Trzustka jest narządem zawierającym dwa odrębne segmenty funkcjonalne, które obejmują tkanki zewnątrzwydzielnicze i endokrynne. Głównymi składnikami komórkowymi tkanki zewnątrzwydzielniczej są komórki groniaste i przewodowe, które uwalniają enzymy wspomagające trawienie pokarmu. Przedział hormonalny składa się z wysp trzustkowych Langerhansa, w których komórki alfa i beta odgrywają istotną rolę w regulacji metabolizmu glukozy poprzez kontrolowanie uwalniania hormonów glukagonu i insuliny. Dysfunkcja komórkowa przedziałów zewnątrzwydzielniczych i hormonalnych prowadzi do stanów patologicznych, które obejmują cukrzycę typu 1 i typu 2, zapalenie trzustki i raka. Mechanizmy, które regulują te odrębne systemy, nie są w pełni zrozumiałe. Celem tej kolekcji jest zebranie uzupełniających się metod, które przyczynią się do lepszego zrozumienia biologii trzustki w czasie zdrowia i choroby.
Dysfunkcja lub śmierć komórki beta wydzielającej insulinę prowadzi do cukrzycy, wyniszczającej choroby, która dotyka około 10% populacji na całym świecie1. Dlatego tak ważne jest zrozumienie fizjologii komórki beta, aby znaleźć metody leczenia przywracające funkcję komórkową i zapobiegające utracie komórek beta. Wewnątrzkomórkowa sygnalizacja wapniowa reguluje wiele funkcji komórkowych, w tym wydzielanie insuliny z komórek beta. Glukoza, główny czynnik wydzielający insulinę, wyzwala wewnątrzkomórkowe oscylacje wapnia w komórkach beta. Synchronizacja tych oscylacji ma kluczowe znaczenie dla funkcjonowania wysepek. Jako krytyczny mikroorgan regulujący metabolizm glukozy, wyspy trzustkowe są zachowane u wielu gatunków zwierząt. W protokole Delgadillo i wsp. autorzy wykorzystują model danio pręgowanego do badania funkcji komórek beta in vivo. Aby wykonać obrazowanie in vivo, wykorzystują przezroczystość optyczną danio pręgowanego w stadium larwalnym. Korzystając z linii transgenicznych eksprymujących reportery fluorescencyjne, autorzy przeprowadzili obrazowanie Ca2 + na żywo, aby śledzić oscylacje wapnia w odpowiedzi na stymulację glukozą2. U wyższych kręgowców, w przeciwieństwie do danio pręgowanego, trzustka na wszystkich etapach znajduje się w nieprzezroczystej jamie brzusznej. Aby obejść to biologiczne ograniczenie obrazowania, opisano model "żywego okna", który wymagał zabiegu chirurgicznego polegającego na wprowadzeniu przezroczystego okienka do jamy brzusznej myszy3. Okienko zostało zaprojektowane tak, aby stworzyć przezroczystość optyczną i odizolować trzustkę od jelita w jamie brzusznej, co pozwoliło trzustce pozostać nieruchomą na miejscu obok okienka obrazowego. Autorzy opisują użyteczność metod obrazowania in vivo poprzez obrazowanie wielu modeli, w tym biologii naczyniowej, wysp trzustkowych, tkanek zrazikowych i raka trzustki3. Wspomniane wcześniej techniki in vivo 2,3 są podejściami ortogonalnymi o wyraźnych zaletach i ograniczeniach, które obejmują wiedzę specjalistyczną w zakresie manipulacji chirurgicznych na zwierzętach, łatwość manipulacji genetycznej i podobieństwo genetyczne w porównaniu z biologią człowieka.
Manipulacja in vivo jest możliwa w modelach zwierzęcych; Jednak eksperymenty w warunkach nieklinicznych z wykorzystaniem tkanek ludzkich wymagają podejścia in vitro. Ostatnio metody wykorzystujące żywe wycinki tkanek pochodzące z próbek biologicznych uzyskanych podczas biopsji chirurgicznej lub dawców pośmiertnych dostarczyły bezcennych informacji na temat biologii trzustki 4,5,6. Podczas gdy tkanka ludzka jest najbardziej istotna dla chorób ludzkich, tkanki myszy są również przydatne do modelowania chorób ludzkich, biorąc pod uwagę, że tkanki ludzkie są ograniczonym zasobem biologicznym. W związku z tym, w Stožer i wsp., autorzy przeprowadzają obrazowanie wapnia składników acinar, wysp trzustkowych i przewodowych wycinków tkanek z tkanek myszy7. Wyniki te mają implikacje dla badania wielu aspektów biologii endokrynologicznej i zewnątrzwydzielniczej. Aby modelować patologię cukrzycy przy użyciu ludzkich tkanek cukrzycowych, Huber i wsp. przygotowali wycinki tkanek, którzy opisują metodę śledzenia interakcji wysp trzustkowych i komórek odpornościowych, a także funkcji komórek beta podczas cukrzycy8. Za pomocą mikroskopii konfokalnej autorzy przeprowadzili obrazowanie żywych i martwych zwierząt, a także zarejestrowali funkcjonalne reakcje wapnia z wysp trzustkowych u dawców z cukrzycą (mysi NOD i ludzka cukrzyca typu 1). Co więcej, w kontekście autoimmunizacji cukrzycy typu 1, która występuje, gdy komórki odpornościowe atakują wyspy trzustkowe, autorzy przeprowadzili cytoznakowanie in situ, aby śledzić komórki odpornościowe w żywych wycinkach8. Co ważne, modele warstwowe opisują jedyny obecny model, który zawiera wszystkie składniki cytoarchitektoniczne tkanki trzustki. Chociaż przepływ krwi jest odcięty od krążenia, autorzy co ważne, opisują model in vitro, w którym można modelować interakcje parakrynne między elementami immunologicznymi, wyspami trzustkowymi, wodociowymi i naczyniowymi 5,9,10,11.
W odróżnieniu od podejść in vitro i in vivo, Felix-Martinez i in. opisują podejście in silico do ilościowego badania właściwości morfologicznych i łączności zrekonstruowanych wysptrzustkowych 12. Symulacje funkcjonalne przeprowadzono w oparciu o pulsacyjny charakter wydzielania hormonów wysp trzustkowych (insuliny, glukagonu i somatostatyny). Zastosowania tego podejścia będą szczególnie przydatne podczas modelowania wysp trzustkowych w normalnych i zmienionych stanach proporcji komórek (tj. utrata komórek beta podczas cukrzycy) lub podejść organoidowych opartych na amalgamacji komórkowej 13,14,15.
Podczas gdy trzustka endokrynna kontroluje metabolizm glukozy, trzustka zewnątrzwydzielnicza kontroluje wydzielanie enzymów do przewodu pokarmowego, aby wspomóc trawienie. Chociaż rzadko zdarza się to w rzadkich przypadkach, zapalenie trzustki spowodowane niedrożnością przewodu może prowadzić do ostrego zapalenia trzustki. Zhou i wsp. opisują metodę badania ostrego zapalenia trzustki przy użyciu modelu chirurgicznego. W tym przypadku autorzy stosują technikę indukcji chemicznej poprzez wstrzyknięcie taurocholanu sodu do przewodu żółciowo-trzustkowego. Autorzy odkryli znaczącą zmianę w całkowitym przeżyciu, obecności komórek zapalnych i zwiększonej akumulacji enzymów trzustkowych, takich jak amylaza i lipaza16. Biorąc pod uwagę, że model podsumowuje kluczowe elementy biologii zapalenia trzustki, metoda ta będzie ważna dla walidacji nowych leków przedklinicznych dla pacjentów z tym zagrażającym życiu stanem.
Dysfunkcja układu hormonalnego i zewnątrzwydzielniczego ma natychmiastowe, zagrażające życiu konsekwencje, a także stanowi długotrwałe problemy przewlekłe. Rzeczywiście, konsekwencje dysfunkcji któregokolwiek z układów często prowadzą do upośledzenia funkcji wielu układów, takich jak cukrzyca o nowym początku, która występuje u prawie 47% pacjentów podczas raka trzustki 17,18. Nieustanne wysiłki na rzecz lepszego zrozumienia i modelowania patofizjologii trzustki poprawią naszą zdolność do zrozumienia i opracowania nowych strategii leczenia chorób trzustki, takich jak cukrzyca, przewlekłe zapalenie trzustki i rak. Opisane tutaj metody przedstawiają uporządkowany układ narzędzi, które mają być wykorzystywane przez naukowców do badania biologii o krytycznym znaczeniu dla zdrowia i choroby trzustki.