Yöntem makalesi

Sağlık ve Hastalık Sırasında Pankreas Biyolojisini İncelemek için In Vivo, Ex Vivo ve In Silico Yöntemler

1K görüntülenme

⸱

DOI:

10.3791/64938

⸱

17 Mart 2023

Bu makalede

Özet

TARTIŞILAN MAKALELER:

Delgadillo-Silva, L. F., Akhtar, M. N., Tasoz, E., Ninov, N. İn vivo beta hücre fonksiyonunu araştırmak için canlı zebra balıklarında eşzamanlı kalsiyum görüntüleme ve glikoz stimülasyonu. Görselleştirilmiş Deneyler Dergisi. (175), E62347 (2021).

Felix-Martinez, G. J.,Nicolas-Mata, A., Godinez-Fernandez, J. R. Yapısal ve fonksiyonel analiz için bir araç olarak pankreas adacıklarının hesaplamalı rekonstrüksiyonu. Görselleştirilmiş Deneyler Dergisi. (181), E63352 (2022).

Huber, M. K. et al. Canlı pankreas dokusu dilimlerinde adacık fonksiyonu ve adacık-bağışıklık hücresi etkileşimlerinin gözlemlenmesi. Görselleştirilmiş Deneyler Dergisi. (170), E62207 (2021).

Park, I.,Kim, P. Pankreas intravital görüntüleme penceresine sahip bir fare modelinde pankreasın stabilize uzunlamasına in vivo hücresel düzeyde görselleştirilmesi. Görselleştirilmiş Deneyler Dergisi. (171), E62538 (2021).

Stozer, A. ve ark. Akut fare pankreas dokusu dilimlerinde kalsiyum dinamiğinin konfokal lazer tarama mikroskobu. Görselleştirilmiş Deneyler Dergisi. (170), E62293 (2021).

Zhou, X. ve ark. Biliopankreatik kanala retrograd sodyum taurokolat enjeksiyonu kullanılarak bir fare şiddetli akut pankreatit modelinin oluşturulması. Görselleştirilmiş Deneyler Dergisi. (182), E63129 (2022).

Editöryal

Pankreas, ekzokrin ve endokrin dokuları içeren iki farklı fonksiyonel segment içeren bir organdır. Ekzokrin dokunun ana hücresel bileşenleri, yiyeceklerin sindirimine yardımcı olan enzimleri serbest bırakan asiner ve duktal hücreleri içerir. Endokrin bölme, alfa ve beta hücrelerinin glukagon ve insülin hormonlarının salınımını kontrol ederek glikoz metabolizmasının düzenlenmesinde önemli bir rol oynadığı Langerhans'ın pankreas adacıklarından oluşur. Ekzokrin ve endokrin kompartmanların hücresel işlev bozukluğu, tip-1 ve tip-2 diyabet, pankreatit ve kanseri içeren patolojik durumlara yol açar. Bu farklı sistemleri düzenleyen mekanizmalar tam olarak anlaşılamamıştır. Bu koleksiyonun amacı, sağlık ve hastalık sırasında pankreas biyolojisinin daha iyi anlaşılmasına katkıda bulunacak tamamlayıcı yöntemleri bir araya getirmektir.

İnsülin salgılayan beta hücresinin işlev bozukluğu veya ölümü, dünya çapında nüfusun yaklaşık %10'unu etkileyen yıkıcı bir hastalık olan diyabete yol açar1. Bu nedenle, hücresel işlevi eski haline getirecek ve beta hücre kaybını önleyecek tedaviler bulmak için beta hücresinin fizyolojisini anlamak kritik öneme sahiptir. Hücre içi kalsiyum sinyali, beta hücrelerinden insülin salgılanması da dahil olmak üzere çok sayıda hücresel işlevi düzenler. Başlıca insülin salgılatıcı olan glikoz, beta hücrelerinde hücre içi kalsiyum salınımlarını tetikler. Bu salınımların senkronizasyonu adacık fonksiyonu için kritik öneme sahiptir. Glikoz metabolizmasını düzenleyen kritik mikro organ olan pankreas adacıkları birçok hayvan türünde korunmaktadır. Delgadillo ve arkadaşlarının protokolünde yazarlar, beta hücre fonksiyonunu in vivo olarak incelemek için bir zebra balığı modeli kullanıyor. İn vivo görüntüleme gerçekleştirmek için zebra balığının larva aşamasındaki optik şeffaflığından yararlanırlar. Yazarlar, floresan raportörleri eksprese eden transgenik çizgileri kullanarak, glikoz stimülasyonuna yanıt olarak kalsiyum salınımlarını izlemek için canlıCa2+ görüntüleme gerçekleştirdiler2. Daha yüksek omurgalı hayvanlarda, zebra balığından farklı olarak, pankreas her aşamada şeffaf olmayan bir karın boşluğu içindedir. Görüntüleme için bu biyolojik sınırlamayı aşmak için, farelerin karın boşluğuna şeffaf bir pencere yerleştirmek için cerrahi bir prosedür gerektiren bir "canlı pencere" modeli tanımlanmıştır3. Pencere, optik şeffaflık oluşturmak ve pankreası karın boşluğundaki bağırsaktan izole etmek için tasarlandı, bu da pankreasın görüntüleme penceresinin yanında sabit kalmasına izin verdi. Yazarlar, vasküler biyoloji, adacıklar, asiner hücre dokuları ve pankreas kanseri3 dahil olmak üzere birden fazla modeli görüntüleyerek in vivo görüntüleme yöntemlerinin faydasını açıklamaktadır. Daha önce bahsedilen in vivo teknikler 2,3, hayvan cerrahi manipülasyonlarında uzmanlık, genetik manipülasyon kolaylığı ve insan biyolojisi ile karşılaştırıldığında genetik benzerliği içeren farklı avantaj ve sınırlamalara sahip ortogonal yaklaşımlardır.

Hayvan modellerinde in vivo manipülasyon mümkündür; Bununla birlikte, insan dokuları kullanılarak klinik olmayan bir ortamda yapılan deneyler, in vitro yaklaşımlar gerektirir. Son zamanlarda, cerrahi biyopsiler veya ölüm sonrası donörler sırasında elde edilen biyolojik örneklerden elde edilen canlı doku dilimlerini kullanan yöntemler, pankreas biyolojisi 4,5,6 hakkında paha biçilmez bilgiler sağlamıştır. İnsan dokusu en çok insan hastalığıyla ilgili olsa da, insan dokularının sınırlı bir biyolojik kaynak olduğu göz önüne alındığında, fare dokuları da insan hastalığını modellemek için yararlıdır. Bu nedenle, Stožer ve ark.'da yazarlar, fare dokularından alınan doku dilimlerinin asiner, adacık ve duktal bileşenlerinin kalsiyum görüntülemesini gerçekleştirir7. Bu sonuçların, endokrin ve ekzokrin biyolojinin birçok yönünü incelemek için çıkarımları vardır. İnsan diyabetik dokularını kullanarak diyabet patolojisini modellemek için, adacık ve bağışıklık hücresi etkileşimlerinin yanı sıra diyabet sırasında beta hücre fonksiyonunu izlemek için bir yöntem tanımlayan Huber ve arkadaşları tarafından doku dilimleri hazırlanmıştır8. Yazarlar, konfokal mikroskopi kullanarak canlı ve ölü görüntüleme gerçekleştirdiler ve ayrıca diyabetik donörlerde (fare NOD ve insan T1D) pankreas adacıklarından fonksiyonel kalsiyum yanıtlarını kaydettiler. Ayrıca, bağışıklık hücreleri pankreas adacıklarına saldırdığında ortaya çıkan tip-1 diyabet otoimmünite bağlamında, yazarlar canlı dilimlerdeki bağışıklık hücrelerini izlemek için in situ sitoetiketleme gerçekleştirdiler8. Daha da önemlisi, dilim modelleri, pankreas dokusunun tüm sitomimari bileşenlerini içeren tek mevcut modeli tanımlar. Kan akışı dolaşımdan kesilse de, yazarlar önemli ölçüde bağışıklık, adacık, asiner ve vasküler elementler arasındaki parakrin etkileşimlerin modellenebildiği bir in vitro modeli tanımlamaktadır 5,9,10,11.

İn vitro ve in vivo yaklaşımlardan farklı olarak, Felix-Martinez ve ark. yeniden yapılandırılmış adacıkların morfolojik ve bağlantı özelliklerini nicel olarak incelemek için in silico bir yaklaşım tanımlayın12. Fonksiyonel simülasyonlar, adacık hormonu sekresyonlarının (insülin, glukagon ve somatostatin) pulsatil doğasına dayalı olarak gerçekleştirildi. Bu yaklaşımın uygulamaları, normal ve değişmiş hücre oranı durumları (yani, diyabet sırasında beta hücrelerinin kaybı) veya hücresel birleşmeye dayalı organoid yaklaşımlar 13,14,15 sırasında adacıkları modellerken özellikle yararlı olacaktır.

Endokrin pankreas glikoz metabolizmasını kontrol ederken, ekzokrin pankreas sindirime yardımcı olmak için enzimlerin gastrointestinal yola salgılanmasını kontrol eder. Nadir olmakla birlikte, duktal tıkanıklığın neden olduğu pankreas iltihabı akut pankreatite yol açabilir. Zhou ve ark. akut pankreatiti cerrahi bir model kullanarak araştırmak için bir yöntem tanımlamaktadır. Burada yazarlar, biliopankreatik kanala sodyum taurokolat enjekte ederek kimyasal bir indüksiyon tekniği kullanırlar. Yazarlar, genel sağkalımda, enflamatuar hücrelerin varlığında ve amilaz ve lipaz16 gibi pankreas enzimlerinin birikiminde artışta önemli bir değişiklik buldular. Modelin pankreatit biyolojisinin kritik unsurlarını özetlediği göz önüne alındığında, bu yöntem, yaşamı tehdit eden bu duruma sahip hastalar için yeni klinik öncesi ilaçların doğrulanması için önemli olacaktır.

Endokrin ve ekzokrin sistemin işlev bozukluğunun acil, yaşamı tehdit eden sonuçları vardır ve ayrıca uzun vadeli kronik problemler sunar. Gerçekten de, her iki sistemdeki işlev bozukluğunun sonuçları, genellikle pankreas kanseri sırasında hastaların yaklaşık %47'sinde meydana gelen yeni başlangıçlı diyabet gibi çoklu sistemlerin işlevinin bozulmasına yol açar17,18. Pankreas patofizyolojisini daha iyi anlamak ve modellemek için devam eden çabalar, diyabet, kronik pankreatit ve kanser gibi pankreas hastalıklarının tedavisi için yeni stratejiler anlama ve geliştirme yeteneğimizi geliştirecektir. Burada açıklanan yöntemler, araştırmacılar tarafından pankreas sağlığı ve hastalığı için kritik olan biyolojiyi incelemek için kullanılacak araçların organize bir düzenlemesini sunar.

Açıklamalar

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yoktur.

Teşekkürler

Bu çalışma, Ulusal Kanser Enstitüsü (NCI) 1F32CA265052-01'den alınan hibelerle desteklenmiştir.

Kaynaklar

  1. Xu, G., et al. Prevalence of diagnosed type 1 and type 2 diabetes among US adults in 2016 and 2017: population based study. BMJ. 362, 1497(2018).
  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).
  5. Marciniak, A., et al. Using pancreas tissue slices for in situ studies of islet of Langerhans and acinar cell biology. Nature Protocols. 9 (12), 2809-2822 (2014).
  6. Misra, S., et al. Ex vivo organotypic culture system of precision-cut slices of human pancreatic ductal adenocarcinoma. Scientific Reports. 9 (1), 2133(2019).
  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).
  9. Almaca, J., Weitz, J., Rodriguez-Diaz, R., Pereira, E., Caicedo, A. The pericyte of the pancreatic islet regulates capillary diameter and local blood flow. Cell Metabolism. 27 (3), 630-644 (2018).
  10. Weitz, J. R., et al. Mouse pancreatic islet macrophages use locally released ATP to monitor beta cell activity. Diabetologia. 61 (1), 182-192 (2018).
  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).
  13. Wang, D., et al. Long-term expansion of pancreatic islet organoids from resident Procr+ progenitors. Cell. 180 (6), 1198-1211 (2020).
  14. Patel, S. N., et al. Organoid microphysiological system preserves pancreatic islet function within 3D matrix. Science Advances. 7 (7), 5515(2021).
  15. Lebreton, F., et al. Insulin-producing organoids engineered from islet and amniotic epithelial cells to treat diabetes. Nature Communications. 10 (1), 4491(2019).
  16. Zhou, X., et al. Establishment of a mouse severe acute pancreatitis model using retrograde injection of sodium taurocholate into the biliopancreatic duct. Journal of Visualized Experiments. (182), e63129(2022).
  17. Andersen, D. K., et al. pancreatogenic diabetes, and pancreatic cancer. Diabetes. 66 (5), 1103-1110 (2017).
  18. Pannala, R., et al. Prevalence and clinical profile of pancreatic cancer-associated diabetes mellitus. Gastroenterology. 134 (4), 981-987 (2008).

Yeniden basım ve izinler

Daha fazla makale keşfet

In Vivo MethodsEx Vivo MethodsBeta-cell FunctionCalcium ImagingPancreatic IsletsStructural AnalysisFunctional AnalysisIslet-immune Cell InteractionsIntravital ImagingSevere Acute Pancreatitis ModelConfocal Laser Scanning Microscopy