Articolo metodologico

Metodi in vivo, ex vivo e in silico per studiare la biologia del pancreas durante la salute e la malattia

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DOI:

10.3791/64938

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17 marzo 2023

In questo articolo

Abstract

ARTICOLI DISCUSSI:

Delgadillo-Silva, L. F., Akhtar, M. N., Tasoz, E., Ninov, N. Imaging simultaneo del calcio e stimolazione del glucosio in zebrafish vivo per studiare la funzione delle cellule beta in vivo. Giornale degli esperimenti visualizzati. (175), E62347 (2021).

Felix-Martinez, G. J., Nicolas-Mata, A., Godinez-Fernandez, J. R. Ricostruzione computazionale delle isole pancreatiche come strumento per l'analisi strutturale e funzionale. Giornale degli esperimenti visualizzati. (181), E63352 (2022).

Huber, M. K. et al. Osservazione della funzione delle isole e delle interazioni tra cellule immunitarie e insulari in fette di tessuto pancreatico vivo. Giornale degli esperimenti visualizzati. (170), E62207 (2021).

Park, I.,Kim, P. Visualizzazione longitudinale stabilizzata a livello cellulare in vivo del pancreas in un modello murino con una finestra di imaging intravitale pancreatico. Giornale degli esperimenti visualizzati. (171), E62538 (2021).

Stozer, A. et al. Microscopia a scansione laser confocale della dinamica del calcio in fette di tessuto pancreatico acuto di topo. Giornale degli esperimenti visualizzati. (170), e62293 (2021).

Zhou, X. et al. Istituzione di un modello di pancreatite acuta grave nel topo utilizzando l'iniezione retrograda di taurocolato di sodio nel dotto biliopancreatico. Giornale degli esperimenti visualizzati. (182), E63129 (2022).

Editoriale

Il pancreas è un organo contenente due distinti segmenti funzionali che includono i tessuti esocrini ed endocrini. I principali componenti cellulari del tessuto esocrino includono cellule acinose e duttali, che rilasciano enzimi che aiutano la digestione del cibo. Il compartimento endocrino è costituito dalle isole pancreatiche di Langerhans, dove le cellule alfa e beta svolgono un ruolo essenziale nella regolazione del metabolismo del glucosio controllando il rilascio di glucagone e ormoni insulina. La disfunzione cellulare dei compartimenti esocrino ed endocrino porta a condizioni patologiche che includono diabete di tipo 1 e di tipo 2, pancreatite e cancro. I meccanismi che regolano questi sistemi distinti non sono completamente compresi. L'obiettivo di questa raccolta è quello di riunire metodi complementari che contribuiranno a una migliore comprensione della biologia del pancreas durante la salute e la malattia.

La disfunzione o la morte della cellula beta che secerne insulina porta al diabete, una malattia devastante che colpisce circa il 10% della popolazionemondiale1. È quindi fondamentale comprendere la fisiologia della cellula beta per trovare trattamenti che ripristinino la funzione cellulare e prevengano la perdita di cellule beta. La segnalazione intracellulare del calcio regola numerose funzioni cellulari, tra cui la secrezione di insulina dalle cellule beta. Il glucosio, il principale secretagogo dell'insulina, innesca oscillazioni intracellulari del calcio nelle cellule beta. La sincronizzazione di queste oscillazioni è fondamentale per la funzione dell'isola. In quanto microorgano critico che regola il metabolismo del glucosio, le isole pancreatiche sono conservate in molte specie animali. Nel protocollo di Delgadillo et al., gli autori utilizzano un modello di zebrafish per studiare la funzione delle cellule beta in vivo. Per eseguire l'imaging in vivo, sfruttano la trasparenza ottica del pesce zebra durante la fase larvale. Utilizzando linee transgeniche che esprimono reporter fluorescenti, gli autori hanno eseguito l'imaging Ca2+ dal vivo per monitorare le oscillazioni del calcio in risposta alla stimolazione del glucosio2. Negli animali vertebrati superiori, a differenza del pesce zebra, il pancreas in tutti gli stadi si trova all'interno di una cavità addominale non trasparente. Per aggirare questa limitazione biologica per l'imaging, è stato descritto un modello di "finestra vivente", che richiedeva una procedura chirurgica per inserire una finestra trasparente nella cavità addominale dei topi3. La finestra è stata progettata per creare trasparenza ottica e isolare il pancreas dall'intestino nella cavità addominale, il che ha permesso al pancreas di rimanere fisso in posizione accanto alla finestra di imaging. Gli autori descrivono l'utilità dei metodi di imaging in vivo mediante l'imaging di più modelli tra cui biologia vascolare, isole, tessuti cellulari acinari e cancro del pancreas3. Le tecniche in vivo precedentemente menzionate 2,3 sono approcci ortogonali con vantaggi e limitazioni distinti, che includono l'esperienza nelle manipolazioni chirurgiche animali, la facilità di manipolazione genetica e la somiglianza genetica rispetto alla biologia umana.

La manipolazione in vivo è possibile in modelli animali; Tuttavia, la sperimentazione in un contesto non clinico utilizzando tessuti umani richiede approcci in vitro. Recentemente, i metodi che utilizzano fette di tessuto vivente derivate da campioni biologici ottenuti durante biopsie chirurgiche o donatori post-mortem hanno fornito informazioni preziose sulla biologia del pancreas 4,5,6. Mentre il tessuto umano è più rilevante per la malattia umana, i tessuti di topo sono anche utili per modellare la malattia umana, dato che i tessuti umani sono una risorsa biologica limitata. Pertanto, in Stožer et al., gli autori eseguono l'imaging del calcio di componenti acinari, insulari e duttali di fette di tessuto da tessuti di topo7. Questi risultati hanno implicazioni per lo studio di molteplici aspetti della biologia endocrina ed esocrina. Per modellare la patologia del diabete utilizzando tessuti diabetici umani, Huber et al. hanno preparato fette di tessuto, che descrivono un metodo per tracciare le interazioni tra isole e cellule immunitarie, nonché la funzione delle cellule beta durante il diabete8. Utilizzando la microscopia confocale, gli autori hanno eseguito l'imaging vivo e morto e hanno anche registrato le risposte funzionali del calcio dalle isole pancreatiche in donatori diabetici (NOD di topo e T1D umano). Inoltre, nel contesto dell'autoimmunità del diabete di tipo 1, che si verifica quando le cellule immunitarie attaccano le isole pancreatiche, gli autori hanno eseguito la citomarcatura in situ per tracciare le cellule immunitarie nelle fette viventi8. È importante sottolineare che i modelli a fette descrivono l'unico modello attuale che contiene tutti i componenti citoarchitettonici del tessuto pancreatico. Sebbene il flusso sanguigno sia interrotto dalla circolazione, gli autori descrivono in modo importante un modello in vitro in cui le interazioni paracrine tra elementi immunitari, insulari, acinari e vascolari possono essere modellate 5,9,10,11.

A differenza degli approcci in vitro e in vivo, Felix-Martinez et al. descrivono un approccio in silico per studiare quantitativamente le proprietà morfologiche e di connettività delle isole ricostruite12. Le simulazioni funzionali sono state eseguite sulla base della natura pulsatile delle secrezioni ormonali delle isole (insulina, glucagone e somatostatina). Le applicazioni di questo approccio saranno particolarmente utili quando si modellano isole durante stati normali e alterati del rapporto cellulare (ad esempio, perdita di cellule beta durante il diabete) o approcci organoidi basati sull'amalgama cellulare 13,14,15.

Mentre il pancreas endocrino controlla il metabolismo del glucosio, il pancreas esocrino controlla la secrezione di enzimi nel tratto gastrointestinale per favorire la digestione. Sebbene rara, l'infiammazione del pancreas causata dall'ostruzione duttale può portare a pancreatite acuta. Zhou et al. descrivono un metodo per studiare la pancreatite acuta utilizzando un modello chirurgico. Qui, gli autori utilizzano una tecnica di induzione chimica iniettando taurocolato di sodio nel dotto biliopancreatico. Gli autori hanno riscontrato un cambiamento significativo nella sopravvivenza globale, nella presenza di cellule infiammatorie e in un aumento dell'accumulo di enzimi pancreatici come l'amilasi e la lipasi16. Dato che il modello ricapitola elementi critici della biologia della pancreatite, questo metodo sarà importante per la convalida di nuovi farmaci preclinici per i pazienti con questa condizione potenzialmente letale.

La disfunzione del sistema endocrino ed esocrino ha conseguenze immediate e pericolose per la vita e presenta anche problemi cronici a lungo termine. Infatti, le conseguenze della disfunzione in entrambi i sistemi spesso portano alla compromissione della funzione di più sistemi, come il diabete di nuova insorgenza, che si verifica in quasi il 47% dei pazienti durante il cancro del pancreas17,18. I continui sforzi per comprendere e modellare meglio la fisiopatologia del pancreas miglioreranno la nostra capacità di comprendere e sviluppare nuove strategie per il trattamento di malattie del pancreas come il diabete, la pancreatite cronica e il cancro. I metodi qui descritti presentano una disposizione organizzata di strumenti che devono essere utilizzati dai ricercatori per studiare la biologia critica per la salute e la malattia del pancreas.

Dichiarazioni

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

Questo lavoro è stato supportato da sovvenzioni del National Cancer Institute (NCI) 1F32CA265052-01.

Riferimenti

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  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).
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