Het kwantificeren en begrijpen van de bètacelfunctie is voornamelijk bereikt via ex vivo perifusie, statische incubatie en, meer recentelijk, via plakjes pancreas. Hoewel deze procedures de evaluatie van geïsoleerde eilandjes mogelijk maken, kunnen de eerste twee de eilandjes door stressoren leiden die van invloed zijn op hun vermogen om te functioneren. In een studie van Rosenberg et al. vertoonden hondeneilandjes geïsoleerd met behulp van standaardmethoden een verhoogde apoptose van bètacellen, wat bleek uit verlies van het basaalmembraan, het verschijnen van pyknotische kernen en apoptotische lichamen1. Deze studie valt samen met een ander rapport over de isolatie van menselijke pancreaseilandjes, waar morfologische veranderingen die apoptose afbeelden kort na de isolatie van eilandjes werden aangetoond 2,3. Verhoogde bètacelapoptose leidde tot een verminderde insulineafgifte van deze eilandjes, wat het concept ondersteunt dat isolatie van eilandjes hen vatbaar maakt voor schade en functionele beperkingen.
Naast apoptose gaat het vaatstelsel verloren bij isolatie van eilandjes, wat leidt tot een verminderd transport van voedingsstoffen, metabolieten en hormonen 4,5. Deze beperking heeft geleid tot alternatieven zoals transplantatie van de eilandcellen in het oog om een vorm van vaatstelsel en innervatie te behouden6. De verandering in de vaatstelselarchitectuur tijdens de isolatie van eilandjes zorgt ook voor een compacter eilandje, anders dan verwacht in vivo 7,8.
Om de anatomische verschillen nog groter te maken, verschilt het gedrag van statisch geïncubeerde eilandjes van de geïsoleerde geperfuseerde alvleesklier. Voor statisch geïncubeerde eilandjes met een lage glucose leek 77% van de totale vrijgekomen insuline (3,31 ng van het totaal van 4,34 ng) binnen de eerste 30 minuten aanwezig te zijn en weinig in de daaropvolgende periode. Dit staat in schril contrast met de geïsoleerde geperfuseerde alvleesklier bij lage glucoseconcentraties, waar er op alle tijdstippen vrijwel geen insulineafgifte was (<1,8 ng in totaal)9. Hoewel er verder onderzoek moet worden gedaan om dit verschil bij lage glucoseconcentraties volledig op te helderen, kan dit verschil in gegevens duiden op lekkage van hypoxische stervende cellen, die verder werd onderzocht via statische incubatie van monolagen van eilandjescellen. Desalniettemin kunnen deze verschillen tussen de huidige methoden en in vivo-omgevingen een verminderde externe validiteit veroorzaken (Tabel 1).
Naast het veroorzaken van hypoxie, omvatten zowel ex vivo perifusie als statische incubatie het kweken en scheiden van de eilandjes van de alvleesklier in weefselkweekschalen om ze in een zwevende toestand te houden. Tijdens dit proces wordt collagenase meestal door de ductus pancreaticus geperfundeerd om dissociatie van pancreasweefsel mogelijk te maken. Collagenase bindt zich aan collageenfibrillen en ontrafelt ze met behulp van neutrale proteasen, gelatinasen en endogene pancreasproteasen. Samen blijven deze proteasen verteren totdat de eilandjes worden losgemaakt van hun extracellulaire matrix en acinaire celaanhechtingen. Het balanceren van dit mengsel van proteasen levert wisselende resultaten op in zowel de zuiverheid als de functionaliteit van de geïsoleerde eilandjes10. De werkzaamheid van collagenase is ook afhankelijk van dierlijke kenmerken zoals stam, leeftijd, gewicht en diabetesstatus. Het gebruik van deze proteasen in combinatie met dierspecifieke eigenschappen kan de eilandjes van de alvleesklier beschadigen tijdens het isolatieproces. Bij toediening van collagenase activeren deze proteasen ook endogene proteolytische enzymen van de pancreas die de vertering van het basaalmembraan bevorderen. Het beheersen van de endogene activering van pancreasenzymen is echter nog niet mogelijk; Dit kan dus een rol spelen bij eilandjesschade tijdens het teeltproces 11,12,13. Een rapport uit Edmonton toonde aan dat endogene proteaseactiviteit de isolatieopbrengst van eilandjes beïnvloedde zodra een voldoende enzymactiviteitsniveau voor isolatie was bereikt14,15.
Van de huidige infusietechnieken van collagenase (intraductaal) is aangetoond dat ze ook het inwendige van de eilandjes binnendringen, wat leidt tot mogelijke fragmentatie van de eilandjes en dus tot lage eilandjesopbrengsten16. In een studie van Balamurugan et al. werd gezien dat collagenase zich lokaliseerde in eilandjes en acinair weefsel in geïnfuseerde muizenalvleesklier, wat leidde tot intense ontsteking en activering van apoptotische routes17. Eilandjes die de isolatiefase overleefden, vertoonden ook een verminderd vermogen om insuline af te geven.
Bovendien spelen andere factoren, zoals mechanische stress tijdens de voorbereiding van eilandjes en door hypoxie geïnduceerde necrose tijdens de kweek, allemaal een rol bij het functioneren van eilandjes18. Deze eigenschappen kunnen de levensvatbaarheid van het eilandje beïnvloeden bij het isoleren van de alvleesklier en dus de daaruit voortvloeiende functie.
Afgezien van eilandjesisolatie en evaluatie via ex vivo perifusie en statische incubatie, zijn eilandjes in levende pancreasplakken een andere ex vivo-methode die wordt gebruikt om endocriene celreacties te meten19. In dit systeem wordt de chemische stress van isolatieprocedures voor eilandjes vermeden. Bovendien blijft de micro-omgeving van de eilandjes intact, waardoor de fysiologie van de eilandjes dichter bij de in vivo toestand20 kan worden bestudeerd. Net als bij ex vivo perifusie en statische incubatie, is dit een methode die een belangrijke rol zal blijven spelen bij het verwerven van kennis van de alvleesklier. Enkele beperkingen zijn echter mechanische stress tijdens het genereren van plakjes, evenals het ontbreken van een algemeen holistisch beeld van een intacte alvleesklier voor pathologie en fysiologie. De plak vertegenwoordigt een bepaald gebied in de alvleesklier, waardoor de generaliseerbaarheid afneemt vanwege de kleinere steekproefomvang en het beperkte zicht21.
Deze eilandjesisolatie en andere methoden gaan gepaard met verschillende punten van stressfactoren die aan de eilandjes kunnen worden opgelegd. Mechanische stress, hypoxie, overactiviteit van protease en beperkt zicht spelen allemaal een rol bij de resulterende eilandjesopbrengst en de algehele externe validiteit. Deze factoren kunnen worden verminderd door perfusie van de alvleesklier via het vaatstelsel van de muizen, waardoor alle bovengenoemde stressoren worden geminimaliseerd en tegelijkertijd de effecten van andere secretagogen en farmacologische middelen die in het lichaam aanwezig zijn, kunnen worden onderzocht vanwege het behoud van de cellulaire integriteit22. Eerdere studies hebben de impact van de bloedstroom van eilandjes op de insulinespiegels in het plasma aangetoond23; Op hun beurt zouden vasoactieve moleculen zoals angiotensinepeptiden en sympathische agonisten, die de bloedstroom van eilandjes veranderen, de functie van de eilandjes en de insulineafgifte veranderen24,25. Pancreasperfusie zou een verdere beoordeling mogelijk maken van hoe deze en andere verschillende moleculen de endocriene celrespons kunnen beïnvloeden. Dit systeem hoopt een verdere conceptuele vooruitgang mogelijk te maken van ons begrip van de biologie van de endocriene alvleesklier in de aanwezigheid van overspraak in zijn natuurlijke micro-omgeving met een intact vaatstelsel en innervatie. Bovendien zorgt perfusie van de intacte alvleesklier in dit protocol voor isolatie van het orgaan, waardoor potentiële verstorende factoren van andere organen zoals de lever, die insuline uit de bloedsomloop verwijdert, worden verminderd in vergelijking met perfusie van de hele muis. Perfusie van de hele muis zou een verminderde chirurgische techniek mogelijk maken; Het zou echter nog steeds de verzameling van het perfusaat via een vat na de alvleesklier en vóór het bereiken van de lever vereisen - waarschijnlijk de poortader. Voor het verzamelen van poortaders zou canulatie nodig blijven. Hoewel volledige muizenperfusie het voordeel zou bieden van verminderde chirurgische stappen, zouden er beperkingen zijn als gevolg van de verstorende factoren die worden gecreëerd door organen zoals de nieren en longen die angiotensinepeptiden produceren. Dit zou echter een nieuwe benadering zijn die nuttig zou kunnen zijn bij het onderzoeken van de effecten van vasoactieve moleculen geproduceerd uit andere organen op pancreaseilandjes, wat de primaire prioriteit is.
Perfusie van de hele alvleesklier is in het verleden met succes uitgevoerd door anderen 7,22,26. In dit bijgewerkte protocol vormt het gebruik van muizen een grotere technische uitdaging vanwege hun kleinere anatomie in vergelijking met ratten. Deze procedure toont echter met succes de haalbaarheid van dit protocol aan door een goed gekarakteriseerd insulinesecretoir profiel van de intacte alvleesklier van 3 onafhankelijke muizen aan te tonen.