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Métodos in vivo, ex vivo e in silico para estudiar la biología del páncreas durante la salud y la enfermedad

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DOI:

10.3791/64938

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17 de marzo de 2023

En este artículo

Resumen

ARTÍCULOS DISCUTIDOS:

Delgadillo-Silva, L. F., Akhtar, M. N., Tasoz, E., Ninov, N. Imágenes simultáneas de calcio y estimulación de glucosa en peces cebra vivos para investigar in vivo la función de las células beta. Revista de Experimentos Visualizados. (175), E62347 (2021).

Felix-Martinez, G. J.,Nicolas-Mata, A., Godinez-Fernandez, J. R. Reconstrucción computacional de islotes pancreáticos como herramienta para el análisis estructural y funcional. Revista de Experimentos Visualizados. (181), E63352 (2022).

Huber, M. K. et al. Observación de la función de los islotes y las interacciones entre los islotes y las células inmunitarias en cortes de tejido pancreático vivo. Revista de Experimentos Visualizados. (170), E62207 (2021).

Park, I.,Kim, P. Visualización longitudinal estabilizada in vivo a nivel celular del páncreas en un modelo murino con una ventana de imagen intravital pancreática. Revista de Experimentos Visualizados. (171), E62538 (2021).

Stozer, A. et al. Microscopía de barrido láser confocal de la dinámica del calcio en cortes agudos de tejido pancreático de ratón. Revista de Experimentos Visualizados. (170), E62293 (2021).

Zhou, X. et al. Establecimiento de un modelo de pancreatitis aguda grave en ratones mediante inyección retrógrada de taurocolato de sodio en el conducto biliopancreático. Revista de Experimentos Visualizados. (182), E63129 (2022).

Editorial

El páncreas es un órgano que contiene dos segmentos funcionales distintos que incluyen los tejidos exocrino y endocrino. Los principales componentes celulares del tejido exocrino incluyen células acinares y ductales, que liberan enzimas que ayudan en la digestión de los alimentos. El compartimento endocrino está formado por los islotes pancreáticos de Langerhans, donde las células alfa y beta desempeñan un papel esencial en la regulación del metabolismo de la glucosa al controlar la liberación de hormonas glucagón e insulina. La disfunción celular de los compartimentos exocrino y endocrino conduce a condiciones patológicas que incluyen diabetes tipo 1 y tipo 2, pancreatitis y cáncer. Los mecanismos que regulan estos distintos sistemas no se comprenden completamente. El objetivo de esta colección es reunir métodos complementarios que contribuirán a una mejor comprensión de la biología del páncreas durante la salud y la enfermedad.

La disfunción o muerte de la célula beta secretora de insulina conduce a la diabetes, una enfermedad devastadora que afecta aproximadamente al 10% de la población mundial1. Por lo tanto, es fundamental comprender la fisiología de la célula beta para encontrar tratamientos para restaurar la función celular y prevenir la pérdida de células beta. La señalización intracelular del calcio regula numerosas funciones celulares, incluida la secreción de insulina de las células beta. La glucosa, el principal secretagogo de insulina, desencadena oscilaciones intracelulares de calcio en las células beta. La sincronización de estas oscilaciones es fundamental para la función de los islotes. Como microórgano crítico que regula el metabolismo de la glucosa, los islotes pancreáticos se conservan en muchas especies animales. En el protocolo de Delgadillo et al., los autores utilizan un modelo de pez cebra para estudiar la función de las células beta in vivo. Para realizar imágenes in vivo, aprovechan la transparencia óptica del pez cebra durante su etapa de larva. Utilizando líneas transgénicas que expresan reporteros fluorescentes, los autores realizaron imágenes de Ca2+ en vivo para rastrear las oscilaciones de calcio en respuesta a la estimulación de la glucosa2. En los animales vertebrados superiores, a diferencia del pez cebra, el páncreas en todas las etapas se encuentra dentro de una cavidad abdominal no transparente. Para eludir esta limitación biológica para la obtención de imágenes, se describió un modelo de "ventana viva", que requirió un procedimiento quirúrgico para insertar una ventana transparente en la cavidad abdominal de ratones3. La ventana fue diseñada para crear transparencia óptica y aislar el páncreas del intestino en la cavidad abdominal, lo que permitió que el páncreas permaneciera fijo en su lugar junto a la ventana de imágenes. Los autores describen la utilidad de los métodos de imagen in vivo mediante la obtención de imágenes de múltiples modelos, incluida la biología vascular, los islotes, los tejidos de células acinares y el cáncer de páncreas3. Las técnicas in vivo mencionadas anteriormente 2,3 son enfoques ortogonales con distintas ventajas y limitaciones, que incluyen experiencia en manipulaciones quirúrgicas animales, facilidad de manipulación genética y similitud genética en comparación con la biología humana.

La manipulación in vivo es posible en modelos animales; sin embargo, la experimentación en un entorno no clínico utilizando tejidos humanos requiere enfoques in vitro. Recientemente, los métodos que utilizan cortes de tejido vivo derivados de muestras biológicas obtenidas durante biopsias quirúrgicas o donantes post-mortem han proporcionado información invaluable sobre la biología del páncreas 4,5,6. Si bien el tejido humano es más relevante para las enfermedades humanas, los tejidos de ratón también son útiles para modelar enfermedades humanas, dado que los tejidos humanos son un recurso biológico limitado. Como tal, en Stožer et al., los autores realizan imágenes de calcio de componentes acinares, islotes y ductales de cortes de tejido de tejidos de ratón7. Estos resultados tienen implicaciones para el estudio de múltiples aspectos de la biología endocrina y exocrina. Para modelar la patología de la diabetes utilizando tejidos diabéticos humanos, Huber et al. prepararon cortes de tejido, quienes describen un método para rastrear las interacciones de los islotes y las células inmunes, así como la función de las células beta durante la diabetes8. Usando microscopía confocal, los autores realizaron imágenes vivas y muertas, y también registraron respuestas funcionales de calcio de los islotes pancreáticos en donantes diabéticos (NOD de ratón y diabetes tipo 1 humana). Además, en el contexto de la autoinmunidad de la diabetes tipo 1, que ocurre cuando las células inmunitarias atacan los islotes pancreáticos, los autores realizaron un citomarcaje in situ para rastrear las células inmunitarias en rodajas vivas8. Es importante destacar que los modelos de corte describen el único modelo actual que contiene todos los componentes citoarquitectónicos del tejido pancreático. Aunque el flujo sanguíneo se corta de la circulación, los autores describen de manera importante un modelo in vitro donde se pueden modelar las interacciones paracrinas entre los elementos inmunológicos, de los islotes, los acinares y vasculares 5,9,10,11.

A diferencia de los enfoques in vitro e in vivo, Félix-Martínez et al. describen un enfoque in silico para estudiar cuantitativamente las propiedades morfológicas y de conectividad de los islotes reconstruidos12. Se realizaron simulaciones funcionales basadas en la naturaleza pulsátil de las secreciones de hormonas de los islotes (insulina, glucagón y somatostatina). Las aplicaciones de este enfoque serán particularmente útiles cuando se modelen los islotes durante estados de proporción celular normal y alterada (es decir, pérdida de células beta durante la diabetes) o enfoques de organoides basados en amalgama celular 13,14,15.

Mientras que el páncreas endocrino controla el metabolismo de la glucosa, el páncreas exocrino controla la secreción de enzimas en el tracto gastrointestinal para ayudar en la digestión. Si bien es raro, la inflamación del páncreas causada por la obstrucción ductal puede provocar pancreatitis aguda. Zhou et al. describen un método para investigar la pancreatitis aguda utilizando un modelo quirúrgico. Aquí, los autores utilizan una técnica de inducción química inyectando taurocolato de sodio en el conducto biliopancreático. Los autores encontraron un cambio significativo en la supervivencia global, la presencia de células inflamatorias y una mayor acumulación de enzimas pancreáticas como la amilasa y la lipasa16. Dado que el modelo recapitula elementos críticos de la biología de la pancreatitis, este método será importante para la validación de nuevos fármacos preclínicos para pacientes con esta afección potencialmente mortal.

La disfunción del sistema endocrino y exocrino tiene consecuencias inmediatas y potencialmente mortales, y también presenta problemas crónicos a largo plazo. De hecho, las consecuencias de la disfunción en cualquiera de los sistemas a menudo conducen a la función deteriorada de múltiples sistemas, como la diabetes de nueva aparición, que ocurre en casi el 47% de los pacientes durante el cáncer de páncreas17,18. Los esfuerzos continuos para comprender y modelar mejor la fisiopatología del páncreas mejorarán nuestra capacidad para comprender y desarrollar estrategias novedosas para el tratamiento de enfermedades pancreáticas como la diabetes, la pancreatitis crónica y el cáncer. Los métodos descritos aquí presentan una disposición organizada de herramientas que deben utilizar los investigadores para estudiar la biología crítica para la salud y la enfermedad pancreática.

Divulgaciones

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

Este trabajo fue financiado por subvenciones del Instituto Nacional del Cáncer (NCI) 1F32CA265052-01.

Referencias

  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).

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