Поджелудочная железа – это орган, состоящий из двух различных функциональных сегментов, которые включают экзокринную и эндокринную ткани. К основным клеточным компонентам экзокринной ткани относятся ацинарные и протоковые клетки, которые выделяют ферменты, помогающие в переваривании пищи. Эндокринный компартмент состоит из островков поджелудочной железы Лангерганса, где альфа- и бета-клетки играют важную роль в регуляции метаболизма глюкозы, контролируя высвобождение глюкагона и гормонов инсулина. Клеточная дисфункция экзокринных и эндокринных компартментов приводит к патологическим состояниям, к которым относятся сахарный диабет 1 и 2 типа, панкреатит и рак. Механизмы, регулирующие эти различные системы, до конца не изучены. Цель этой коллекции состоит в том, чтобы свести воедино взаимодополняющие методы, которые будут способствовать лучшему пониманию биологии поджелудочной железы в период здоровья и болезни.
Дисфункция или гибель инсулин-секретирующих бета-клеток приводит к диабету, разрушительному заболеванию, которое поражает примерно 10%населения во всем мире. Поэтому крайне важно понимать физиологию бета-клеток, чтобы найти методы лечения для восстановления клеточной функции и предотвращения потери бета-клеток. Внутриклеточная передача кальциевых сигналов регулирует многочисленные клеточные функции, включая секрецию инсулина из бета-клеток. Глюкоза, основной секретагог инсулина, вызывает внутриклеточные колебания кальция в бета-клетках. Синхронизация этих колебаний имеет решающее значение для функции островков. Являясь важнейшим микроорганом, регулирующим метаболизм глюкозы, островки поджелудочной железы сохраняются у многих видов животных. В протоколе Дельгадильо и др. авторы используют модель рыбки данио для изучения функции бета-клеток in vivo. Для выполнения визуализации in vivo они используют оптическую прозрачность рыбок данио рерио на стадии личинок. Используя трансгенные линии, экспрессирующие флуоресцентные репортеры, авторы провели визуализацию Ca2+ в реальном времени, чтобы отслеживать колебания кальция в ответ на стимуляцию глюкозой2. У высших позвоночных животных, в отличие от рыбок данио, поджелудочная железа на всех стадиях находится в пределах непрозрачной брюшной полости. Чтобы обойти это биологическое ограничение для визуализации, была описана модель «живого окна», которая требовала хирургической процедуры по вставке прозрачного окна в брюшную полость мышей3. Окно было спроектировано таким образом, чтобы создать оптическую прозрачность и изолировать поджелудочную железу от кишечника в брюшной полости, что позволило ей оставаться неподвижной на месте рядом с окном для визуализации. Авторы описывают полезность методов визуализации in vivo путем визуализации нескольких моделей, включая сосудистую биологию, островки, ткани ацинарных клетоки рак поджелудочной железы. Ранее упомянутые методы in vivo 2,3 представляют собой ортогональные подходы с явными преимуществами и ограничениями, которые включают в себя опыт в хирургических манипуляциях на животных, простоту генетических манипуляций и генетическое сходство по сравнению с биологией человека.
Манипуляции in vivo возможны на животных моделях; Тем не менее, эксперименты в неклинических условиях с использованием человеческих тканей требуют подходов in vitro. В последнее время методы с использованием срезов живых тканей, полученных из биологических образцов, полученных во время хирургической биопсии или посмертных доноров, предоставили бесценную информацию о биологии поджелудочной железы 4,5,6. В то время как человеческие ткани наиболее актуальны для болезней человека, ткани мышей также полезны для моделирования болезней человека, учитывая, что человеческие ткани являются ограниченным биологическим ресурсом. Таким образом, в работе Stožer et al. авторы выполняют кальциевую визуализацию ацинарных, островковых и протоковых компонентов срезов тканей из тканей мышей7. Эти результаты имеют значение для изучения многочисленных аспектов эндокринной и экзокринной биологии. Для моделирования патологии диабета с использованием тканей диабета человека были подготовлены срезы тканей Huber et al., которые описали метод отслеживания взаимодействий островковых и иммунных клеток, а также функции бета-клеток во время диабета8. С помощью конфокальной микроскопии авторы выполнили визуализацию живых и мертвых людей, а также зафиксировали функциональные ответы кальция из островков поджелудочной железы у доноров с диабетом (мышиный НОД и СД1 человека). Более того, в контексте аутоиммунных заболеваний при диабете 1 типа, который возникает, когда иммунные клетки атакуют островки поджелудочной железы, авторы провели цитомечение in situ для отслеживания иммунных клеток в живых срезах. Важно отметить, что модели срезов описывают единственную современную модель, которая содержит все цитоархитекерские компоненты ткани поджелудочной железы. Несмотря на то, что кровоток отрезан от кровообращения, авторы описывают модель in vitro, в которой можно смоделировать паракринные взаимодействия между иммунными, островковыми, ацинарными и сосудистыми элементами 5,9,10,11.
В отличие от подходов in vitro и in vivo, Felix-Martinez et al. описывают подход in silico для количественного изучения морфологических и связных свойств реконструированных островков12. Функциональное моделирование проводилось на основе пульсирующей природы секреции островковых гормонов (инсулина, глюкагона и соматостатина). Применение этого подхода будет особенно полезным при моделировании островков во время нормального и измененного соотношения клеток (т.е. потери бета-клеток во время диабета) или подходов к органоидам на основе клеточного амальгамирования 13,14,15.
В то время как эндокринная поджелудочная железа контролирует метаболизм глюкозы, экзокринная поджелудочная железа контролирует секрецию ферментов в желудочно-кишечный тракт для помощи в пищеварении. Воспаление поджелудочной железы, вызванное обструкцией протоков, встречается редко, но может привести к острому панкреатиту. Zhou et al. описывают метод исследования острого панкреатита с использованием хирургической модели. Здесь авторы используют технику химической индукции путем введения таурохолата натрия в билиопанкреатический проток. Авторы обнаружили значительное изменение общей выживаемости, наличие воспалительных клеток и повышенное накопление ферментов поджелудочной железы, таких как амилаза и липаза16. Учитывая, что модель повторяет критические элементы биологии панкреатита, этот метод будет иметь важное значение для валидации новых доклинических препаратов для пациентов с этим опасным для жизни состоянием.
Дисфункция эндокринной и экзокринной системы имеет немедленные, опасные для жизни последствия, а также представляет собой долгосрочные хронические проблемы. Действительно, последствия дисфункции в любой из систем часто приводят к нарушению функции множественных систем, например, к впервые возникшему диабету, который встречается почти у 47% пациентов при раке поджелудочной железы17,18. Продолжающиеся усилия по лучшему пониманию и моделированию патофизиологии поджелудочной железы улучшат нашу способность понимать и разрабатывать новые стратегии лечения заболеваний поджелудочной железы, таких как диабет, хронический панкреатит и рак. Описанные здесь методы представляют собой организованную организацию инструментов, которые будут использоваться исследователями для изучения биологии, критически важной для здоровья и заболеваний поджелудочной железы.