三维成像揭示胰岛大小与内分泌组成影响1型糖尿病中胰岛丢失的规律

《Nature Communications》：3D imaging of human pancreas suggests islet size and endocrine composition influence their loss in type 1 diabetes

本研究针对1型糖尿病(T1D)中β细胞选择性丢失的病理机制，通过光片荧光显微镜(LSFM)技术对非糖尿病(ND)、单自身抗体阳性(GADA+)和短病程T1D患者的胰腺组织进行三维成像分析。研究发现T1D患者胰岛密度显著降低，其中小型胰岛素阳性胰高血糖素阴性(INS+GCG-)胰岛特异性丢失，而大型混合型(INS+GCG+)胰岛得以保留。该研究首次在三维层面揭示胰岛大小和细胞组成差异与T1D进展的关联，为疾病机制研究提供新视角。

　　

在糖尿病研究领域，胰腺中微小的内分泌器官——胰岛的奥秘始终是科学家们探索的重点。特别是1型糖尿病（T1D），其本质是机体免疫系统异常攻击并摧毁分泌胰岛素的β细胞，导致血糖调节失控。尽管医学界早已明确这一核心病理特征，但关于胰岛在健康与疾病状态下的真实样貌——包括其数量、大小、三维分布以及不同类型内分泌细胞的组成比例——仍存在诸多认知空白。传统研究多依赖于二维（2D）显微技术，这种方法犹如管中窥豹，难以全面还原胰岛在完整器官中的空间结构和细胞间复杂关系。更棘手的是，以往关于胰岛中β细胞占比约60%、α细胞占30%的经典结论，以及患者出现症状时β细胞已损失85-95%的长期观点，正受到新研究数据的挑战。这些知识缺口直接制约了对11型糖尿病发病机制，尤其是在疾病早期阶段究竟发生了什么事件的深入理解。为了更清晰地描绘这幅蓝图，并为最终实现保护或重建β细胞功能的治疗策略指明方向，开发能够全景式呈现胰岛特征的新技术迫在眉睫。

正是在此背景下，由Mark A. Atkinson教授领衔的研究团队在《Nature Communications》上发表了他们的最新成果。他们运用先进的三维（3D）光片荧光显微镜（LSFM）成像技术，对来自非糖尿病（ND）、单自身抗体阳性（GADA+，被视为1型糖尿病0期）以及短病程1型糖尿病（T1D）捐献者的胰腺样本进行了高精度扫描和定量分析，旨在揭示1型糖尿病自然进程中胰岛丢失的具体模式及其潜在规律。

本研究的关键技术方法主要包括：利用nPOD（Network for Pancreatic Organ Donors with Diabetes）项目提供的、经标准操作流程处理的人类胰腺尾端组织样本（ND 8例、GADA+ 5例、短病程T1D 6例）；采用改进的iDISCO方案对组织进行免疫染色（标记胰岛素INS和胰高血糖素GCG）、脱水和透明化处理；通过光片荧光显微镜（LSFM）进行三维图像采集；最后使用Imaris软件进行三维重建、表面渲染和定量分析，统计包括内分泌对象（EO）的密度、体积、细胞组成和大小分布等参数。

结果部分：

T1D中胰岛密度降低且INS⁺GCG^-胰岛比例减少

三维成像和定量分析清晰显示，与ND和GADA+组相比，短病程T1D捐献者的胰腺中，胰岛素阳性（INS⁺）组织的体积显著减少，而胰高血糖素阳性（GCG⁺）组织的体积在三组间无显著差异。更重要的是，T1D组的总内分泌对象（EO）密度（即单位体积胰腺组织中的EO数量）急剧下降。在细胞组成方面，ND和GADA+胰腺中约一半的EO是INS⁺GCG^-类型，但这些EO仅占总EO体积的一小部分（约8-10%）。相反，INS⁺GCG⁺的EO虽然数量上约占三分之一，却占据了总EO体积的绝大部分（约90%）。在T1D胰腺中，情况发生了根本性转变：INS⁺GCG^-的EO几乎完全丢失，而INS^-GCG⁺的EO（可能代表“假性萎缩”的胰岛）成为绝对主体。残余的INS染色几乎完全存在于INS⁺GCG⁺的胰岛内。这表明，在T1D中，β细胞的丢失并非均匀发生，而是与胰岛的内分泌细胞组成密切相关。

T1D胰腺中INS⁺细胞簇和小型胰岛减少

研究人员进一步根据体积将所有EO分为四类：细胞簇（3,000 - 10⁴μm³）、小型胰岛（10⁴- 10⁵μm³）、中型胰岛（10⁵- 10⁶μm³）和大型胰岛（≥10⁶μm³）。分析发现，ND和GADA+组的EO大小分布相似且呈正态分布。然而，在T1D组中，细胞簇、小型和中型胰岛的密度显著降低，而大型胰岛的密度得以保留。具体到含INS的EO（ICEO），其在细胞簇和小型胰岛尺寸范围内的比例在T1D中显著降低，大型胰岛成为T1D中残余ICEO的主要组成部分。同时，INS缺陷型EO（IDEO）在T1D中更为常见，且在ND和GADA+组中主要局限于细胞簇和小型胰岛。这些数据表明，在T1D发展过程中，小的INS⁺细胞簇和小型胰岛更容易丢失。

T1D中残余INS主要保存在大型INS⁺GCG⁺胰岛中

对不同类型EO在不同大小区间的分布进行细致分析发现，在ND和GADA+胰腺中，INS⁺GCG^-的EO主要集中在小尺寸区间（细胞簇和小型胰岛），大型的INS⁺GCG^-胰岛在所有三组中都几乎不存在。INS⁺GCG⁺的EO在ND和GADA+组中主要分布在中型胰岛区间，而在T1D组中，残余的含INS的EO在尺寸上明显向更大的INS⁺GCG⁺胰岛偏移。此外，在T1D的大型胰岛内部，INS信号所占的体积比也显著低于ND和GADA+组。对于INS^-GCG⁺的EO，在ND和GADA+组中主要见于细胞簇和小型胰岛，而在T1D组中，其在所有尺寸区间的比例都显著升高，这很可能对应了传统2D观察中描述的具有不规则形态的假性萎缩胰岛，而3D成像能更好地展现其整体形态。

综合以上研究结果，可以得出以下结论：利用高分辨率三维成像技术，本研究揭示了人类1型糖尿病进程中胰岛丢失并非随机事件，而是呈现出明显的尺寸和细胞组成依赖性。具体表现为，主要由β细胞构成的小型INS⁺GCG^-胰岛和细胞簇在疾病早期即发生严重丢失，而含有更多样内分泌细胞（特别是α细胞）的大型INS⁺GCG⁺混合胰岛则表现出相对的耐受性或韧性，得以在发病后存留。这一发现为理解1型糖尿病的病理机制提供了全新的三维视角。

其重要意义在于：首先，它挑战了关于胰岛均质性和β细胞均匀丢失的传统观点，强调了胰岛异质性的重要性。其次，研究结果将疾病早期事件聚焦于小型β细胞富集簇的丢失，这为探索1型糖尿病起始机制和早期干预靶点提供了新方向。尤其值得注意的是，年轻人胰岛通常更小，而他们的1型糖尿病进展往往更快，这与本研究发现的“小胰岛易损”现象相吻合，可能部分解释了疾病进展速度的差异。最后，研究揭示了GADA+（0期）个体的胰岛特征与非糖尿病对照组高度相似，提示显著的胰岛结构改变可能发生在更接近临床发病的阶段。尽管本研究存在一些局限性，如仅分析了胰腺尾部部分区域、样本量相对有限、属于横断面研究等，但它无疑为未来研究开辟了道路。例如，结合免疫细胞标记进行三维成像以观察胰岛炎（insulitis）的发生，以及对具有多种自身抗体的更高风险个体进行研究，将有助于更完整地描绘1型糖尿病的自然史。总之，这项研究标志着我们在三维尺度上理解人类胰腺胰岛结构及其在自身免疫糖尿病中命运转变的重要一步，对最终实现疾病的早期预测、精准干预和有效治疗具有深远的启示意义。