全 文 ：第24卷 第10期
2012年10月
Vol. 24, No. 10
Oct., 2012
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
文章编号：1004-0374(2012)10-1207-04
保护胰岛β细胞的体外研究进展
周淑艳1,2，张　毅2，齐　晖2，李富荣1,2*
(1 暨南大学医学院，广州 510632；2 暨南大学第二临床医学院(深圳市人民医院) 临床医学研究中心，深圳 518020)
摘　要：糖尿病是一种由胰岛素分泌缺陷和 (或 )胰岛素作用缺陷引起的高血糖症性代谢疾病。自
Edmonton临床试验取得成功后，胰岛移植成为一种新型治愈糖尿病的方法。但胰岛 β细胞在体外分离过程
中极易发生凋亡或死亡，且长期的体外培养或冷冻储存也容易令其胰岛素分泌功能逐渐丧失。因此，有效
维持或改善 β细胞的成活率及功能对胰岛移植的成功至关重要。对胰岛 β细胞的体外保护方法进行阐述，
并对其研究前景进行展望。
关键词：胰岛 β细胞；胰岛移植；凋亡；体外保护； 糖尿病
中图分类号：Q28; Q813; R587.1 文献标志码：A
Research progress on protection of pancreatic β cells in vitro
ZHOU Shu-Yan1,2, ZHANG Yi1,3, QI Hui1, LI Fu-Rong1*
(1 Collage of Medicine, Jinan University, Guangzhou 510632, China; 2 Clinical Medical Research Center, Shenzhen
People’s Hospital, 2nd Affilliated Hospital of Jinan University, Shenzhen 518020, China)
Abstract: Diabetes mellitus is a metabolic disease with the symptom of hyperglycemia caused by insulin secretion
deficiency and (or) insulin action defects. Since the Edmonton clinical trials, islet transplantation has been
considered as a new cure for diabetes. However, islet β cells are vulnerable to apoptosis or death during the isolation
process. Furthermore, long time culture or cryopreservation in vitro could gradually deprive the functional activity
of β cells. Therefore, maintaining or improving the survival and function of β cells is critical to the success of islet
transplantation. In this review, protective methods of islet β cells in vitro had been described, and the research
prospects outlined as supplement.
Key words: islet β cell; islet transplantation; apoptosis; protection in vitro; diabetes mellitus
收稿日期：2012-05-09； 修回日期：2012-07-10
基金项目：国家“973”前期专项资助项目(2007CB-
516811)；广东省自然科学基金项目(6027540)
*通信作者：E-mail: frli62@yahoo.com
据国际糖尿病组织 2011年报道，随着人口增
加和老龄化的发展，全球已有 3.47亿人罹患糖尿病。
其中 3%~5%的人系胰岛素分泌绝对不足的 1型糖
尿病患者，需依靠外源性胰岛素维持血糖平衡；
95% (或更多 )的人则属于 2型糖尿病患者，其发
病后期也会因胰岛功能衰竭而必须接受胰岛素治
疗。1999年，埃德蒙顿方案的成功表明，胰岛移植
可能是目前最有希望治愈糖尿病的方法，但仍面临
着供体不足的问题。另外，在临床治疗中需要胰岛
移植的患者通常很难即刻获得适宜的供体胰岛，这
也是胰岛移植在临床应用中的一个障碍。目前，体
外多采用长期培养或冻存的方式保存已获取的胰岛
β细胞。然而，β细胞在分离、纯化过程中受诸多
因素 (如酶消化作用、梯度离心、内毒素污染、氧
化应激等 )影响极易发生细胞损伤及凋亡现象 [1]，
而且体外培养环境 (添加胎牛血清及左旋谷氨酰胺
的 RPMI1640培养基 )并不能有效维持 β细胞 (尤
其是受损的 β细胞 )的生存能力及胰岛素分泌功
能 [2]。Zhou等 [3]研究指出，体外长期培养的胰岛 β
细胞的胰岛素刺激指数会逐渐下降，这意味着其生
物活性在逐渐丧失，而伴随出现的凋亡或坏死现象
生命科学 第24卷1208
更是加剧了胰岛来源匮乏的现状。因此，如何保护
胰岛 β细胞是胰岛移植中一个重要的研究内容。
近年来体外保护胰岛 β细胞的研究主要围绕添
加化合物、细胞共培养、基因修饰等领域展开，旨
在延长 β细胞体外存活寿命并维持或改善其胰岛素
分泌能力，为胰岛移植的顺利开展奠定基础。本文
对以上三类胰岛 β细胞的体外保护方法进行阐述，
并对其研究前景进行展望。
1　添加化合物法
1.1　抗炎性作用
在分离或培养 β细胞时，微量的内毒素污染 (主
要来自胶原酶、血清等 )是不可避免的。内毒素系
革兰氏阴性菌胞壁成分中的脂多糖 (LPS)，可与 β
细胞表面的 LPS结合性受体 CD14结合，诱导促炎
性细胞因子 (如 IL-1β、IFN-γ、TNF-α等 )的表达，
导致 β细胞失去胰岛素分泌功能，最终出现凋亡或
坏死 [4]。Tran等 [5]发现 IL-1β可以促进 PE2的合成
并与其共同作用来抑制或减少葡萄糖刺激下的胰
岛素分泌；随后他们证实环氧合酶 -2(COX-2)抑制
剂 (NS-398和 SC-236)可以有效抑制 PE2的合成，
并进一步缓解或阻止 IL-1β对大鼠 β细胞造成的 失
能影响。Yang等 [6]指出，利索茶碱可以很好地抑
制 β细胞体内 STAT4磷酸化，进一步干扰 STAT4
介导的 IL-12信号传递并抑制 Th1细胞的活化，从
而缓解促炎性因子 (IL-1β、IFN-γ、TNF-α)介导的
β细胞炎性损伤。另外，尼克酰胺及西罗莫司等则
可通过降低炎性反应相关蛋白 (如单核细胞趋化蛋
白 1、巨噬细胞炎性蛋白 1等 )分泌量来阻碍 IFN-γ
或 TNF-α介导的 β细胞炎性损伤进程，以此延长 β
细胞的体外存活期限 [7-8]。
1.2　抗氧化作用
胰岛 β细胞自身抗氧化酶的过低表达可能是其
易发生失能或凋亡的一个主要因素。研究发现，β
细胞内谷胱甘肽、过氧化氢酶以及线粒体Mn-超氧
化物歧化酶 (super oxide dismutase, SOD)等的表达
水平仅为其他组织细胞的 50%[9]。由于 β细胞在促
炎性细胞因子 (如 IL-1、IFN-γ等 )的刺激下，会
合成诱导型一氧化氮合成酶 (inducible nitric oxide
synthase, iNOS)并释放 NO；NO与线粒体非完全性
呼吸作用产生的活性氧 (reactive oxygen species, ROS)
反应，能形成强氧化性产物并促进凋亡相关基因 (如
Fas、Bax等 )的表达，最终引起 β细胞快速凋亡或
坏死 [9-10]。因此，抑制 iNOS的基因表达或生物活
性是防止 β细胞发生氧化性损耗的一个关键环节。
目前研究已经证实，氧化酶体增殖因子活化性受体
γ (peroxisome proliferator-activated receptor γ, PPAR-γ)
兴奋剂可以在转录水平有效抑制 iNOS的表达 [9]。
李柏峰等 [10]发现选择性 iNOS 抑制剂氨基胍虽然
不能阻止 iNOS的基因表达但可以抑制其生物活性。
另一方面，Lim等 [11]在 β细胞培养基中添加线粒
体靶向的抗氧化剂 (如 MitoTempol及 MitoQ)，降
低电子传递链中 ROS的产生量，能有效阻止 β细
胞的氧化性凋亡。Zhang等 [12]发现，中国月桂提取
物中含有大量花青素，可通过 ERK1/2及 PI3K/Akt
信号通路上调 β细胞内抗氧化基因血红素氧化酶 1
(heme oxygenase-1, HO-1)的表达，保护 β细胞株
INS-1免受 ROS介导的损伤。
1.3　抗凋亡作用
促炎性因子可以诱发 β细胞凋亡信号通路的开
放，导致 β细胞凋亡，造成大量细胞损失。使用特
定的化合物封闭相应的凋亡通路可在一定程度上降
低 β细胞的凋亡率，甚至能改善其胰岛素分泌功能。
Kalis等 [13]证实 α1-抗胰蛋白酶 (α1-antitrypsin, AAT)
与胰高血糖素样肽 1 (glucagon-like peptide-1, GLP-1)
联合作用可有效阻止胰岛素分泌细胞株 INS-1E的
凋亡并增加其葡糖糖刺激下的胰岛素分泌量，其中
AAT 能封闭促炎性因子介导的 NF-κB通路并降低 β
细胞 Caspase3活性，GLP1则能促进其胞内 cAMP
的表达，两者联合作用可以有效改善 β细胞的存活
率和功能活性。而 Exendin-4作为 GLP-1长效受体
兴奋剂，可以通过干扰 β细胞内氨基酸末端激酶信
号通路来防止 β细胞凋亡的发生 [14]。另外，Zhang
等 [15]发现在 β细胞培养基中添加表没食子儿茶素
没食子酸酯 (epigallocatechin 3-gallate, EGCG)，能
降低促炎性因子诱导的 iNOS的表达及线粒体内凋
亡蛋白 Bax的转录，减少 ROS及 NO的产量以及
线粒体的膜损伤，从而阻止 β细胞发生凋亡。
2　细胞共培养法
胰岛 β细胞经体外长期培养，其功能活性会逐
渐丧失，最终难逃凋亡或死亡的命运。Wang等 [16]
认为整合素介导的胞间基质对于维持 β细胞的功能
和存活极其重要，然而分离和纯化过程不可避免地
破坏了这一体系，这有可能是 β细胞易于失能、凋
亡或坏死的一个原因。
自从 Rabinovitch等 [17]首次运用共培养法证实
小鼠胚胎细胞系 3T3-L2来源的成纤维细胞可以改
周淑艳，等：保护胰岛β细胞的体外研究进展第10期 1209
善新生大鼠胰腺细胞的功能后，干细胞共培养法作
为一种新型的保护胰岛细胞的方法而备受研究者青
睐。已证实，异体骨髓基质细胞甚至能使人 β细胞
在体外存活长达 6个月 [18]。另外，Gatto等 [19]发现，
胰腺导管细胞 (ductal epithelial cells, DEC)共培养法
不仅能提高新鲜的胰岛β细胞团的胰岛素刺激指数，
同时能快速改善冻存复苏后的 β细胞团的胰岛素分
泌功能。DEC作为一类被公认的胰腺干细胞，可以
通过非内分泌的形式产生多种基质生长因子，维持
β细胞的活性和功能。近年来，随着对体外胰岛 β
细胞保护方法的进一步探索，科学家们把目光投向
了以免疫抑制和组织修复作用著称的间充质干细胞
(mesenchymal stem cells, MSCs)。与人脐带血MSCs
共培养的类胰岛细胞团 (islet-like cell clusters, ICCs;
可分泌胰岛素的细胞簇 )，其胰岛素分泌功能可维
持 3个月 [20]。 Karaoz等 [21]研究显示，骨髓来源的
MSCs甚至能修复链脲霉素 (STZ)损伤的大鼠 β细
胞并显著改善其内分泌功能；同时，在培养上清中
检出的 IL-6和 TGF-β1以及MSCs自身抗凋亡基因
(Mapkapk2、 Tnip1和 Bcl3)的表达，共同证实了MSCs
对受损的 β细胞具有抗炎性、抗凋亡的保护作用。
由此可见，细胞共培养的优势在于可以通过细
胞与细胞的接触作用或者分泌多种细胞因子 (包括
基质因子、生长因子、抗炎性因子等 )的作用修复
受损的 β细胞；同时，受损的 β细胞也极有可能在
共培养过程中刺激共培养细胞 (如间充质干细胞、
胰腺前体细胞等 )向胰岛素分泌细胞分化，在一定
程度上弥补了凋亡或坏死造成的 β细胞损失。
3　基因修饰法
基因修饰法主要指利用转基因技术将抗凋亡或
抗氧化基因导入 β细胞内 (或沉默氧化作用相关基
因 )，阻止或延缓 β细胞凋亡。实验发现，转基因
的 β细胞不仅能有效维持体外存活率及功能，甚至
能缓解移植排斥反应造成的细胞损失并促进术后 β
细胞的胰岛素分泌，从而使移植疗效得到改善。
β细胞的各种胞外应激 (如炎性细胞因子、
ROS及缺氧等)主要通过细胞因子-死亡受体-Caspase8
通路及线粒体 -细胞色素酶 C - Caspase9信号通路，
触发下游 Caspase3介导的凋亡关联效应。Wu等 [22]
证实，用腺病毒转染大鼠 β细胞株 INS-1E和人胰
岛 β细胞过表达X连锁凋亡抑制蛋白 (X chromosome
linked inhibitor of apoptosis, XIAP)后，可有效抑制
Caspase3、7、8、9的活性，从而防止 β细胞凋亡。
另有文献报道，促炎性因子也可通过激活 β细胞胞
内转录因子 NF-κB介导的信号通路引起细胞凋亡。
静息期 β细胞内的 NF-κB往往与其抑制蛋白 IκBα
相结合，只有当 IκBα的 N末端丝氨酸发生磷酸化
时，NF-κB才会与 IκBα分离并进入核内上调 iNOS
及MCP-1、IL-15等炎性因子的基因表达。Rink等 [23]
根据此理论构建了能特异性降解 IκBα N末端的
NIκBα (N-terminally deleted IκBα)转基因模型鼠并
分离其胰岛细胞与促炎性因子共培养，发现 β细胞
内的 iNOS及MCP-1表达量明显下降，胰岛素指数
较正常胰岛也更高，并且移植转基因 β细胞能更快
的逆转糖尿病小鼠的高血糖症，这表明转基因法抑
制 NF-κB活性不仅能在体外阻止促炎性因子介导的
β细胞损害，甚至能改善胰岛移植疗效。近年来，
大量文献证实，HO-1基因具有卓越的保护 β细胞
的能力。HO-1是广泛存在于各类细胞中的应激蛋
白，可被多种刺激诱导产生。诱导或上调 HO-1的
表达可以缓解移植排斥、缺氧、缺血再灌注损伤等
对细胞造成的损害 [24-26]。HO-1基因转染的 β细胞
可有效抵抗 TNF-α、IL-1β、Fas等诱导的凋亡 [26]。
用 HO-1蛋白转导 β细胞，则可通过调节 p38 MAPK
及 NF-κB信号通路来改善其存活率 [27]。另外，Li
等 [28]使用 RNAi技术直接沉默 β细胞内 iNOS的基
因表达，再用促炎性因子 IL-1β和 TNF-α处理胰岛
细胞，发现其凋亡程度明显降低，胰岛素刺激指数
大大提高，说明特异性抑制 β细胞内的 iNOS基因
可以很好地避免 NO的细胞毒性作用并改善胰岛素
分泌功能。
4　结语
防止 β细胞的凋亡损失并有效维持其胰岛素分
泌功能在胰岛移植治疗糖尿病的过程中至关重要。
添加化合物法及细胞共培养法虽然能在一定程度上
维持 β细胞存活率及功能活性，但仍有诸多不足，
如长期添加药物的毒副作用、杂质分子或杂细胞的
污染以及保护效果的稳定性等。值得注意的是，经
抗凋亡基因修饰的胰岛 β细胞不仅能改善体外存
活状态，而且能在一定程度上缓解移植后的排斥
反应并增强胰岛素分泌能力，有可能是保护 β细
胞的最佳方法之一。由于糖尿病发病机制复杂，
未来基因修饰法在保护 β细胞的研究可能涉及干扰
抗原识别或细胞死亡、诱导免疫耐受、辅助免疫
调节等方向 [29]。若能确保其临床移植应用的安全性，
定会促使临床胰岛移植取得突破性进展。
生命科学 第24卷1210
[参　考　文　献]
[1] Pileqqi A, Fenjves ES, Klein D, et al. Protecting pancreatic
β-cells. IUBMB Life, 2004, 56(7): 387-94
[2] Li DS, Yuan YH, Tu HJ, et al. A protocol for islet isolation
from mouse pancreas. Nat Protoc, 2009, 4(11): 1649-52
[3] Zhou SY, Zhang YS, Li Q, et al. Protective effect of rat
pancreatic progenitors cells expressing Pdx1 and Nestin
on islets survival and function in vitro and in vivo. J
Physiol Biochem, 2012[Epub ahead of print]
[4] Vives-Pi M, Somoza N, Fernandez-Alvarez J, et al.
Evidence of expression of endotoxin receptors CD14, toll-
like receptors TLR4 and TLR2 and associated molecule
MD-2 and of sensitivity to endotoxin (LPS) in islets β
cells. Clin Exp Immunol, 2003, 133(2): 208-18
[5] Tran PO, Gleason CE, Poitout V, et al. Prostaglandin E(2)
mediates inhibition of insulin secretion by interleukin-1β.
J Biol Chem, 1999, 274(2): 31245-48
[6] Yang Z, Chen M, Ellett JD, et al. Inflammatory blockade
improves human pancreatic islet function and viability.
Transplant, 2005, 5(3): 475-83
[7] Moberg L, Olsson A, Berne C, et al. Nicotinamide inhibits
tissue factor expression in isolated humanpancreatic islets:
implications for clinical islet transplantation. Transplantation,
2003, 76(2): 1285-88
[8] Atsuyoshi M, Camillo R, Atsushi M, et al. Anti-
proinflammatory effects of sirolimus on human islet
preparations. Transplantation, 2008, 86(1): 46-53
[9] Kwon G, Xu G, Marshall CA, et al. Tumor necrosis factor
α-induced pancreatic β-cell insulin resistance is mediated
by nitric oxide and prevented by 15-deoxy-δ12, 14-
prostaglandin J2 and aminoguanidine. J Biol Chem, 1999,
274(13): 18702-08
[10] 李柏峰, 刘永锋, 程颖, 等. 诱导型NO合酶对大鼠胰岛细
胞凋亡的影响. 细胞与分子免疫学杂志, 2010, 26(1):
9-12
[11] Lim S, Rashid MA, Jang M, et al. Mitochondria-targeted
Pr antioxidants otect pancreatic β-cells against oxidative
stress and improve insulin secretion in glucotoxicity and
glucolipotoxicity. Cell Physiol Biochem, 2011, 28(5):
873-76
[12] Zhang B, Kang M, Xie Q, et al. Anthocyanins from
chinese bayberry extract protect β Cells from Oxidative
stress-mediated injury via HO-1 upregulation. J Agric
Food Chem, 2011, 59(2): 537-45
[13] Kalis M, Kumar R, Janciauskiene S, et al. α1-antitrypsin
enhances insulin secretion and prevents cytokine-mediated
apoptosis in pancreatic β-cells. Islets, 2010, 2(3): 185-89
[14] Ferdaoussi M, Abdelli S, Yang JY, et al. Exendin-4
protects β-cells from interleukin-1β-induced apoptosis by
interfering with the c-Jun NH2-terminal kinase pathway.
Diabetes, 2008, 57(5): 1205-15
[15] Zhang Z, Ding Y, Dai X, et al. Epigallocatechin-3-gallate
protects pro-inflammatory cytokine induced injuries in
insulin-producing cells through the mitochondrial
pathway. Eur J Pharmacol, 2011, 670(1): 311-16
[16] Wang RN, Rosenberg L. Maintenance of β-cell function
and survival following islet isolation requires reestablishment
of the islet-matrix relationship. J Endocrinol, 1999,
163(2): 181-90
[17] Rabinovitch A, Russell T, Mintz DH. Factors from
fibroblasts promote pancreatic islet β cell survival in tissue
culture. Diabetes, 1979, 28(5): 1108-13
[18] Luo L, Badiavas E, Luo JZ, et al. Allogeneic bone marrow
supports human islet β cell survival and function over six
months. Biochem Biophys Res Commun, 2007, 361: 859-
64
[19] Gatto C, Callegari M, Folin M, et al. Effects of cryopre-
servation and coculture with pancreatic ductal epithelial
cells on insulin secretion from human pancreatic islets. Int
J Mol Med, 2003, 12(6): 851-54
[20] Chao KC, Chao KF, Chen CF, et al. A novel human stem
cell coculture system that maintains the survival and
function of culture islet-like cell clusters. Cell Transplant,
2008, 17(6): 657-64
[21] Karaoz E, Genç ZS, Demircan PÇ, et al. Protection of rat
pancreatic islet function and viability by coculture with rat
bone marrow-derived mesenchymal stem cells. Cell Death
Dis, 2010,1(6): 734-36
[22] Wu H, Panakanti R, Li F, et al. XIAP gene expression
protects β-cells and human islets from apoptotic cell death.
Mol Pharm, 2010, 7(5): 1655-56
[23] Rink JS, Chen X, Zhang X, et al. Conditional and specific
inhibition of NF-κB in mouse pancreatic β cells prevents
cytokine-induced deleterious effects and improves islet
survival post-transplant. Surgery, 2012, 151(2): 330-39
[24] Gozzelino R, Jeney V, Soares MP. Mechanisms of cell
protection by heme oxygenase-1. Annu Rev Pharmacol
Toxicol, 2010, 50: 323-54
[25] Ollinger R, Pratschke J. Role of heme oxygenase-1 in
transplantation. Transpl Int, 2010, 23(11): 1071-81
[26] Wang H, Ferran C, Attanasio C, et al. Induction of protective
genes leads to islet survival and function. J Transplant, 2011,
2011: 1418-98
[27] Ribeiro MM, Klein D, Pileggi A, et al. Heme oxygenase-1
fused to a TAT peptide transduces and protects pancreatic
β-cells. Biochem Biophys Res Commun, 2003, 305(4):
876-81
[28] Li BF, Liu YF, Cheng Y, et al. The effect of iNOS gene
expression inhibited by RNA inference on the pancreas is-
let apoptosis and function in rats. Chn J Surg, 2009,
47(18): 1406-9
[29] Atkinson MA, Bluestone JA, Eisenbarth GS, et al. How
does type 1 diabetes develop? The notion of homicide or
β-cell suicide revisited. Diabetes, 2011, 60(5): 1370-9