Die Bauchspeicheldrüse ist ein Organ, das zwei unterschiedliche Funktionssegmente enthält, die das exokrine und das endokrine Gewebe umfassen. Zu den wichtigsten zellulären Bestandteilen des exokrinen Gewebes gehören azinäre und duktale Zellen, die Enzyme freisetzen, die bei der Verdauung von Lebensmitteln helfen. Das endokrine Kompartiment besteht aus Pankreasinseln von Langerhans, wo Alpha- und Betazellen eine wesentliche Rolle bei der Regulierung des Glukosestoffwechsels spielen, indem sie die Freisetzung von Glukagon- und Insulinhormonen steuern. Eine zelluläre Dysfunktion der exokrinen und endokrinen Kompartimente führt zu pathologischen Zuständen wie Typ-1- und Typ-2-Diabetes, Pankreatitis und Krebs. Die Mechanismen, die diese unterschiedlichen Systeme regulieren, sind nicht vollständig verstanden. Das Ziel dieser Sammlung ist es, komplementäre Methoden zusammenzuführen, die zu einem besseren Verständnis der Biologie der Bauchspeicheldrüse während Gesundheit und Krankheit beitragen.
Eine Dysfunktion oder der Tod der insulinsezernierenden Betazellen führt zu Diabetes, einer verheerenden Krankheit, von der weltweit etwa 10 % der Bevölkerung betroffensind 1. Es ist daher von entscheidender Bedeutung, die Physiologie der Betazelle zu verstehen, um Behandlungen zur Wiederherstellung der Zellfunktion und zur Verhinderung des Verlusts von Betazellen zu finden. Die intrazelluläre Kalzium-Signalgebung reguliert zahlreiche zelluläre Funktionen, einschließlich der Insulinsekretion aus Betazellen. Glukose, das wichtigste Insulinsekretagog, löst intrazelluläre Kalziumoszillationen in Betazellen aus. Die Synchronisation dieser Schwingungen ist entscheidend für die Inselfunktion. Als kritisches Mikroorgan, das den Glukosestoffwechsel reguliert, sind die Pankreasinseln bei vielen Tierarten konserviert. Im Protokoll von Delgadillo et al. verwenden die Autoren ein Zebrafischmodell, um die Funktion von Betazellen in vivo zu untersuchen. Für die In-vivo-Bildgebung nutzen sie die optische Transparenz von Zebrafischen während ihres Larvenstadiums. Unter Verwendung transgener Linien, die fluoreszierende Reporter exprimieren, führten die Autoren Live-Ca2+-Bildgebung durch, um Kalziumoszillationen als Reaktion auf Glukosestimulationzu verfolgen 2. Bei höheren Wirbeltieren befindet sich die Bauchspeicheldrüse im Gegensatz zu Zebrafischen in allen Stadien in einer undurchsichtigen Bauchhöhle. Um diese biologische Einschränkung für die Bildgebung zu umgehen, wurde ein "lebendes Fenster"-Modell beschrieben, das einen chirurgischen Eingriff erforderte, um ein transparentes Fenster in die Bauchhöhle von Mäusen einzuführen3. Das Fenster wurde entwickelt, um optische Transparenz zu schaffen und die Bauchspeicheldrüse vom Darm in der Bauchhöhle abzuschotten, wodurch die Bauchspeicheldrüse neben dem Bildgebungsfenster fixiert bleiben konnte. Die Autoren beschreiben den Nutzen der in vivo bildgebenden Verfahren anhand der Abbildung mehrerer Modelle, darunter Gefäßbiologie, Inselzellen, Azinuszellgewebe und Bauchspeicheldrüsenkrebs3. Bei den zuvor erwähnten In-vivo-Techniken 2,3 handelt es sich um orthogonale Ansätze mit deutlichen Vor- und Nachteilen, zu denen die Expertise in tierchirurgischen Manipulationen, die Leichtigkeit der genetischen Manipulation und die genetische Ähnlichkeit im Vergleich zur Humanbiologie gehören.
In vivo Manipulation ist in Tiermodellen möglich; Experimente in einem nicht-klinischen Umfeld mit menschlichem Gewebe erfordern jedoch In-vitro-Ansätze. In jüngster Zeit haben Methoden, bei denen lebende Gewebeschnitte aus biologischen Proben verwendet wurden, die bei chirurgischen Biopsien oder postmortalen Spendern gewonnen wurden, unschätzbare Einblicke in die Biologie der Bauchspeicheldrüse geliefert 4,5,6. Während menschliches Gewebe für menschliche Krankheiten am relevantesten ist, ist Mausgewebe auch nützlich für die Modellierung menschlicher Krankheiten, da menschliches Gewebe eine begrenzte biologische Ressource darstellt. Daher führen die Autoren in Stožer et al. eine Kalziumbildgebung von Azinus-, Insel- und duktalen Komponenten von Gewebeschnitten aus Mausgeweben durch7. Diese Ergebnisse haben Auswirkungen auf die Untersuchung mehrerer Aspekte der endokrinen und exokrinen Biologie. Um die Diabetespathologie mit humanem diabetischem Gewebe zu modellieren, wurden Gewebeschnitte von Huber et al. erstellt, die eine Methode zur Verfolgung von Insel- und Immunzellinteraktionen sowie der Betazellfunktion während Diabetes beschreiben8. Mit Hilfe der konfokalen Mikroskopie führten die Autoren lebende und tote Bildgebung durch und zeichneten auch funktionelle Kalziumreaktionen von Pankreasinseln bei diabetischen Spendern (Maus-NOD und humanes T1D) auf. Darüber hinaus führten die Autoren im Zusammenhang mit der Typ-1-Diabetes-Autoimmunität, die auftritt, wenn Immunzellen die Pankreasinseln angreifen, eine In-situ-Zytomarkierung durch, um Immunzellen in lebenden Schnitten zu verfolgen8. Wichtig ist, dass die Schnittmodelle das einzige aktuelle Modell beschreiben, das alle zytoarchitektonischen Komponenten des Pankreasgewebes enthält. Obwohl der Blutfluss aus dem Blutkreislauf abgeschnitten wird, beschreiben die Autoren ein in vitro-Modell, in dem parakrine Wechselwirkungen zwischen Immun-, Insel-, Azinus- und Gefäßelementen modelliert werden können 5,9,10,11.
In Abgrenzung zu in vitro und in vivo Ansätzen beschreiben Felix-Martinez et al. einen in silico Ansatz zur quantitativen Untersuchung der morphologischen und Konnektivitätseigenschaften rekonstruierter Inselzellen12. Funktionelle Simulationen wurden basierend auf der pulsierenden Natur der Inselhormonsekretion (Insulin, Glucagon und Somatostatin) durchgeführt. Anwendungen dieses Ansatzes werden besonders nützlich sein, wenn Inselzellen während normaler und veränderter Zellverhältniszustände (d. h. Verlust von Betazellen während Diabetes) oder zelluläre Amalgamierungs-basierte Organoid-Ansätze modelliertwerden 13,14,15.
Während die endokrine Bauchspeicheldrüse den Glukosestoffwechsel steuert, steuert die exokrine Bauchspeicheldrüse die Sekretion von Enzymen in den Magen-Darm-Trakt, um die Verdauung zu unterstützen. Eine Entzündung der Bauchspeicheldrüse, die durch eine duktale Obstruktion verursacht wird, ist zwar selten, kann aber zu einer akuten Pankreatitis führen. Zhou et al. beschreiben eine Methode zur Untersuchung einer akuten Pankreatitis anhand eines chirurgischen Modells. Hier verwenden die Autoren eine chemische Induktionstechnik, indem sie Natriumtaurocholat in den Gang biliopankreatis injizieren. Die Autoren fanden eine signifikante Veränderung des Gesamtüberlebens, das Vorhandensein von Entzündungszellen und eine erhöhte Akkumulation von Pankreasenzymen wie Amylase und Lipase16. Da das Modell kritische Elemente der Pankreatitis-Biologie rekapituliert, wird diese Methode für die Validierung neuartiger präklinischer Medikamente für Patienten mit dieser lebensbedrohlichen Erkrankung wichtig sein.
Eine Funktionsstörung des endokrinen und exokrinen Systems hat unmittelbare, lebensbedrohliche Folgen und führt auch zu langfristigen chronischen Problemen. In der Tat führen die Folgen einer Dysfunktion in beiden Systemen oft zu einer Beeinträchtigung der Funktion mehrerer Systeme, wie z. B. neu auftretender Diabetes, der bei fast 47 % der Patienten bei Bauchspeicheldrüsenkrebs auftritt17,18. Kontinuierliche Bemühungen, die Pathophysiologie der Bauchspeicheldrüse besser zu verstehen und zu modellieren, werden unsere Fähigkeit verbessern, neue Strategien für die Behandlung von Bauchspeicheldrüsenerkrankungen wie Diabetes, chronischer Pankreatitis und Krebs zu verstehen und zu entwickeln. Die hier beschriebenen Methoden stellen eine organisierte Anordnung von Werkzeugen dar, die von Forschern verwendet werden können, um die Biologie zu untersuchen, die für die Gesundheit und Krankheit der Bauchspeicheldrüse entscheidend ist.