研究人员开发了观看胰腺细胞包胰岛素的新方法

在第一次，科学家们已经在胰腺细胞内部凝固，并观察到它包装胰岛素并响应药物治疗，亲密地了解负责预防糖尿病的机制。

由桥梁研究所的研究人员领导的科学家团队在USC Michelson Courtents Convergent Bioscience上开发了先进的成像技术，以实现有史以来最详细的，多维的看法胰腺β细胞是人体胰岛素的工厂。当细胞对变化做出反应时，他们目睹了一系列的反应，有些是意料之中的，有些是令人惊讶的。

他们的工作标志着一项新的途径来了解每年约有85,000名美国生活的疾病。当应用于时细胞，这些成像技术上的突破，大致类似于天文学家有了先进的望远镜才看到星系，生物学家有了显微镜才看到细菌。其他技术，通常是基于间接测量，讲述了细胞的部分故事，但新的直接和详细的观察提供了一个更完整的画面。

“当我们同时拥有生物化学数据和图片时，我们可以更好地理解事情，这样我们就可以确切地看到胰腺细胞内部发生了什么。这给了我们一个全新的视角，你总是需要用新的视角来看待问题，找到新的解决方案，”该研究的主要作者、南加州大学分子和计算生物学助理教授、桥研究所胰腺β细胞联盟主任Kate White说。

参与开发这种新成像方法的研究人员包括来自南加州大学、加州理工学院、加州大学洛杉矶分校、加州大学旧金山分校、加州劳伦斯伯克利国家实验室以及中国上海科技大学iHuman研究所的研究人员。这组正在与该财团的努力地图胰腺细胞和它的所有功能和组件细分到原子和代表的第一个大规模、多学科的努力由桥梁研究所的科学家和工程师,他们中的许多人居住在南加州大学迈克尔逊收敛生物科学中心。

这些发现出现在今天出版的两项研究中科学的进步。

研究人员强调，这些发现并不能治愈糖尿病——科学要实现这一目标还有很长的路要走。本研究采用啮齿动物细胞系模型系统进行。也就是说，这些研究确实提供了研究细胞的新方法来了解药物是如何工作的，这些成果可以推进新的治疗方法——可能包括用干细胞制造整个胰腺。

对于把胰腺β细胞项目作为研究重点的布里奇研究所来说，这些研究是一个里程碑。该项目通过科学众包从世界各地的科学家那里收集数据和想法，这些科学家正在共同努力治疗糖尿病。桥研究所的任务涉及生物、化学、计算生物学、工程、医学、数学和成像等领域的专家。该联盟还包括南加州大学的艺术家和电影制作人，他们可以传达研究的视觉解释。

这两项研究采用互补的方法，以新的方式设想胰腺β细胞，每一项研究都使用大鼠细胞。

一篇论文采用了软x射线断层扫描技术(SXT)，它使用穿透x射线来获得整个细胞的图像，类似于CT扫描或超声波。虽然这项技术通常用于医学检查、考古学、海洋学和其他科学领域，但直到最近才被应用于细胞绘图。该论文的主要作者和通讯作者分别是White和Ray Stevens，他们是南加州大学多恩西夫文理学院的生物科学和化学教官教授、桥学院的联合主任，以及UCSF的Andrej Sali和Carolyn Larabell。

第二篇论文采用低温电子断层扫描技术(CET)。这种技术可以更好地观察细胞内的小部件，如细胞器和蛋白质。桥梁研究所博士后张宪军是该论文的第一作者;史蒂文斯和加州理工学院的格兰特·詹森是通讯作者。

结合这些方法，科学家在将其暴露于葡萄糖和糖尿病药物之后，科学家们对整个细胞及其部分的高分辨率视图。SXT技术提供了整个细胞，其外膜，核，胰岛素囊泡，脂液滴和线粒体的视图。CET图像沿胰岛素分泌途径的小内部部件归零：微管，线粒体和内质网，其在细胞周围移动的东西，如小卡车以及有助于产生胰岛素囊泡。

接下来，研究人员用不同的物质刺激细胞，包括低糖剂量，高糖剂量和常见的2型糖尿病药物，exendin-4。然后，他们看了5分30分钟后发生的事情。它们使用氯化钾盐溶液作为对照。

正如预期的那样，胰腺细胞对葡萄糖的反应是制造囊泡，实质上是小的胰岛素包。在最初的5分钟里，只出现了几个囊泡——每个囊泡都密密麻麻地充满了激素。30分钟后，细胞对葡萄糖产生了更多的反应，并将它们送到细胞膜表面。这个序列并不新鲜——它是细胞的一种常见功能——但之前从未在时间序列中被详细观察过。

当细胞暴露于exendin-4时，它接受了戏剧性的变化。exendin-4达到胰腺β细胞后，整个细胞迅速加速胰岛素输出。

“它对电池进行涡轮增压，使其更有效率，你可以观察它是如何工作的，”怀特说。“这几乎就像看着洛杉矶高速公路上混乱的交通突然变得井然有序，快速高效地运行。”

具体来说，线粒体体积增加了，在内质网的帮助下，许多囊泡包出现在线粒体周围，尽管科学家们不确定其机制。随着这些包迅速增加，它们充满了胰岛素，并开始向细胞表面移动，释放到血液中。在这一过程中，发生了一些不同寻常的事情:胰岛素包越来越多，越来越大，像气球一样积累成熟的胰岛素，不断上升和膨胀。它们向上漂浮到细胞膜上，在细胞内部扩散得更远更宽。

观察结果准确地显示了细胞对糖尿病药物的反应。新的成像技术也为开发更好的药物提供了可能，以精确地靶向疾病并减少副作用。

也有一些惊喜。通过CET成像，科学家们发现，在产生胰岛素的过程中，一些线粒体(通常被称为细胞的“发电站”)的行为因其金属或钙含量以及它们所在的细胞附近而不同。

这两项研究中使用的成像技术有更广泛的应用。类似的方法可以用于研究其他类型的分泌激素的细胞，以及干细胞分化过程中发生的变化。

“下一代了解生命的结构是收敛和整合我们在分子和细胞水平之间的数据，”史蒂文斯说。“这两篇论文是我们寻求在不同尺度上弥合这些数据的主要步骤，以更好地了解疾病，并在这种特定情况下进行胰腺β细胞和糖尿病。”

超过3400万美国成年人有糖尿病，5人不知道。该疾病是该国死亡的第七名和肾衰竭的主要原因，下肢截肢和成年失明。根据美国疾病控制和预防中心，过去20年诊断患有糖尿病的成年人数量增加了一倍多。

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