胰島β細胞總量的非侵入性圖像分析技術研究進展

姜文靜 孫嘉星 朱曉波 (河北北方學院醫學檢驗學院，河北 張家口 075000)

1型糖尿病(T1DM)是胰腺β細胞選擇性自身免疫損傷的結果，當其絕大多數β細胞被破壞，β細胞總量(BCM)顯著減少，胰島素分泌不足時，出現高血糖。T2DM除外周胰島素抵抗，肝葡萄糖產生增加外，研究表明，機體多個代謝紊亂可以對β細胞產生毒性作用，導致BCM降低，最高出現65%的β細胞損傷〔1〕。BCM的顯著降低是T1DM和T2DM的共同特點。能夠準確對BCM進行測定，了解BCM的動態變化，可以為DM治療及包括胰島移植的新的治療學研究提供重要信息。目前，BCM的經典分析是利用組織切片，經免疫組化染色后進行形態學分析〔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BCM進行非侵入性分析，建立了一些胰島或胰島β細胞圖像分析技術，本文綜述關于胰島或胰島β細胞圖像分析技術的最新進展。

1 磁共振成像(MRI)

MRI技術的發展使它有可能進行非侵入性及重復進行胰島或β細胞的圖像分析。目前，主要應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記胰島或β細胞，以提高胰島或β細胞的背景反差形成清晰圖像，因此，尋找適于細胞表面標記是成像的關鍵。

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致MRI可迅速測到質子相位差。研究發現，在體外胰島與SPIO共培養，使其進入胰島，MRI下可使胰島成像。用結合熒光染料的SPIO表明，SPIO主要進入到胰島β 細胞〔3〕。Evgenov等〔4〕表明，以 SPIO 標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用(最典型的是Gd3+)，由于其增強的體積與細胞大小一致，產生的高強度點比SPIO標記更易鑒定和定量。Zheng等〔5〕合成了一個與細胞膜結合的親脂性Gd3+復合物，通過共培養標記胰島之后，在體外及植入纖維管對標記的胰島和β細胞進行MRI。標記的β細胞在移植后15 d在MRI仍然成像。

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

2 正電子發射斷層掃描成像(PET)

PET廣泛用于細胞成像及功能分析，其靈敏度比MRI更高，設備也比MRI便宜，成像花費時間短，需要加入靶向放射性示蹤物，在體內與特異的分子或細胞結合。因此，胰島或β細胞也可以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細胞為主的多細胞組成，因此，有研究指出，胰島或β細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，影響細胞糖代謝的6-脫氧-6-125碘-葡萄糖，靶向結合葡萄糖轉運蛋白 2抗體(GLUT2)轉運體的四氧嘧啶等或由于其低的組織特異性結合而廣泛分布，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。

近年發現能靶向結合胰島或β細胞的一些多肽和抗體，可以用于胰島或β細胞的PET及BCM定量分析。IC2是一種與胰島β細胞特異結合的單克隆抗體，電鏡下IC2廣泛地與β細胞表面膜結合，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，進行胰島PET研究，結果表明正常及STZ損傷β細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別對照大鼠和β細胞減少大鼠的PET信號差異。

一類放射性藥劑已用于大腦和神經的PET。由于胰島與神經共有一些基因表達，顯示類似的功能，這些藥劑也可能靶向結合胰島或β細胞，進行PET和BCM分析。2型囊泡單胺轉運體(VMAT2)在中樞系統多巴胺神經末端及胰島β細胞表達。免疫組化分析表明，VMAT2和胰島素共同定位于胰島β細胞〔10〕。VMAT2存在于β細胞中儲存胰島素和多巴胺的囊泡膜，負責調節囊泡中多巴胺濃度。隨胰島素一起釋放的多巴胺作用于鄰近β細胞多巴胺受體，調節β細胞胰島素的分泌。VMAT2的特異性配體二氫丁苯喹嗪(DTBZ)，已臨床用于中樞神經PET，可以特異結合純化的人胰島，但不與胰腺外分泌部分結合。Souza等〔11〕將11C-DTBZ用于進行性自身免疫DM大鼠(BB-DP)體內胰島成像，以監測BCM的變化，發現應用11CDTBZ形成的PET可以準確地反映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，結果獲得了清晰的圖像及對VMAT2結合的定量分析。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細胞。11CDTBZ PET在臨床中樞系統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 光學成像

光學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。但當光通過組織時，光子被發色團，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，光子也出現散射，造成圖像不清晰。因而，雖然該技術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用。

嚙齒類實驗動物模型已建立了胰島或β細胞的生物發光圖像技術。為形成生物發光圖像，熒光素酶必須在胰島細胞中表達，在底物熒光素、三磷酸腺苷(ATP)、Mg2+存在下，熒光素酶催化化學發光反應，用特定的成像設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導入嚙齒類及人的離體胰島，形成標記胰島，將該胰島移植到小鼠腎囊或肝臟，在移植后數月可以反復及非侵入性地監視移植胰島，并且表明標記胰島的生物發光強度與移植到腎囊或肝臟的胰島數量呈線性關系，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熒光素報告基因的轉基因小鼠系，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，該類轉基因小鼠也有助于T1DM和T2DM中促進β細胞再生、減緩β細胞減少的實驗研究等與BCM分析相關的研究。

基于熒光的光學方法也用于胰島成像。熒光不同于生物發光，它需要激發光以產生光信號，而不是化學底物。Hara等〔16〕建立了受胰島素啟動子控制的可表達綠色或紅色熒光蛋白的轉基因小鼠系，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細胞成像技術中，僅有11CDTBZ PET可以對人體進行胰島成像及BCM相關分析，但這些技術仍處于早期階段，在用于臨床前仍需要技術的發展及進一步的評估。MRI、PET和光學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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