糖尿病是困擾全球億萬(wàn)患者的慢性代謝性疾病，長(cháng)期以來(lái)，我們只能依靠胰島素和藥物來(lái)控制病情，但副作用和療效有限一直困擾著(zhù)患者們。

利用干細胞治療數百萬(wàn)糖尿病患者：方法、技術(shù)和未來(lái)方向

近期發(fā)表在權威期刊《Handbook of Stem Cell Applications》的一項研究，研究表明干細胞是一種可再生且安全的胰島來(lái)源，可實(shí)現廣泛的無(wú)免疫抑制胰島細胞移植，從而有望治愈糖尿病 (DM)。目前干細胞來(lái)源的胰島細胞移植臨床試驗的初步報告顯示出良好的前景。預計不久將有更多臨床試驗報告類(lèi)似的有利結果，希望推動(dòng)干細胞治療糖尿病的技術(shù)從考慮變?yōu)楝F實(shí)。

盡管優(yōu)化仍在進(jìn)行中，并且這些試驗的概念驗證在實(shí)施成為標準治療之前至關(guān)重要，但盡早考慮流程的可擴展性以使數百萬(wàn)糖尿病患者能夠獲得治療至關(guān)重要。規劃這些技術(shù)的成功意味著(zhù)在引入干細胞來(lái)源的治療方法時(shí)盡早考慮方法、技術(shù)和工藝，以?xún)?yōu)化當前的研究并最大限度地發(fā)揮未來(lái)的效用。

在此，我們討論了干細胞來(lái)源的胰島細胞移植的兩個(gè)主要競爭者，即基于可誘導多能干細胞的自體胰島和同種異體胚胎干細胞來(lái)源的胰島，并評估了它們的可擴展性潛力。此外，我們介紹了當前對優(yōu)化細胞選擇和分化的人工智能方法的研究。我們還回顧了二維與三維培養技術(shù)和技術(shù)進(jìn)步，希望這些技術(shù)能夠在未來(lái)大規模生產(chǎn)干細胞衍生的胰島。

最后，我們討論了這些技術(shù)的一個(gè)重要現實(shí)考慮因素——全球4000萬(wàn)糖尿病患者的成本和可及性。我們打算在研究早期強調可擴展性問(wèn)題的重要性，以解決此類(lèi)問(wèn)題并減少潛在的可擴展性障礙，從而促進(jìn)數百萬(wàn)患者早期廣泛獲得干細胞。

1型糖尿?。阂葝u免疫破壞與血糖穩態(tài)失衡的雙重危機

1型糖尿病 (T1D) 涉及胰島的自身免疫性破壞，胰島負責胰腺的內分泌功能。胰島由α細胞和β細胞組成，它們對局部環(huán)境作出反應，負責動(dòng)態(tài)、反應性血糖控制。

簡(jiǎn)而言之，當血糖過(guò)高（即高血糖癥）時(shí)，β細胞會(huì )釋放胰島素來(lái)降低血糖。當血糖過(guò)低（低血糖癥）時(shí)，α細胞會(huì )釋放胰高血糖素來(lái)增加血糖。通過(guò)這種方式，胰島有助于身體穩態(tài)并實(shí)現正常血糖（即葡萄糖水平從3.9到10mmol/L），無(wú)論葡萄糖攝入量如何，生理上都會(huì )迅速做出反應。

因此，在患有T1D的患者中，如果沒(méi)有胰島來(lái)促進(jìn)血糖控制，則可能會(huì )發(fā)生高血糖和低血糖，導致兩種狀態(tài)下的嚴重后果?；加懈哐前Y時(shí)，患者會(huì )出現排尿增多（即多尿）、口渴（即多飲）、惡心、嘔吐、腹痛、疲勞和口氣有水果味。從生理上講，當身體不能適當利用能量來(lái)源并轉變?yōu)榉纸獯x狀態(tài)以產(chǎn)生非葡萄糖源能量時(shí)，就會(huì )發(fā)生糖尿病酮癥酸中毒 (DKA)。由于脫水、酸中毒和意識模糊加重，DKA會(huì )迅速成為一種危及生命的疾病，死亡率為0.3–1.3%。

長(cháng)期來(lái)看，高血糖會(huì )導致嚴重的微血管和大血管并發(fā)癥，包括冠狀動(dòng)脈疾病、外周血管疾病、神經(jīng)病變、腎病和視網(wǎng)膜病變，從而大大降低生活質(zhì)量和時(shí)間。

另一方面，低血糖會(huì )立即導致自主神經(jīng)和神經(jīng)性低血糖并發(fā)癥，包括顫抖、嗜睡、視力和言語(yǔ)問(wèn)題、心悸、焦慮，以及最令人擔憂(yōu)的意識喪失（即糖尿病昏迷）和死亡。長(cháng)期來(lái)看，低血糖會(huì )導致患者失去對這些事件的意識（即低血糖無(wú)意識），并給1型糖尿病患者帶來(lái)相當大的發(fā)病率和死亡率風(fēng)險。

1922 年之前，1型糖尿病的死亡率極高，患者通常在出現癥狀后數周內就會(huì )死亡，而且沒(méi)有可用的治療方法。1922年1月，在動(dòng)物模型上取得成功后，加拿大多倫多的班廷博士、貝斯特和麥克勞德使用分離胰島素治療了第一位1型糖尿病患者，患者在持續治療下存活了13年，這在當時(shí)是一項了不起的成就。班廷和麥克勞德獲得了1923年諾貝爾醫學(xué)獎。盡管有這一了不起的發(fā)現，但班廷明白胰島素只是一種治療方法，而不是治愈方法，他在獲獎感言中指出：

胰島素不是糖尿病的治愈方法，而是一種治療方法。它使糖尿病患者能夠燃燒足夠的碳水化合物，從而可以在飲食中添加足夠數量的蛋白質(zhì)和脂肪，為生活中的經(jīng)濟負擔提供能量。

過(guò)去一百年來(lái)，我們對胰島素的應用驗證了這一觀(guān)點(diǎn)。盡管胰島素的發(fā)現使患者得以避免高血糖和低血糖的急性并發(fā)癥，但外源性胰島素的血糖控制仍不完善。

胰島素治療的局限性：盡管胰島素挽救了T1D患者的生命，但外源性胰島素無(wú)法完全模擬胰島細胞的動(dòng)態(tài)血糖調節功能，導致慢性并發(fā)癥（如血管病變）和低血糖風(fēng)險持續存在。

血糖控制現狀：目前，成年患者達標率低，僅21%的美國成年 T1D 患者 HbA1c<7%（目標值）。此外，兒童改善有限；青少年患者平均 HbA1c 仍高達 9.0%，與 1980 年代相比無(wú)顯著(zhù)進(jìn)步。

低血糖風(fēng)險：31-41% 患者經(jīng)歷過(guò)低血糖，夜間發(fā)生率高且危害大（如意識喪失、癲癇）。

技術(shù)進(jìn)展的不足：現有胰島素泵、閉環(huán)系統等技術(shù)未能完全解決血糖波動(dòng)問(wèn)題，需進(jìn)一步優(yōu)化。

未來(lái)方向：開(kāi)發(fā)更接近生理性調節的 β 細胞替代療法（如干細胞分化技術(shù)），以徹底改善 T1D 患者的血糖控制和生活質(zhì)量。

2型糖尿病的代謝困境與胰島移植的應用挑戰

糖尿?。―M）的臨床負擔不僅限于1型患者，全球超過(guò)4億的2型糖尿?。═2D）患者面臨高血糖和低血糖的雙重風(fēng)險，其病理機制涉及胰島素分泌不足、胰島素抵抗及代償功能缺陷。盡管患者胰島未完全喪失，但仍會(huì )出現與1型糖尿病相似的代謝紊亂及并發(fā)癥。當前治療以口服藥物為主，通過(guò)促進(jìn)殘存胰島功能或改善胰島素敏感性控制血糖；約15%患者因病情進(jìn)展需依賴(lài)胰島素。胰島移植（ITx）理論上可提供生理性血糖調節，但因終身免疫抑制風(fēng)險及供體稀缺，目前極少用于T2D患者。然而，技術(shù)優(yōu)化或可突破免疫抑制限制，未來(lái)或惠及遠超1型患者數量的龐大群體，但需解決可擴展性問(wèn)題。

為恢復生理性血糖調控，胰腺移植與ITx均被探索，但各有局限。胰腺移植雖能完全恢復內分泌功能，但手術(shù)風(fēng)險高且依賴(lài)免疫抑制；ITx雖微創(chuàng )且圍手術(shù)期風(fēng)險低，卻受限于供體質(zhì)量不足、免疫排斥及免疫抑制副作用。兩者均因供體短缺難以滿(mǎn)足數億患者需求，故需嚴格分配標準，目前ITx僅適用于伴嚴重低血糖或血糖極度不穩定的1型患者。未來(lái)技術(shù)革新或能突破供體與免疫抑制瓶頸，但需平衡療效與可行性。

干細胞衍生胰島移植——突破糖尿病治療的供體與免疫抑制瓶頸

干細胞衍生胰島移植（SC-ITx）為克服傳統胰島移植（ITx）的供體短缺與免疫抑制依賴(lài)提供了革命性路徑。通過(guò)誘導性多能干細胞（iPSC）等分化技術(shù)，可大規模生產(chǎn)功能性胰島，臨床試驗已初步驗證其安全性與療效。相較于依賴(lài)逝者供體的同種異體移植，SC-ITx的無(wú)免疫抑制潛力（如自體或免疫保護型移植）有望惠及更廣泛患者群體，包括4億2型糖尿病患者（T2D），同時(shí)避免自身免疫復發(fā)風(fēng)險。其目標不僅是治愈約400萬(wàn)1型糖尿?。═1D）患者，更可能重塑糖尿病整體治療格局。

實(shí)現這一愿景需在研發(fā)早期融入可擴展性設計。需權衡同種異體與自體SC-ITx的規?；瘽摿?，結合人工智能優(yōu)化細胞篩選，并深入解析干細胞擴增條件以生產(chǎn)高效、功能性胰島（圖1）。此外，跨學(xué)科協(xié)作與自動(dòng)化生產(chǎn)系統的整合將提升效率與經(jīng)濟性，確保技術(shù)從實(shí)驗室到臨床的快速轉化。通過(guò)系統性突破技術(shù)瓶頸，SC-ITx或能真正成為覆蓋億萬(wàn)糖尿病患者的普適性療法，終結傳統治療的局限性。

同種異體干細胞與自體干細胞的比較

目前正在研究?jì)煞NSC衍生ITx方法。每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)和可擴展性的獨特考慮因素。在本章的這一部分中，我們將討論這兩種方法的可擴展性考慮因素。同種異體SC衍生ITx涉及少量SC供體作為分化和胰島生成的來(lái)源。雖然由于 SC 來(lái)源較少，可能更容易擴展以進(jìn)行廣泛應用，但對免疫抑制或免疫保護的要求可能會(huì )限制其整體風(fēng)險收益狀況。

或者，自體iPSC衍生的ITx涉及生成患者特定的iPSC以生成胰島，從而無(wú)需任何免疫抑制要求；但是，由于這種方法需要個(gè)體化的iPSC和胰島，因此優(yōu)化可擴展性的技術(shù)對于實(shí)現廣泛使用至關(guān)重要。

同種異體干細胞胰島移植的優(yōu)勢與臨床突破

同種異體SC衍生ITx涉及多個(gè)胚胎或誘導多能 SC 作為所有接受者生成胰島的來(lái)源。這些 SC 來(lái)源在體外擴增，分化為胰島，并作為同種異體 ITx 提供給患者。該技術(shù)可以將 SC 擴增為大型生物反應器，以產(chǎn)生數百萬(wàn)個(gè)細胞進(jìn)行分化。同樣，從這種擴增的 SC 來(lái)源分化可以更容易地產(chǎn)生幾個(gè)分化的胰島用于 ITx。雖然這種方法的可擴展性可以消除 ITx 的胰島來(lái)源限制，但如果不進(jìn)一步修改流程，由于胰島來(lái)??源為同種異體，患者仍然需要免疫抑制。

同種異體干細胞胰島移植優(yōu)勢

供體供應無(wú)限制：通過(guò)胚胎干細胞（ESC）或誘導多能干細胞（iPSC）體外擴增分化，可規?；a(chǎn)數百萬(wàn)胰島細胞，突破傳統胰島移植的供體短缺瓶頸（Saima & Haider, 2021）。

技術(shù)可行性高：利用生物反應器實(shí)現干細胞擴增與定向分化，工藝可標準化，便于大規模應用。

初步臨床驗證成功：Vertex公司VX-880胚胎干細胞胰島移植聯(lián)合免疫抑制治療，使1型糖尿?。═1D）患者胰島素依賴(lài)顯著(zhù)減少，血糖控制改善；

ViaCyte公司干細胞胰島樣產(chǎn)品在皮下裝置中成功分泌C肽（Shapiro et al., 2021）。

免疫調控潛力：基因編輯技術(shù)（如敲除HLA-I類(lèi)分子、表達IL-10或PD-L1）可降低免疫原性，減少或避免免疫抑制需求。

同種異體干細胞胰島移植成果與進(jìn)展

• 基因工程胰島：通過(guò)改造干細胞表達免疫耐受分子或消除HLA抗原，降低T細胞、巨噬細胞及NK細胞攻擊風(fēng)險；
• 封裝技術(shù)：免疫保護裝置（如ViaCyte VC-02）在臨床試驗中初步顯示安全性與C肽分泌能力（NCT03162926），但需解決長(cháng)期異物反應問(wèn)題。
• 肝外移植嘗試：皮下、網(wǎng)膜等部位移植雖在動(dòng)物模型中有效，但臨床轉化仍面臨功能維持與免疫保護挑戰。

結論：同種異體干細胞胰島移植已展現突破供體限制與改善療效的潛力，但需進(jìn)一步解決免疫抑制、功能穩定性及規?；a(chǎn)難題，以實(shí)現從“概念驗證”到“普惠療法”的跨越。

自體干細胞胰島移植的優(yōu)勢與成果

第二種干細胞衍生胰島移植（SC-ITx）的替代方法涉及個(gè)體化生成誘導多能干細胞（iPSCs），并將其分化為胰島后進(jìn)行自體移植。該技術(shù)首先需從患者體細胞生成iPSCs：通過(guò)過(guò)表達山中因子（Oct3/4、Sox2、Klf4和c-Myc）將體細胞重編程為多能干細胞。

自體干細胞胰島移植的優(yōu)勢

• 完全免疫豁免：自體iPSC來(lái)源的胰島與患者遺傳背景一致，移植后無(wú)需免疫抑制，避免藥物副作用及感染風(fēng)險。
• 高度個(gè)性化：基于患者自身細胞重編程，無(wú)倫理爭議，且規避同種異體移植的免疫排斥問(wèn)題。
• 技術(shù)可遷移性：分化方案與移植技術(shù)已通過(guò)同種異體SC-ITx臨床驗證（如Vertex公司案例），可直接轉化至自體治療場(chǎng)景。

自體干細胞胰島移植的成果與進(jìn)展

• 臨床前驗證成功：iPSCs分化胰島在動(dòng)物模型中成功逆轉糖尿??；使用PBMC與仙臺病毒轉導技術(shù)，已實(shí)現符合GMP標準的iPSCs生產(chǎn)。
• 分化流程成熟：iPSC向胰島的分化路徑已明確，可生成功能性β細胞。

結論：自體iPSC衍生胰島移植憑借免疫豁免與個(gè)性化優(yōu)勢，為糖尿病治愈提供理想路徑，但需突破規?；a(chǎn)與成本限制，通過(guò)AI與自動(dòng)化技術(shù)推動(dòng)其從實(shí)驗室走向臨床普惠。

人工智能在優(yōu)化細胞選擇與分化中的作用

如上所述，自體干細胞衍生胰島移植（SC-ITx）的第一步是生成患者特異性的誘導多能干細胞（iPSC）系。為實(shí)現這一目標，需采集患者體細胞（通常為外周血單核細胞PBMC）并進(jìn)行體外擴增。隨后，利用仙臺病毒轉導技術(shù)，使細胞表達山中因子（Oct3/4、Sox2、Klf4和c-Myc），從而重編程為iPSCs。仙臺病毒轉導能高效遞送基因且不整合至宿主基因組。然而，僅1%-3%的PBMC能成功轉化為iPSCs，且需傳代約10次以清除病毒殘留。此后，需根據形態(tài)學(xué)手動(dòng)篩選最佳iPSC克隆，并通過(guò)流式細胞術(shù)、基因分析、病毒篩查等技術(shù)進(jìn)行多維度表征，最終選定無(wú)遺傳異常且多能性標記表達最優(yōu)的克隆。從iPSC生成到分化為胰島的全程耗時(shí)約2個(gè)月，涉及每日精細操作。

目前，iPSC的生成和分化都是手動(dòng)完成的。然而，特定的形態(tài)和生長(cháng)動(dòng)力學(xué)細胞特征使得能夠自動(dòng)選擇最佳的 PBMC 來(lái)生成 iPSC。同樣，可以使用自動(dòng)化技術(shù)選擇最佳的iPSC克隆。我們的實(shí)驗室已經(jīng)展示了使用人工智能 (AI) 技術(shù)識別、追蹤和選擇最佳iPSC克隆的能力（圖2）。

（a）自動(dòng)選擇 iPSC 菌落以跟蹤生長(cháng)和擴增。（b）人工智能根據細胞形態(tài)、生長(cháng)和擴增率選擇最佳 iPSC 克隆以供選擇。

當前流程高度依賴(lài)人工，但人工智能（AI）技術(shù)正推動(dòng)其自動(dòng)化與精準化。例如：

AI優(yōu)化克隆篩選：通過(guò)機器學(xué)習識別iPSCs的形態(tài)與生長(cháng)特征，自動(dòng)選擇最優(yōu)克隆。

自動(dòng)化擴增與分化：如Cellino Biotech結合無(wú)標記成像與AI算法，在封閉系統中篩選并擴增iPSCs；Stem Cell Factory機器人系統實(shí)現從復蘇、培養到分化的全流程自動(dòng)化。

質(zhì)量與效率提升：自動(dòng)化系統生產(chǎn)的細胞均一性更高、分化能力更強，且成本顯著(zhù)降低。

AI技術(shù)同樣適用于同種異體SC-ITx的胚胎干細胞（ESC）擴增與維護，通過(guò)標準化流程提升細胞系穩定性并降低人工成本。從而提高同種異體SC衍生的ITx的潛力。

患者可及性和費用

幸運的是，對AI方法、自動(dòng)化技術(shù)、3D 培養條件和技術(shù)進(jìn)步的經(jīng)濟評估已經(jīng)顯示出可觀(guān)的預期節省。經(jīng)濟分析表明，盡管前期成本較高，但在生成和維護 iPSC 系時(shí)，與手動(dòng)技術(shù)相比，自動(dòng)化系統在機器預期的 8 年使用壽命內總體可節省 42%（圖3）。

同樣，與2D培養條件相比，3D培養條件下的細胞擴增已被證明可將擴增能力提高至少十倍，從而進(jìn)一步降低成本。通過(guò)優(yōu)化3D細胞培養和擴增實(shí)現的潛在90%的節省以及自動(dòng)化系統實(shí)現的42%的節省，我們認為可以實(shí)現一種具有成本效益的SC衍生ITx方法。這與CAR-T細胞療法的成本降低類(lèi)似，CAR-T細胞療法最初每位患者細胞治療的費用超過(guò)一百萬(wàn)美元，但現在已降至每位患者不到10萬(wàn)美元，而且許多大學(xué)都具備成本效益高的生產(chǎn)能力。

我們猜測SC衍生的ITx也存在類(lèi)似的趨勢，希望能夠為數百萬(wàn)患者提供廣泛的應用?？紤]到目前糖尿病治療及其并發(fā)癥的費用是大多數國家的主要醫療支出，潛在的節省是巨大的。

過(guò)結合人工智能、自動(dòng)化和優(yōu)化的3D培養系統，在不久的將來(lái)，生成用于移植的SC衍生胰島的成本可能會(huì )大幅下降。臨床前研究已經(jīng)引起了包括ViaCyte Inc.和Vertex Pharmaceuticals在內的企業(yè)合作伙伴的興趣，以實(shí)施臨床試驗。如果臨床試驗繼續顯示出令人鼓舞的結果，那么這筆投資可能會(huì )增長(cháng)，并有能力支付自動(dòng)化和大型商業(yè)生物反應器的前期成本。

盡管SC衍生ITx具有可獲得、成本合適的潛力，但研究人員和資助者在與私營(yíng)部門(mén)合作時(shí)應該了解這些療法的投資潛力，并考慮患者的可獲得性。正如本文所討論的那樣，數百萬(wàn)患者將從這些療法中受益；為所有這些患者提供經(jīng)濟上可獲得的治療方法是觸手可及的，并且仍然掌握在目前正在研究和實(shí)施這些方法的研究人員手中。

結論

隨著(zhù)細胞療法不斷優(yōu)化，有望治愈糖尿病，我們必須考慮我們面臨的疾病范圍。超過(guò)四百萬(wàn)患者患有1型糖尿病，超過(guò)四億患者患有糖尿病。開(kāi)發(fā)一種僅對部分患者無(wú)法獲得或無(wú)法擴展的療法或潛在治愈方法不應被視為一種選擇。

在整個(gè)研究、開(kāi)發(fā)和臨床試驗過(guò)程中，我們必須繼續研究和優(yōu)化能夠實(shí)現可擴展方法的技術(shù)。與工藝開(kāi)發(fā)一樣，促進(jìn)技術(shù)和自動(dòng)化擴展的早期優(yōu)化和協(xié)作應繼續成為優(yōu)先事項。如果我們繼續考慮這些技術(shù)，那么生產(chǎn)一種可獲得且經(jīng)濟高效的細胞產(chǎn)品可以治愈數百萬(wàn)患者。

參考資料：Verhoeff, K., Shapiro, A.M.J. (2024). Scaling Stem Cells to Cure Millions of Patients with Diabetes: Approaches, Technology, and Future Directions. In: Haider, K.H. (eds) Handbook of Stem Cell Applications. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-99-7119-0_18

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