互动科普

用移植细胞治疗糖尿病

Paul E. Lacy

移植胰岛细胞有可能治愈许多糖尿病例。广泛运用的主要障碍——即缺乏一种避免对移植物发生免疫排斥的安全方法——现在似乎正在被解决中。

直至约75年前，通常侵袭儿童和年轻人的糖尿病型总是致死性的。家里人和医生眼睁睁地看着强健的年轻人因患该病而很快消瘦并死于确诊后的数周或数月，但却一筹莫展。20世纪初研究人员就知道问题是出在被称为郎格罕氏岛的小群胰腺上。显然，正常时这些胰岛分泌一种后来命名为胰岛素的重要激素，它能使其它细胞从血中摄取葡萄糖以提供能量。糖尿病人（现在称为I型或胰岛素依赖型糖尿病）已停止产生胰岛素也是显而易见的。因此，从食物中获得的糖积聚于血中而使其它组织出现饥饿。更为多见且发病较晚的糖尿病型——Ⅱ型或非胰岛素依赖型糖尿病的结局要好一些，这是因为此型糖尿病人至少还可持续分泌一定量的胰岛素。

20年代初，当从动物提取的胰岛素证明是能挽救生命时，Ⅰ型糖尿病的治疗前景便获得显著改善。的确，其后的数十年间，绝大多数人都认为，对糖尿病的治疗便是每日注射一定量的激素。不幸的是，他们的想法错了。数年间临床医生逐渐地认识到许多病人最终会患与糖尿病有关的结局悲惨的潜在性疾病。微血管缓慢地受损，最终常常导致失明或肾衰或两者并存。大血管可因动脉粥样硬化而过早变狭窄，神经也可同样受到破坏，导致四肢麻木和疼痛.这些“长期并发症”的原因现已证明是血中的糖含量过高，随后发生的组织改变是其接触于含量过高的糖所致。显然，Ⅰ型糖尿病患者赖以生存的胰岛素注射不能精确地模仿正常胰腺感受血糖水平并恰好生产保持人体健康所需的胰岛素量的能力。

那么，保持长期健康的关键是提供一种从发病开始于整个病程期间能维持血糖值在正常范围的治疗方法。理想的治疗应该是胰岛移植，因为功能性胰岛可恢复正常的胰岛素分泌，而且，从理论上讲，仅移植一次即可；天然腆岛存活多年，其中具有为死亡细胞提供替代所需的前体细胞。成功的移植也会避免发生与糖尿病有关的急症，这些急症包括过高含量的糖在血中积聚时引起的昏迷以及注人的胰岛素使血糖降得太低所导致的胰岛素反应（常以手颇、幻觉、黑视为特征）。从概念上讲，胰岛移植是简单的，但却一直难以实施。然而，最终有充分理由相信，下一个5年内，许多病人将可获得这一潜在的有效疗法，而且在以后数年内这一疗法对新确诊的病人将成为常规疗法。

我在华盛顿大学的实验室约25年前就开始从事绝大部分初期工作，而且对移植深入细致的研究一直持续到现在。最初我们未把重点放在治疗上；我们仅仅是想了解胰岛产生胰岛素的细胞——β细胞的分泌激素的机制。其它胰岛细胞产生帮助调控合成胰岛素量的激素。

早期激动人心的发现

为实施这一研究，我们必须从实验动物获得胰岛。但这些细胞群按重量计占仅胰腺的2%，并分散于胰腺内。胰腺其余部分的作用不是制造激素，而是生产有效的消化酶。1967年，我们建立了一种从鼠胰中收集所需胰岛的方法。当然，我们拥有了胰岛以后，就忍不住去探讨这种细胞群是否能控制糖尿病动物的血糖和防止其并发症。毕竟，成功将意味着胰岛移植能有助于糖尿病病人。

1972年，与华盛顿大学外科系的Walter F. Ballinger和David W. Scharp协作，我们把从近亲繁殖的鼠分离到的胰岛移植于相同种系的另外的鼠，后者通过注射一种特异破坏β细胞的药物而变成了糖尿病鼠。我们选择这一特殊种属是因为近亲繁殖动物是相同的；因此，受体的免疫防护不会对移植物像对异物（非自我的）一样发生排斥。令我们高兴的是，鼠移植物使血糖恢复到正常并能持久地维持。其后研究显示胰岛移植物能防止或逆转糖尿病鼠的眼和肾的早期微血管并发症。

这些发现使我们渴望开始对糖尿病病人进行试验.不过，在我们设计上述试验之前，有一个严重的困难必须解决。我们分离鼠胰胰岛的方法不能用于人类器官。三年间试验了各种方法以后(包括一种部分成功的用研磨机破碎胰组织的方法)。80年代中期，Scharp，Camillo Ricordi和我终于建立了一种目前广泛运用的半自动化的方法。该法可从单一的人胰约1百万个胰岛中分离到约44万个胰岛——恰好是我们估计的能维持病人正常血糖水平的胰岛数量。

令人鼓舞的人体试验

1986年，我们开始首次分离胰岛的人体试验。我们不能立即将这种细胞群移植于新确诊的病人——这是我们的最终目标——因为受体的免疫系统有排斥异物组织的可能性。为避免排斥反应，我们必须给受试者免疫抑制药物，但这些药物具有包括促进感染、诱发痛症和损害肾在内的危险性副作用。这类药物的危脸性太大，以致不能证明对除了只需接受胰岛素而其它尚属健康的人使用这类药物是正当的。因此，我们选择了已接受肾移植的l型糖尿病病人为受试者，因为他们早已被迫接受免疫抑制剂来保护新肾。

Scharp和我决定将胰岛置入从肝门静脉延伸的血管网内，部分是因为这一系统易于接近。胰岛可通过脐旁作一小切口简单地送入并通过一个管把胰岛注入通向门静脉的静脉中。一旦容纳于自门脉分出的较小血管，胰岛便会直接与血液接触，并使胰岛能持续的感受血糖水平，同时还持续获得营养。假如这一技术成功，便不需把胰岛送回胰腺——这是一个更复杂的问题。

结果是令人鼓舞的。在移植了40万个胰岛的患者中，虽然它们未能产生足量胰岛素使病人终止注射胰岛素，但胰岛还是发挥了作用。当把胰岛植入的数量增加到80万个时，某些病人就完全停用了胰岛素，至少一段时间是如此。我们的发现以后也在其它实验室得到了证实。我们还了解到通过冰冻保存的胰岛其功能会更好，因而可储存以备用。

自1990年以来，世界各地约145例病人接受了尸体胰岛移植——移植的胰岛要么是分离的细胞群，要么是（在某些情况下）低纯度的预测物的一部分。大多数病人移植的胰岛一直不能完全控制血糖或2~3年后就失去部分活性。我们怀疑许多病例是移植胰岛的量过少，以致不能满足患者的需要。控制血糖一段时间后移植失败的病例中，常常可能与胰岛负担过重有关：短时间最大限度发挥其功能后，细胞可能衰竭。在许多立刻或后来失败的病例中，排斥反应和其它的免疫过程同样也可能起到了部分作用。

尽管这些结果不理想，现在许多医生还是正在考虑常规对接受肾移植的Ⅰ型糖尿病患者提供新胰岛。他们正在探索这种选择，因为即使病人仍必须通过注射获得一定量的胰岛素。有功能的胰岛的存在有助于持续维持血糖在十分重要的正常范围内，而且，胰岛移植比全胰或部分胰腺移植要简单得多，后者常常是对接受了新肾的糖尿病人施行的一种手术（目的是保存供体肾以避免接触过多的糖）。胰岛移植比器官移植花费也要少些。植入门脉可于局麻下施行，仅需数千美元；相比之下胰腺移植涉及的手术复杂，其耗费竟达10万美元之多。

去除过路细胞的目的

一旦对免疫抑制病人的研究证实了移植的胰岛在受体中就发挥作用，许多研究人员就逐步为建立防止排斥反应的安全方法。有两种方案相当长一段时间以来一直用于动物实验。其一是基于早在1957年就由缅因州巴港的Roscoe B. Jackson纪念实验室的George D. Snell提出的一项建议。他假设——后来证明这一假设是正确的——一个器官的排斥不是由器官的原始成分而是由移植物所携带的白细胞所触发的。假如这些“过路”白细胞是有害的，实施移植前去除它们应该避免排斥。

直到1975年，当澳大利亚John Curtin医学研究院的Kevin J. Lafferty再度提到它时，Snell的精辟的见解才被人重视。在涉及从一种系的小鼠移植甲状腺至另一小鼠的实验中，Lafferty发现，他能够通过于移植之前在高氧状态下培养供体甲状腺来防止排斥反应。他的结论是，移植物存活是因为氧已破坏了存在于移植物中的过路白细胞——而且仅仅破坏这些细胞。

Lafferty对为什么过路白细胞会引起免疫反应而移植组织的主要成分却不会也做出了相当合理的解释。据信称为杀伤T淋巴细胞的宿主白细胞是移植排斥反应的因子。Lafferty揭示，为了从静止状态摆脱出来并攻击其它细胞，这些细胞必须接受两个信号。当T淋巴细胞识别了移植细胞表面上的某些蛋白时就发出初始信号。这些蛋白称为I类主要组织相容抗原（或通常称为组织-分型蛋白）。当外来细胞释放某些小蛋白（细胞因子）作用于T淋巴细胞上时就可能发出第二个信号。

推测起来，过路白细胞携带有适当抗原，也能分泌必须的细胞因子。相比之下，移植物中的其它细胞（如胰岛素产生细胞）发出初始信号（它们呈现表面抗原），但不发出第二个信号（它们不释放细胞因子）。一旦过路细胞激活了杀伤T淋巴细胞，淋巴细胞就攻击任何具有识别抗原的移植细胞，即使这种细胞本身不发出第二个信号。但是假如T淋巴细胞仅接受第一个信号，很明显它们就会放过具有识别抗原的细胞。

令人失望的是，Lafferty破坏过路白细胞的方法不能用于胰岛：高氧破坏了激素产生细胞。但是，历经多次反复试验后，1979年，我的同事Joseph M. Davie和我设计了一种仅仅破坏过路细胞的培养方法。当我们把某一种系的鼠的1500个经处理的胰岛置于另一种鼠的门静脉并给受体注射一次可暂时灭活它们的免疫系统的药剂时，其排斥反应完全能防止。并且，同样的基本技术防止了种属内（从鼠到小鼠）胰岛移植的排斥反应。许多其它改变或破坏胰岛过路白细胞的方法随后在我们的以及其它的实验室也得到发展。

不幸的是，这些对啮齿动物有效的方法的一个重要步骤不能用于人类。实质上研究者们植入啮齿动物的胰岛是手工挑选的，以保证排除淋巴结或其它引起问题的污物。当植入1500个胰岛时，这一步骤是可行的，但是需要植入成千上万个胰岛时就难以实施了。然而，1993年我们完成的研究揭示了一种解决办法。

我们的实验受到了由1990年宾夕法尼亚大学的Ali Naji和他同事报告的研究结果的启发。Naji研究组揭示，将一种系的鼠的胰岛移植到另一种系鼠的胸腺可诱发对这些胰岛和后来移植入身休任何部位的同样的胰岛的耐受力。这一结果促使我的同事和我决定探讨在小鼠其它细胞移植少量培养的鼠胰岛是否会阻止其后移植的包括许多未经处理的胰岛的排斥。我们在移植的同时注射一次对抗鼠和小鼠白细胞的抗体，希望破坏任何遗留的过路白细胞的抗体，并暂时抑制受体的免疫监视。果然，培养的鼠胰岛置于小鼠肝门脉并注射抗体支持后，植入相同部位未经处理的胰岛被受体接受了。我们希望以后通过对狗进行试验能重复这一结果，它促使我们乐观地认为糖尿病人可用相对少量而仔细选择的胰岛加以“预免疫”并在免疫耐受力已经产生之后再给他们植入剩下的细胞。

把胰岛与免疫细胞隔离开来

无疑，除去过路细胞的免疫刺激作用的各种方法确实是令人振奋的，有朝一日它们确实可能成为胰岛移植技术的一部分。然而近来包括我在内的许多研究人员已把重点转移到早先提到的第二种抗排斥方案上。主要原因是必须考虑到Ⅰ型糖尿病是由不同于排斥反应的自体免疫过程所致的这一被人们日益强调的现点。在这一涉及抗体及T淋巴细胞的自体免疫反应中，病人的免疫系统把个体自己的β细胞作为有害入侵者特异性加以破坏。因此，即使我们预先处理了排斥，特异性针对β细胞的自体免疫攻击还是能消灭移植的胰岛中产生胰岛素的细胞。

自体免疫破坏可通过有目的地植入与受体的胰岛不相匹配的组织分型抗原加以防止。但是，许多研究人员正在采用一种既能防止自体免疫又可阻止排斥的希望不大的方法：他们正在探索把供体胰岛包在半渗透的塑料膜中的方法。当孔的大小理想时，这种膜允许葡萄糖到达被包复的胰岛，同时允许胰岛产生的胰岛素渗出，但是膜能阻挡淋巴细胞和抗体分子——比葡萄糖和胰岛素分子大得多——跨过半透膜到胰岛。

1975年.当时就职于波士顿Joslin糖尿病中心的William L. Chick建立了最早的包囊胰岛的技术。他把胰岛置入一包绕塑料管的小囊内，并将该管与啮齿动物的动脉和静脉相连结.当血经过管道从动脉流至静脉时，葡萄糖就跨越管壁通入小囊，在此处与映岛接触。然后胰岛就释放胰岛素并从小囊渗出，通过管进入血流，同时，血中的淋巴细胞和抗体从囊旁边流过，不影响其内的胰岛。该装置短暂纠正了血糖水平。当塑料管壁上发生血凝堵住小孔时，胰岛随即死亡。自那以后，该装置的生物相容性已获得改善，移植人糖尿病狗的犬胰岛已使血糖水平在持续数月的研究中达正常范围。

然而，对人类糖尿病患者采用该法我甚为担优，因为维持管道是困难的。比如说，一场少年足球赛可能损坏该管，使之发生破裂。这样它不仅失去功能，还可导致危险的内出血。而且，血凝可妨碍移植胰岛发挥正常功能，且凝块还可移行于重要动脉发生栓塞。

弗吉尼亚医学院的Franklin Lim和多伦多Connaught研究所的Anthony M. Sun于1980年发明了一种不同的方法。他们把准备移植的胰岛悬浮于自海藻中提取的藻酸盐粘性溶液中。另于溶液中加人钙，使其形成胶体，以使一个或二个胰岛被包在一个藻酸盐微滴内。随后这些易碎的微滴用塑料包起来并置入腹腔。采用该部位是因为血中的液体进入腔，随后又返回血流；于是它能把血糖水平告知胰岛，也能从胰岛携带胰岛素进入循环。胶囊控制了啮齿动物血糖并防止了排斥，但塑料包膜刺激外周纤维组织生长，使胰岛丧失营养并被破坏。

更具有生物相容性的塑料包膜微滴已经问世，据报道已暂时逆转了一例糖尿病。但它用于人类仍有缺点。虽然每一个囊很小，直径不到0.5毫米，但控制人类血糖水平需要数十万个胰岛，这就占据了大的体积。为适宜广泛运用，囊还必须更小，更稳定。此外，研究者们还必须建立一种在必须取出包囊时很容易把包囊全部取出的方法。

为避免另两种方法的缺点，我的实验室已把胰岛包在一个如小纸夹中的铁丝一样细的中空、半通透的丙烯酸纤维中。布朗大学研究帕金森氏病的研究人员发现它有显著的生物相容性后，1990年我们选择了这种聚合物纤维。在初始研究中，我们把鼠胰岛注入一中空纤维，封闭两端，并把一二个这种纤维管放入糖尿病小鼠的腹腔。血糖变为正常，并持续了12天，但随后动物再度患上糖尿病。我们想我们已走入了死胡同；胰岛已被排斥。

然而，移植物的显微分析揭示胰岛已结成了块，使聚合物中心失去了营养。这个问题容易解决——把胰岛悬浮于中空纤维管内的胶质藻酸盐中。经过一年观察（鼠寿命的一半），放人腹腔或皮下的移植物始终维持了正常血糖水平。同等重要的是，鼠对移植物耐受好，细塑料管外周几乎很少产生纤维组织。去年Scharp和我开始用此法对人体进行初步试验。我们放置携带有少量胰岛（150~200个）的纤维于Ⅰ型和Ⅱ型糖尿病患者的皮下，保持移植物置入二周。令人愉快的是，胰岛既未受到免疫排斥又未发生自体免疫破坏，从而受到保护。

下一步设想

这样，迄今为止从动物和病人所收集的研究资料强烈揭示用生物相容性膜包被的胰岛应很好地被耐受。假如提供足量的胰岛，它们应该逆转糖尿病，也许是无限期地逆转。然而，仍存在技术困难。主要是涉及到需要植入大量胰岛。

例如，虽然中空纤维膜储存胰岛比单独包囊每一个胰岛所得的更为紧密，但为了完全装下所需植入的全部胰岛，仍然需要植入数米纤维。现在我们正在试验一种用相同物质制备的膜，但它更扁平，以使我们能更紧密地将胰岛包在一起。据测定，像一张半美钞那样大小的扁平纤维可容纳80万个胰岛且很容易植入腹腔。我们希望不久将来对人体作安全试验。假如能找到更为紧密地包被胰岛的方法，我们可在皮下设置两个小装置。在这个部位上必要时很容易取出。

任何装置能广泛应用之前，医生需要有丰富的胰岛供应。如同其它器官一样，从尸体提供的人胰供不应求。粗略估计，有70万美国人患有I型糖尿病，而且每年新增病人达1万3千例以上。此外，大约200万Ⅱ型糖尿病要用胰岛素治疗。而每年提供各类器官移植的尸体还不足6万个，大约仅1千个胰腺可供使用。

为克服这一短缺，一些研究人员正在探讨用取自流产胎儿的胰岛进行移植。这一方法部分是想通过分离到能衍化成胰岛的前体细胞并诱导产生大量胰岛。但研究胎儿组织还是很初步的。将来医生也可单独移植产生胰岛素的细胞。这种细胞能从β细胞肿瘤中获得。后者在实验培养中无限度地产生新细胞。这样的肿瘤细胞系早已存在，但已丧失了为应答血糖水平而调节其分泌胰岛素量的能力。恢复这种能力并保证移植的β细胞不会在人体产生新肿瘤的方法正在探索之中。

不久的将来，逻辑上讲人类胰岛的替代物是猪胰岛。选择这些细胞是有吸引力的，因为猪胰岛容易获得且产生的胰岛素也几乎与人完全相同。而且，我们和其它一些研究人员预期猪胰岛会是有用的，因此早已建立了从大里胰腺中同时分禽胰岛的方法。假如胰岛通过包囊技术而避开免疫系统，则不同种属间的移植将不会触发正常所预期的免疫反应。对于不给予免疫抑制剂的病人进行被包囊的猪胰岛的人体试验可在一二年内开始。

被包囊细胞的移植对其它疾病同样也是有帮助的，特别是对那些由细胞分泌的特殊激素或其它物质丧失了的疾病。移植细胞可以是功能不全的一类细胞的正常形式，或是完全不同类型的细胞，但经过遗传工程处理后能制造选择的分子。例如，血友病患者获得能诱发他们所缺乏的凝血因子的细胞应是有益的，帕金森氏病的病人获得能产生神经递质多巴胺的细胞是有好处的。已经知道，注射多巴胺暂时改善了许多病人的肌肉协调，当含有分泌多巴胺细胞的中空纤维置入用实验诱发帕金森氏病的动物的脑病变区域附近时，病情也获得类似改善。

随着胰岛包囊技术取得进展，另一种完全不同的胰岛素释放系统——完全的人工胰腺——的研究也取得进展。一种微型化的机械系统将可能持续监视血糖水平，并精确释放出个体所需的胰岛素量。设计一种既小巧耐用又精确的传感器是向研究人员发出的一个艰巨的挑战。像那些阻碍胰岛移植的方法一样，无疑这一障碍最终会被人们所克服。在这两方面所取得的成功会使糖尿病早期就可获得完善的血糖控制，从而防止今天蹂躏太多的生命的并发症。

【刘长安/译  李文/校】