顱窗結(jié)合氣墊浮動式固定系統(tǒng)動態(tài)捕捉清醒小鼠胰島響應(yīng)機(jī)制

本研究創(chuàng)新性地將胰腺胰島移植至小鼠大腦硬腦膜上，建立了一個可在清醒狀態(tài)下進(jìn)行長期活體顯微成像的平臺。該技術(shù)通過顱窗結(jié)合氣墊浮動式固定系統(tǒng)，實現(xiàn)了對光學(xué)難以觸及組織的縱向在體觀測，為研究內(nèi)分泌組織的生理功能提供了突破性工具。研究團(tuán)隊成功在單細(xì)胞分辨率下記錄了胰島β細(xì)胞在葡萄糖刺激下的鈣離子動態(tài)變化，揭示了麻醉劑對細(xì)胞信號傳導(dǎo)的干擾效應(yīng)，為糖尿病研究提供了更接近生理狀態(tài)的觀測模型。

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》為題，于2025年11月在《Nature Communications》期刊正式發(fā)表。

重要發(fā)現(xiàn)
01硬腦膜移植模型的建立與驗證
研究團(tuán)隊通過精細(xì)的顱窗手術(shù)將表達(dá)GCaMP3鈣指示劑的胰島細(xì)胞移植至小鼠硬腦膜表面，利用玻璃蓋片密封與牙科水泥固定技術(shù)，結(jié)合金屬頭架實現(xiàn)機(jī)械穩(wěn)定性。這一設(shè)計使得在Mobile HomeCage系統(tǒng)中對清醒小鼠進(jìn)行長達(dá)90分鐘的高穩(wěn)定性成像成為可能。移植后3周內(nèi)，通過監(jiān)測腫瘤壞死因子-α、干擾素-γ和C反應(yīng)蛋白等炎癥指標(biāo)，證實移植過程未引發(fā)顯著免疫反應(yīng)，為長期觀測奠定了基礎(chǔ)。

創(chuàng)新與亮點
01突破光學(xué)成像的生理屏障
本研究最突出的技術(shù)突破在于徹底擺脫了活體成像對麻醉劑的依賴。傳統(tǒng)顯微成像技術(shù)因麻醉劑對心血管系統(tǒng)和神經(jīng)活動的抑制，難以反映真實生理狀態(tài)。通過Mobile HomeCage系統(tǒng)的氣墊懸浮設(shè)計，成功將頭部固定帶來的機(jī)械振動降至最低，實現(xiàn)了在自由活動動物體內(nèi)進(jìn)行亞細(xì)胞級分辨率的穩(wěn)定觀測。該平臺支持連續(xù)數(shù)月的縱向研究，為慢性疾病進(jìn)程的動態(tài)監(jiān)測提供了可能。

03在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用價值
該技術(shù)為糖尿病研究提供了前所未有的在體觀測窗口，使得科學(xué)家能夠直接觀察胰島β細(xì)胞在生理條件下的信號網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)機(jī)制。對麻醉劑干擾效應(yīng)的量化分析，為臨床麻醉方案選擇提供了實驗依據(jù)。此外，硬腦膜作為免疫豁免部位的特征，使得跨物種移植（如人源胰島移植）的長期研究成為可能，為細(xì)胞治療評估開辟了新路徑。該平臺可擴(kuò)展至其他微器官研究，有望推動內(nèi)分泌學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和腫瘤學(xué)等多個領(lǐng)域的活體成像技術(shù)革新。

總結(jié)與展望
本研究通過將硬腦膜開發(fā)為微器官移植與成像新位點，成功建立了清醒動物體內(nèi)高穩(wěn)定性光學(xué)觀測范式。技術(shù)核心在于巧妙結(jié)合顱窗手術(shù)與浮動式固定系統(tǒng)，攻克了活體成像中機(jī)械穩(wěn)定性與生理真實性難以兼得的長期難題。實驗數(shù)據(jù)不僅揭示了胰島β細(xì)胞鈣振蕩的葡萄糖依賴性調(diào)控規(guī)律，更定量解析了不同麻醉劑對細(xì)胞功能的干擾程度，為代謝研究提供了更可靠的實驗?zāi)Ｐ汀�從技術(shù)發(fā)展視角看，該平臺為超分辨顯微技術(shù)（如STED、STORM）在活體中的應(yīng)用鋪平了道路，未來有望實現(xiàn)對胰島素囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞器互作等亞細(xì)胞過程的動態(tài)解析。盡管當(dāng)前研究聚焦于胰島功能，但其技術(shù)框架可平行移植至其他領(lǐng)域——例如通過標(biāo)記特定神經(jīng)元群體，或可探索大腦皮層對外周代謝的實時調(diào)控機(jī)制；而血管通透性量化方法則可為血腦屏障研究提供新工具。隨著多光子成像、光片顯微等先進(jìn)技術(shù)的引入，這一平臺有望成為連接細(xì)胞生物學(xué)與整體生理學(xué)的重要橋梁，推動生物醫(yī)學(xué)研究向更高時空精度邁進(jìn)。

DOI:10.1038/s41467-025-66057-4.