长期高糖负荷下海藻酸盐包裹的人胰岛β细胞葡萄糖响应性破坏机制研究

为探究体外长期高糖环境对人胰岛β细胞功能的损伤机制，日本国家全球健康与医学中心团队采用海藻酸盐(alginate)纤维封装技术，成功构建了保留功能的人胰岛细胞长期培养模型。研究发现高糖(25 mM)培养会导致β细胞葡萄糖响应性丧失，并通过RNA测序筛选出96个下调基因和174个上调基因，其中15个关键基因与胰岛素颗粒异常（proinsulin/C-peptide比值升高、成熟胰岛素颗粒减少）显著相关，为糖尿病β细胞功能障碍机制研究提供了新靶点。

　　

研究背景
糖尿病已成为全球性健康挑战，其核心病理机制是胰岛β细胞功能障碍。尽管啮齿类动物模型被广泛研究，但人类胰岛在结构、功能和病理特征上存在显著差异——例如人类胰岛呈现α细胞和β细胞混杂分布，而小鼠胰岛则形成β细胞核心结构。更棘手的是，人类胰岛获取困难且难以在体外长期维持功能，特别是在日本等地理限制地区，依赖国际协作（如加拿大阿尔伯塔胰岛分发计划）获取的胰岛在运输过程中活性持续衰减。

传统研究面临两大瓶颈：一是缺乏能模拟长期高糖微环境的体外模型，二是无法区分β细胞特异性响应与其他胰岛细胞的旁分泌干扰。2019年，日本研究团队突破性地开发出海藻酸盐(alginate)纤维封装技术，该天然多糖形成的三维网络不仅能保护胰岛细胞，还成功应用于人多能干细胞来源胰岛(hSC-islets)的移植治疗。基于此技术，研究人员首次实现人胰岛在体外长达180天的功能性培养，为揭示高糖毒性机制提供了独特平台。

关键技术方法
研究采用阿尔伯塔大学提供的人胰岛，通过钡离子交联法制备海藻酸盐纤维封装模型（1000 IEQ/纤维），分别在生理糖(5.5 mM)和高糖(25 mM)条件下培养4周。功能评估采用葡萄糖刺激的C肽释放实验，机制研究通过批量RNA测序（2个独立批次）和单细胞RNA测序(scRNA-seq)筛选差异表达基因，并结合透射电镜观察胰岛素颗粒形态变化。

研究结果

高糖负荷破坏葡萄糖响应性
封装胰岛在生理糖条件下保持稳定的葡萄糖刺激指数(GSI)，而高糖组在第4周出现C肽分泌能力显著下降。值得注意的是，这种功能障碍具有β细胞特异性，scRNA-seq证实α细胞功能未受显著影响。

差异表达基因筛选
通过跨批次分析鉴定出96个共同下调基因（如调控胰岛素分泌的SNARE家族成员）和174个上调基因（涉及内质网应激通路）。进一步聚焦β细胞特异性变化，最终锁定7个下调基因（如PC1/3等前胰岛素加工酶）和8个上调基因（包括分子伴侣HSPA5）。

胰岛素颗粒异常
高糖组出现三大特征性改变：proinsulin/C-peptide比值升高2.3倍；透射电镜显示成熟胰岛素颗粒密度降低41%；免疫荧光显示高尔基体区异常积聚未成熟颗粒。这些发现与临床T2D患者病理特征高度吻合。

结论与意义
该研究首次在功能性长期培养模型中证实：持续高糖通过双重机制损害β细胞功能——既下调关键胰岛素合成酶基因（如PC1/3），又激活内质网应激通路（如HSPA5），最终导致胰岛素颗粒成熟障碍。这一发现为理解糖尿病β细胞去分化提供了新视角：不同于传统认为的细胞凋亡主导机制，研究提示功能失调可能先于结构损伤发生。

技术层面，海藻酸盐封装技术突破人胰岛研究的两大限制——既实现跨地域运输后的功能恢复（钡交联纤维的机械保护作用），又建立可精确控制糖浓度的长期实验体系。筛选出的15个核心基因为开发β细胞保护剂提供新靶点，其中PC1/3调控通路可能成为逆转早期β细胞功能障碍的干预窗口。研究团队特别指出，该模型未来可应用于个体化医疗——通过患者来源胰岛的封装培养，实现药物响应的精准预测。