本方案描述了如何利用已故器官捐献者的胰腺制备人胰腺切片,以在接近生理条件下研究细胞功能。这一创新方法能够实现对正常及结构受损胰岛的检测,并深入探究内分泌与外分泌区域之间的复杂相互作用。
本方案描述了如何利用已故器官捐献者的胰腺制备人胰腺切片,以在接近生理条件下研究细胞功能。这一创新方法能够实现对正常及结构受损胰岛的检测,并深入探究内分泌与外分泌区域之间的复杂相互作用。
研究人类胰腺对于理解1型(T1D)和2型糖尿病(T2D)相关的病理生理机制,以及胰腺内分泌和外分泌的生理功能及其相互作用至关重要。尽管通过分离胰岛的研究已获得大量知识,但这种方法无法在完整组织背景下考察其功能和相互作用。胰腺组织切片技术为在天然微环境中研究正常、炎症状态及结构受损的胰岛生理特性提供了独特机会,从而能够探究内分泌与外分泌区域之间的相互作用,以更深入地解析胰腺组织的复杂动态。因此,活体胰腺切片平台的应用代表了该领域的一项重要进展。本实验方案详细描述了如何利用 deceased 器官捐献者的胰腺组织,通过琼脂糖包埋和振动切片机制备活体组织切片,并进一步用于评估动态分泌和活细胞成像等功能性读数。
对胰岛生理学的研究对于理解糖尿病的发病机制以及开发新的治疗方法至关重要。迄今为止,相关研究主要依赖于分离的胰岛,这一过程会使胰岛暴露于机械和酶解应激之下,可能导致细胞生理状态的改变;此外,无法在胰岛所处的天然组织微环境中评估其功能,而该微环境很可能受到外分泌细胞、血管细胞等多种细胞的影响1在研究来自1型糖尿病(T1D)供体的胰腺时,存在一个挑战:这些供体的胰岛难以分离,且在分离过程中容易发生断裂,可能导致对胰岛产生选择性效应,从而无法代表整体胰岛群体 体内2此外,胰岛将与其复杂的微环境及细胞间连接被分离开来,尤其是与存在于发炎胰岛中、且在胰岛周边更为丰富的浸润性免疫细胞分离。因此,尽管分离的胰岛是糖尿病研究中的关键工具,但仍存在局限性。为此,我们提出一种开创性的活体胰腺切片制备方案,以应对这些挑战。
近年来胰腺组织切片技术的发展与应用被视为探索胰腺复杂生物学特性与功能的一项突破。该创新为在天然解剖环境中动态研究胰岛生理学以及内分泌、外分泌、神经、血管和免疫细胞之间的相互作用开辟了新途径。与传统方法不同,这种技术 体外 该方法在很大程度上保留了器官的细胞结构,使其生物学特性更接近天然状态。该技术最初由 Speier 和 Rupnik 于 2003 年在小鼠中建立。3该方法已证明可用于评估细胞内和细胞间信号传导中的钙成像、电生理学及激素分泌4,5,6,7,8,9随后将胰腺切片平台应用于通过手术活检获取的人类胰腺组织的研究4,10,11,12我们的研究团队通过糖尿病胰腺器官捐献者网络(nPOD)的活动,证明了从遗体器官捐献者获取并利用胰腺组织切片的可行性。13nPOD 向经批准的从事人类1型糖尿病研究的研究人员提供胰腺组织,自采用胰腺切片技术平台以来,nPOD 常规制备并分发活体胰腺切片14,15,16,17自2020年胰腺组织切片平台实施以来,nPOD已成功向众多研究人员分发了来自43位供体(包括12位1型糖尿病供体)的组织切片。研究人员利用这些切片,针对胰岛功能的关键方面开展了开创性研究,并探索了在1型糖尿病背景下胰岛与血管系统、神经系统及免疫细胞之间的相互作用。13,18,19,20,21,22,23,24许多研究强调了传统方法的局限性,并凸显了能够捕捉胰腺内部动态相互作用的技术的重要性25,26,27将小鼠胰腺切片技术灵活应用于人胰腺组织,并将其整合到“糖尿病胰腺器官捐献者网络”(nPOD)等项目中,充分体现了该方法在揭示1型糖尿病等疾病重要信息方面的潜力正日益受到认可。
来自两性组织捐献者的胰腺组织切片通过佛罗里达大学的糖尿病胰腺器官捐献者网络(nPOD)组织库获得。根据器官捐献相关法律和法规,佛罗里达大学机构审查委员会(IRB;IRB编号392-2008)已确定,来自无标识符的已故个体的器官组织不属于人类受试者研究,归类为非人类受试者研究,因此免除知情同意要求。本项目所使用的nPOD组织已获得佛罗里达大学IRB批准,确认为非人类来源(IRB20140093)。
注意:对于初次接触脑片技术及其应用(如灌流和钙成像)的读者,建议先通过小鼠或大鼠脑片积累实践经验并掌握基本操作技能,再进行人源样本的操作3,28。
1. 准备工作
注意:这些准备工作应在组织到达之前完成。
2. 组织处理
注意:切片应在收到样本后立即制备。任何延迟都可能导致操作困难并引起组织降解。
3. 切片
4. 活/死细胞检测
注意:本实验为可选检测,用于显示组织切片在处理后的存活情况。然而,切片一旦染色后便不可再次使用。
5. 灌流
注意:本方案描述了如何对组织切片进行动态灌流,但也适用于分离的胰岛。在装载胰岛之前,需根据仪器用户手册中的说明,使用滤纸和微珠溶液对胰岛腔室进行预处理。然而,胰岛腔室与切片腔室可在同一实验中同时使用。
6. 钙成像
当实验方案成功执行时,1 g 胰腺组织可获得约 100–200 片组织切片。随后应使用体视显微镜检查这些切片,筛选出富含胰岛的切片,再进行功能评估。通过荧光素二乙酸酯(Fluorescein Diacetate, FDA)和碘化丙啶(Propidium Iodide, PI)染色测定的存活率预计可达 80%–90%(图 2A)。由于切割过程中造成的细胞损伤,切片表面的细胞存活率可能明显较低。在存活良好的切片中可观察到动态激素分泌(图 2B),在高浓度葡萄糖刺激及氯化钾(KCl)引起膜去极化后,可引发强烈的胰岛素释放。
相反,如果在切片过程中出现延迟或组织质量不理想,则结果会有显著差异。获得的切片数量可能减少,活率评估可能显示被碘化丙啶(PI)标记的非活细胞比例升高(图2C)。在这些情况下,功能评估表明组织对高浓度葡萄糖和膜去极化的反应减弱甚至完全缺失(图2D)。来自非理想实验的数据凸显了及时、精确操作以及组织质量的重要性,因为这些因素可能影响组织的存活率和功能完整性。这些负面结果为成功实施该方法所需考虑的关键因素提供了重要的警示。
钙成像中的常见结果可呈现为热图(如图5D所示),或显示为单个细胞的独立信号轨迹(如图5E所示)。需要强调的是,染料会无差别地标记所有细胞类型,因此必须依赖特定刺激,才能根据细胞的反应差异进行区分。为了鉴定活细胞,我们使用KCl进行刺激,并筛选出反应幅度超过平均基线反应两倍标准误以上的细胞。此外,脑片可进行固定和染色处理,以实现对细胞类型的鉴定。

图1:组织处理与切片。(A)1 g未处理的胰腺组织。(B)已清洗的胰腺组织块,准备进行琼脂糖包埋。(C)使用振动切片机进行切片的操作过程。(D) freshly cut human pancreas slices。 请点击此处查看此图的放大版本。

图2:组织活性与胰岛素分泌数据。(A)具有活性的组织切片代表性图像。反射激光的最大强度投影(灰色,左上),PI标记死亡细胞(红色,左下),FDA标记活细胞(绿色,右下),以及活细胞与死细胞的合并图像(右上)。虚线表示胰岛。比例尺为50 µm。(B)来自单一非糖尿病供体的人胰腺组织切片的动态胰岛素分泌。胰岛素动力学显示,在高浓度葡萄糖刺激6分钟后出现第一时相峰值反应,随后进入平台期的第二时相。数据已归一化至5.5 mM葡萄糖下的平均基础分泌水平(刺激指数,倍数变化)。胰岛素分泌实验所用切片来自与(A)中相同的供体。(C)无活性组织切片的代表性图像。反射激光的最大强度投影(灰色,左上),PI标记死亡细胞(红色,左下),FDA标记活细胞(绿色,右下),以及活细胞与死细胞的合并图像(右上)。虚线表示胰岛。比例尺为50 µm。(D)来自单一非糖尿病供体的人胰腺组织切片的动态胰岛素分泌。胰岛素动力学显示,葡萄糖刺激的胰岛素分泌以及KCl引起的膜去极化均明显丧失。数据已归一化至5.5 mM葡萄糖下的平均基础分泌水平(刺激指数,倍数变化)。胰岛素分泌实验所用切片来自与(C)中相同的供体。请点击此处查看该图的放大版本。

图 3:动态灌注中的组织装载。(A)堆叠式切片腔室。单个组织切片如插图所示装载在金属网格上。(B)将分离的胰岛装载至胰岛腔室中。切片腔室和胰岛腔室连接至灌注装置。请点击此处查看该图的放大版本。

图4:胰岛组织切片与分离胰岛中的激素分泌。 图中(A)和(B)面板的数据来源于一位不同于(C)和(D)面板所用的供体。(A)来自一位非糖尿病供体的3个胰腺组织切片的绝对激素分泌量。胰岛素分泌以绿色表示,胰高血糖素分泌以品红色表示。(B)将(A)中所示激素分泌量归一化为总激素含量(占含量的百分比)。含量测定来自实验中使用的全部3个切片。(C)来自同一位非糖尿病供体的分离胰岛(100个胰岛)和胰腺组织切片(3个切片)的动态胰岛素分泌。数据以绝对数值(mU/L)表示。(D)将(C)中所示胰岛素分泌量归一化为总胰岛素含量(占含量的百分比)。请点击此处查看该图的放大版本。

图5成像装置设置与预期结果 (A) 直立式共聚焦显微镜与灌流系统联用的功能成像装置。B连接进液和出液管路的成像室。C健康人供体胰腺组织切片中胰岛的共聚焦图像Z轴层扫结果,显示反射光(上图)和Fluo4信号(下图)。利用反射光识别切片中的胰岛(虚线所示)。D热图显示 体外 Ca2+ 胰岛细胞动态变化以Fluo4荧光强度表示,该强度已归一化为5.5 mM葡萄糖条件下的基础信号强度,并在高葡萄糖(16.7 mM)刺激下进行检测。每一行代表一个随时间追踪的单个细胞,横轴表示时间,颜色标尺显示其相对于基线的荧光强度变化幅度(%)(dF/F),颜色从蓝色(低强度)到红色(高强度)表示响应强度。E4 个单个细胞对高浓度葡萄糖产生反应的代表性轨迹。 请点击此处以查看此图的放大版本。

图6:钙成像设置。 用于进行40 µm(XYZT成像)延时记录的代表性软件设置截图。请点击此处查看该图的放大版本。
本文介绍了一种制备具有活性的胰腺组织切片及其用于动态激素分泌和功能成像等功能性检测的实验方案。与人胰岛分离类似,组织切片制备的成功率受多种因素影响,包括供体特征、组织运输时间以及组织质量25,29。因此,实验中必须谨慎选择组织样本,并尽量缩短缺血时间。在此背景下,除尸体供体外,其他潜在的人体组织来源也应被认真考虑。纳入手术供体可将功能性切片数据与同一位患者相关的in vivo信息相结合,从而增强研究的转化价值11。然而,此类组织来源也带来其他因素的影响,因为手术活检通常来自因局部肿瘤而接受胰腺切除术的老年患者。值得注意的是,胰腺活检并非在糖尿病背景下进行的。
进行实际切片操作时,及时处理组织至关重要。根据本方案,切片可保存数小时,或如Qadir等人19所述进行长期培养。目前,该方案是唯一能够长期维持切片活性的方法,但未来的研究应评估不同培养时间下的功能变化,并与同一供体的分离胰岛进行比较。
该过程中最关键的步骤是在将组织包埋于琼脂糖之前进行细致的组织制备。较大的导管和纤维化组织可能会使切片过程复杂化,并可能导致组织块从琼脂糖中脱落。如果发生此类情况且脱落的组织碎片仍具有合适大小,可对其进行重新处理并再次包埋以进行切片。保持良好的组织质量和精细的操作可显著提高切片过程的效率,并获得最大数量和最佳质量的切片。从组织制备到切片生成的时间不应超过2-3小时,因为更长的间隔会显著影响组织的活性。
在切片灌流过程中,一个简单但关键的步骤是精确修剪切片,以确保其能完美地放入灌流室中。这有助于组织得到充分灌注,并维持稳定的液体流动。一旦启动实验方案,应避免对灌流室进行任何进一步操作,以防止激素释放出现不必要的波动。应准备充足的缓冲液,且灌流管应伸至液面底部,以防止吸入空气导致灌流室干涸。
进行钙成像时,应根据实验需求和设计仔细选择感兴趣区域。通过选择能够减少光照暴露或缩短整体实验时间的成像参数,以尽量减少光漂白至关重要。与动态激素分泌类似,维持适当的溶液流速和加热环境十分关键,因为脑片需要接近生理条件才能发挥最佳功能(例如 37 °C)。
胰腺组织切片能有效维持胰腺的结构完整性,保留其多种细胞类型之间的细胞间连接。因此,它们为分离胰岛的研究提供了替代方案,有助于同时探索内分泌和外分泌功能及其相互作用。为了评估不同细胞类型之间的相互作用,关键是要能够区分这些细胞类型。染色是一种可行方法,但在可用的荧光探针数量以及准确定位特定细胞层方面存在局限性。因此,建议在实验方案中加入细胞特异性刺激物,以便根据细胞的反应实现细胞类型的区分。在小鼠或人源组织切片中,可用于区分细胞类型的刺激物包括:肾上腺素用于α细胞21,30,饥饿素用于δ细胞31,胆囊收缩素用于腺泡细胞5,32,胆汁酸用于导管细胞33,去甲肾上腺素用于血管细胞22。类似的刺激物也可用于测量分泌反应。成像研究通常聚焦于单个细胞,而分泌研究则分析群体反应。因此,必须包含足够数量的切片以检测预期结果。所需切片的最佳数量可能因细胞类型而异,对于内分泌细胞,三个切片可能已足够;但为确保结果可检测,避免遗漏重要信息,建议使用更多切片。
与其他方法一样,组织切片在结果解读时也存在需要考虑的局限性。针对特定细胞类型的刺激可能会对切片中的其他细胞类型产生影响,从而可能触发反馈回路。然而,这些效应同样具有研究价值,因此所测得的反应可能更能代表生理状态下的真实反应。对于选择性细胞靶向,可采用传统的体外(in vitro)实验方案。值得注意的是,腺泡细胞含有胰酶,可降解蛋白质并消化组织切片,导致细胞在数小时内发生退化。为了维持切片的活性,当切片处于静置状态时,必须持续使用胰蛋白酶抑制剂,尽管这类抑制剂的使用可能干扰用于标记目的的病毒的有效转导。
与胰岛分离相比,供体差异性和组织质量可能影响所获得胰岛片的产量和活性。切片后活性不足可能导致胰岛片寿命较短,并阻碍其培养能力。此外,不同供体之间的胰岛数量可能存在显著差异,使得在开展实验前难以准确估计胰岛含量。因此,谨慎选择供体纳入标准,并采用适当的归一化方法(如以激素含量百分比表示分泌水平,或以相对于基线的倍数变化表示)至关重要。为了获得一致的结果,建议在实验前评估组织切片的活性。此外,推荐在实验中加入相应的对照刺激物(例如 KCl)。在进行单细胞分析(如成像)时,可根据细胞对这些对照刺激的反应预先进行细胞分选。尽管存在上述挑战,胰岛片仍为当前研究方法提供了重要的补充手段。
本方案可作为多种应用的起点,胰腺切片可在多种刺激后进行操作并检测其反应。我们还引导读者参考大量利用小鼠或人胰腺切片的研究,为计划开展实验的研究人员提供有价值的参考。未来,有可能利用胰腺切片研究潜在的治疗方法,或建立疾病机制的模型。
作者无任何利益冲突需要披露。
本研究是在胰腺器官捐献者糖尿病网络(nPOD;RRID:SCR_014641)的支持下完成的,nPOD 是一个由 JDRF(nPOD:5-SRA-2018-557-Q-R)和 Leona M. & Harry B. Helmsley 慈善信托基金(Grant#2018PG-T1D053,G-2108-04793)资助的协作型 1 型糖尿病研究项目。文中所述内容和观点由作者负责,不一定反映 nPOD 的官方立场。与 nPOD 合作提供研究资源的器官获取组织(OPO)列于 http://www.jdrfnpod.org/for-partners/npod-partners/。作者衷心感谢捐献者及其家属所做出的宝贵贡献。本工作得到了美国糖尿病协会 4-22-PDFPM(J.K.P.)以及 Leona M. 和 Harry B. Helmsley 慈善信托基金(资助编号 2015-PG-T1D-052)的支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 丙氨酸 | Sigma | A7627 | 氨基酸 |
| AlexaFluor 488 山羊抗豚鼠抗体 | Invitrogen | A11073 | 二抗 |
| AlexaFluor 546 山羊抗大鼠抗体 | Thermo Fisher | A11077 | 二抗 |
| AlexaFluor 647 山羊抗小鼠抗体 | Thermo Fisher | A21235 | 二抗 |
| 抑肽酶 | Sigma | A1153 | 抑制剂 |
| 精氨酸 | Sigma | A5006 | 氨基酸 |
| Calbryte 520 AM | AAT Bioquest | 20651 | 钙离子荧光染料 |
| Fluo4-AM | Invitrogen | F14201 | 钙离子荧光染料 |
| 荧光素二乙酸酯 | Sigma | F7378 | 细胞活性标记物 |
| 胰高血糖素 | Sigma | G2654 | 一抗 |
| 胰高血糖素 ELISA(人源试剂盒) | Mercodia | 10-1271-01 | 用于激素检测的 ELISA 试剂盒 |
| 谷氨酰胺 | Sigma | G3126 | 氨基酸 |
| 胰岛素 | Dako | A-0546 | 一抗 |
| 胰岛素 ELISA(人源) | Mercodia | 10-1113-01 | 用于激素检测的 ELISA 试剂盒 |
| 低熔点琼脂糖 | Sigma | A9414 | |
| LSM 900 | Zeiss | 共聚焦显微镜 | |
| 胰腺切片灌流室 | Biorep Technologies | PERI-PSC-001 | 用于灌流实验的切片室 |
| 胰腺切片灌流室扩展套件 | Biorep Technologies | PERI-PSC-EXT | 用于灌流实验的切片室 |
| 胰腺切片灌流室穿孔板 | Biorep Technologies | PERI-PSC-PP | 用于灌流实验的切片室 |
| 带自动托盘处理功能的灌流系统 | Biorep Technologies | PERI4-02-230-FA | |
| 碘化丙啶 | Life technologies | P1304MP | 死细胞标记物 |
| 半自动振动切片机 VT1200S | Leica | 14048142066 | |
| 生长抑素 | Millipore | MAB354 | 一抗 |