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機制
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)下進行長期活體顯微成像的平臺。該技術通過顱窗結(jié)合氣墊浮動式固定系統(tǒng)，實現(xiàn)了對光學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。研究團隊成功在單細胞分辨率下記錄了胰島β細胞在葡萄糖刺激下的鈣離子動態(tài)變化，揭示了麻醉劑對細胞信號傳導的干擾效應，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
研究團隊通過精細的顱窗手術將表達GCaMP3鈣指示劑的胰島細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，結(jié)合金屬頭架實現(xiàn)機械穩(wěn)定性。這一設計使得在Mobile HomeCage系統(tǒng)中對清醒小鼠進行長達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反應蛋白等炎癥指標，證實移植過程未引發(fā)顯著免疫反應，為長期觀測奠定了基礎。
通過靜脈注射TMR-葡聚糖（2000 kDa）和凝集素-649進行血管標記，研究發(fā)現(xiàn)移植后3周內(nèi)胰島即出現(xiàn)宿主血管浸潤，10周后血管體積占比達到30%。三維重建顯示新生血管在β細胞團內(nèi)均勻分布，且血管直徑隨時間推移逐漸穩(wěn)定在6μm以上。更重要的是，免疫熒光染色證實移植胰島獲得了自主神經(jīng)支配：囊泡乙酰膽堿轉(zhuǎn)運體（VAChT）陽性的副交感纖維深入胰島內(nèi)部，而酪氨酸羥化酶（TH）陽性的交感神經(jīng)纖維雖在胰島內(nèi)分布稀疏，但在硬腦膜基底層形成密集網(wǎng)絡。
03血流動力學與血管通透性特征
研究首次對比了清醒與麻醉狀態(tài)下胰島毛細血管的血流速度。通過高速熒光成像（55.5幀/秒）追蹤DiD標記的紅細胞，發(fā)現(xiàn)異氟烷麻醉會使血流速度提升74%，而血管直徑未見顯著變化。在血管通透性方面，通過同時注射10 kDa和2000 kDa的葡聚糖分子，證實胰島內(nèi)血管的滲漏速率顯著低于周圍硬腦膜血管，表明移植胰島形成了具有特定功能特征的血管網(wǎng)絡。
04β細胞鈣信號傳導的生理調(diào)控
利用GCaMP3熒光成像技術，研究團隊在單細胞水平記錄了葡萄糖刺激下的鈣離子振蕩。在清醒小鼠中，皮下注射葡萄糖（2g/kg體重）可引發(fā)典型的慢振蕩（周期60-600秒），其振幅隨刺激時間逐漸降低19%-34%，振蕩周期同步縮短。值得注意的是，β細胞網(wǎng)絡同步性在整個過程中保持穩(wěn)定，而平臺期（活性狀態(tài)持續(xù)時間）比例持續(xù)增加12%，表明細胞群落在高代謝需求下維持了協(xié)調(diào)的激活狀態(tài)。對比實驗顯示，異氟烷麻醉會使振蕩振幅降低48%，并顯著抑制胰島素分泌；而Hypnorm鎮(zhèn)靜劑對鈣信號影響較小，更接近生理狀態(tài)。
05人源胰島的功能驗證
通過將50個人源胰島移植至免疫缺陷Rag1-/-小鼠硬腦膜，研究證實移植后4周內(nèi)胰島仍保持葡萄糖刺激下的C肽分泌能力。在腹腔葡萄糖耐量試驗中，人源C肽水平在注射后30分鐘達到峰值，與內(nèi)源性小鼠胰島素分泌曲線形成互補，證明移植胰島已成功整合入宿主代謝系統(tǒng)。這一發(fā)現(xiàn)為糖尿病細胞治療研究提供了新的評估模型。
創(chuàng)新與亮點
01突破光學成像的生理屏障
本研究最突出的技術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)的氣墊懸浮設計，成功將頭部固定帶來的機械振動降至最低，實現(xiàn)了在自由活動動物體內(nèi)進行亞細胞級分辨率的穩(wěn)定觀測。該平臺支持連續(xù)數(shù)月的縱向研究，為慢性疾病進程的動態(tài)監(jiān)測提供了可能。
研究整合了共聚焦顯微、熒光相關光譜和三維重建等多種光學技術，形成了多層次觀測體系。通過同步采集GCaMP3鈣信號與組織背向散射信號，不僅可追蹤鈣動態(tài)，還能實時解析胰島形態(tài)變化。利用2-NBDG葡萄糖類似物進行熒光示蹤，首次精確記錄了皮下注射后葡萄糖向硬腦膜區(qū)域的轉(zhuǎn)運動力學（半峰時間約5分鐘），為代謝研究提供了時間標尺。
03在生物醫(yī)學領域的應用價值
該技術為糖尿病研究提供了前所未有的在體觀測窗口，使得科學家能夠直接觀察胰島β細胞在生理條件下的信號網(wǎng)絡協(xié)調(diào)機制。對麻醉劑干擾效應的量化分析，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，為細胞治療評估開辟了新路徑。該平臺可擴展至其他微器官研究，有望推動內(nèi)分泌學、神經(jīng)科學和腫瘤學等多個領域的活體成像技術革新。
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)定性光學觀測范式。技術核心在于巧妙結(jié)合顱窗手術與浮動式固定系統(tǒng)，攻克了活體成像中機械穩(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胞功能的干擾程度，為代謝研究提供了更可靠的實驗模型。從技術發(fā)展視角看，該平臺為超分辨顯微技術（如STED、STORM）在活體中的應用鋪平了道路，未來有望實現(xiàn)對胰島素囊泡轉(zhuǎn)運、細胞器互作等亞細胞過程的動態(tài)解析。盡管當前研究聚焦于胰島功能，但其技術框架可平行移植至其他領域——例如通過標記特定神經(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、光片顯微等先進技術的引入，這一平臺有望成為連接細胞生物學與整體生理學的重要橋梁，推動生物醫(yī)學研究向更高時空精度邁進。
聲明：本文僅用作學術目的。
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.
