Le isole pancreatiche, note anche come isole di Langerhans, sono un insieme di cellule endocrine situate all'interno del pancreas. Le cellule β produttrici di insulina sono il componente più abbondante e funzionalmente significativo delle isole pancreatiche. Queste cellule β secernono insulina, un ormone che svolge un ruolo fondamentale nel mantenimento dell'omeostasi del glucosio1. Nel diabete di tipo 1 (T1D), il sistema immunitario prende di mira e si infiltra nelle isole pancreatiche, distruggendo le cellule β produttrici di insulina. Questo attacco autoimmune è mediato principalmente da citochine pro-infiammatorie, tra cui l'interleuchina-1β (IL-1β), il fattore di necrosi tumorale-alfa (TNF-α) e l'interferone-gamma (IFN-γ)2. Queste citochine avviano una cascata di eventi di segnalazione all'interno delle cellule β che alla fine innescano l'apoptosi3. L'apoptosi, la morte cellulare programmata, è un processo strettamente regolato che coinvolge l'attivazione delle caspasi, la frammentazione del DNA e la disintegrazione cellulare. Contribuisce alla graduale perdita della massa e della funzione delle cellule β durante l'insorgenza del T1D3.
Comprendere i meccanismi molecolari che guidano l'apoptosi β cellulare è fondamentale per identificare strategie per prevenire o mitigare la distruzione delle cellule β nel T1D. Per raggiungere questo obiettivo, le isole pancreatiche isolate da modelli sperimentali o cadaveri umani fungono da sistema modello robusto e consolidato per lo studio della patologia β-cellulare 2,3. Trattando queste isole isolate con citochine pro-infiammatorie, i ricercatori possono replicare l'ambiente che caratterizza il T1D precoce, consentendo lo studio dettagliato della disfunzione e della morte delle cellule β in vitro 4,5. Questi esperimenti forniscono informazioni chiave sulla vulnerabilità e la sopravvivenza delle cellule β in condizioni associate alla malattia e servono anche come piattaforma per testare interventi terapeutici volti a proteggere o salvare le cellule β dall'apoptosi indotta dalle citochine. Utilizzando questo sistema in vitro, possiamo analizzare efficacemente come le isole di diverse specie rispondono a varie condizioni, fornendo una migliore comprensione delle variazioni funzionali e apoptotiche tra le specie.
Studi precedenti hanno dimostrato che le isole di topo e umane trattate per 24 ore con un cocktail (1x = 10 ng/mL di TNF-α, 5 ng/mL di IL-1β e 100 ng/mL di IFN-γ) di citochine di topo e di derivazione umana, rispettivamente, hanno provocato una morte significativa delle cellule insulari 4,5,6. La vitalità delle isole è stata confermata colorando le cellule trattate con citochine con fluoresceina diacetato (FDA) e ioduro di propidio (PI)5,6. A livello globale, la vitalità delle isole viene valutata utilizzando la tecnica standard di esclusione del colorante legante l'acido desossiribonucleico (DNA) con FDA e PI7. I coloranti fluorescenti o i substrati coniugati con colorante valutano la vitalità cellulare in base all'integrità e alla permeabilità della membrana. FDA, un colorante permeabile alle cellule, viene convertito dalle cellule viventi in fluorescenza verde (fluoresceina). Al contrario, il PI, un colorante cellulo-imponente, colora solo i nuclei delle cellule morte con membrane compromesse7. Le cellule vengono quindi analizzate attraverso l'imaging a due colori su un microscopio confocale, dove le lampade fluorescenti verdi e rosse contrassegnano rispettivamente le cellule vitali e quelle morte.
Il limite del protocollo di colorazione FDA/PI è che il PI entra solo nelle cellule che hanno perso la selettività della membrana, il che significa che non è in grado di distinguere le cellule apoptotiche precoci. Inoltre, questo metodo non è in grado di differenziare tra sottogruppi cellulari, il che lo rende inadatto per valutare selettivamente la vitalità β-cellulare. Il protocollo Annexin V/PI è comunemente usato per lo studio delle cellule apoptotiche e il protocollo è stato modificato per migliorarne l'accuratezza8. Le prime fasi dell'apoptosi comportano la traslocazione della fosfatidilserina dallo strato interno a quello esterno della membrana plasmatica. L'annessina V, una proteina calcio-dipendente, si lega con elevata affinità a questa fosfatidilserina esposta. La colorazione con PI viene condotta insieme all'annessina-V per distinguere le cellule apoptotiche (solo annessina V-positiva) dalle cellule necrotiche (positive sia per l'annessina-V che per il PI), poiché le cellule necrotiche mostrano anche fosfatidilserina a causa della compromissione dell'integrità della membrana9. Altri coloranti, come YOPRO-1, vengono utilizzati anche per quantificare l'apoptosi delle cellule insulari. La membrana cellulare delle cellule vitali è impermeabile a YOPRO-1, a differenza dell'annessina-V, che non è in grado di quantificare le cellule viventi in fase di apoptosi.
Per valutare la morte delle cellule β pancreatiche, sono necessari coloranti specifici che mirano solo alle cellule produttrici di insulina. Una caratteristica distintiva delle cellule β pancreatiche è che una porzione di Zn2+ intracellulare è immagazzinata in vescicole come un complesso Zn2+-insulina (rapporto 2:1)10. Lo Zn2+ libero esiste anche nello spazio extragranulare attorno alle celle β come serbatoi. Lo Zn2+ e lo Zn2+ liberi legati all'insulina in granuli secretori possono essere visualizzati utilizzando coloranti leganti lo zinco. Il ditizone, un colorante legante lo zinco, è comunemente usato per valutare la purezza delle isole, ma non può essere combinato con coloranti fluorescenti utilizzati per valutare la vitalità e la funzione delle cellule β11. Sonde UV come TSQ e Zinquin, che sono altamente selettive nei confronti dello Zn2+, sono state sviluppate per quantificare le cellule β mediante imaging e misurazione dello Zn2+ intracellulare libero; 12,13. Tuttavia, il loro uso è limitato dalla scarsa solubilità, dal carico irregolare delle cellule, dai requisiti di eccitazione UV e dalla compartimentazione in vescicole acide14. Anche le sonde fluorescenti a lunghezza d'onda visibile, come il verde di Newport e l'indicatore selettivo Zn2+, sono state sviluppate per superare queste limitazioni e sono ora ampiamente utilizzate per rilevare le cellule β in isole umane isolate15,16. FluoZin-3 (indicatore selettivo Zn2+) ha un'affinità per Zn2+ più elevata e una resa quantica superiore rispetto a Newport Green e si è dimostrato efficace per l'imaging di Zn2+ co-rilasciato con insulina in isole isolate14,17.
L'utilizzo di coloranti fluorescenti come FDA, PI, Annexina V, YOPRO-1 e Zn2+ consente la misurazione e la differenziazione tra cellule morte vitali, apoptotiche e totali. La combinazione di sonde compatibili e altamente selettive offre anche un metodo mirato per valutare e quantificare la vitalità e l'apoptosi delle cellule β, che è fondamentale per comprendere e mitigare la distruzione delle cellule β nella ricerca sul diabete e nello sviluppo di farmaci.