Количественная оценка и понимание функции бета-клеток в основном достигались с помощью перифузии ex vivo, статической инкубации и, в последнее время, с помощью срезов поджелудочной железы. В то время как эти процедуры позволяют оценить изолированные островки, первые два могут подвергать островки стрессовым факторам, которые влияют на их способность функционировать. В исследовании Rosenberg et al. островки собак, выделенные стандартными методами, показали повышенный апоптоз бета-клеток, о чем свидетельствовали потеря базальной мембраны, появление пикнотических ядер и апоптотических тел1. Это исследование совпадает с другим сообщением об изоляции островков поджелудочной железы человека, где морфологические изменения, отражающие апоптоз, были продемонстрированы вскоре после выделения островков 2,3. Повышенный апоптоз бета-клеток привел к снижению высвобождения инсулина из этих островков, что подтверждает концепцию о том, что изоляция островков предрасполагает их к повреждению и функциональным нарушениям.
В дополнение к апоптозу, сосудистая сеть теряется при выделении островков, что приводит к нарушению транспортировки питательных веществ, метаболитов и гормонов 4,5. Это ограничение привело к появлению альтернатив, таких как трансплантация островковых клеток в глаз для поддержания некоторой формы сосудистой сети ииннервации. Изменение сосудистой архитектуры во время изоляции островков также создает более компактный островок, отличный от того, что ожидается in vivo 7,8.
В дополнение к анатомическим различиям, поведение статически инкубированных островков отличается от поведения изолированной перфузиции поджелудочной железы. Для статически инкубированных островков с низким содержанием глюкозы 77% от общего количества высвобожденного инсулина (3,31 нг из 4,34 нг) присутствовали в течение первых 30 минут и в небольшом количестве в течение последующего периода времени. Это резко контрастирует с изолированной перфузией поджелудочной железы при низких концентрациях глюкозы, где высвобождение инсулина практически отсутствовало во все моменты времени (всего <1,8 нг)9. Несмотря на то, что для полного выяснения этой разницы при низких концентрациях глюкозы необходимо провести дальнейшие исследования, эта разница в данных может представлять собой утечку из гипоксических умирающих клеток, которая была дополнительно изучена с помощью статической инкубации монослоев островковых клеток. Тем не менее, эти различия между существующими методами и средами in vivo могут привести к нарушению внешней валидности (Таблица 1).
Помимо возникновения гипоксии, как перифузия ex vivo, так и статическая инкубация включают культивирование и отделение островков из поджелудочной железы в чашки для культивирования тканей для поддержания их во взвешенном состоянии. Во время этого процесса коллагеназа обычно перфузируется через проток поджелудочной железы для обеспечения диссоциации ткани поджелудочной железы. Коллагеназа связывается с коллагеновыми фибриллами и распутывает их с помощью нейтральных протеаз, желатиназ и эндогенных протеаз поджелудочной железы. Вместе эти протеазы продолжают перевариваться до тех пор, пока островки не будут освобождены от своего внеклеточного матрикса и прикрепления ацинарных клеток. Балансировка этой смеси протеаз дает различные результаты как по чистоте, так и по функциональности изолированных островков10. Эффективность коллагеназы также зависит от характеристик животных, таких как напряжение, возраст, вес и статус диабета. Использование этих протеаз в сочетании со специфическими для животных признаками может нанести вред островкам поджелудочной железы в процессе изоляции. При введении коллагеназы эти протеазы также активируют эндогенные протеолитические ферменты поджелудочной железы, которые помогают перевариванию базальной мембраны. Однако контроль активации эндогенного фермента поджелудочной железы пока невозможен; Таким образом, это может играть роль в причинении вреда островкам в процессе культивирования 11,12,13. Один из отчетов из Эдмонтона показал, что эндогенная активность протеазы влияет на выход выделения островков при достижении достаточного уровня активности фермента для выделения14,15.
Было показано, что современные методы инфузии коллагеназы (внутрипротоковой) также проникают внутрь островков, что приводит к возможной фрагментации островков и, таким образом, к низкому выходу островков16. В исследовании Balamurugan et al. было обнаружено, что коллагеназа локализуется в островках и ацинарной ткани в поджелудочной железе мыши, что приводит к интенсивному воспалению и активации апоптотическихпутей. Островки, которые пережили фазу изоляции, также показали сниженную способность высвобождать инсулин.
Кроме того, другие факторы, такие как механическое напряжение во время подготовки островков и вызванный гипоксией некроз во время культивирования, играют рольв функционировании островков. Эти черты могут влиять на жизнеспособность островка при выделении поджелудочной железы и, следовательно, на результирующую функцию.
Помимо выделения островков и оценки с помощью перифузии ex vivo и статической инкубации, островки в живых срезах поджелудочной железы являются еще одним методом ex vivo, используемым для измерения реакций эндокринных клеток. В этой системе предотвращается химический стресс от процедур изоляции островков. Кроме того, микроокружение островков остается нетронутым, что позволяет изучать физиологию островков ближе к его состоянию in vivo 20. Подобно перифузии ex vivo и статической инкубации, этот метод будет продолжать играть важную роль в приобретении знаний о поджелудочной железе. Тем не менее, некоторые ограничения включают механическую нагрузку во время генерации среза, а также отсутствие общего целостного представления о неповрежденной поджелудочной железе с точки зрения патологии и физиологии. Срез представляет собой определенную область в поджелудочной железе, что снижает его обобщаемость из-за уменьшения размера выборки и ограниченного вида21.
Эта изоляция островков и другие методы сопровождаются различными точками стрессоров, которые могут быть наложены на островки. Механическое напряжение, гипоксия, гиперактивность протеазы и ограниченный обзор — все это играет роль в результирующем выходе островков и общей внешней валидности. Эти факторы могут быть уменьшены за счет перфузии поджелудочной железы через сосудистую сеть мышей, что сводит к минимуму все вышеупомянутые стрессоры, а также позволяет исследовать эффекты других секретогов и фармакологических агентов, присутствующих в организме, благодаря поддержанию клеточнойцелостности. Предыдущие исследования показали влияние островкового кровотока на уровень инсулина в плазме23; В свою очередь, вазоактивные молекулы, такие как пептиды ангиотензина и симпатические агонисты, которые изменяют кровоток островков, изменяют функцию островков и высвобождение инсулина24,25. Перфузия поджелудочной железы позволит дополнительно оценить, как эти и другие различные молекулы могут влиять на реакцию эндокринных клеток. Эта система надеется обеспечить дальнейший концептуальный прогресс в нашем понимании биологии эндокринной поджелудочной железы в присутствии перекрестных помех в ее естественной микросреде с интактной сосудистой сетью и иннервацией. Кроме того, перфузия интактной поджелудочной железы в этом протоколе позволяет изолировать орган, уменьшая потенциальные искажающие факторы от других органов, таких как печень, которая выводит инсулин из кровообращения, по сравнению с перфузией всей мыши. Перфузия всей мыши позволила бы сократить хирургическую технику; Тем не менее, это все равно потребует сбора перфузата через сосуд после поджелудочной железы и до того, как он достигнет печени - вероятно, воротной вены. Забор воротной вены по-прежнему требует канюляции. В то время как перфузия всей мыши обеспечит преимущество в виде сокращения хирургических операций, будут ограничения из-за искажающих факторов, создаваемых такими органами, как почки и легкие, производящими пептиды ангиотензина. Тем не менее, это был бы новый подход, который может оказаться полезным при изучении влияния вазоактивных молекул, производимых другими органами, на островки поджелудочной железы, что является основным приоритетом.
Перфузия всей поджелудочной железы успешно выполнялась в прошлом другими специалистами 7,22,26. В этом обновленном протоколе использование мышей представляет собой повышенную техническую проблему из-за их меньшей анатомии по сравнению с крысами. Тем не менее, эта процедура успешно демонстрирует осуществимость данного протокола, демонстрируя хорошо охарактеризованный секреторный профиль инсулина из интактной поджелудочной железы 3 независимых мышей.