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Métodos in vivo, ex vivo e in silico para estudar a biologia do pâncreas durante a saúde e a doença

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DOI:

10.3791/64938

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17 de março de 2023

Neste artigo

Resumo

ARTIGOS DISCUTIDOS:

Delgadillo-Silva, L. F., Akhtar, M. N., Tasoz, E., Ninov, N. Imagem simultânea de cálcio e estimulação de glicose em peixes-zebra vivos para investigar a função das células beta in vivo. Jornal de Experimentos Visualizados. (175), e62347 (2021).

Felix-Martinez, G. J.,Nicolas-Mata, A., Godinez-Fernandez, J. R. Reconstrução computacional de ilhotas pancreáticas como ferramenta para análise estrutural e funcional. Jornal de Experimentos Visualizados. (181), e63352 (2022).

Huber, M. K. et al. Observando a função das ilhotas e as interações entre ilhotas e células imunes em fatias de tecido pancreático vivo. Jornal de Experimentos Visualizados. (170), e62207 (2021).

Park, I.,Kim, P. Visualização longitudinal estabilizada em nível celular in vivo do pâncreas em um modelo murino com uma janela de imagem intravital pancreática. Jornal de Experimentos Visualizados. (171), e62538 (2021).

Stozer, A. et al. Microscopia confocal de varredura a laser da dinâmica do cálcio em fatias agudas de tecido pancreático de camundongo. Jornal de Experimentos Visualizados. (170), e62293 (2021).

Zhou, X. et al. Estabelecimento de um modelo de pancreatite aguda grave em camundongos usando injeção retrógrada de taurocolato de sódio no ducto biliopancreático. Jornal de Experimentos Visualizados. (182), e63129 (2022).

Editorial

O pâncreas é um órgão que contém dois segmentos funcionais distintos que incluem os tecidos exócrino e endócrino. Os principais componentes celulares do tecido exócrino incluem células acinares e ductais, que liberam enzimas que auxiliam na digestão dos alimentos. O compartimento endócrino consiste em ilhotas pancreáticas de Langerhans, onde as células alfa e beta desempenham um papel essencial na regulação do metabolismo da glicose, controlando a liberação de hormônios glucagon e insulina. A disfunção celular dos compartimentos exócrino e endócrino leva a condições patológicas que incluem diabetes tipo 1 e tipo 2, pancreatite e câncer. Os mecanismos que regulam esses sistemas distintos não são completamente compreendidos. O objetivo desta coleção é reunir métodos complementares que contribuam para uma melhor compreensão da biologia do pâncreas durante a saúde e a doença.

A disfunção ou morte da célula beta secretora de insulina leva ao diabetes, uma doença devastadora que afeta cerca de 10% da população mundial1. Portanto, é fundamental entender a fisiologia da célula beta para encontrar tratamentos para restaurar a função celular e prevenir a perda de células beta. A sinalização intracelular de cálcio regula inúmeras funções celulares, incluindo a secreção de insulina das células beta. A glicose, o principal secretagogo de insulina, desencadeia oscilações intracelulares de cálcio nas células beta. A sincronização dessas oscilações é crítica para a função das ilhotas. Como o microórgão crítico que regula o metabolismo da glicose, as ilhotas pancreáticas são conservadas em muitas espécies animais. No protocolo de Delgadillo et al., os autores usam um modelo de peixe-zebra para estudar a função das células beta in vivo. Para realizar imagens in vivo, eles aproveitam a transparência óptica do peixe-zebra durante o estágio de larva. Usando linhas transgênicas que expressam repórteres fluorescentes, os autores realizaram imagens ao vivo de Ca2+ para rastrear oscilações de cálcio em resposta à estimulação da glicose2. Em animais vertebrados superiores, ao contrário do peixe-zebra, o pâncreas em todos os estágios está dentro de uma cavidade abdominal não transparente. Para contornar essa limitação biológica para a imagem, foi descrito um modelo de "janela viva", que exigiu um procedimento cirúrgico para inserir uma janela transparente na cavidade abdominal de camundongos3. A janela foi projetada para criar transparência óptica e isolar o pâncreas do intestino na cavidade abdominal, o que permitiu que o pâncreas permanecesse fixo no lugar próximo à janela de imagem. Os autores descrevem a utilidade dos métodos de imagem in vivo por meio de imagens de vários modelos, incluindo biologia vascular, ilhotas, tecidos de células acinares e câncer de pâncreas3. As técnicas in vivo citadasanteriormente2,3 são abordagens ortogonais com vantagens e limitações distintas, que incluem expertise em manipulações cirúrgicas de animais, facilidade de manipulação genética e similaridade genética quando comparadas à biologia humana.

A manipulação in vivo é possível em modelos animais; no entanto, a experimentação em um ambiente não clínico usando tecidos humanos requer abordagens in vitro. Recentemente, métodos que usam fatias de tecido vivo derivadas de espécimes biológicos obtidos durante biópsias cirúrgicas ou doadores post-mortem forneceram informações valiosas sobre a biologia do pâncreas 4,5,6. Embora o tecido humano seja mais relevante para doenças humanas, os tecidos de camundongos também são úteis para modelar doenças humanas, uma vez que os tecidos humanos são um recurso biológico limitado. Como tal, em Stožer et al., os autores realizam imagens de cálcio de acinar, ilhotas e componentes ductais de fatias de tecido de tecidos de camundongos7. Esses resultados têm implicações para o estudo de vários aspectos da biologia endócrina e exócrina. Para modelar a patologia do diabetes usando tecidos diabéticos humanos, fatias de tecido foram preparadas por Huber et al., que descrevem um método para rastrear as interações entre ilhotas e células imunes, bem como a função das células beta durante o diabetes8. Usando microscopia confocal, os autores realizaram imagens vivas e mortas e também registraram respostas funcionais de cálcio de ilhotas pancreáticas em doadores diabéticos (NOD de camundongo e DM1 humano). Além disso, no contexto da autoimunidade do diabetes tipo 1, que ocorre quando as células imunes atacam as ilhotas pancreáticas, os autores realizaram a citomarcação in situ para rastrear células imunes em fatias vivas8. É importante ressaltar que os modelos de fatia descrevem o único modelo atual que contém todos os componentes citoarquitetônicos do tecido pancreático. Embora o fluxo sanguíneo seja cortado da circulação, os autores descrevem de forma importante um modelo in vitro onde as interações parácrinas entre elementos imunológicos, ilhotas, acinares e vasculares podem ser modeladas 5,9,10,11.

Distintas das abordagens in vitro e in vivo, Felix-Martinez et al. descrevem uma abordagem in silico para estudar quantitativamente as propriedades morfológicas e de conectividade de ilhotas reconstruídas12. Simulações funcionais foram realizadas com base na natureza pulsátil das secreções hormonais das ilhotas (insulina, glucagon e somatostatina). As aplicações dessa abordagem serão particularmente úteis ao modelar ilhotas durante estados normais e alterados de proporção celular (ou seja, perda de células beta durante o diabetes) ou abordagens organoides baseadas em amalgamação celular 13,14,15.

Enquanto o pâncreas endócrino controla o metabolismo da glicose, o pâncreas exócrino controla a secreção de enzimas no trato gastrointestinal para ajudar na digestão. Embora rara, a inflamação do pâncreas causada por obstrução ductal pode levar à pancreatite aguda. Zhou et al. descrevem um método para investigar pancreatite aguda usando um modelo cirúrgico. Aqui, os autores usam uma técnica de indução química injetando taurocolato de sódio no ducto biliopancreático. Os autores encontraram uma mudança significativa na sobrevida global, a presença de células inflamatórias e um aumento do acúmulo de enzimas pancreáticas, como amilase e lipase16. Dado que o modelo recapitula elementos críticos da biologia da pancreatite, este método será importante para a validação de novos medicamentos pré-clínicos para pacientes com essa condição com risco de vida.

A disfunção do sistema endócrino e exócrino tem consequências imediatas e com risco de vida e também apresenta problemas crônicos de longo prazo. De fato, as consequências da disfunção em qualquer um dos sistemas geralmente levam ao comprometimento da função de vários sistemas, como o diabetes de início recente, que ocorre em quase 47% dos pacientes durante o câncer de pâncreas17,18. Esforços contínuos para entender e modelar melhor a fisiopatologia do pâncreas melhorarão nossa capacidade de entender e desenvolver novas estratégias para o tratamento de doenças pancreáticas, como diabetes, pancreatite crônica e câncer. Os métodos descritos aqui apresentam um arranjo organizado de ferramentas a serem usadas pelos pesquisadores para estudar a biologia crítica para a saúde e doença pancreática.

Divulgações

Os autores não têm nada a divulgar.

Agradecimentos

Este trabalho foi apoiado por doações do National Cancer Institute (NCI) 1F32CA265052-01.

Referências

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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).
  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).
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  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).
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  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).
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