过程，还证明了单一药物和联合药物治疗通过靶向去分化的β细胞实现糖尿病缓解的潜力。”TUM医学院细胞生物学教授莱克特说：“该研究首次表明通过使用尖端的单细胞技术，计算生物学，药理学和再生生物能够实现β细胞再分化。”

▉导读

1.胰岛中分泌胰岛素的β细胞脱分化是β细胞功能障碍的主要机制。当前的药理治疗不能缓解β-cell功能，并且β-cell的减少都会导致葡萄糖无法利用，最终导致严重的微血管和大血管并发症。是否能够将脱分化的β细胞作为缓解糖尿病的药理学靶标，以及实现这一目标的方法尚不清楚。

2.采用了链脲佐菌素诱导的糖尿病小鼠（mSTZ）以研究β细胞脱分化。通过单细胞测序鉴定了与β细胞脱分化相关的标志物与通路。单一或联合给药结果表明胰岛素治疗激活了β细胞中胰岛素受体通路，恢复了β细胞的成熟和功能以缓解糖尿病。

3.了解β细胞功能障碍和药理补给的机制，在以停止或逆转糖尿病的进展并改善患者的治疗选择方面尤为重要。这项研究不仅阐述了β细胞脱分化和再生的机制，而且揭示了靶向脱分化β细胞以缓解糖尿病的药理学切入点。

▉思维导图

▉前言

1.胰岛素产生性β细胞团的逐渐丧失或功能障碍最终分别导致1型糖尿病（T1D）或2型糖尿病（T2D）。当前的药理治疗不能缓解β-cell功能，并且β-cell的减少都会导致葡萄糖无法利用，最终导致严重的微血管和大血管并发症。

2.因此，迫切需要了解β细胞功能障碍和药理补给的机制，以停止或逆转糖尿病的进展并改善患者的治疗选择。

▉文章背景

在进入文章主要内容前，先带领大家简单认识2012年发表在NatureMedicine上的一篇文章，这篇文章可以帮我们更好的理解本文工作的意义，以及了解一些本文的基础工作。

糖尿病治疗通常包括针对胰岛素抵抗和胰岛素缺乏的单独药物。对于胰岛素抵抗目前常用的两种药物包括雌激素和GLP-1（胰高血糖素样肽-1），其中雌激素是类固醇激素，已被反复证明是肥胖和2型糖尿病的治疗药物，但是，雌激素的临床应用受到生殖毒性和促肿瘤副作用的限制；GLP-1的代谢特征包括肠降血糖素和产生饱腹感。使雌激素在治疗上更可行的一种策略是使用具有组织特异性作用的选择性雌激素受体调节剂，但由于机制认识不足这种方法很难开发。

为了克服这些不足和挑战，作者开发了新型多功能单分子，将GLP-1和雌激素形成一醚键形成共轭物，该分子针对控制能量平衡和葡萄糖稳态的关键途径，在针对GLP-1的组织中选择性激活雌激素受体产生了前所未有的功效，同时可增强GLP-1激动剂的代谢益处，且避免了雌激素的副作用。

▉内容介绍

a|GLP-雌激素和PEG-胰岛素治疗可再生功能性β细胞团

如图作者首先介绍了实验方案，接着对实验小鼠进行了血糖、C肽、胰岛素分泌水平等指标测量，其中两种药物联用组治疗效果最佳，与单药胰岛素治疗（25nmolkg-1）相比，两药联用组能够将胰岛素剂量减少60％（10nmolkg-1），并且仍能达到卓越的治疗效果，还降低了发生低血糖和意外体重的风险。

且药物对胰岛细胞的改善，即使停止治疗也能维持细胞功能、GLP-雌激素组在改善β细胞功能以及应对人类细胞因子应激的作用优于两种单激动剂。

b|单细胞水平的β细胞去分化

为了阐明mSTZ糖尿病患者β细胞衰竭以及不同治疗方法后β细胞恢复的分子机制，对药物治疗后的小鼠进行了分离的胰岛细胞的scRNA测序。

在正常的胰岛稳态中，作者通过无偏聚类分析确定了四种主要的内分泌细胞亚型，单细胞轨迹分析揭示了转录状态的连续性（图d），作者发现β细胞成熟标志物基因（例如InsIns2和Ucn3）和分泌机制的基因（G6pcSytl4和Slc2a2）表达逐渐增加，β细胞不成熟基因Mafb23和泛内分泌谱系标记基因（Chga和Chgb）沿从β2细胞到β1细胞的伪时间轨迹表达增加。这两个发现都提示β2细胞处于更不成熟和/或增生的状态。

scRNA-seq数据的聚类和嵌入结果揭示了β-mSTZ细胞存在内质网应激反应和β细胞功能障碍。单细胞分析发现了一些β-mSTZ细胞中大量上调基因和通路，这些确定的靶标可以用作功能异常的β细胞的生物标志物，并且可能具有成为恢复β细胞功能的可药物化途径的一部分的潜力。

有趣的是，与健康的成熟β细胞相比，在mSTZ糖尿病β细胞而非胚胎β细胞中，作者发现与内质网应激相关的通路上调，参与胰岛素和MAPK信号传导的基因表达降低。这些结果表明实验组β细胞被去分化，这表明mSTZ诱导的糖尿病是研究在没有遗传病灶的情况下β细胞去分化和再分化机制的良好模型。（详细图见原文）

c|单细胞水平的β细胞再分化

作者计算了细胞间的距离，以便可以沿着细胞轨迹将细胞排序。在这个一维轴上，用PEG-胰岛素或PEG-胰岛素和GLP-雌激素联合治疗的小鼠的β细胞位于距健康小鼠的β细胞最近的位置（图a-c）。PAGA进一步支持了与健康β细胞的这种转录相似性。在PAGA图中，用PEG-胰岛素治疗的小鼠和GLP-雌激素加PEG-胰岛素治疗的小鼠的β细胞显示出与健康β细胞的最强联系（图d）。

为了研究不同治疗方法的不同作用机制（MOA），作者鉴定了治疗过的mSTZβ细胞的特异性转录特征，尽管无法剖析每个受体的信号传导作用，但作者认为，多重药理学方法可能会增强共同调控通路的同时激活。

▉总结

β细胞再分化（沿去分化和再分化轨迹）是通过使用GLP-雌激素或PEG-胰岛素或通过其联合治疗在mSTZ模型中重建功能性β细胞的主要机制。通过将低剂量胰岛素与GLP-雌激素结合使用，我们能够触发以β细胞增殖和功能增强为特征的β细胞特异性转录反应。为药理学靶向脱分化β细胞以缓解糖尿病开辟了新的道路。

原文引用：

参考资料：

1.（单细胞RNA-seq数据分析最佳实践）