再生药物处理的人类胰岛中的循环α细胞可能作为关键β细胞祖细胞

内分泌科 医学 细胞生物学 生命科学
再生药物 α细胞 β细胞 胰岛 糖尿病 细胞分化 单细胞RNA测序

学术背景

糖尿病是一种全球性的健康问题，影响着超过5亿人。无论是1型糖尿病（T1D）还是2型糖尿病（T2D），其共同特征是功能性胰岛素分泌的β细胞数量显著减少。因此，恢复或增加β细胞数量被认为是治疗糖尿病的关键策略之一。目前，尽管通过胰腺移植、胰岛移植或干细胞衍生的β细胞移植等方法取得了一定进展，但这些方法成本高、供体稀缺，且难以大规模应用。因此，开发能够促进内源性β细胞再生的药物成为了研究热点。

近年来，研究发现小分子药物如DYRK1A抑制剂（如哈明碱）能够促进β细胞增殖，并增强其分化和功能。然而，这些药物在体内促进β细胞再生的具体机制尚不明确。本文通过单细胞RNA测序技术，研究了DYRK1A抑制剂对胰岛细胞的影响，特别是α细胞向β细胞转分化的可能性。

论文来源

本文由Esra Karakose、Xuedi Wang、Peng Wang等作者共同撰写，作者来自美国纽约西奈山伊坎医学院（Icahn School of Medicine at Mount Sinai）的糖尿病、肥胖和代谢研究所等多个研究机构。论文于2024年12月17日发表在《Cell Reports Medicine》期刊上，题为“Cycling Alpha Cells in Regenerative Drug-Treated Human Pancreatic Islets May Serve as Key Beta Cell Progenitors”。

研究流程与结果

研究流程

  1. 单细胞RNA测序：研究团队从四名成人胰岛供体中获取胰岛细胞，分别用10 µM哈明碱单独处理、哈明碱与5 nM GLP-1受体激动剂（GLP-1(7-36)）联合处理、哈明碱与3 µM TGF-β抑制剂（LY364947）联合处理，处理时间为96小时。随后，对这些处理后的胰岛细胞进行单细胞RNA测序（scRNA-seq），共获得了109,881个高质量的单细胞数据。

  2. 细胞类型注释与聚类分析：通过单细胞RNA测序数据，研究团队识别了21个独特的细胞类型簇，并确认了所有已知的胰岛细胞类型。使用“Harmony”工具对数据进行整合和批次校正，确保不同供体之间的数据一致性。此外，研究团队还通过特征图展示了胰岛细胞激素（如胰岛素、胰高血糖素、生长抑素等）的表达水平。

  3. 细胞周期分析：研究团队对每个细胞类型的细胞周期阶段进行了定义，发现有两个细胞类型表现出高水平的增殖标志物（如MKI67、TOP2A等），其中一个被标记为“cycling alpha cells”（循环α细胞）。这些细胞主要表达α细胞标志基因（如GCG、CHGB等），同时也表达与胰岛素颗粒相关的基因（如SCG2）。

  4. 药物处理对细胞丰度的影响：研究团队比较了不同处理条件下各细胞类型的比例变化，发现再生药物处理显著增加了循环α细胞的比例。通过Milo统计框架进行差异丰度测试，进一步证实了循环α细胞在药物处理后的丰度显著增加。

  5. 细胞转分化分析：为了探索循环α细胞是否能够转分化为β细胞，研究团队进行了RNA速度分析和伪时间轨迹分析。结果显示，循环α细胞能够分化为α-β2型细胞，并进一步转化为β细胞。此外，免疫细胞化学实验也证实了在再生药物处理后，C肽+/胰高血糖素+的α-β细胞数量显著增加。

主要结果

  1. 循环α细胞的识别：研究团队通过单细胞RNA测序识别了一类独特的循环α细胞，这些细胞在再生药物处理后显著增加，并且表现出β细胞表型标志物的上调。

  2. 药物处理对细胞丰度的影响：再生药物处理显著增加了循环α细胞的比例，表明这些细胞可能是药物作用的主要靶点。

  3. 细胞转分化的证据：RNA速度分析和伪时间轨迹分析表明，循环α细胞能够分化为α-β2型细胞，并进一步转化为β细胞。免疫细胞化学实验也证实了在药物处理后，α-β细胞的数量显著增加。

  4. β细胞表型的获得：循环α细胞在再生药物处理后表现出β细胞表型标志物的上调，表明这些细胞可能通过转分化机制贡献于β细胞数量的增加。

结论与意义

本研究揭示了DYRK1A抑制剂通过促进循环α细胞的增殖和转分化，显著增加β细胞数量的机制。这一发现为糖尿病治疗提供了新的思路，特别是对于那些β细胞数量严重减少的患者。此外，研究还表明，再生药物的作用可能不仅仅局限于β细胞，而是通过靶向α细胞前体细胞来实现β细胞的再生。

研究亮点

  1. 循环α细胞的识别：研究首次通过单细胞RNA测序识别了循环α细胞，并证实其在再生药物处理后的显著增加。

  2. 细胞转分化的证据：通过RNA速度分析和伪时间轨迹分析，研究提供了循环α细胞向β细胞转分化的直接证据。

  3. 再生药物的新机制：研究揭示了DYRK1A抑制剂通过促进α细胞前体细胞的增殖和转分化，实现β细胞再生的新机制。

其他有价值的信息

  1. 技术创新：研究使用了单细胞RNA测序、RNA速度分析和伪时间轨迹分析等先进技术，为胰岛细胞的研究提供了新的工具和方法。

  2. 未来研究方向：研究团队指出，未来需要开发人类α细胞谱系追踪技术，以进一步验证α细胞向β细胞转分化的机制。此外，还需要在体内模型中验证这些发现，以评估其在临床治疗中的潜力。

本研究为糖尿病治疗提供了新的思路，揭示了再生药物通过促进α细胞转分化为β细胞的机制，具有重要的科学和临床应用价值。