人体在遗传上可能倾向于攻击自己的细胞，破坏胰腺中制造胰岛素的 β 细胞，胰岛素有助于将糖转化为能量。这种被称为 1 型糖尿病的疾病可能发生在任何年龄，如果不小心使用胰岛素注射或胰岛素泵来平衡身体的糖水平，可能会致命。

但根据宾夕法尼亚州立大学生物医学工程和生物学副教授肖军“兰斯”连的说法，可能还有另一种个性化的选择。Lian 和他的团队首次在实验室中将人类胚胎干细胞转化为能够仅使用小分子产生胰岛素的 β 细胞，从而使该过程更加高效和具有成本效益。

干细胞可以通过环境中的信号变成其他细胞类型，一些成熟细胞可以恢复为干细胞——诱导多能性。研究人员发现，他们的方法适用于人类胚胎和诱导多能干细胞，两者均来自联邦批准的干细胞系。据 Lian 说，他们方法的有效性可以减少或消除未来工作中对人类胚胎干细胞的需求。他们今天(8 月 26 日)在《干细胞报告》上发表了他们的结果。

“糖尿病在和世界各地都是一种严重的疾病，”连说。“患者自身的免疫细胞会杀死他们产生胰岛素和调节血糖水平的能力。我们认为干细胞可能会解决这个问题，并让一个人再次适当地调节他们的胰岛素和血糖水平。”

干细胞可以通过环境条件或实验室干扰变成任何细胞类型。连说，诀窍是找出使干细胞成为所需细胞类型的功能版本的精确条件。

“如果我们能够将干细胞转化为胰腺β细胞并将它们转移回患者体内，就有可能治愈糖尿病，”连说。“这是一个难题。20 多年来，科学家们一直在努力寻找解决方案。我们的实验室意识到我们必须采取不同的方法。”

根据 Lian 的说法，在之前的尝试中，研究人员使用生长因子或蛋白质组将干细胞操纵成各种细胞类型。然而，生长因子昂贵且不稳定，导致制造过程昂贵且效率低下。

“2012 年，我们的团队发现了一种全新的分子介质，可以将干细胞分化为中胚层或内胚层阶段，这些阶段是成熟细胞的发展点，”Lian 说，并指出该过程利用了小有机分子而不是比更大的生长因子。“这些小分子比生长因子便宜得多且稳定得多，我们仍然可以模拟生长因子的作用，将干细胞分化为中间阶段。”

宾夕法尼亚州立大学的研究人员测试了各种浓度的廉价、易于储存的小分子 (CH)，以将干细胞诱导为更成熟的细胞。用红色 (mCherry) 标记，随着时间的推移，细胞以更高的浓度死亡。图片来源：小军“Lance”Lian/宾夕法尼亚州立大学

这些小分子包含一种称为 CHIR99021 (CHIR) 的化合物，并激活称为 Wnt 的信号通路，将细胞引导至其中一种中间类型。当 Wnt 被完全激活时，细胞会变成中胚层，最终会变成成熟的心脏细胞。但是较小剂量的 CHIR 只能部分激活 Wnt 通路，导致内胚层细胞可以被诱导成成熟的胰腺 β 细胞或肝细胞。

“没有人发现这一点，因为你必须精确、仔细地优化 CHIR 浓度，”第一作者、Lian 实验室生物医学工程博士生 Yuqian Jiang 说。“我们知道 CHIR 对干细胞分化很重要，但其他人可能只测试这种化学物质的一种脱靶浓度，并认为它根本不起作用。我们测试了所有可能的浓度，并找到了将干细胞分化为内胚层细胞的精确浓度.”

研究人员给细胞注射了逐渐增加的 CHIR 浓度。他们发现最低剂量不足以转化细胞，而较高剂量则完全杀死细胞。在第二和第三低剂量下，高达 87% 的干细胞变成了内胚层细胞，可以进一步引导它们变成胰腺 β 细胞。

“β细胞分化大约需要一个月的时间，在不同的步骤中加入先前研究建立的不同化学混合物，”姜说。“但之前的方案使用生长因子将干细胞推进为内胚层细胞。我们的方案消除了这种需求，节省了成本，同时仍然制造了大量细胞。”

研究人员还用葡萄糖测试了开发的胰腺β细胞。Lian 说，这些细胞根据其环境中存在的葡萄糖产生胰岛素，证明了它们的功能。为了防止患者的身体杀死这些细胞——这是1 型糖尿病患者的最初问题——研究人员计划在移植之前用生物材料聚合物封装工程干细胞衍生的 β 细胞。据连说，这将保护细胞，同时仍然允许它们感知环境并产生适当水平的胰岛素。

“我们的方法使我们能够以不同剂量使用相同的低成本化学物质来产生不同的中间细胞类型，其中一种可以成为胰腺β细胞，”Lian 说。“我们现在正在努力优化这种方法并将其转移到临床试验中，但我们已经完成了显着降低成本的艰苦工作。细胞疗法是惊人的，但不是每个人都能负担得起。我们的目标是让它可用给所有需要它的人。”

Lian 还隶属于哈克生命科学研究所。

“当我第一次听到兰斯谈论他试图做的事情时，我对他的大胆行为感到惊讶，”哈克生命科学研究所所长安德鲁·里德说。“他的工作体现了旨在彻底改变游戏规则的那种科学。我真的很高兴他实现了这个重要的里程碑。”