مقالة منهجية

في الجسم الحي ، طرق Ex Vivo و In Silico لدراسة بيولوجيا البنكرياس أثناء الصحة والمرض

1K مشاهدة

⸱

DOI:

10.3791/64938

⸱

مارس 17, 2023

في هذه المقالة

الملخص

المقالات التي تمت مناقشتها:

Delgadillo-Silva ، L. F. ، Akhtar ، M. N. ، Tasoz ، E. ، Ninov ، N. تصوير الكالسيوم المتزامن وتحفيز الجلوكوز في أسماك الزرد الحية للتحقيق في وظيفة خلايا بيتا في الجسم الحي. مجلة التجارب المتصورة. (175) ، e62347 (2021). < p class = "jove_content" >Felix-Martinez، G.J.، Nicolas-Mata، A.، Godinez-Fernandez، J.R. إعادة البناء الحسابي لجزر البنكرياس كأداة للتحليل الهيكلي والوظيفي. مجلة التجارب المتصورة. (181) ، e63352 (2022).

Huber، M. K. et al. مراقبة وظيفة الجزيرة وتفاعلات الخلايا المناعية بين الجزیرة في شرائح أنسجة البنكرياس الحية. مجلة التجارب المتصورة. (170) ، e62207 (2021). < p class = "jove_content" >Park ، I. ، Kim ، P. استقرت التصور الطولي في الجسم الحي على المستوى الخلوي للبنكرياس في نموذج الفئران مع نافذة تصوير داخل البنكرياس. مجلة التجارب المتصورة. (171) ، e62538 (2021).

Stozer، A. et al. المجهر الضوئي بالليزر متحد البؤر لديناميكيات الكالسيوم في شرائح أنسجة البنكرياس الحادة في الفأر. مجلة التجارب المتصورة. (170), e62293 (2021).

Zhou، X. et al. إنشاء نموذج التهاب البنكرياس الحاد الوخيم للفأر باستخدام الحقن الرجعي لتوروكولات الصوديوم في القناة الصفراوية. مجلة التجارب المتصورة. (182) ، e63129 (2022).

افتتاحية

البنكرياس هو عضو يحتوي على جزأين وظيفيين متميزين يشملان أنسجة الإفرازات والغدد الصماء. تشمل المكونات الخلوية الرئيسية للأنسجة الخارجية الخلايا الأسينارية والأقنية ، والتي تطلق الإنزيمات التي تساعد في هضم الطعام. تتكون حجرة الغدد الصماء من جزر البنكرياس في لانجرهانز ، حيث تلعب خلايا ألفا وبيتا دورا أساسيا في تنظيم استقلاب الجلوكوز من خلال التحكم في إفراز هرمونات الجلوكاجون والأنسولين. يؤدي الخلل الخلوي في مقصورات الإفرازات والغدد الصماء إلى حالات مرضية تشمل مرض السكري من النوع 1 والنوع 2 والتهاب البنكرياس والسرطان. الآليات التي تنظم هذه الأنظمة المتميزة ليست مفهومة تماما. الهدف من هذه المجموعة هو الجمع بين الأساليب التكميلية التي ستساهم في فهم أفضل لبيولوجيا البنكرياس أثناء الصحة والمرض.

يؤدي الخلل الوظيفي أو موت خلية بيتا التي تفرز الأنسولين إلى مرض السكري ، وهو مرض مدمر يصيب ما يقرب من 10٪ من السكان في جميع أنحاء العالم1. لذلك من الأهمية بمكان فهم فسيولوجيا خلية بيتا لإيجاد علاجات لاستعادة الوظيفة الخلوية ومنع فقدان خلايا بيتا. إشارات الكالسيوم داخل الخلايا ينظم العديد من الوظائف الخلوية, بما في ذلك إفراز الأنسولين من خلايا بيتا. يؤدي الجلوكوز ، إفراز الأنسولين الرئيسي ، إلى تذبذبات الكالسيوم داخل الخلايا في خلايا بيتا. تعد مزامنة هذه التذبذبات أمرا بالغ الأهمية لوظيفة الجزيرة. باعتبارها العضو الدقيق الحاسم الذي ينظم استقلاب الجلوكوز ، يتم الحفاظ على جزر البنكرياس في العديد من الأنواع الحيوانية. في البروتوكول الصادر عن Delgadillo et al. ، يستخدم المؤلفون نموذج سمك الزرد لدراسة وظيفة خلية بيتا في الجسم الحي. لأداء التصوير في الجسم الحي ، يستفيدون من الشفافية البصرية لأسماك الزرد خلال مرحلة يرقاتهم. باستخدام الخطوط المعدلة وراثيا التي تعبر عن مراسلي الفلورسنت ، أجرى المؤلفون تصويرا مباشرا ل Ca2+ لتتبع تذبذبات الكالسيوم استجابة لتحفيز الجلوكوز2. في الفقارية العالية ، على عكس أسماك الزرد ، يكون البنكرياس في جميع المراحل داخل تجويف بطني غير شفاف. للتحايل على هذا القيد البيولوجي للتصوير ، تم وصف نموذج "النافذة الحية" ، والذي تطلب إجراء جراحيا لإدخال نافذة شفافة في تجويف البطنللفئران 3. تم تصميم النافذة لخلق شفافية بصرية وعزل البنكرياس عن الأمعاء في تجويف البطن ، مما سمح للبنكرياس بالبقاء ثابتا في مكانه بجوار نافذة التصوير. يصف المؤلفون فائدة طرق التصوير في الجسم الحي من خلال تصوير نماذج متعددة بما في ذلك بيولوجيا الأوعية الدموية والجزر الصغيرة وأنسجة الخلايا الأسينارية وسرطان البنكرياس3. التقنيات المذكورة سابقا في الجسم الحي 2،3 هي مناهج متعامدة ذات مزايا وقيود مميزة ، والتي تشمل الخبرة في التلاعب الجراحي للحيوانات ، وسهولة التلاعب الجيني ، والتشابه الجيني عند مقارنتها بعلم الأحياء البشري.

في الجسم الحي التلاعب ممكن في النماذج الحيوانية. ومع ذلك ، فإن التجريب في بيئة غير سريرية باستخدام الأنسجة البشرية يتطلب مناهج في المختبر. في الآونة الأخيرة ، قدمت الطرق التي تستخدم شرائح الأنسجة الحية المشتقة من العينات البيولوجية التي تم الحصول عليها أثناء الخزعات الجراحية أو المتبرعين بعد الوفاة نظرة ثاقبة لا تقدر بثمن في بيولوجيا البنكرياس4،5،6. في حين أن الأنسجة البشرية هي الأكثر صلة بالأمراض البشرية ، فإن أنسجة الفئران مفيدة أيضا لنمذجة الأمراض البشرية ، بالنظر إلى أن الأنسجة البشرية مورد بيولوجي محدود. على هذا النحو ، في Stožer et al. ، يقوم المؤلفون بإجراء تصوير الكالسيوم لمكونات الأسينار والجزر والأقنية لشرائح الأنسجة من أنسجة الفئران7. هذه النتائج لها آثار على دراسة جوانب متعددة من بيولوجيا الغدد الصماء والإفرازات. لنمذجة أمراض مرض السكري باستخدام أنسجة مرضى السكري البشرية ، تم إعداد شرائح الأنسجة بواسطة Huber et al. ، الذين وصفوا طريقة لتتبع تفاعلات الخلايا المناعية والخلايا المناعية ، بالإضافة إلى وظيفة خلايا بيتا أثناء مرض السكري8. باستخدام الفحص المجهري متحد البؤر ، أجرى المؤلفون تصويرا حيا وميتا ، وسجلوا أيضا استجابات الكالسيوم الوظيفية من جزر البنكرياس في المتبرعين بمرض السكري (NOD للفأر و T1D البشري). علاوة على ذلك ، في سياق المناعة الذاتية لمرض السكري من النوع 1 ، والتي تحدث عندما تهاجم الخلايا المناعية جزر البنكرياس ، أجرى المؤلفون وضع العلامات الخلوية في الموقع لتتبع الخلايا المناعية في الشرائحالحية 8. الأهم من ذلك ، أن نماذج الشرائح تصف النموذج الحالي الوحيد الذي يحتوي على جميع المكونات المعمارية الخلوية لأنسجة البنكرياس. على الرغم من قطع تدفق الدم من الدورة الدموية ، إلا أن المؤلفين يصفون بشكل مهم نموذجا في المختبر حيث يمكن نمذجة التفاعلات paracrine بين العناصر المناعية والجزيرة والأسينار والأوعية الدموية5،9،10،11.

يختلف عن الأساليب في المختبر وفي الجسم الحي ، فيليكس مارتينيز وآخرون يصف نهجا في السيليكو لدراسة الخصائص المورفولوجية والاتصال للجزر المعاد بناؤهاكميا 12. تم إجراء عمليات المحاكاة الوظيفية بناء على الطبيعة النابضة لإفرازات هرمون الجزر (الأنسولين والجلوكاجون والسوماتوستاتين). ستكون تطبيقات هذا النهج مفيدة بشكل خاص عند نمذجة الجزر الصغيرة أثناء حالات نسبة الخلايا الطبيعية والمتغيرة (أي فقدان خلايا بيتا أثناء مرض السكري) ، أو الاقتراب من الاقتراب العضوي القائم على الاندماجالخلوي 13،14،15.

بينما يتحكم البنكرياس الصماء في استقلاب الجلوكوز ، يتحكم البنكرياس الإفرازي في إفراز الإنزيمات في الجهاز الهضمي للمساعدة في الهضم. على الرغم من ندرته ، إلا أن التهاب البنكرياس الناجم عن انسداد الأقنية يمكن أن يؤدي إلى التهاب البنكرياس الحاد. Zhou et al. يصف طريقة للتحقيق في التهاب البنكرياس الحاد باستخدام نموذج جراحي. هنا ، يستخدم المؤلفون تقنية الحث الكيميائي عن طريق حقن توروكولات الصوديوم في القناة الصفراوية والبنكرياس. وجد المؤلفون تغيرا كبيرا في البقاء على قيد الحياة بشكل عام ، ووجود خلايا التهابية ، وزيادة تراكم إنزيمات البنكرياس مثل الأميليز والليباز16. بالنظر إلى أن النموذج يلخص العناصر الحاسمة لبيولوجيا التهاب البنكرياس ، فإن هذه الطريقة ستكون مهمة للتحقق من صحة الأدوية قبل السريرية الجديدة للمرضى الذين يعانون من هذه الحالة التي تهدد الحياة.

الخلل الوظيفي في نظام الغدد الصماء والإفرازات له عواقب فورية تهدد الحياة ، كما أنه يمثل مشاكل مزمنة طويلة الأمد. في الواقع ، غالبا ما تؤدي عواقب الخلل الوظيفي في أي من النظامين إلى ضعف وظيفة أنظمة متعددة ، مثل مرض السكري الجديد ، والذي يحدث في ما يقرب من 47٪ من المرضى أثناء سرطان البنكرياس17،18. ستؤدي الجهود المستمرة لفهم الفيزيولوجيا المرضية للبنكرياس ونمذجتها بشكل أفضل إلى تحسين قدرتنا على فهم وتطوير استراتيجيات جديدة لعلاج أمراض البنكرياس مثل مرض السكري والتهاب البنكرياس المزمن والسرطان. تقدم الطرق الموضحة هنا ترتيبا منظما للأدوات التي يستخدمها الباحثون لدراسة علم الأحياء المهم لصحة البنكرياس وأمراضه.

الإفصاحات

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

تم دعم هذا العمل بمنح من المعهد الوطني للسرطان (NCI) 1F32CA265052-01.

المراجع

  1. Xu, G., et al. Prevalence of diagnosed type 1 and type 2 diabetes among US adults in 2016 and 2017: population based study. BMJ. 362, 1497(2018).
  2. Delgadillo-Silva, L. F., Akhtar, M. N., Tasoz, E., Ninov, N. Simultaneous calcium imaging and glucose stimulation in living zebrafish to investigate in vivo beta-cell function. Journal of Visualized Experiments. (175), e62347(2021).
  3. Park, I., Kim, P. Stabilized longitudinal in vivo cellular-level visualization of the pancreas in a murine model with a pancreatic intravital imaging window. Journal of Visualized Experiments. (171), e62538(2021).
  4. Weitz, J. R., Tiriac, H., Hurtado de Mendoza, T., Wascher, A., Lowy, A. M. Using organotypic tissue slices to investigate the microenvironment of pancreatic cancer: pharmacotyping and beyond. Cancers. 13 (19), 4991(2021).
  5. Marciniak, A., et al. Using pancreas tissue slices for in situ studies of islet of Langerhans and acinar cell biology. Nature Protocols. 9 (12), 2809-2822 (2014).
  6. Misra, S., et al. Ex vivo organotypic culture system of precision-cut slices of human pancreatic ductal adenocarcinoma. Scientific Reports. 9 (1), 2133(2019).
  7. Stozer, A., et al. Confocal laser scanning microscopy of calcium dynamics in acute mouse pancreatic tissue slices. Journal of Visualized Experiments. (170), e62293(2021).
  8. Huber, M. K., et al. Observing islet function and islet-immune cell interactions in live pancreatic tissue slices. Journal of Visualized Experiments. (170), e62207(2021).
  9. Almaca, J., Weitz, J., Rodriguez-Diaz, R., Pereira, E., Caicedo, A. The pericyte of the pancreatic islet regulates capillary diameter and local blood flow. Cell Metabolism. 27 (3), 630-644 (2018).
  10. Weitz, J. R., et al. Mouse pancreatic islet macrophages use locally released ATP to monitor beta cell activity. Diabetologia. 61 (1), 182-192 (2018).
  11. Weitz, J. R., et al. Secretory functions of macrophages in the human pancreatic islet are regulated by endogenous purinergic signaling. Diabetes. 69 (6), 1206-1218 (2020).
  12. Felix-Martinez, G. J., Nicolas-Mata, A., Godinez-Fernandez, J. R. Computational reconstruction of pancreatic islets as a tool for structural and functional analysis. Journal of Visualized Experiments. (171), e63352(2022).
  13. Wang, D., et al. Long-term expansion of pancreatic islet organoids from resident Procr+ progenitors. Cell. 180 (6), 1198-1211 (2020).
  14. Patel, S. N., et al. Organoid microphysiological system preserves pancreatic islet function within 3D matrix. Science Advances. 7 (7), 5515(2021).
  15. Lebreton, F., et al. Insulin-producing organoids engineered from islet and amniotic epithelial cells to treat diabetes. Nature Communications. 10 (1), 4491(2019).
  16. Zhou, X., et al. Establishment of a mouse severe acute pancreatitis model using retrograde injection of sodium taurocholate into the biliopancreatic duct. Journal of Visualized Experiments. (182), e63129(2022).
  17. Andersen, D. K., et al. pancreatogenic diabetes, and pancreatic cancer. Diabetes. 66 (5), 1103-1110 (2017).
  18. Pannala, R., et al. Prevalence and clinical profile of pancreatic cancer-associated diabetes mellitus. Gastroenterology. 134 (4), 981-987 (2008).

إعادة الطباعة والأذونات

استكشف المزيد من المقالات

In Vivo MethodsEx Vivo MethodsBeta-cell FunctionCalcium ImagingPancreatic IsletsStructural AnalysisFunctional AnalysisIslet-immune Cell InteractionsIntravital ImagingSevere Acute Pancreatitis ModelConfocal Laser Scanning Microscopy