器官移植是 21 世纪医学领域最辉煌的成就之一，已有数十万器官终末期患者因此而得到救治，不仅延长了器官衰竭和病变患者的寿命，还提高了他们的生命质量。

糖尿病是严重危害人类健康和生命的常见慢性代谢性疾病。近年来胰岛移植治疗糖尿病取得了突破性进展，是治疗胰岛素依赖型糖尿病的有效方法；然而供体的严重匮乏和移植排斥反应制约了临床胰岛移植的广泛应用。而干细胞可以在体外自我增殖且具有分化成为各种组织细胞的潜能，因此若将干细胞诱导分化成为胰岛细胞有望成为解决胰腺供体缺乏的有效途径。

已有研究结果证实大鼠胰腺可以从小鼠体内通过大鼠多能干细胞与小鼠囊胚的异种重构获得。虽然通过这种方法可以获得大鼠来源且有功能的胰腺，但是这些胰腺都是小鼠胰腺大小，提取不出足够的胰岛用于治疗糖尿病模型的实验大鼠。

东京大学干细胞生物学和再生医学研究中心 Tomoyuki Yamaguchi 等通过反向设计实验（如下图），将小鼠多能干细胞（PSCs）注射到 Pdx1 缺乏的大鼠囊胚内，获得了大鼠胰腺大小且来源于小鼠多能干细胞的胰腺。然后将提取出的胰岛移植到链唑霉素（STZ）诱导的糖尿病小鼠模型中。在无免疫抑制剂的情况下，移植后的胰岛可以稳定调控宿主小鼠机体血糖水平，从而有力地证明了通过多能干细胞异种囊胚重构获得胰岛的治疗潜力，为最终开展临床胰岛移植奠定了临床前基础。


本研究中检测移植胰岛后机体的免疫反应 CD11b 抗体来自 Bioss（Anti-CD11b, bs-1014R, IHC）。

实验解析：

1. 生成 Pdx1 缺乏的大鼠

Pdx1 是大鼠和小鼠高度保守的编码基因，有相同的同源结构域，是胰腺干细胞发育过程中表达的第一个分子标志，其纯合子缺失突变会导致胰腺无法形成。本实验设计中，利用 TALEN 基因编辑技术，通过杂交获得突变的纯合子 Pdx1mu/mu 大鼠 (Fig1)



2. 嵌合型胰腺的生成

为了获得种间嵌合体，经增强型绿色荧光蛋白（EGFP）标记的小鼠多能干细胞，被注入 Pdx1+/mu 大鼠囊胚中，杂交获得突变的纯合子 Pdx1mu/mu 大鼠，相较于 Pdx1+/mu 大鼠，EGFP 的表达在 Pdx1mu/mu 大鼠胰腺中已完全覆盖，胰腺大小与同时期野生型大鼠胰腺相当，且胰腺组织的内分泌表达激素 (如胰岛素、胰高血糖素、生长抑素等) 与野生型大鼠胰腺的表达也无统计学差异（Fig2a-c）。

进一步检测 mouseR 胰腺功能，GTTs 结果显示 Pdx1mu/mu 大鼠宿主胰腺对葡萄糖的应激反应略为缓慢，60 min 后血糖水平出现下降趋势，约 2 小时恢复到正常水平；但 GTT AUC 没有明显的差异（Fig2d-e）。由此可知，嵌合型胰腺可以在宿主体内发挥正常的血糖调节功能。

Fig2 Generation of mouse pancreata in rat by interspecies blastocyst complementation.

3. 移植嵌合型胰岛到糖尿病模型小鼠体内

为了检测嵌合型胰岛的治疗潜能，将分离后的胰岛移植于链脲佐菌素（STZ）诱导建立的 C57BL/6N 糖尿病模型小鼠肾被膜下。经检测发现移植后的嵌合型胰岛呈现正常胰岛样形态，且同样可表达 EGFP(Fig3a)。移植后的胰岛可以在没有免疫抑制的情况下稳定调控宿主血糖 370 多天，且在 GTTs 实验中调控反应表现正常。但当实验小鼠实施肾切除手术（包含移植后的胰岛）后，其血糖含量立即升高 (Fig3b)，由此充分证明移植后的胰岛在宿主体内可以行使调控机体血糖的功能。移植后宿主机体并未出现明显的免疫反应，T 细胞和巨噬细胞分别分泌表达的 CD3 和 CD11b 未显著表达 (Fig3c)。


Fig 3 |Transplantation of mouse R islets into mice with drug-induced diabetes.


为了使这种方法真正运用于临床，可以将人类干细胞整合到更大的动物胚胎中，使其产生适合人类大小的胰岛。猪和人的胰岛结构较为接近，且猪胰岛素已成功应用于临床，故猪成为临床异种胰岛移植最有希望的动物供体之一。但如何获取大量高质量的功能性胰岛细胞及有效抑制异种免疫排斥反应仍是异种胰岛移植的主要问题。

文献来源：[IF:41.58]Tomoyuki Yamaguchi.et al.Interspecies organogenesis generates autologous functional islets. Nature.2017 02 09;542(7640)

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参考文献：

1.Völkner, M. et al. Retinal organoids from pluripotent stem cells efficiently recapitulate retinogenesis. Stem Cell Rep. 6, 525–538 (2016).
2. Kobayashi, T. et al. Generation of rat pancreas in mouse by interspecific blastocyst injection of pluripotent stem cells. Cell 142, 787–799 (2010).