胰島β細(xì)胞總量的非侵入性圖像分析技術(shù)研究進展

姜文靜 孫嘉星 朱曉波 (河北北方學(xué)院醫(yī)學(xué)檢驗學(xué)院，河北 張家口 075000)

1型糖尿病(T1DM)是胰腺β細(xì)胞選擇性自身免疫損傷的結(jié)果，當(dāng)其絕大多數(shù)β細(xì)胞被破壞，β細(xì)胞總量(BCM)顯著減少，胰島素分泌不足時，出現(xiàn)高血糖。T2DM除外周胰島素抵抗，肝葡萄糖產(chǎn)生增加外，研究表明，機體多個代謝紊亂可以對β細(xì)胞產(chǎn)生毒性作用，導(dǎo)致BCM降低，最高出現(xiàn)65%的β細(xì)胞損傷〔1〕。BCM的顯著降低是T1DM和T2DM的共同特點。能夠準(zhǔn)確對BCM進行測定，了解BCM的動態(tài)變化，可以為DM治療及包括胰島移植的新的治療學(xué)研究提供重要信息。目前，BCM的經(jīng)典分析是利用組織切片，經(jīng)免疫組化染色后進行形態(tài)學(xué)分析〔2〕，需要殺死實驗動物并取出胰腺，臨床研究也僅局限于尸體解剖。近年，一系列研究探討了對活體內(nèi)BCM進行非侵入性分析，建立了一些胰島或胰島β細(xì)胞圖像分析技術(shù)，本文綜述關(guān)于胰島或胰島β細(xì)胞圖像分析技術(shù)的最新進展。

1 磁共振成像(MRI)

MRI技術(shù)的發(fā)展使它有可能進行非侵入性及重復(fù)進行胰島或β細(xì)胞的圖像分析。目前，主要應(yīng)用在移植胰島的研究。胰島MRI的獲取主要依賴于各種外源性增強劑移植前在體外標(biāo)記胰島或β細(xì)胞，以提高胰島或β細(xì)胞的背景反差形成清晰圖像，因此，尋找適于細(xì)胞表面標(biāo)記是成像的關(guān)鍵。

過順磁鐵氧(SPIO)粒子一直用于血管MRI的增強劑，其在局部磁場的分布導(dǎo)致MRI可迅速測到質(zhì)子相位差。研究發(fā)現(xiàn)，在體外胰島與SPIO共培養(yǎng)，使其進入胰島，MRI下可使胰島成像。用結(jié)合熒光染料的SPIO表明，SPIO主要進入到胰島β 細(xì)胞〔3〕。Evgenov等〔4〕表明，以 SPIO 標(biāo)記的人胰島在移植到免疫缺陷小鼠的腎囊或肝中后可以MRI。SPIO標(biāo)記胰島的MRI主要問題是SPIO信號的定量，特別是移植到肝的胰島。MRI中胰島顯示低強度的點，這些點很難與MRI背景區(qū)別。這一方法對于接受胰島移植的臨床患者，胰島圖像是否有效，是否安全尚不清楚。

另一類 MRI增強劑是順磁離子的應(yīng)用(最典型的是Gd3+)，由于其增強的體積與細(xì)胞大小一致，產(chǎn)生的高強度點比SPIO標(biāo)記更易鑒定和定量。Zheng等〔5〕合成了一個與細(xì)胞膜結(jié)合的親脂性Gd3+復(fù)合物，通過共培養(yǎng)標(biāo)記胰島之后，在體外及植入纖維管對標(biāo)記的胰島和β細(xì)胞進行MRI。標(biāo)記的β細(xì)胞在移植后15 d在MRI仍然成像。

此外，有潛力用于人體BCM分析的一個MRI技術(shù)是Mn2+強化MRI。這一技術(shù)并不是直接標(biāo)記β細(xì)胞，而是當(dāng)β細(xì)胞被葡萄糖激活時，Mn2+經(jīng)由Ca2+通道在細(xì)胞內(nèi)積累，進而MRI來分析β細(xì)胞活性。Antkowiak等〔6〕給正常及不同劑量鏈脲佐菌素(STZ)誘導(dǎo)的DM小鼠靜脈灌注葡萄糖和Mn2+鹽，Mn2+強化MRI敏感地監(jiān)測到了不同情況下胰島β細(xì)胞功能的變化，雖然該研究沒有進一步分析與BCM的相關(guān)性，但在非侵入性分析BCM方面是最有希望的。

2 正電子發(fā)射斷層掃描成像(PET)

PET廣泛用于細(xì)胞成像及功能分析，其靈敏度比MRI更高，設(shè)備也比MRI便宜，成像花費時間短，需要加入靶向放射性示蹤物，在體內(nèi)與特異的分子或細(xì)胞結(jié)合。因此，胰島或β細(xì)胞也可以PET并定量分析。由于胰島很小，散在地分布于胰腺中，占整個胰腺的1% ～2%，且胰島由以β細(xì)胞為主的多細(xì)胞組成，因此，有研究指出，胰島或β細(xì)胞中靶向放射性示蹤物探針的放射強度必須比外分泌胰腺強約1000倍〔7〕。

有研究探討了一些分子作為潛在放射性示蹤探針用于PET的可能性，如治療T2DM的磺脲類，影響細(xì)胞糖代謝的6-脫氧-6-125碘-葡萄糖，靶向結(jié)合葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白 2抗體(GLUT2)轉(zhuǎn)運體的四氧嘧啶等或由于其低的組織特異性結(jié)合而廣泛分布，或不能獲得基本的信號-背景比，不適于作為PET的放射示蹤探針。

近年發(fā)現(xiàn)能靶向結(jié)合胰島或β細(xì)胞的一些多肽和抗體，可以用于胰島或β細(xì)胞的PET及BCM定量分析。IC2是一種與胰島β細(xì)胞特異結(jié)合的單克隆抗體，電鏡下IC2廣泛地與β細(xì)胞表面膜結(jié)合，Moore等〔8〕以放射性核素125I修飾單克隆抗體IC2，將其注射到小鼠體內(nèi)，進行胰島PET研究，結(jié)果表明正常及STZ損傷β細(xì)胞的糖尿病小鼠胰腺信號強度也顯著差異，并且，信號強度與正常及糖尿病小鼠BCM呈正比，因為圖像是在分離的胰腺完成的，目前不清楚該方法是否可用于臨床。Ladriere等〔9〕用其他的單克隆抗體則不能區(qū)別對照大鼠和β細(xì)胞減少大鼠的PET信號差異。

一類放射性藥劑已用于大腦和神經(jīng)的PET。由于胰島與神經(jīng)共有一些基因表達(dá)，顯示類似的功能，這些藥劑也可能靶向結(jié)合胰島或β細(xì)胞，進行PET和BCM分析。2型囊泡單胺轉(zhuǎn)運體(VMAT2)在中樞系統(tǒng)多巴胺神經(jīng)末端及胰島β細(xì)胞表達(dá)。免疫組化分析表明，VMAT2和胰島素共同定位于胰島β細(xì)胞〔10〕。VMAT2存在于β細(xì)胞中儲存胰島素和多巴胺的囊泡膜，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)囊泡中多巴胺濃度。隨胰島素一起釋放的多巴胺作用于鄰近β細(xì)胞多巴胺受體，調(diào)節(jié)β細(xì)胞胰島素的分泌。VMAT2的特異性配體二氫丁苯喹嗪(DTBZ)，已臨床用于中樞神經(jīng)PET，可以特異結(jié)合純化的人胰島，但不與胰腺外分泌部分結(jié)合。Souza等〔11〕將11C-DTBZ用于進行性自身免疫DM大鼠(BB-DP)體內(nèi)胰島成像，以監(jiān)測BCM的變化，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用11CDTBZ形成的PET可以準(zhǔn)確地反映BCM。

Goland等〔12〕將11C-DTBZ PET用于T1DM患者和健康人群的BCM分析，這是首次進行的臨床研究，結(jié)果獲得了清晰的圖像及對VMAT2結(jié)合的定量分析。該方法表明，對人體BCM的PET定量分析是可行的，可以測到T1DM殘余的β細(xì)胞。11CDTBZ PET在臨床中樞系統(tǒng)成像的安全性提示該方法也可用于不同臨床及實驗條件下的人體BCM分析。

3 光學(xué)成像

光學(xué)成像是最敏感的成像方法，花費時間短，一些實驗動物可以立即成像。但當(dāng)光通過組織時，光子被發(fā)色團，主要是水、血紅蛋白、黑色素吸收，限制了光子通透性，使其只能透過組織幾厘米的厚度;此外，由于組織折射率差異，光子也出現(xiàn)散射，造成圖像不清晰。因而，雖然該技術(shù)在嚙齒類實驗動物模型被證明是有價值的胰島成像方法，但顯然不適于人類及大型實驗動物應(yīng)用。

嚙齒類實驗動物模型已建立了胰島或β細(xì)胞的生物發(fā)光圖像技術(shù)。為形成生物發(fā)光圖像，熒光素酶必須在胰島細(xì)胞中表達(dá)，在底物熒光素、三磷酸腺苷(ATP)、Mg2+存在下，熒光素酶催化化學(xué)發(fā)光反應(yīng)，用特定的成像設(shè)備在體外即可觀察到圖像。幾個研究小組使用病毒載體將熒光素酶cDNA導(dǎo)入嚙齒類及人的離體胰島，形成標(biāo)記胰島，將該胰島移植到小鼠腎囊或肝臟，在移植后數(shù)月可以反復(fù)及非侵入性地監(jiān)視移植胰島，并且表明標(biāo)記胰島的生物發(fā)光強度與移植到腎囊或肝臟的胰島數(shù)量呈線性關(guān)系，最低可以檢測到50個胰島〔13，14〕，在提高移植胰島生存率的臨床相關(guān)研究方面顯然是有價值的。

近年，三個小組建立了在胰島素啟動子控制下表達(dá)熒光素報告基因的轉(zhuǎn)基因小鼠系，特別是Virostko等〔15〕建立的MIPLuc-VU小鼠系，更好地表明胰島的生物發(fā)光強度與肥胖引起的BCM增加和STZ引起的BCM減少呈正比及移植后的BCM。基于此，該類轉(zhuǎn)基因小鼠也有助于T1DM和T2DM中促進β細(xì)胞再生、減緩β細(xì)胞減少的實驗研究等與BCM分析相關(guān)的研究。

基于熒光的光學(xué)方法也用于胰島成像。熒光不同于生物發(fā)光，它需要激發(fā)光以產(chǎn)生光信號，而不是化學(xué)底物。Hara等〔16〕建立了受胰島素啟動子控制的可表達(dá)綠色或紅色熒光蛋白的轉(zhuǎn)基因小鼠系，以觀察移植到肝臟的胰島生存情況。

總之，在以上非侵入性胰島或β細(xì)胞成像技術(shù)中，僅有11CDTBZ PET可以對人體進行胰島成像及BCM相關(guān)分析，但這些技術(shù)仍處于早期階段，在用于臨床前仍需要技術(shù)的發(fā)展及進一步的評估。MRI、PET和光學(xué)圖像分析已用于嚙齒類DM模型以分析移植胰島及不同情況下的BCM改變，為臨床研究提供重要信息，最終將有助于人體生理及人類DM研究。

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