《Signal Transduction and Targeted Therapy》：Modeling physiological insulin sensitivity and pre-diabetic insulin resistance in multiple hPSC-derived cell types
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胰岛素抵抗是包括2型糖尿病（T2D）在内的一组代谢综合征的最早标志之一，因此可作为机制研究的起点和干预的契机。胰岛素抵抗被定义为对胰岛素反应受损，导致高胰岛素血症、高血糖和血脂异常等临床表型，并推动疾病向T2D和心血管并发症等代谢性疾病进展。已知饮食、生活方式
胰岛素抵抗是包括2型糖尿病（T2D）在内的一组代谢综合征的最早标志之一，因此可作为机制研究的起点和干预的契机。胰岛素抵抗被定义为对胰岛素反应受损，导致高胰岛素血症、高血糖和血脂异常等临床表型，并推动疾病向T2D和心血管并发症等代谢性疾病进展。已知饮食、生活方式和遗传因素共同促成胰岛素抵抗的发展及其随时间向T2D的转化。尽管代谢疾病具有公共卫生重要性，全球有数亿T2D患者，但用于研究驱动胰岛素抵抗的非遗传因素的人类细胞模型仍然有限。体外结果无法捕捉体内胰岛素信号传导的效力和剂量反应，导致对人类胰岛素抵抗进展的细胞机制理解不完整。在最近发表于《科学进展》（Science Advances）的一项研究中，研究人员展示了一个利用体外人类多能干细胞（hPSC）来源的脂肪细胞进行胰岛素信号传导和抵抗机制研究的平台。研究人员专注于通过使用模拟体内环境的培养基，使该体外人类模型与人类生物学相关。研究人员在人类胚胎和诱导多能干细胞系来源的hPSC白色和棕色脂肪细胞，以及3T3-L1小鼠脂肪细胞和原代人类SVF分化脂肪细胞中进行了胰岛素敏感化和抵抗诱导实验。将这些细胞暴露于含有0.1 nM胰岛素的低葡萄糖培养基中5天，可增加其胰岛素敏感性，从而在AKT2磷酸化、胰岛素刺激的葡萄糖摄取、GLUT4转位和脂解抑制方面产生生理性胰岛素剂量反应。同时，暴露于3 nM高胰岛素血症5天会诱导这些细胞产生胰岛素抵抗，削弱胰岛素反应。通过免疫荧光、脂质测量和转录组学分析，研究人员验证了hPSC-脂肪细胞在此过程中未失去其细胞身份。然而，胰岛素抵抗并不仅限于脂肪细胞，而是在多种组织中产生，导致全身性发病。胰岛素信号通路调节多种细胞类型的细胞代谢，但胰岛素还具有细胞类型特异性效应，例如骨骼肌和脂肪细胞中的胰岛素刺激葡萄糖摄取，或肝脏中胰岛素抑制糖异生和分泌。为了构建更全面的代谢疾病研究平台，研究人员将之前的工作扩展到多种hPSC衍生细胞类型（图1a）。作为方法学改进，研究人员过渡到人类血浆样培养基（HPLM），该培养基更接近地模拟人血浆的营养成分，并已被证明可改善hPSC衍生细胞的成熟。切换到HPLM再现了之前在hPSC-脂肪细胞中的结果，研究人员确认在低葡萄糖DMEM（参考文献1）和HPLM中，胰岛素敏感化和胰岛素抵抗诱导是相同的（图1a，右）。基于HPLM的胰岛素敏感化和抵抗诱导方案在多种hPSC细胞类型中的应用，将解锁在全身T2D病理学中起作用的相应细胞类型中胰岛素信号传导和抵抗的机制研究。
**研究背景与问题**
胰岛素抵抗是2型糖尿病（T2D）等代谢综合征的早期标志，表现为组织对胰岛素反应受损，导致高胰岛素血症、高血糖及血脂异常，最终推动T2D和心血管并发症的发展。尽管饮食、生活方式和遗传因素共同参与胰岛素抵抗的发生，但现有的人类细胞模型在模拟非遗传因素驱动的胰岛素抵抗方面存在局限，尤其是体外培养条件无法复现体内胰岛素信号的剂量反应和效力，限制了对人类胰岛素抵抗细胞机制的深入理解。此前，研究人员已在《科学进展》（Science Advances）上报道了利用人类多能干细胞（hPSC）来源的脂肪细胞建立胰岛素信号传导和抵抗的体外平台，但该平台仅针对脂肪细胞，而胰岛素抵抗涉及多种组织（如肝脏、骨骼肌、心血管系统等），且不同细胞类型对胰岛素反应具有特异性（如骨骼肌和脂肪细胞的葡萄糖摄取、肝脏的糖异生抑制）。因此，构建一个涵盖多种hPSC衍生细胞类型的统一平台，对于研究全身性T2D病理学中细胞自发的胰岛素抵抗机制至关重要。
**研究内容与结论**
在该研究中，研究人员将前期建立的胰岛素敏感化和抵抗诱导方案（基于低葡萄糖培养基+0.1 nM胰岛素敏感化或3 nM高胰岛素抵抗诱导）扩展到八种hPSC衍生细胞类型，包括心血管系统（心肌细胞、内皮细胞、平滑肌细胞）、脑组织（神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞）以及代谢器官（肝细胞、骨骼肌细胞）。为更贴近体内环境，研究人员将基础培养基更换为人类血浆样培养基（HPLM），该培养基能更准确地模拟人血浆的营养成分，且验证了在hPSC-脂肪细胞中与之前低葡萄糖DMEM方案效果一致。对所有细胞类型，统一采用5天HPLM培养（含敏感化或抵抗诱导浓度胰岛素），结果显示：在肝细胞和骨骼肌细胞的功能性代谢检测（葡萄糖分泌/摄取）中，敏感化状态细胞对胰岛素刺激表现出显著反应，而分化培养基维持状态及高胰岛素抵抗诱导状态则反应微弱或缺失；在全部八种细胞类型中，敏感化方案恢复了急性胰岛素刺激下AKT2磷酸化的显著上升，而分化培养基状态（通常含高胰岛素）及抵抗诱导状态则反应钝化。该结果在两种基因不同的hPSC系（人胚胎干细胞系和人诱导多能干细胞系）中高度可重复，证明了方法的普适性。此外，通过免疫荧光和qPCR检测各细胞类型的标志性蛋白及mRNA表达，确认所有细胞在分化、敏感化和抵抗条件下均未丧失细胞身份。
**意义**
该研究为代谢疾病研究提供了一个强大的新工具，首次在多种hPSC衍生细胞类型中实现了生理性胰岛素敏感性和前驱糖尿病胰岛素抵抗的体外建模，使研究人员能够在相关细胞类型中探究胰岛素抵抗的细胞自主起源，且方案简单、统一，易于推广至任何hPSC衍生细胞类型，并为基因组编辑的代谢疾病模型和长期研究奠定基础。
**主要技术方法**
1. **hPSC分化**：采用已发表的高效分化方案，分别从人胚胎干细胞（hESC）和诱导多能干细胞（hiPSC）系获得心肌细胞、内皮细胞、平滑肌细胞、神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞、肝细胞和骨骼肌细胞。
2. **胰岛素敏感化与抵抗诱导**：将分化后的细胞在HPLM中培养5天，分别添加0.1 nM胰岛素（敏感化）或3 nM胰岛素（抵抗诱导），同时设置分化培养基维持组作为对照。
3. **功能检测**：通过葡萄糖分泌实验（肝细胞）和葡萄糖摄取实验（骨骼肌细胞）评估胰岛素反应；通过ELISA检测总AKT2及磷酸化AKT2（pAKT2）水平，计算急性胰岛素刺激下的磷酸化比值。
4. **细胞身份验证**：采用免疫荧光检测各细胞类型经典蛋白标志物，并通过qPCR分析三个谱系特异性mRNA标志物及脱靶标志物表达。
**研究结果**
**图1a：实验设计与HPLM验证**
通过示意图展示实验流程：前期在hPSC-脂肪细胞中建立方案，本研究将其扩展至八种细胞类型。验证了在hPSC-脂肪细胞中，HPLM与低葡萄糖DMEM在胰岛素敏感化和抵抗诱导效果上一致（ELISA检测pAKT2/AKT2比值）。
**图1b：肝细胞与骨骼肌细胞的功能性胰岛素反应**
- 肝细胞葡萄糖分泌实验：敏感化组在胰岛素刺激下葡萄糖分泌显著减少（表明糖异生被抑制），而分化培养基组及高胰岛素抵抗组均无显著反应。
- 骨骼肌细胞葡萄糖摄取实验：敏感化组胰岛素刺激下葡萄糖摄取显著增加，分化组及抵抗组无显著反应。
（数据来自两种hPSC系，误差棒显示SD，统计采用Tukey双因素方差分析）
**图1c：全部八种细胞类型的AKT2磷酸化反应**
- 敏感化方案在所有细胞类型中恢复了急性胰岛素刺激下pAKT2/AKT2比值的显著升高（约2-5倍），而分化培养基维持状态（通常含高胰岛素）及抵抗诱导状态均表现为反应钝化或缺失。
- 两种hPSC系（hiPSC和hESC）的结果高度一致，验证了方法的普适性。
**图1d：细胞身份标志物表达**
免疫荧光显示每种细胞类型在分化、敏感化、抵抗三种条件下，典型蛋白标志物（如心肌细胞的cTnT、肝细胞的HNF4α、骨骼肌细胞的MyHC等）表达一致，且二抗对照无信号，说明细胞身份未受影响。
**讨论与结论**
讨论部分指出，该研究建立了一个简单、统一的方案，可在多种hPSC衍生细胞类型中诱导生理性胰岛素敏感性和前驱糖尿病胰岛素抵抗，为代谢疾病机制研究提供了新工具。然而，该方案仍受限于体外细胞的成熟状态以及缺乏内分泌相互作用（如激素交叉对话）。关键优势在于使用单一基础培养基（HPLM），为未来多组织共培养平台研究全身代谢的器官间通信铺平了道路。
研究结论翻译如下：
总之，这项研究为代谢研究建立了一个强大的新工具。人类干细胞为机制研究提供了前所未有的系统，但历史上一直受限于对人类代谢生理学的忠实再现不足。通过将简单、确定的方案扩展到广泛的体外人类细胞类型，研究人员现在可以在生理相关条件下研究胰岛素抵抗的细胞自主起源。此外，该方法的简单性确保了其对任何hPSC衍生细胞类型的广泛适应性，为该领域创建代谢疾病新模型（包括基因组编辑的代谢疾病模型和长期研究）提供了跳板。然而，此类研究仍受限于体外细胞的成熟状态以及缺乏内分泌相互作用。关键的是，使用单一基础培养基是一个关键优势，为未来旨在揭示控制全身代谢的复杂器官间通信的多组织共培养平台研究铺平了道路。该研究发表在《Signal Transduction and Targeted Therapy》。
