颅窗结合气垫浮动式固定系统动态捕捉清醒小鼠胰岛响应机制
2025-12-09 来源:本站 点击次数:91本研究创新性地将胰腺胰岛移植至小鼠大脑硬脑膜上，建立了一个可在清醒状态下进行长期活体显微成像的平台。该技术通过颅窗结合气垫浮动式固定系统，实现了对光学难以触及组织的纵向在体观测，为研究内分泌组织的生理功能提供了突破性工具。研究团队成功在单细胞分辨率下记录了胰岛β细胞在葡萄糖刺激下的钙离子动态变化，揭示了麻醉剂对细胞信号传导的干扰效应，为糖尿病研究提供了更接近生理状态的观测模型。
本研究由Philip Troster、Montse Visa、Ismael Valladolid-Acebes、Martin Kohler及Per-Olof Berggren共同完成，成果以《Stable intracranial imaging of dura mater-engrafted pancreatic islet cells in awake mice》为题，于2025年11月在《Nature Communications》期刊正式发表。
重要发现
01硬脑膜移植模型的建立与验证
研究团队通过精细的颅窗手术将表达GCaMP3钙指示剂的胰岛细胞移植至小鼠硬脑膜表面，利用玻璃盖片密封与牙科水泥固定技术，结合金属头架实现机械稳定性。这一设计使得在Mobile HomeCage系统中对清醒小鼠进行长达90分钟的高稳定性成像成为可能。移植后3周内，通过监测肿瘤坏死因子-α、干扰素-γ和C反应蛋白等炎症指标，证实移植过程未引发显著免疫反应，为长期观测奠定了基础。
通过静脉注射TMR-葡聚糖（2000 kDa）和凝集素-649进行血管标记，研究发现移植后3周内胰岛即出现宿主血管浸润，10周后血管体积占比达到30%。三维重建显示新生血管在β细胞团内均匀分布，且血管直径随时间推移逐渐稳定在6μm以上。更重要的是，免疫荧光染色证实移植胰岛获得了自主神经支配：囊泡乙酰胆碱转运体（VAChT）阳性的副交感纤维深入胰岛内部，而酪氨酸羟化酶（TH）阳性的交感神经纤维虽在胰岛内分布稀疏，但在硬脑膜基底层形成密集网络。
03血流动力学与血管通透性特征
研究首次对比了清醒与麻醉状态下胰岛毛细血管的血流速度。通过高速荧光成像（55.5帧/秒）追踪DiD标记的红细胞，发现异氟烷麻醉会使血流速度提升74%，而血管直径未见显著变化。在血管通透性方面，通过同时注射10 kDa和2000 kDa的葡聚糖分子，证实胰岛内血管的渗漏速率显著低于周围硬脑膜血管，表明移植胰岛形成了具有特定功能特征的血管网络。
04β细胞钙信号传导的生理调控
利用GCaMP3荧光成像技术，研究团队在单细胞水平记录了葡萄糖刺激下的钙离子振荡。在清醒小鼠中，皮下注射葡萄糖（2g/kg体重）可引发典型的慢振荡（周期60-600秒），其振幅随刺激时间逐渐降低19%-34%，振荡周期同步缩短。值得注意的是，β细胞网络同步性在整个过程中保持稳定，而平台期（活性状态持续时间）比例持续增加12%，表明细胞群落在高代谢需求下维持了协调的激活状态。对比实验显示，异氟烷麻醉会使振荡振幅降低48%，并显著抑制胰岛素分泌；而Hypnorm镇静剂对钙信号影响较小，更接近生理状态。
05人源胰岛的功能验证
通过将50个人源胰岛移植至免疫缺陷Rag1-/-小鼠硬脑膜，研究证实移植后4周内胰岛仍保持葡萄糖刺激下的C肽分泌能力。在腹腔葡萄糖耐量试验中，人源C肽水平在注射后30分钟达到峰值，与内源性小鼠胰岛素分泌曲线形成互补，证明移植胰岛已成功整合入宿主代谢系统。这一发现为糖尿病细胞治疗研究提供了新的评估模型。
创新与亮点
01突破光学成像的生理屏障
本研究最突出的技术突破在于彻底摆脱了活体成像对麻醉剂的依赖。传统显微成像技术因麻醉剂对心血管系统和神经活动的抑制，难以反映真实生理状态。通过Mobile HomeCage系统的气垫悬浮设计，成功将头部固定带来的机械振动降至最低，实现了在自由活动动物体内进行亚细胞级分辨率的稳定观测。该平台支持连续数月的纵向研究，为慢性疾病进程的动态监测提供了可能。
研究整合了共聚焦显微、荧光相关光谱和三维重建等多种光学技术，形成了多层次观测体系。通过同步采集GCaMP3钙信号与组织背向散射信号，不仅可追踪钙动态，还能实时解析胰岛形态变化。利用2-NBDG葡萄糖类似物进行荧光示踪，首次精确记录了皮下注射后葡萄糖向硬脑膜区域的转运动力学（半峰时间约5分钟），为代谢研究提供了时间标尺。
03在生物医学领域的应用价值
该技术为糖尿病研究提供了前所未有的在体观测窗口，使得科学家能够直接观察胰岛β细胞在生理条件下的信号网络协调机制。对麻醉剂干扰效应的量化分析，为临床麻醉方案选择提供了实验依据。此外，硬脑膜作为免疫豁免部位的特征，使得跨物种移植（如人源胰岛移植）的长期研究成为可能，为细胞治疗评估开辟了新路径。该平台可扩展至其他微器官研究，有望推动内分泌学、神经科学和肿瘤学等多个领域的活体成像技术革新。
总结与展望
本研究通过将硬脑膜开发为微器官移植与成像新位点，成功建立了清醒动物体内高稳定性光学观测范式。技术核心在于巧妙结合颅窗手术与浮动式固定系统，攻克了活体成像中机械稳定性与生理真实性难以兼得的长期难题。实验数据不仅揭示了胰岛β细胞钙振荡的葡萄糖依赖性调控规律，更定量解析了不同麻醉剂对细胞功能的干扰程度，为代谢研究提供了更可靠的实验模型。从技术发展视角看，该平台为超分辨显微技术（如STED、STORM）在活体中的应用铺平了道路，未来有望实现对胰岛素囊泡转运、细胞器互作等亚细胞过程的动态解析。尽管当前研究聚焦于胰岛功能，但其技术框架可平行移植至其他领域——例如通过标记特定神经元群体，或可探索大脑皮层对外周代谢的实时调控机制；而血管通透性量化方法则可为血脑屏障研究提供新工具。随着多光子成像、光片显微等先进技术的引入，这一平台有望成为连接细胞生物学与整体生理学的重要桥梁，推动生物医学研究向更高时空精度迈进。
声明：本文仅用作学术目的。
Tröster P, Visa M, Valladolid-Acebes I, Köhler M, Berggren PO. Stable intracranial imaging of dura mater-engrafted pancreatic islet cells in awake mice. Nat Commun. 2025 Nov 18;16(1):10047.
DOI:10.1038/s41467-025-66057-4.