文摘
胰腺β细胞再生,例如,通过诱导增殖,仍然是一个重要的目标在发展有效的治疗糖尿病。然而,β细胞主要被认为是静止的。这种“静态”观点最近受到观察代谢压力补偿的相关生理条件通过增加β细胞质量。理解这些过程可能的分子机制强调开放的可能性发展新型小分子质量增加β细胞。几个细胞细胞循环和信号蛋白为高通量筛选提供有吸引力的目标,和最近的细胞培养技术的进步使得表型筛查小molecule-inducedβ细胞增殖。我们在座的概述当前的趋势包括小分子扩散方法诱导β细胞再生。
1。介绍
1型(近年来)和2 (T2D)糖尿病包括胰腺β-细胞质量和功能的损失。在近年来,自身免疫性破坏β细胞导致绝对依赖外源性胰岛素,而T2D的外周胰岛素抵抗可能导致β细胞呼吸困难和失败1]。整体胰腺β-细胞质量是由各种过程,包括细胞凋亡、分化、再生和扩散。增加β细胞质量的方法在体内发展可以为治疗提供新的途径。
β细胞替代治疗治疗近年来的。胰岛移植的埃德蒙顿协议表明,患者可以实现胰岛素独立过程。一年后然而,病人需要至少两个捐助国的小岛,超过器官供应。在后续的研究36接受胰岛移植治疗九个中心(2只有三分之一的患者胰岛素依赖两年之后。这些结果说明增加β细胞质量会导致胰岛素独立,但是,我们可能需要除了胰岛移植的方法来实现这一目标。
目前尚不清楚是否可以利用β细胞增殖诱导β细胞再生治疗糖尿病。β细胞质量是维持在最佳水平在体内通过缓慢的离职率。在人类,它已经表明,β细胞大规模扩大几倍从出生和前三年的童年,但是,这个初始阶段后,β细胞复制潜力明显下降,直到成年期(3]。
工作在2004年最终表明,新的β细胞的老鼠来自现有β细胞的细胞分裂,而不是从干细胞的人口4]。正如前面提到的,年轻的人类胰腺癌的研究样本捐助者显示复制确实是负责胰腺β-细胞扩张,但只有在出生后短期内(3]。然而,捐助者在7和66岁之间的分析发现β细胞增殖标记阳性Ki67在每个样本测试5]。这些观察结果支持假设β细胞生理,尽管有限,增殖的能力。
糖尿病的治疗进展的主要障碍是缺乏小分子药物诱导β细胞再生。小molecule-induced人类β细胞增殖可能是实现这一目标的一个重要方法;这些化合物可以用于恢复β细胞质量在体内,或者提供方法前女友体内β细胞移植前数量的扩张。我们在座的概述当前的趋势包括小分子诱导β细胞再生方法。
2。β细胞增殖的生理机制
2.1。葡萄糖
虽然β细胞在成年质量仍相对稳定,有很多生理上的刺激,可以促进或抑制β细胞增殖;这些自然发生的条件使我们能够研究和识别扰动的新目标。首先,葡萄糖是胰腺β-细胞的有丝分裂原扩散,长期和短期葡萄糖输液促进β细胞增生(6- - - - - -8]。人类胰岛移植到糖尿病小鼠nonobese也回应了葡萄糖在体内通过增殖(9]。尽管glucose-induced扩散的机制仍不清楚,所扮演的角色,例如,胰岛素受体,胰岛素受体底物2已被证明是重要的(10]。最近的一项研究显示糖酵解的重要性通量的刺激细胞分裂(11]。后去除大部分的β细胞在小鼠和诱导补偿扩散,作者发现β细胞调整增殖率根据糖酵解。葡糖激酶(GCK)葡萄糖磷酸化glucose-6-phosphate糖酵解的第一步。它作为葡萄糖传感器,可以调节胰岛素分泌和β细胞增殖。因此,老鼠缺乏GCK无法弥补β细胞增殖消融,而GCK激活化合物增加扩散。GCK重要性的进一步证据在β细胞增殖的识别提供了一种罕见的变异(V91L)在人类葡糖激酶基因的亲和力GCK血糖超过8.5倍。这些人有异常大的小岛,较大的相对β细胞面积、高度的增殖,由Ki67-positiveβ细胞的数量(12]。这些研究指出GCK作为小分子调制的一个重要目标。
2.2。怀孕
一个相关联的研究现象的增加β细胞质量是怀孕。怀孕期间,胎儿的存在创造了一个母亲代谢需求增加,导致分子增加胰岛素分泌,增加了胰岛素的合成,一个可逆增加β细胞复制(13,14]。核扩散的巅峰的同时,增加催乳素水平,如泌乳素、胎盘催乳素、生长激素(15]。虽然早期检查尸体的人类胰岛显示胰岛大小在孕期由于增生肿大(从每胰岛β细胞的72% 82%孕妇)(16),后来的研究表明,人类胰岛应对主要通过增加胰岛素分泌催乳素17)和导管新生可能发生在怀孕期间(18]。
尽管模棱两可的适应性反应在人类怀孕,最近的工作在啮齿动物这个过程的先进知识。2007年工作表明,β细胞增殖增加怀孕的老鼠menin蛋白介导的蛋白,编码的即基因(19]。menin蛋白的表达与增加β细胞完全anticorrelates BrdU合并在怀孕期间β细胞。Menin associates的组蛋白甲基转移酶mixed-lineage白血病(MLL),进而调节细胞循环抑制剂p18和p27的表达。在怀孕期间过度的menin小岛引起呼吸困难和损失menin表达式,和下游后果可能是由增加催乳素在细胞培养中完成。与这些结果一致,研究转录因子FoxM1在小岛发现pancreas-wide删除这个基因导致损失的扩散在怀孕期间和随后的妊娠期糖尿病的发展(20.]。这些影响是伴随着menin和p27水平的增加,表明FoxM1的重要作用和menin适应怀孕。老鼠最后,怀孕的另一项研究显示,胰腺β-细胞的扩张质量是至少部分由5 -羟色胺信号(21]。色氨酸羟化酶1,5 -羟色胺生物合成的病原反应步骤,是一种最高度调节基因在怀孕的小岛,这项研究的结论是,5 -羟色胺作为旁分泌信号刺激β细胞的细胞循环发展。所有这些研究表明,研究人员时要特别注意这一生理过程考虑诱导β细胞再生的机制。
2.3。肥胖
β细胞的损失质量一直在报道肥胖和T2D [22,23),虽然在某些情况下有一个补偿增加β细胞质量(24]。这是否适应由β细胞增殖是不清楚。两条线的证据指出监管老鼠肥胖的扩散。首先,贪食的肥胖的小鼠模型,是用来评估menin蛋白和下游细胞循环蛋白质的水平。相对于nonobese控制同窝出生的,老鼠有很多menin mRNA和蛋白水平较低,p18, p27 [19]。这个损失menin表达式与增加扩散,尽管它并不明确。其次,分析在非糖尿病的肥胖基因调控ob / ob老鼠发现,细胞循环基因表达增加。特别是,FoxM1是一个重要的监管机构的β细胞分裂和增加这些肥胖的老鼠25]。此外,过度的FoxM1刺激(3H]胸腺嘧啶核苷掺入全部老鼠和人类的小岛。这些研究表明β细胞的反应与肥胖可能相当类似于孕期的反应。
2.4。老化
在老化,许多组织失去再生能力,和表达的增加已被证明是一个衰老的标志(26]。这种现象也观察到在小岛27,28),和老年小鼠胰岛表达更多比外分泌组织(29日]。老鼠与p16不足影响取决于年龄:年轻的老鼠的影响损失的基因,而年长的老鼠失去任何β细胞增殖的能力。同样的,蛋白质积累在终末分化β细胞胚胎发生(30.),限制他们的产后扩张。在最近的人类,结果表明,这些调控蛋白被激活或灭活根据不同β细胞增殖状况。例如,p16和p27蛋白偶尔表达产前人类β细胞,但在成人的丰富31日]。因此,老化的影响似乎类似于啮齿动物和人类的小岛。
增加细胞循环抑制剂的表达式在老化的机制正慢慢变得清晰起来。小鼠的衰老与两个阻遏蛋白的表达减少Ink4a /论坛轨迹。首先,老化减少Bmi-1 polycomb组的表达蛋白质,导致增加MLL的招聘和甲基化的位点,并增加p16表达(32]。因此,Bmi-knockout老鼠增加p16表达和减少胰腺β-细胞质量。第二,老化减少胰腺β-细胞组蛋白甲基转移酶的表达增强剂的zeste同族体2 (Ezh2)。条件删除Ezh2的结果表达p16在年轻的时候和β细胞增殖减少33]。这些研究表明β细胞的各种适应性的生理压力高血糖,肥胖、怀孕、和老化可能最终收敛在β细胞细胞周期调节。
3所示。细胞增殖的目标
3.1。细胞循环蛋白质
从分子的角度来看,β细胞增殖是由细调优蛋白激酶,激酶活化剂或抑制剂(34- - - - - -36]。在这里,我们将回顾有关细胞的蛋白质可能是针对大规模筛选。的积极调节β细胞增殖,一个核心作用归因于细胞周期蛋白D1和D2 (37]。细胞周期素D3的作用仍存在争议在啮齿动物38),但它的作用似乎是更重要的在人类胰腺(39]。通过超表达基因操作有效地诱导β细胞再生。第一个证据感应人类β细胞来自过度cdk-4和细胞周期蛋白D1的小岛(40]。此外,过度的细胞周期蛋白依赖性激酶cdk-6,要么有或没有细胞周期蛋白D1,导致人类β细胞增殖增加完整的小岛和分离胰岛细胞(39,41]。针对细胞循环蛋白质化学的一个重要责任是他们的全身无处不在的表达式。事实上,抑制细胞循环激酶是癌症治疗的一个活跃的研究领域(42]。它可能是一个艰巨的任务来确定,例如,催化剂的关键细胞循环只对β细胞特定的蛋白质。如前所述,许多重要的生理过程在细胞周期调节β细胞增殖收敛,所以这个基本过程可能过于下游有效目标的小分子。
3.2。GSK-3
多个证据表明Wnt通路参与了β细胞生存和增殖。激活胰腺β-细胞的Wnt信号线路或主鼠标小岛已被证明导致增强β细胞增生(43- - - - - -45),upregulation细胞循环基因,细胞周期蛋白D1和D2,包括和cdk-445,46]。此外,增加胰岛β-连环蛋白表达导致β细胞大规模的扩张在体内,而移植轴蛋白表达,Wnt信号的负调节,缓解Wnt-stimulated基因表达,又能降低胰腺β-细胞扩张(46]。
在缺乏Wnt信号的情况下,糖原合成酶激酶3(GSK-3),腺瘤息肉病杆菌蛋白质、轴蛋白和β-连环蛋白的表单组件启用GSK-3“破坏复杂,”使β-连环蛋白磷酸化,目标蛋白酶的泛素化和降解。GSK-3抑制剂诱导β细胞增殖;治疗INS-1 GSK-3无关的细胞结构抑制剂1-azakenpaullone, CHIR99021, 6-bromoindirubin-3肟(生物)增殖率增加剂量依赖性的方式,以BrdU公司(47]。1-Azakenpaullone和CHIR99021被发现促进分离大鼠胰岛β细胞复制。这些观察的基础上,小说的导数paullone合成和化验对β细胞增殖的影响。在测试当中,1-aza衍生品导致有效和选择性GSK-3抑制剂(图1(一))。在本系列中,9-cyano-1-azapaullone最功效(cazpaullone)诱导β细胞复制在初选INS-1细胞和鼠胰岛(48]。在人类胰岛透露GSK-3工作抑制剂也促进扩散,尽管读出胰岛(总3H]胸腺嘧啶核苷掺入(49]。雷帕霉素也减少了扩散,进一步指出激活mTOR潜在诱导β细胞增殖的机制。GSK-3追求的小说抑制剂,一个活跃的研究领域50),GSK-3的角色的问题在β细胞将会负责更多的选择性和有效的化合物。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
3.3。葡糖激酶
如前所述,葡糖激酶(GCK)葡萄糖磷酸化glucose-6-phosphate糖酵解的第一步。它是主要的己糖激酶在β细胞和中扮演一个重要的角色在β细胞葡萄糖传感器。当喂高脂肪的食物,野生型老鼠显示标记β细胞增生,GCK杂合的老鼠不可能充分增加β细胞复制(55),导致的结论是,葡糖激酶发挥了至关重要的作用诱导β细胞复制。为了解决这方面问题,GCK+ /−老鼠的存在与否与高脂肪饮食葡糖激酶活化剂(GKA) 20周(56]。无显著差异在β细胞扩散被认为长期治疗,但与GKA急性为期3天的治疗后,β细胞增殖明显刺激。
强大的增殖的影响葡糖激酶受体激动剂GKA50(图1 (b))和LY2121260 INS-1细胞模型中也观察到(51]。GKA50,有趣的是,但不是LY2121260,也阻止了细胞凋亡细胞在慢性high-glucose INS-1浓度,可能通过增加葡糖激酶蛋白本身的水平。葡糖激酶受体激动剂可能扮演重要的角色在促进β细胞增殖和防止细胞凋亡,而新颖的化合物正在积极寻求这些目的(57]。
3.4。GLP-1
虽然很多研究都集中在glucagon-like肽1 (GLP-1)在糖尿病及其作用,重要的问题仍未得到解答。例如,exendin-4诱导β细胞增殖啮齿动物的能力是良好的58- - - - - -61年),但这种影响是否也会发生在人类尚未证明(62年]。最近的一份报告显示,增加人类β细胞移植到小鼠的复制exendin-4对待,但只有当小岛从年轻的捐助者63年]。这样观察质疑的差异,在分子机器和胰岛生理方面,现有的小鼠模型和人类之间。另一方面,glp - 1在一个似乎激活Wnt TCF7L2-dependent方式(64年)鼓励翻译人类生物学,单核苷酸多态性在TCF7L2提供最强的遗传关联T2D [65年]。可能的情况是,这种GLP-1激活只可观测的影响当管理一个完整的有机体,而不是仅在细胞培养。
有一个伟大的科学和商业的兴趣识别GLP-1模仿和dipeptidyl肽酶抑制剂4,这会降低GLP-1在体内(66年]。这些化合物促进GLP-1 G protein-coupled受体的激活刺激胰岛素分泌,抑制胰高血糖素分泌,也有可能增加β细胞质量(见[67年)的广泛审查)。尽管取得了一些有趣的成就,小分子受体激动剂的发展GLP-1受体仍然是相当具有挑战性的和尚未充分开发。
3.5。GPR119
119 G protein-coupled受体(GPR119)是另一个有吸引力的目标T2D疗法(68年]。GPR119第一次被确定为一个孤儿GPCR在各种哺乳动物物种69年]。这种受体主要是在β细胞中表达70年]和GLP-1-secreting肠道L-cells [70年]。磷脂lysophosphatidylcholine和oleoylethanolamide (OEA)天然内源性配体GPR119 [71年,72年];他们每个人增加细胞内营在glucose-dependent胰岛素分泌水平和结果。高et al。52,73年OEA的效果进行评估和合成受体激动剂(PSN632408和AR231453)对小鼠胰腺β-细胞复制(图1 (c)),发现所有能够增加β细胞复制的数量相比,控制动物。类似的结果也出现在其他GPR119受体激动剂:AS1535907 [74年]和APD597 [75年]。这些结果提供了有趣的初步证据表明,激活GPR119治疗T2D可能是一个可行的策略。
4所示。化学筛选和β细胞增殖
在过去的几年里,一直在尝试开发大规模筛选化验(高温超导)确定小分子诱导胰腺β细胞扩张。的第一项研究报告筛选850000种化合物的杂环库扩散的可逆永生的鼠标细胞系R7T1 [53]。胰腺β-细胞线是著名的使用SV40 T抗原Tet-On系统的控制下,这样的细胞增殖的四环素但经历增长逮捕在撤军(76年]。这些细胞表达特点胰腺β-细胞标记(胰岛素,胰岛素2,Pdx1),分泌胰岛素,恢复正常streptozotocin-treated老鼠。虽然不是真正的模仿在体内静止的β细胞,这个系统可以被认为是一个合理的代理确定再入growth-arrested细胞的细胞周期的细胞内ATP的水平。排除假阳性四环素模仿,Tet-Off永生的β细胞TC-Tet,遍布只有没有春节76年),被用作计数器屏幕。
几个结构多样、活性化合物类,包括佛波醇酯,dihydropyridines(设计马力)和噻吩嘧啶。特别是,噻吩嘧啶似乎刺激β细胞增殖通过激活Wnt信号通路。piperazinyl导数显示与IC感应R7T1扩散存在剂量依赖的相关性50约为1.1m .相同的化合物是活跃在MIN6和HIT-T15β细胞线路和主要鼠β细胞。有趣的是,这个分子是一个强有力的GSK-3抑制剂。
dihydropyridine(设计马力)类确定作用于l型钙通道在这个屏幕。在β细胞,钙通道发挥关键作用在控制分子胰岛素分泌和胰岛素的分泌77年),以及一些钙channel-encoding基因多态性与近年来和T2D [78年- - - - - -80年]。然而,也有可能这些突变导致β细胞增殖缺陷。事实上,确立a1D亚基基因敲除显示显著减少产后β细胞增殖的81年),这表明钙通道信号是β细胞复制所必需的。最有效的导数识别(湾K 8644;图1 (d))导致显著增加存在剂量依赖的相关性扩散growth-arrested R7T1, HIT-T15和MIN6β细胞,和初级鼠β细胞。数据显示感应人类β细胞的增殖,然而,并不确凿,表明需要进一步的研究来识别活跃在人类胰岛的诱导。
最近,我们已经开发出一种人类胰岛细胞培养系统(82年)屏幕直接诱导β细胞增殖的主要人类细胞。虽然非常具有挑战性,我们使用这个系统来测量胰岛素的百分比+/ Ki67+384 -孔板细胞复合治疗后。主要的限制是获取人类胰岛的充足供应。概念验证屏幕使用主要鼠胰岛也被报道(54]。分离胰岛被播种在96 -孔板和治疗的图书馆~ 850 cell-permeable生物活性化合物。主屏幕PDX1的比例来衡量+/ Ki67+细胞。两个腺苷酸激酶抑制剂:5-iodotubercidin(第五;图1 (e))和abt - 702筛选击中,两个诱导的两到三倍增加PDX1的百分比+/ Ki67+细胞相比DMSO-treated控制。在体内研究使用abt - 702因其半衰期长;腹腔内注射21 abt - 702毫克/公斤的增加导致了双重BrdU PDX1合并+细胞,但对外分泌细胞或肝细胞没有影响。人类胰岛没有数据了,所以还有待观察是否腺苷酸激酶在人类β细胞增殖起着重要的作用。
腺苷酸激酶是肝脏和胰腺中高度表达83年和细胞代谢中起着重要的作用84年]。要理解为什么腺苷酸激酶抑制剂诱导β细胞复制,胰岛文化治疗,和各种replication-pathway抑制剂。只有p38增殖作用的蛋白激酶(MAPK)抑制剂SB203580 5-IT-dependent增加β细胞复制,而雷帕霉素和PI3K抑制剂渥曼青霉素抑制β细胞复制,每个建议,促进β细胞复制mTOR-dependent地。作者还观察到一个有趣的链接与葡萄糖和GLP-1;的结合,高葡萄糖,GLP-1或exendin-4诱导复制率四到五倍。这些结果指向腺苷酸激酶作为β细胞再生的另一个可能的目标。
5。未来方向:细胞筛选的目标
的印象来自于许多研究进行β细胞增殖,似乎就有许多可能的目标的研究。因为糖尿病再生医学的一个潜在的目标是引入β细胞的增殖,重要的是要找到对β细胞机制非常具体。否则,任何化合物的风险识别是它在全球范围内导致细胞分裂,一个潜在的灾难性后果。为了识别选择性小分子,很可能未来的发展方向应包括过程相对具体的β细胞。
β细胞的适应性反应怀孕为细胞提供了几个可能的目标。首先,5 -羟色胺是高度调节β细胞在怀孕期间(21]。因此,激活5 -羟色胺生物合成或信号可能是小说和特定的方式诱导β细胞增殖。知识的增加5 -羟色胺增加增殖的机制将有助于在这个任务。其次,蛋白质menin蛋白高表达下调是在怀孕期间(19]。Menin很有趣,因为它对β细胞特异性,和它的能力作为一个开关,可以打开或关闭β细胞增殖。最近,这些独特的性质在高血糖的糖尿病小鼠模型,评估急性和暂时删除控制即改善现有streptozotocin-treated小鼠高血糖,逆转葡萄糖耐受不良高脂饮食小鼠通过增加β细胞的增殖85年]。最近的一项研究报告筛查破坏menin-MLL复杂(86年),所以这将是极大的兴趣来确定这些化合物也会增加β细胞增殖。
针对menin和/或MLL的前景可能突显出重要作用表观遗传学在未来将在了解β细胞增殖。有积累的证据表明,β细胞调节生长和命运通过表观遗传机制(32,87年]。迄今为止,调制的表观遗传状态尚未充分利用β细胞生理学和可以代表一组新的治疗目标。事实上,一些有趣的例子,这种方法的潜力已经可用,特别是组蛋白脱乙酰酶抑制剂(88年,89年]。其他一些细胞目标提供有吸引力的模型,包括mTOR激活,正如上面所讨论的,和Pax4激活(90年]。
大部分的β细胞生物学的研究,包括最近的大规模筛选的例子,严重依赖小鼠动物和细胞模型。尽管这些研究提供了基础对许多β细胞研究进展,不幸的是他们经常不翻译时类似的结果应用于人类。β细胞再生方法面临的最大挑战,尤其是增殖,是治疗的要求和机制在啮齿动物和人一起工作。当我们了解更多关于人类β细胞的生理增生性行为,我们可以开始识别分子开关可以用来促进人类β细胞的增殖。