姜含蕾 蒋潇婷 李小曼 姜 超 郑文思 王 琛

糖尿病是一种慢性代谢性疾病，严重危害人类健康。截至2017年，全世界约有4.25亿糖尿病患者[1]。糖尿病的主要特征是高血糖，以及由长期高血糖导致的各种组织的慢性损害和功能障碍[2]。胰岛β细胞数量减少和(或)功能障碍导致β细胞分泌的胰岛素不足以维持机体血糖稳态调节，从而引起高血糖，这是1型糖尿病和2型糖尿病发生、发展的核心环节[3]。近几年的研究[4-5]发现，2型糖尿病的发病机制中除胰岛β细胞凋亡外，胰岛β细胞去分化也参与其中。本文对2型糖尿病中胰岛β细胞去分化的表现和发生机制，以及其与2型糖尿病的关系等作一综述，以期为2型糖尿病患者的早期筛查和治疗提供新思路。

1 β细胞去分化的特征

胰岛β细胞去分化是指成熟的β细胞失去其成熟细胞的特征，丧失部分或全部胰岛素分泌能力，出现祖细胞特征并可能转分化为胰岛其他细胞。其主要特征有两个：β细胞特异基因表达的改变和相应的细胞形态功能的改变。

通常在β细胞发育成熟过程中，一些祖细胞特征性基因表达量会逐渐减少。然而，β细胞在去分化的过程中，祖细胞特征性基因表达则会增加。如在胚胎细胞中高度表达的八聚体结合转录因子4基因(oct4)和nanog，在胚胎胰腺祖细胞上特异性表达的性别决定区Y框蛋白9基因(sox9)和发状分裂相关增强子1基因(hes1)[6-7]，在胎儿内分泌祖细胞特异表达的神经元素3基因(ngn3)，都会在胰岛β细胞去分化的过程中呈现出高表达的现象[4]，相应的蛋白产物，如转录因子Oct4、Nanog和Ngn3目前被普遍用作β细胞去分化的标志物。其次，胰岛β细胞的特异基因表达下调，这些基因往往与β细胞的形态和功能有关。如调控β细胞形态分化的肝细胞核因子1基因(hnf1α)和肝细胞核因子4α(hnf4α)[8]，调控胰岛素基因表达的NK6同源框蛋白1基因(nkx6.1)、胰十二指肠同源盒1(pdx1)、肌腱膜纤维肉瘤癌基因A型同系物基因(mafaA)和神经源性分化因子1(neurod1)[4, 9]，抑制其他类型内分泌细胞基因表达的配对盒转录因子6基因(pax6)[7, 10]，与葡萄糖刺激的胰岛素分泌(glucose-stimulated insulin secretion, GSIS)过程有关的葡萄糖转运体2(glut2)、葡萄糖激酶(gck)、内向整流型钾离子通道亚家族J成员11(kcnj11)、锌转运体8(znt8)和胰高血糖素样肽1受体(glp1r)等基因[5,8,11-12]，都会在β细胞去分化过程中表达下调，这也是造成β细胞形态功能改变的重要原因。此外，去分化的β细胞还可以高表达α细胞特异基因，如参与胰高血糖前激素表达的mafB和α细胞的调控因子arx[4,8,13-14]。

在去分化的过程中，上述基因层面的变化也会反映在细胞层面，主要表现为胰岛素合成、储存和分泌过程的异常。首先，由于去分化的β细胞缺乏转录因子Pdx1、MafaA和Nkx6.1，使得胰岛素基因无法正常转录和翻译，造成胰岛素合成量明显减少，细胞胰岛素染色阴性；同时，由于胰岛β细胞向α细胞转分化，胰岛中胰高血糖素阳性细胞数量增多。其次，因为胰岛素的储存量不足，使β细胞出现“颗粒”减少的现象，表现为流式分析仪检测时细胞侧向散射光减弱[15]。另外，由于Glut2、ZnT8等转运蛋白的缺失，β细胞对葡萄糖刺激的敏感性，以及胰岛素分泌能力均降低，导致GSIS功能丧失。

2 β细胞去分化的机制

导致β细胞去分化的影响机制首先由Talchai等[4]报道，目前研究较多的是转录因子介导的β细胞去分化。

2.1 叉头框蛋白O1(FoxO1)依赖的β细胞去分化的机制 FoxO1属于FoxO家族，是对β细胞的分化、增殖和存活起着重要调控作用的转录因子。2012年Talchai等[4]发现，FoxO1缺乏是引起胰岛β细胞去分化的重要原因。在胚胎期，FoxO1通过oct4、nanog等基因调控细胞的多能性[16]。在内分泌细胞分化的过程中，FoxO1、Ngn3和Pdx1蛋白在细胞中共定位，FoxO1通过抑制Ngn3表达可促进β细胞成熟[4, 17]。在成熟的β细胞中，当高糖高脂诱导氧化应激时，FoxO1会受磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)信号通路调节，进入细胞核，并通过过氧化物酶体增殖剂激活受体α(PPAR-α)抑制脂质氧化，促进MafaA和NeuroD1的表达，增加胰岛素的合成与分泌[18]。但是随着细胞氧化应激的出现和加剧，FoxO1表达逐渐下调，导致Pdx1、MafaA、Nkx6.1等转录因子水平降低，胰岛素分泌合成减少；同时FoxO1缺乏的β细胞会恢复Ngn3的表达，出现内分泌祖细胞的表型，发生去分化的现象[4]。但是目前对于FoxO1表达下调的原因尚无明确的解释，有研究[19-20]结果表明，FoxO1活性抑制可能与Akt 上游激动剂转化生长因子β受体1(Alk5)的活性有关。

2.2 非FoxO1依赖的β细胞去分化的机制 除FoxO1外，其他因子如Sox5、成纤维细胞生长因子(Fgf)也可以参与β细胞去分化的调控[7,21]。转录因子Sox5通过调控β细胞特异的基因，参与囊泡释放和激素分泌的过程[21]。Axelsson等[21]发现，Sox5敲除后小鼠β细胞Pdx1、MafaA表达显著下调，胰岛素合成减少。同时β细胞线粒体活性受损，使得ATP减少，去极化激活的Ca2+流入过程受阻，导致胰岛素分泌过程无法启动，β细胞GSIS功能异常。相反，db/db小鼠过量表达Sox5后，β细胞关键基因表达上调，GSIS的能力提升，类似去分化的现象减弱[21]。Fgf有多种家族成员，其中Fgf1与Fgf2属于相同的亚家族[7]。Fgf1或Fgf2处理人β细胞系(EndoC-βH1)可以导致胰岛细胞转录因子MafaA、MafaB、Pax6、NeuroD1，以及Glut2和Znt8表达下调，而去分化β细胞标志物Sox9、Hes1、Ngn3表达上调[22]。该发现在人体中得到证实。在2型糖尿病患者的胰腺组织中，Fgf信号通路和去分化的标志物处于激活状态，表明Fgf参与去分化的过程[7]。

3 β细胞去分化参与2型糖尿病发病

胰岛β细胞衰竭表现为β细胞的数量减少和功能下降，是糖尿病发病中公认的核心环节。去分化目前被视为使2型糖尿病中β细胞数量减少和胰岛素分泌受损的重要因素之一[13,23]，可能是胰岛β细胞“逃避”高血糖负荷的手段。

首先，β细胞的去分化现象在一系列糖尿病小鼠模型实验、β细胞谱系追踪实验中得到了很好的验证[4,24]。其表现为胰岛β细胞脱颗粒，胰岛素耗竭，对葡萄糖的敏感性降低，内分泌祖细胞基因(如ngn3和nanog)的表达上调[24]，以及细胞获得更多类似于干细胞的特征[15]。并且在多个糖尿病小鼠模型中都发现了FoxO1表达下调的现象[4,25]。通过观察2型糖尿病患者捐赠的胰腺，也有类似的发现[13,26]，表明胰岛β细胞去分化伴随着糖尿病发生的过程。此外，研究[5,27]还发现在长期高血糖的作用下，β细胞也通过转分化为其他类型的内分泌细胞(如分泌胰高血糖素的α样内分泌细胞)来逃避高血糖的负荷。在糖尿病的动物模型和患者中，都观察到β细胞转分化为α细胞[13-14,27]，这可以解释糖尿病患者胰高糖素水平升高的现象[14]。

同时，由β细胞的去分化带来的胰岛细胞数量减少和功能下降也已经得到证实。如上所述，FoxO1 和Sox5是胰岛β细胞去分化过程中重要的抑制因子。通过敲除小鼠的foxo1或sox5可以建立β细胞自主去分化的模型[4,21]。foxo1或sox5基因敲除的小鼠β细胞中，祖细胞标志物表达水平显著升高，胰岛素合成和分泌的能力显著下降，最终出现高血糖症状[5,21]。同时，在敲除foxo1的β细胞中，α、δ、Pp细胞所分泌的胰高血糖素、生长激素抑制激素和胰多肽表达水平升高[4]。因此，β细胞向α细胞等内分泌细胞的转变也是导致胰岛β细胞数量减少的原因之一。

尽管如此，已经去分化的β细胞在接受治疗之后，可重新分化为成熟的具有分泌功能的胰岛β细胞[24]。钾离子通道亢进(KATP-GOF)小鼠是一种由β细胞兴奋抑制诱导的糖尿病模型[24]。Wang等[24]用胰岛素处理KATP-GOF小鼠60 d，小鼠血糖水平降低，胰岛β细胞容量恢复，胰岛细胞由原来的胰岛素分泌-/Ngn3+转变为胰岛素分泌+/Ngn3-。对非肥胖糖尿病小鼠模型(GK-S)实施胃肠重组术(Roux-en-Y gastric bypass, RYGB)[28]，以及对db/db小鼠进行卡路里限制或对饲喂养后，小鼠β细胞特征性标志物(胰岛素、Pdx1、MafaA、Glut2)表达情况得到改善，GSIS功能恢复[29-30]。2型糖尿病早期患者通过单独饮食控制也可以改善β细胞的功能，恢复第一时相胰岛素的分泌，逆转β细胞去分化的病理状态[23,29]。这种细胞的再分化是2型糖尿病治疗领域关注的热点之一，可通过早期干预，挽救去分化的β细胞，达到治疗糖尿病的目的。

4 β细胞去分化的人群检测

迄今为止，有关胰岛β细胞去分化的判断，都是基于胰岛原位各种基因表达检测实现的[4-5]。在人体水平，采用同样的手段来评估β细胞去分化显然不可取。胰岛β细胞的主要功能是在葡萄糖的刺激下合成和分泌胰岛素。胰岛β细胞受到血糖刺激，感知血糖变化而分泌胰岛素的能力，被称为β细胞的葡萄糖敏感性(β-cell glucose sensitivity，βCGS)。鉴于去分化的β细胞对葡萄糖刺激不反应——βCGS下降，就可以通过在人体水平检测βCGS来反映β细胞去分化的程度。

在体胰岛βCGS评估最早见于2002年Mari 等[31]的报道。他们根据口服葡萄糖耐量试验(OGTT)中不同血糖水平，计算C肽分泌速率的平均斜率，来评估β细胞对不断升高的葡萄糖浓度的反应能力。其中C肽的分泌速率根据Eaton等[32]和Van Cauter等[33]提出的胰岛素释放率数学模型计算得出，能够准确地反映餐前胰岛素的分泌。但是，在日常工作中，C肽测定不是正常葡萄糖耐量人群和未使用过胰岛素治疗的2型糖尿病患者的检测指标，同时其检测在大样本流行病学研究中也较为少见。因此，通过C肽水平计算餐前胰岛素的分泌在大样本人群中不适用。2017年Li等[34]研究提出用OGTT中不同葡萄糖刺激下血浆胰岛素分泌的速率(insulin release rate response to glucose，IRRG)替代评估胰岛βCGS。研究显示，IRRG与βCGS均与1相胰岛素分泌处置指数密切相关，且IRRG 降低是远期2型糖尿病发生的危险因素[34]。尽管OGTT中血浆胰岛素水平不能真实地反映β细胞的胰岛素分泌，但是鉴于胰岛素测定在临床广泛应用，在缺乏C肽数据的情况下，IRRG可以作为反映βCGS的简易指标，用于临床研究评估。

5 小 结

综上所述，高糖等应激情况下β细胞去分化引起β细胞质量下降是2型糖尿病发生的重要机制。β细胞去分化(包括转分化)可能是应激条件下逃避细胞死亡的一种适应性机制，并且在一定情况下是可逆的。β细胞去分化的过程涉及营养物质诱导的基因调节，提示可以通过改变生活方式或在未完全发病前进行干预来防止糖尿病的发生，或在发病后可以针对某个基因或作用于代谢通路中的某个靶点来逆转已经去分化的β细胞，以达到治疗糖尿病的目的。进一步探索β细胞去分化在糖尿病中发挥的作用可以为诊断和治疗提供优化的临床思路，对糖尿病的预防和干预起积极作用。β细胞去分化作为2型糖尿病发病的重要机制，在疾病早期即可发生，IRRG作为反映βCGS的简易指标可以用于人群的早期筛查，为及早发现并预防2型糖尿病提供新思路。