Генерація клітин β-підшлункової залози шляхом спонтанного перетворення α-клітин у мишей

Кафедра клітинної фізіології та метаболізму Медичного факультету Женевського університету, 1, вулиця Мішель-Сервет, CH 1211 Женева-4, Швейцарія

Ендокринна та екзокринна функції підшлункової залози

Підшлункова залоза - це залоза, яка виконує дві важливі метаболічні функції. Перший - це виробництво ацинарними клітинами підшлункової залози травних ферментів, необхідних для розщеплення їжі. Ці ферменти виводяться і транспортуються через мережу каналів до кишечника, де їжа перетравлюється і всмоктується. Ацинарні та протокові клітини складають екзокринну частину підшлункової залози і складають близько 99% усіх клітин цього органу.

Друга функція підшлункової залози - синтез гормонів, відповідальних за регулювання вживання цукру в процесі перетравлення їжі і, отже, за контроль рівня цукру в крові (рівня цукру в крові). Цей регламент дає змогу урівноважити епізоди гіперглікемії після прийому їжі та збільшити рівень глюкози в крові після голодування. Продукцією гормону займається ендокринна частина підшлункової залози, яка організована в групи клітин, які називаються острівцями Лангерганса. Вони становлять лише 1% ваги органу. Клітини α, β, δ та PP синтезують відповідно глюкагон, інсулін, соматостатин та поліпептид підшлункової залози. Вони складають різні зрілі типи ендокринних клітин дорослих острівців підшлункової залози [1].

Необхідність нових терапевтичних підходів проти діабету

Β клітини мають велике довголіття і, отже, мало розмножуються протягом життя особини. У випадках, коли попит на інсулін підвищений, наприклад, при ожирінні або під час вагітності, розмір і кількість β-клітин можуть відповідно збільшуватися через підвищене вироблення інсуліну та стимуляція ділення клітин. Дефіцит β-клітин або нездатність цих клітин виробляти достатню кількість інсуліну призводить до стійкого підвищення рівня цукру в крові, що призводить до високого виробництва сечі, тобто діабету. При діабеті 1 типу, аутоімунному захворюванні, яке є найпоширенішою формою захворювання у дітей, β-клітини повністю вилучаються імунною системою. Тому ці пацієнти повинні отримувати щоденні ін’єкції інсуліну протягом усього свого життя. Однак ця терапевтична стратегія не дозволяє точно контролювати рівень цукру в крові і не запобігає шкідливому впливу на судини, що може призвести до ниркової недостатності, сліпоти або гангрени. Ці ускладнення виправдовують розробку нових, більш відповідних методів лікування, включаючи інноваційні підходи до регенеративної медицини.

У цьому контексті наша лабораторія вже багато років шукає, чи має доросла підшлункова залоза внутрішню здатність генерувати нові β-клітини після їх повної втрати, тобто в ситуації, подібній до ситуації з діабетом типу 1. Це обов’язково означають, що утворення цих нових клітин відбувається за допомогою інших механізмів, крім проліферації самих β-клітин. Щоб дослідити цю гіпотезу, ми створили трансгенну мишу, в якій ми можемо викликати селективну елімінацію майже всіх β-клітин, але за відсутності аутоімунних процесів. Таким чином ми змогли вивчити регенерацію ендокринних клітин, оскільки, якщо нові клітини, що виробляють інсулін, диференціюються, імунна система їх не знищить [2].

Нова тваринна модель діабету 1 типу

Різні експериментальні моделі діабету 1 типу у гризунів показали, що значне зменшення (на 50% -80%) кількості клітин, що секретують інсулін, індукує збільшення швидкості стійкої проліферації β-клітин [3]. Для того, щоб визначити, чи здатна підшлункова залоза генерувати нові клітини, що секретують інсулін, коли вони повністю зруйновані, і це з іншого клітинного джерела (не-β), ми розробили нову модель діабетичної миші, в якій більше 99% β-клітини можуть бути еліміновані [2]. Це стало можливим завдяки трансгенній експресії рецептора дифтерійного токсину людини (DTR) на поверхні β-клітин. Хоча введення дифтерійного токсину (DT) не впливає на нормальних мишей, оскільки вони не мають рецептора DTR (мишей DTR), воно викликає загибель майже всіх β-клітин, що є у трансгенних мишей (DTR +). Миші DTR +, які отримували DT, швидко стають гіперглікемічними, розвиваються всі симптоми діабету та швидко гинуть, якщо не отримувати лікування інсуліном.

Механізми регенерації β-клітин

У відповідь на елімінацію майже всіх β-клітин ми виявили, що на острівцях мишей DTR поступово з’являються нові клітини, що продукують інсулін.+ (Малюнок 1А). Дивно, але деякі з цих клітин одночасно містили інсулін та глюкагон. Такі «гібридні» або бігормональні клітини ніколи не спостерігаються у здоровій дорослій підшлунковій залозі. Більше того, у всіх цих мишей DTR +, хворих на цукровий діабет, через кілька місяців спостерігалося поліпшення глікемічного контролю, одночасно із здатністю клітин відновлювати інсулін. Насправді всі миші DTR + мали чіткі ознаки регенерації клітин. Таким чином, доросла підшлункова залоза має здатність генерувати нові інсулінові клітини після повного зникнення цих клітин.

Нова мишача модель діабету тип 1. Трансгенні миші експресують рецептор дифтерійного токсину на поверхні β-клітин (трансген під контролем промотора інсуліну). AT. Експресія DTR на поверхні β-клітин робить їх чутливими до дифтерійного токсину (DT). Коли мишу обробляють DT, усі β-клітини гинуть. Миші з діабетом, що утримуються в живих за допомогою лікування інсуліном, регенерують нові β-клітини. . Позначення вже існуючих β-клітин до абляції клітин показує, що новоутворені інсулінові клітини не походять від розширення дуже рідкісних β-клітин, які уникли DT. VS. Позначення α-клітин, що експресують глюкагон до абляції, виявляє, з іншого боку, що більшість нових β-клітин походять від α-клітин (адаптовано з http://www.betacell.org).

Потім ми провели експерименти з відстеження ліній клітин підшлункової залози, щоб визначити походження нових клітин, що секретують інсулін, що спостерігаються після лікування ДТ. Незворотне маркування β-клітин за допомогою флуоресцентного індикатора перед їх знищенням показало, що новоутворені β-клітини не походять від розширення дуже рідкісних β-клітин, які уникли смерті, спричиненої токсином (Малюнок 1B). З іншого боку, відстеження α-клітин однозначно показало, що спочатку останні були не лише «бігормональними» клітинами, тобто клітинами, що експресують глюкагон та інсулін, а й більшістю клітин, що містять лише інсулін (Малюнок 1С). Під час цього процесу регенерації α-клітини, крім інсуліну, експресують безліч факторів, які, як відомо, є важливими для правильного функціонування β-клітин. Сюди входить транспортер Glut2, який дозволяє глюкозі проникати в клітини та фактори транскрипції, такі як Pdx1 та Nkx6.1, необхідні для виробництва та контролю секреції інсуліну.

Таким чином, частка α-клітин спонтанно змінює клітинну ідентичність після руйнування вже існуючих β-клітин, щоб компенсувати нестачу інсуліну. Під час цього процесу перепрограмування клітин α-клітини ініціюють генетичну програму, що веде до вироблення інсуліну та генерує популяцію бігормональних клітин. Ця нова клітинна сутність, фенотип якої є проміжним або гібридною, на півдорозі між α та β клітиною, здається, продовжує свою метаморфозу, щоб з часом набути всіх функціональних характеристик вихідних β клітин (Малюнок 2).

Перепрограмування ендокринних клітин підшлункової залози α до β. Запропонована послідовність конверсії без дедиференціації та без проліферації, згідно з аналізом клітинного відстеження та коекспресії селективних маркерів α та β клітин. Величезна втрата β-клітин може впливати на α-клітини безпосередньо (локально), або побічно (системно), або одночасно на обидві. Наші неопубліковані спостереження дозволяють припустити, що в бігормональних клітинах два гормони зберігаються в різних гранулах.

Використання пластичної клітини для терапевтичних цілей ?

(→) Див. Новини Джона Де Воса, сторінка 904 цього випуску

Наші спостереження показують, що у ситуації, подібній до діабету 1 типу, але за відсутності аутоімунної реакції, доросла підшлункова залоза здатна генерувати нові клітини інсуліну з не-β клітин. Цей ступінь клітинної пластичності надає дорослій підшлунковій залозі властиві регенеративні властивості, які до цього часу були мало зрозумілі, і які можуть бути використані для розробки нових методів лікування діабету. Наприклад, ці результати на мишах свідчать про те, що якщо аутоімунна відповідь може бути сформована у людей з діабетом 1 типу, то підшлункова залоза може природним чином генерувати кілька клітин, що продукують інсулін. Розуміння різних сигнальних шляхів та молекулярних подій, що беруть участь у цьому процесі регенерації, повинно дозволити нам діяти за цими механізмами з метою їх вдосконалення. Ці знання також повинні бути корисними для отримання нових культивованих клітин інсуліну з дорослих клітин підшлункової залози від пацієнта або індукованих плюрипотентних клітин (iPS) з точки зору клітинної терапії.

Можливість регенерації навіть кількох нових β-клітин покращила б якість життя хворих на цукровий діабет, позбавивши їх від ускладнень, пов’язаних з недосконалим контролем рівня цукру в крові.

Конфлікт інтересів

Автори заявляють, що не мають конфлікту інтересів щодо даних, опублікованих у цій статті..

Дякую

Ми вдячні Дельфіні Бароньє за її коментарі до рукопису. Робота, підсумована в цій статті, була виконана за фінансування Фонду досліджень діабету щодо неповнолітніх, Консорціуму бета-клітинної біології NIH/NIDDK та Швейцарського національного наукового фонду..

Список літератури

Orci L. Макро- та мікродомени в ендокринній підшлунковій залозі. Діабет 1982; 31: 538-65. [Google Scholar]
Thorel F, Népote V, Avril I та ін. Перетворення дорослих альфа-клітин підшлункової залози в бета-клітини після екстремальної втрати бета-клітин. Природа 2010; 464: 1149-54. [Google Scholar]
Дор Ю, Браун Дж, Мартінес О.І., Мелтон Д.А. Дорослі бета-клітини підшлункової залози утворюються шляхом самодуплікації, а не диференціації стовбурових клітин. Природа 2004; 429: 41-6. [Google Scholar]
Чжоу Q, Мелтон Д.А. Екстремальний макіяж: перетворення однієї комірки в іншу. Клітинні стовбурові клітини 2008; 3: 382-8. [Google Scholar]
Zhou Q, Brown J, Kanarek A, et al. Перепрограмування in vivo екзокринних клітин підшлункової залози на бета-клітини. Природа, 2008; 455: 627-32. [Google Scholar]
Collombat P, Xu X, Ravassard P та ін. Ектопічна експресія Pax4 у підшлунковій залозі миші перетворює клітини-попередники в альфа-та, згодом, бета-клітини. Клітина 2009; 138: 449-62. [Google Scholar]
Collombat P, Mansouri A. Перетворення альфа-клітин підшлункової залози в бета-клітини. Med Sci (Париж) 2009; 25: 763-5. [Google Scholar]

Список малюнків

Поточні показники використання показують сукупний підрахунок переглядів статей (повнотекстові перегляди статей, включаючи перегляди HTML, завантаження PDF та ePub, відповідно до наявних даних) та подання тез на платформі Vision4Press.

Дані відповідають використанню на платформі після 2015 року. Поточні показники використання доступні через 48–96 годин після публікації в Інтернеті та оновлюються щодня по днях тижня.

Початкове завантаження метрик може зайняти деякий час.