糖尿病是困擾全球億萬患者的慢性代謝性疾病，長期以來，我們只能依靠胰島素和藥物來控制病情，但副作用和療效有限一直困擾著患者們。

利用干細(xì)胞治療數(shù)百萬糖尿病患者：方法、技術(shù)和未來方向

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

盡管優(yōu)化仍在進(jìn)行中，并且這些試驗的概念驗證在實施成為標(biāo)準(zhǔn)治療之前至關(guān)重要，但盡早考慮流程的可擴(kuò)展性以使數(shù)百萬糖尿病患者能夠獲得治療至關(guān)重要。規(guī)劃這些技術(shù)的成功意味著在引入干細(xì)胞來源的治療方法時盡早考慮方法、技術(shù)和工藝，以優(yōu)化當(dāng)前的研究并最大限度地發(fā)揮未來的效用。

在此，我們討論了干細(xì)胞來源的胰島細(xì)胞移植的兩個主要競爭者，即基于可誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的自體胰島和同種異體胚胎干細(xì)胞來源的胰島，并評估了它們的可擴(kuò)展性潛力。此外，我們介紹了當(dāng)前對優(yōu)化細(xì)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(yǎng)技術(shù)和技術(shù)進(jìn)步，希望這些技術(shù)能夠在未來大規(guī)模生產(chǎn)干細(xì)胞衍生的胰島。

最后，我們討論了這些技術(shù)的一個重要現(xiàn)實考慮因素——全球4000萬糖尿病患者的成本和可及性。我們打算在研究早期強(qiáng)調(diào)可擴(kuò)展性問題的重要性，以解決此類問題并減少潛在的可擴(kuò)展性障礙，從而促進(jìn)數(shù)百萬患者早期廣泛獲得干細(xì)胞。

1型糖尿病：胰島免疫破壞與血糖穩(wěn)態(tài)失衡的雙重危機(jī)

1型糖尿病 (T1D) 涉及胰島的自身免疫性破壞，胰島負(fù)責(zé)胰腺的內(nèi)分泌功能。胰島由α細(xì)胞和β細(xì)胞組成，它們對局部環(huán)境作出反應(yīng)，負(fù)責(zé)動態(tài)、反應(yīng)性血糖控制。

簡而言之，當(dāng)血糖過高（即高血糖癥）時，β細(xì)胞會釋放胰島素來降低血糖。當(dāng)血糖過低（低血糖癥）時，α細(xì)胞會釋放胰高血糖素來增加血糖。通過這種方式，胰島有助于身體穩(wěn)態(tài)并實現(xiàn)正常血糖（即葡萄糖水平從3.9到10mmol/L），無論葡萄糖攝入量如何，生理上都會迅速做出反應(yīng)。

因此，在患有T1D的患者中，如果沒有胰島來促進(jìn)血糖控制，則可能會發(fā)生高血糖和低血糖，導(dǎo)致兩種狀態(tài)下的嚴(yán)重后果。患有高血糖癥時，患者會出現(xiàn)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(dāng)身體不能適當(dāng)利用能量來源并轉(zhuǎn)變?yōu)榉纸獯x狀態(tài)以產(chǎn)生非葡萄糖源能量時，就會發(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會迅速成為一種危及生命的疾病，死亡率為0.3–1.3%。

長期來看，高血糖會導(dǎo)致嚴(yán)重的微血管和大血管并發(fā)癥，包括冠狀動脈疾病、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)量和時間。

另一方面，低血糖會立即導(dǎo)致自主神經(jīng)和神經(jīng)性低血糖并發(fā)癥，包括顫抖、嗜睡、視力和言語問題、心悸、焦慮，以及最令人擔(dān)憂的意識喪失（即糖尿病昏迷）和死亡。長期來看，低血糖會導(dǎo)致患者失去對這些事件的意識（即低血糖無意識），并給1型糖尿病患者帶來相當(dāng)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(xiàn)癥狀后數(shù)周內(nèi)就會死亡，而且沒有可用的治療方法。1922年1月，在動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(xù)治療下存活了13年，這在當(dāng)時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(yī)學(xué)獎。盡管有這一了不起的發(fā)現(xiàn)，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(shù)量的蛋白質(zhì)和脂肪，為生活中的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)提供能量。

過去一百年來，我們對胰島素的應(yīng)用驗證了這一觀點。盡管胰島素的發(fā)現(xiàn)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?zé)o法完全模擬胰島細(xì)胞的動態(tài)血糖調(diào)節(jié)功能，導(dǎo)致慢性并發(fā)癥（如血管病變）和低血糖風(fēng)險持續(xù)存在。

血糖控制現(xiàn)狀：目前，成年患者達(dá)標(biāo)率低，僅21%的美國成年 T1D 患者 HbA1c<7%（目標(biāo)值）。此外，兒童改善有限；青少年患者平均 HbA1c 仍高達(dá) 9.0%，與 1980 年代相比無顯著進(jìn)步。

低血糖風(fēng)險：31-41% 患者經(jīng)歷過低血糖，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(xiàn)有胰島素泵、閉環(huán)系統(tǒng)等技術(shù)未能完全解決血糖波動問題，需進(jìn)一步優(yōu)化。

未來方向：開發(fā)更接近生理性調(diào)節(jié)的 β 細(xì)胞替代療法（如干細(xì)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(yīng)用挑戰(zhàn)

糖尿病（DM）的臨床負(fù)擔(dān)不僅限于1型患者，全球超過4億的2型糖尿病（T2D）患者面臨高血糖和低血糖的雙重風(fēng)險，其病理機(jī)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，但仍會出現(xiàn)與1型糖尿病相似的代謝紊亂及并發(fā)癥。當(dāng)前治療以口服藥物為主，通過促進(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)展需依賴胰島素。胰島移植（ITx）理論上可提供生理性血糖調(diào)節(jié)，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，未來或惠及遠(yuǎn)超1型患者數(shù)量的龐大群體，但需解決可擴(kuò)展性問題。

為恢復(fù)生理性血糖調(diào)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(fù)內(nèi)分泌功能，但手術(shù)風(fēng)險高且依賴免疫抑制；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足數(shù)億患者需求，故需嚴(yán)格分配標(biāo)準(zhǔn)，目前ITx僅適用于伴嚴(yán)重低血糖或血糖極度不穩(wěn)定的1型患者。未來技術(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(xì)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(xì)胞衍生胰島移植（SC-ITx）為克服傳統(tǒng)胰島移植（ITx）的供體短缺與免疫抑制依賴提供了革命性路徑。通過誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（iPSC）等分化技術(shù)，可大規(guī)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。相較于依賴逝者供體的同種異體移植，SC-ITx的無免疫抑制潛力（如自體或免疫保護(hù)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），同時避免自身免疫復(fù)發(fā)風(fēng)險。其目標(biāo)不僅是治愈約400萬1型糖尿病（T1D）患者，更可能重塑糖尿病整體治療格局。

實現(xiàn)這一愿景需在研發(fā)早期融入可擴(kuò)展性設(shè)計。需權(quán)衡同種異體與自體SC-ITx的規(guī)模化潛力，結(jié)合人工智能優(yōu)化細(xì)胞篩選，并深入解析干細(xì)胞擴(kuò)增條件以生產(chǎn)高效、功能性胰島（圖1）。此外，跨學(xué)科協(xié)作與自動化生產(chǎn)系統(tǒng)的整合將提升效率與經(jīng)濟(jì)性，確保技術(shù)從實驗室到臨床的快速轉(zhuǎn)化。通過系統(tǒng)性突破技術(shù)瓶頸，SC-ITx或能真正成為覆蓋億萬糖尿病患者的普適性療法，終結(jié)傳統(tǒng)治療的局限性。

同種異體干細(xì)胞與自體干細(xì)胞的比較

目前正在研究兩種SC衍生ITx方法。每種方法都有其優(yōu)點、缺點和可擴(kuò)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(kuò)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源。雖然由于 SC 來源較少，可能更容易擴(kuò)展以進(jìn)行廣泛應(yīng)用，但對免疫抑制或免疫保護(hù)的要求可能會限制其整體風(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，從而無需任何免疫抑制要求；但是，由于這種方法需要個體化的iPSC和胰島，因此優(yōu)化可擴(kuò)展性的技術(shù)對于實現(xiàn)廣泛使用至關(guān)重要。

同種異體干細(xì)胞胰島移植的優(yōu)勢與臨床突破

同種異體SC衍生ITx涉及多個胚胎或誘導(dǎo)多能 SC 作為所有接受者生成胰島的來源。這些 SC 來源在體外擴(kuò)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(kuò)增為大型生物反應(yīng)器，以產(chǎn)生數(shù)百萬個細(xì)胞進(jìn)行分化。同樣，從這種擴(kuò)增的 SC 來源分化可以更容易地產(chǎn)生幾個分化的胰島用于 ITx。雖然這種方法的可擴(kuò)展性可以消除 ITx 的胰島來源限制，但如果不進(jìn)一步修改流程，由于胰島來??源為同種異體，患者仍然需要免疫抑制。

同種異體干細(xì)胞胰島移植優(yōu)勢

供體供應(yīng)無限制：通過胚胎干細(xì)胞（ESC）或誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）體外擴(kuò)增分化，可規(guī)模化生產(chǎn)數(shù)百萬胰島細(xì)胞，突破傳統(tǒng)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(yīng)器實現(xiàn)干細(xì)胞擴(kuò)增與定向分化，工藝可標(biāo)準(zhǔn)化，便于大規(guī)模應(yīng)用。

初步臨床驗證成功：Vertex公司VX-880胚胎干細(xì)胞胰島移植聯(lián)合免疫抑制治療，使1型糖尿病（T1D）患者胰島素依賴顯著減少，血糖控制改善；

ViaCyte公司干細(xì)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(diào)控潛力：基因編輯技術(shù)（如敲除HLA-I類分子、表達(dá)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(xì)胞胰島移植成果與進(jìn)展

• 基因工程胰島：通過改造干細(xì)胞表達(dá)免疫耐受分子或消除HLA抗原，降低T細(xì)胞、巨噬細(xì)胞及NK細(xì)胞攻擊風(fēng)險；
• 封裝技術(shù)：免疫保護(hù)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），但需解決長期異物反應(yīng)問題。
• 肝外移植嘗試：皮下、網(wǎng)膜等部位移植雖在動物模型中有效，但臨床轉(zhuǎn)化仍面臨功能維持與免疫保護(hù)挑戰(zhàn)。

結(jié)論：同種異體干細(xì)胞胰島移植已展現(xiàn)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(wěn)定性及規(guī)模化生產(chǎn)難題，以實現(xiàn)從“概念驗證”到“普惠療法”的跨越。

自體干細(xì)胞胰島移植的優(yōu)勢與成果

第二種干細(xì)胞衍生胰島移植（SC-ITx）的替代方法涉及個體化生成誘導(dǎo)多能干細(xì)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(xì)胞生成iPSCs：通過過表達(dá)山中因子（Oct3/4、Sox2、Klf4和c-Myc）將體細(xì)胞重編程為多能干細(xì)胞。

自體干細(xì)胞胰島移植的優(yōu)勢

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

自體干細(xì)胞胰島移植的成果與進(jìn)展

• 臨床前驗證成功：iPSCs分化胰島在動物模型中成功逆轉(zhuǎn)糖尿病；使用PBMC與仙臺病毒轉(zhuǎn)導(dǎo)技術(shù)，已實現(xiàn)符合GMP標(biāo)準(zhǔn)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(xì)胞。

結(jié)論：自體iPSC衍生胰島移植憑借免疫豁免與個性化優(yōu)勢，為糖尿病治愈提供理想路徑，但需突破規(guī)模化生產(chǎn)與成本限制，通過AI與自動化技術(shù)推動其從實驗室走向臨床普惠。

人工智能在優(yōu)化細(xì)胞選擇與分化中的作用

如上所述，自體干細(xì)胞衍生胰島移植（SC-ITx）的第一步是生成患者特異性的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）系。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，需采集患者體細(xì)胞（通常為外周血單核細(xì)胞PBMC）并進(jìn)行體外擴(kuò)增。隨后，利用仙臺病毒轉(zhuǎn)導(dǎo)技術(shù)，使細(xì)胞表達(dá)山中因子（Oct3/4、Sox2、Klf4和c-Myc），從而重編程為iPSCs。仙臺病毒轉(zhuǎn)導(dǎo)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(zhuǎn)化為iPSCs，且需傳代約10次以清除病毒殘留。此后，需根據(jù)形態(tài)學(xué)手動篩選最佳iPSC克隆，并通過流式細(xì)胞術(shù)、基因分析、病毒篩查等技術(shù)進(jìn)行多維度表征，最終選定無遺傳異常且多能性標(biāo)記表達(dá)最優(yōu)的克隆。從iPSC生成到分化為胰島的全程耗時約2個月，涉及每日精細(xì)操作。

目前，iPSC的生成和分化都是手動完成的。然而，特定的形態(tài)和生長動力學(xué)細(xì)胞特征使得能夠自動選擇最佳的 PBMC 來生成 iPSC。同樣，可以使用自動化技術(shù)選擇最佳的iPSC克隆。我們的實驗室已經(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）自動選擇 iPSC 菌落以跟蹤生長和擴(kuò)增。（b）人工智能根據(jù)細(xì)胞形態(tài)、生長和擴(kuò)增率選擇最佳 iPSC 克隆以供選擇。

當(dāng)前流程高度依賴人工，但人工智能（AI）技術(shù)正推動其自動化與精準(zhǔn)化。例如：

AI優(yōu)化克隆篩選：通過機(jī)器學(xué)習(xí)識別iPSCs的形態(tài)與生長特征，自動選擇最優(yōu)克隆。

自動化擴(kuò)增與分化：如Cellino Biotech結(jié)合無標(biāo)記成像與AI算法，在封閉系統(tǒng)中篩選并擴(kuò)增iPSCs；Stem Cell Factory機(jī)器人系統(tǒng)實現(xiàn)從復(fù)蘇、培養(yǎng)到分化的全流程自動化。

質(zhì)量與效率提升：自動化系統(tǒng)生產(chǎn)的細(xì)胞均一性更高、分化能力更強(qiáng)，且成本顯著降低。

AI技術(shù)同樣適用于同種異體SC-ITx的胚胎干細(xì)胞（ESC）擴(kuò)增與維護(hù)，通過標(biāo)準(zhǔn)化流程提升細(xì)胞系穩(wěn)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、自動化技術(shù)、3D 培養(yǎng)條件和技術(shù)進(jìn)步的經(jīng)濟(jì)評估已經(jīng)顯示出可觀的預(yù)期節(jié)省。經(jīng)濟(jì)分析表明，盡管前期成本較高，但在生成和維護(hù) iPSC 系時，與手動技術(shù)相比，自動化系統(tǒng)在機(jī)器預(yù)期的 8 年使用壽命內(nèi)總體可節(jié)省 42%（圖3）。

同樣，與2D培養(yǎng)條件相比，3D培養(yǎng)條件下的細(xì)胞擴(kuò)增已被證明可將擴(kuò)增能力提高至少十倍，從而進(jìn)一步降低成本。通過優(yōu)化3D細(xì)胞培養(yǎng)和擴(kuò)增實現(xiàn)的潛在90%的節(jié)省以及自動化系統(tǒng)實現(xiàn)的42%的節(jié)省，我們認(rèn)為可以實現(xiàn)一種具有成本效益的SC衍生ITx方法。這與CAR-T細(xì)胞療法的成本降低類似，CAR-T細(xì)胞療法最初每位患者細(xì)胞治療的費用超過一百萬美元，但現(xiàn)在已降至每位患者不到10萬美元，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也存在類似的趨勢，希望能夠為數(shù)百萬患者提供廣泛的應(yīng)用。考慮到目前糖尿病治療及其并發(fā)癥的費用是大多數(shù)國家的主要醫(yī)療支出，潛在的節(jié)省是巨大的。

過結(jié)合人工智能、自動化和優(yōu)化的3D培養(yǎng)系統(tǒng)，在不久的將來，生成用于移植的SC衍生胰島的成本可能會大幅下降。臨床前研究已經(jīng)引起了包括ViaCyte Inc.和Vertex Pharmaceuticals在內(nèi)的企業(yè)合作伙伴的興趣，以實施臨床試驗。如果臨床試驗繼續(xù)顯示出令人鼓舞的結(jié)果，那么這筆投資可能會增長，并有能力支付自動化和大型商業(yè)生物反應(yīng)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部門合作時應(yīng)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(shù)百萬患者將從這些療法中受益；為所有這些患者提供經(jīng)濟(jì)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施這些方法的研究人員手中。

結(jié)論

隨著細(xì)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。超過四百萬患者患有1型糖尿病，超過四億患者患有糖尿病。開發(fā)一種僅對部分患者無法獲得或無法擴(kuò)展的療法或潛在治愈方法不應(yīng)被視為一種選擇。

在整個研究、開發(fā)和臨床試驗過程中，我們必須繼續(xù)研究和優(yōu)化能夠?qū)崿F(xiàn)可擴(kuò)展方法的技術(shù)。與工藝開發(fā)一樣，促進(jìn)技術(shù)和自動化擴(kuò)展的早期優(yōu)化和協(xié)作應(yīng)繼續(xù)成為優(yōu)先事項。如果我們繼續(xù)考慮這些技術(shù)，那么生產(chǎn)一種可獲得且經(jīng)濟(jì)高效的細(xì)胞產(chǎn)品可以治愈數(shù)百萬患者。

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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