分子所陳良怡、劉彥梅課題組揭示活體胰島β細胞功能成熟機制

近日，北京大學分子醫學研究所陳良怡研究員、劉彥梅副研究員課題組在國際知名學術期刊eLife發表題為「In Vivo Imaging of β-cell Function Reveals Glucose-mediated Heterogeneity of β-cell Functional Development」的研究論文，首次實現活體動物體內胰島β細胞功能的實時成像，揭示胰島通過血管化協調傳遞適宜濃度的葡萄糖至β細胞，進而激活calcineurin/NFAT信號通路，最終介導胰島從外殼到核心依次發生的兩波β細胞的功能獲得過程。由於這項工作在相關領域內的獨創性和重要性，內分泌學科頂級雜誌Nature Reviews Endocrinology對其進行了亮點介紹，認為該工作是技術進步推動科學重要發現的典型例證。

胰島β細胞在血糖調控與糖尿病的發病中起著重要作用，其數量和功能直接和血糖紊亂程度密切相關。近年來，基於幹細胞的胰島β細胞再生治療糖尿病是領域內重要研究方向。但是，通過誘導幹細胞分化為β細胞的方法目前仍然不能產生功能完全成熟的β細胞，最主要的原因是研究者尚不清楚在體內β細胞如何受其微環境包括血管、神經元和其它內分泌細胞等分泌的因子影響實現功能成熟。過去的研究方法，不論是基於免疫組化或是大規模測序的方法，得到的信息都局限於某幾個時間點，同時也缺乏在體空間信息，不能展示β細胞在天然胰島微環境中發育和獲得功能的時空圖譜，也限制了其在體功能成熟的機制研究。

2015年，陳良怡課題組與合作者研發成功基於新成像原理的超快雙光子掃描光片顯微鏡（2P3A-DSLM）(Cell Res.2015, doi:10.1038/cr.2014.124），成像質量顯著優於單光子光片顯微鏡或雙光子點掃描顯微鏡，在領域內引起高度反響，多次受邀在如國際雷射及光電子大會以及國際光片顯微鏡大會上作特邀報告，成果發表於Nature Methods光片顯微鏡權威綜述認可（Nature Methods, 2019, doi:10.1038/nmeth.4224）。利用2P3A-DSLM顯微鏡和自主創建的β細胞被紅色螢光鈣指示劑Rcamp1.07標記的轉基因斑馬魚，陳良怡、劉彥梅課題組首次實現了活體觀察每個β細胞在葡萄糖刺激下的鈣反應，並發現β細胞功能成熟的從外到內的過程是由葡萄糖所控制。胰島微循環精細控制遞送到每個β細胞的局部葡萄糖濃度，而該濃度隨著發育過程逐漸增加，並通過激活calcineurin/NFAT信號通路，精細地調控胚胎β細胞功能獲得以及增強的過程。

斑馬魚在體胰島b細胞時空上異質的功能成熟過程。上圖：雙色雙光子掃描光片顯微鏡原理圖；下圖：經歷兩個階段，胰島β細胞從外到內的逐漸功能成熟

他們進一步發現，calcineurin/NFAT通路也可以促進初生小鼠的胰島離體成熟過程，證明此機制不僅僅適用於斑馬魚，也是哺乳動物中以往被忽略的、促使β細胞功能成熟的關鍵因子。Nature Reviews Endocrinology2月19日發表題為「Imaging β-cell function in vivo」的權威評論，認為「這項工作首次實現在動物活體可視化單個胰島beta細胞的功能，同時揭示了重要的功能成熟過程。」eLife也以文摘的形式（題目為「Watching β-cells mature 」）特別展示這項工作，認為「斑馬魚的工作可以幫助研究者找到在體外製備、來源人多能幹細胞的β細胞的更好方法，助力於糖尿病病人的再生醫學治療。」這種結合轉基因斑馬魚和三維在體高解析度顯微成像平臺，未來可用於研究胰島生物學中包括轉分化、去分化和糖尿病發病過程中的在體再生等重要過程及其機制。

北京大學分子醫學研究所博士生趙佳為論文的第一作者，陳良怡、劉彥梅（現為華南師範大學腦科學與康復醫學研究院研究員）為論文共同通訊作者。這項研究受到科技部重點研發計劃、國家自然科學基金委重大研究計劃，北京市自然科學基金等經費支持。