从功能到单细胞：胰岛生物学与糖尿病研究中的分析(analytical)创新技术

《Annual Review of Analytical Chemistry》：From Function to Single Cells: Analytical Innovations in Islet Biology and Diabetes Research

　　

朗格汉斯胰岛(Islets of Langerhans)是胰腺的内分泌部分，可释放不同肽类激素以调控血糖。这些激素的释放在多种代谢性疾病中发生紊乱，凸显了理解此组织生物学的必要性。研究人员曾开发出若干值得注意的分析方法来研究胰岛及其分泌激素，包括获诺贝尔奖的胰岛素发现、其氨基酸序列测定及放射免疫分析法(radioimmunoassay, RIA)的建立。胰岛研究的进展由分析方法的进步推动；新工具与技术随新兴生物学见解不断完善，创造了理想的发现环境。本文研究人员对过去5年朗格汉斯胰岛分析方面的分析进展进行了批判性综述。主题包括功能性检测、蛋白质组学(proteomics)、代谢组学(metabolomics)、质谱成像(mass spectrometry imaging, MSI)、单细胞多组学(single-cell -omics)及多模态检测。

论文解读：《From Function to Single Cells: Analytical Innovations in Islet Biology and Diabetes Research》

研究背景与意义

糖尿病是影响全球数亿人的流行病，其核心病理改变与朗格汉斯胰岛(Islets of Langerhans)——特别是β细胞的胰岛素分泌功能密切相关。传统研究依赖放射免疫分析(RIA)或酶联免疫吸附测定(ELISA)检测群体胰岛激素分泌，且多聚焦于单一激素，难以揭示胰岛内异质性及各内分泌细胞（α、β、δ、ε及PP细胞）间复杂的旁分泌互作。此外，传统方法无法捕捉单细胞水平的动态分泌振荡及空间分辨的分子特征。随着分析化学技术的进步，微流控(microfluidics)、液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)、单细胞组学及质谱成像等技术为在更高时空分辨率、多组分同时检测及单细胞/空间维度解析胰岛生物学提供了新契机。该综述由M. G. Roper等人撰写，发表于《Annual Review of Analytical Chemistry》2026年第19卷，旨在系统梳理近5年应用于胰岛生物学与糖尿病研究的分析技术创新。

主要关键技术方法

研究人员通过文献归纳总结了以下关键技术：利用玻璃或PDMS微流控芯片结合在线或离线LC-MS/MS检测胰岛灌流分泌物以实现多激素同步定量；采用荧光各向异性免疫分析(fluorescence anisotropy immunoassay, FA-IA)在微流控系统中实现单细胞水平胰岛素或C-肽分泌的实时无分离检测；应用微电极阵列(microelectrode array, MEA)记录胰岛细胞外慢电位波(slow potential waves)以间接评估β细胞去极化与分泌功能；基于纳米级样品处理(nanoPOTS/microPOTS)、串联质量标签(tandem mass tag, TMT)标记及激光捕获显微切割(laser capture microdissection, LCM)联合高灵敏度LC-MS进行低样品量胰岛蛋白质组与空间蛋白质组分析；利用毛细管电泳-电喷雾电离-质谱(capillary electrophoresis-electrospray ionization-mass spectrometry, CE-ESI-MS)结合基质辅助激光解吸/电离质谱成像(matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry imaging, MALDI-MSI)分析单细胞代谢产物及组织空间分布；采用单细胞RNA测序(scRNA-seq)、单细胞ATAC测序(scATAC-seq)及多模态单细胞质谱流式(cytometry by time-of-flight, CyTOF)解析胰岛细胞异质性与基因调控。

研究结果

DIABETES AND ISLETS OF LANGERHANS（糖尿病与朗格汉斯胰岛）

胰岛由约500–5000个细胞组成的簇构成，含五种内分泌细胞类型，通过分泌胰高血糖素(glucagon)、胰岛素(insulin)、生长抑素(somatostatin)、胃饥饿素(ghrelin)及胰多肽(pancreatic polypeptide)协同维持血糖稳态。糖尿病（T1D为β细胞缺失致绝对胰岛素缺乏；T2D为外周胰岛素抵抗伴相对缺乏）发病机制研究亟需更精细的分析手段解析胰岛功能与分子特征。

ADVANCES IN FUNCTIONAL TESTING（功能性检测进展）

传统胰岛灌流结合分馏收集与RIA/ELISA存在掩盖异质性及时间分辨率低的问题。近5年LC-MS/MS被引入胰岛分泌检测：2021年研究建立静态孵育胰岛当量(islet equivalents, IEQ)的LC-MS/MS多反应监测(multiple reaction monitoring, MRM)法，检出限(LOD)胰岛素0.2 nM、C-肽0.5 nM等，添加水解牛血清白蛋白减少胰岛素非特异性吸附；2023年将微流控灌流与固相萃取(solid-phase extraction, SPE)-MS联用实现时间分辨四激素同步检测；2025年实现微流控-LC-MS在线联用，2分钟循环分析，质量LOD低于1 fmol，可检测全部四种激素并获多MRM离子对。Wilson实验室优化了Stem cell-derived islet organoids（干细胞衍生胰岛类器官）分泌物LC-MS检测，发现更换屏蔽熔融石英管路可显著降低胰岛素吸附，并通过琼脂糖凝胶电泳-电渗析去除培养基白蛋白干扰。针对单细胞水平，荧光各向异性免疫分析(FA-IA)可在PDMS微流控中无分离实时检测单个胰岛C-肽/胰岛素分泌并同步成像胞内Ca²⁺等；微电极阵列(MEA)记录单细胞胰岛葡萄糖刺激诱发的慢电位波双相变化，与离线ELISA测得的胰岛素双相分泌高度相关，CMOS-MEA甚至可记录胰岛内多单细胞电信号传播；细胞报告分析法利用表达生长抑素受体SST2的HeLa细胞通过荧光Ca²⁺指示剂实时监测单个胰岛生长抑素分泌。

PROTEOMICS（蛋白质组学）

常规分离胰岛后采用纳升流速毛细管LC-MS可定量>6800个蛋白，发现高糖诱导氧化应激相关蛋白变化。半靶向平台利用TiO₂或IMAC-SPE富集磷酸化肽段并结合10-plex TMT（其中一通道加β细胞系提升肽段鉴定），分析细胞因子处理的150个人胰岛样本，鉴定>25000个磷酸化肽段，发现STAT1激活参与炎症凋亡。单细胞蛋白质组学采用nanoPOTS/microPOTS降低反应体积提高回收率；质谱流式(CyTOF)用金属标记抗体分析百万级单细胞，揭示人胰岛β与α细胞生命周期增殖差异及T1D中存在残留β细胞与双激素细胞。空间蛋白质组学结合LCM与microPOTS-TMT实现胰岛与外分泌组织像素级差异定量；成像质谱 cytometry(imaging mass cytometry, IMC)与多重离子束成像(multiplexed ion beam imaging, MIBI)用金属标记抗体获~1 μm空间分辨率的蛋白图谱，用于糖尿病胰腺组织病理研究。

METABOLOMICS（代谢组学）

胞外代谢组(exometabolome)用NMR或GC-MS分析胰岛孵育液，发现T2D人胰岛柠檬酸与丙酮酸分泌增加，GLP-1促进糖酵解与戊糖磷酸途径。胞内代谢组用LC-MS靶向分析氨基酸与三羧酸循环代谢物，发现干细胞源与原代胰岛谷氨胺利用差异及炎症条件下色氨酸代谢紊乱。直接进样电喷雾电离探针可实现快速低体积样品筛查。MALDI-MSI与CE-MS联用先通过光学引导单细胞质谱鉴定细胞类型（检测激素肽），再提取代谢物分析，于α与β细胞中发现多巴胺；MALDI-MSI经Paternò–Büchi反应可定位脂质双键位置，人胰岛与小鼠胰岛神经节苷脂分布存在差异。

ADVANCES IN SINGLE-CELL -OMICS（单细胞多组学进展）

单细胞RNA测序(scRNA-seq)通过液滴或组合索引(combinatorial indexing)高通量解析胰岛各细胞类型、稀有亚群及糖尿病相关基因变异的细胞类型特异性调控。单细胞表观基因组如scATAC-seq揭示染色质可及性与糖尿病风险位点关联；sciMETv2等实现全基因组DNA甲基化分析；scCUT&Tag、scHi-C等解析转录因子结合与三维基因组构象。多模态检测通过差异标记或物理分离实现同一细胞mRNA-蛋白（CITE-seq、INs-seq）、染色质可及性-RNA（sci-CAR、SNARE-seq）、及多组合（ASAP-seq、paired tag等）联合分析，已用于原代胰岛与干细胞胰岛成熟研究。空间组学技术如seqFISH+、stereo-seq及基于测序的空间转录组（SM-Omics、Spatial CITE-seq等）将空间维度引入胰岛发育与T1D微环境监测。

CONCLUSIONS（结论）

分析技术的持续革新——涵盖微流控-LC-MS多激素检测、FA-IA与MEA单细胞功能分析、高灵敏单细胞/空间蛋白质组与代谢组质谱、及单细胞多组学与空间组学——极大拓展了对胰岛生物学及糖尿病机制的认识。未来研究将更多采用人供体胰岛、干细胞衍生胰岛及伪胰岛(pseudoislets)模型，并通过跨领域合作与商业化使尖端分析技术更广泛地服务于胰岛与糖尿病研究。

---完---