《Nature Communications》：Mapping histologic and functional maturation of human endocrine pancreas across early postnatal periods
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人内分泌细胞分化和胰岛形态发生对决定胰岛细胞质量和功能至关重要，但这些过程的具体事件和时间线尚未完全明确。为深入理解人胰岛细胞的早期发育与成熟，研究人员收集了123例儿童胰腺标本，并绘制了从出生至10岁期间的形态学和时空变化图谱。利用定量分析及多种互补的组织成
人内分泌细胞分化和胰岛形态发生对决定胰岛细胞质量和功能至关重要，但这些过程的具体事件和时间线尚未完全明确。为深入理解人胰岛细胞的早期发育与成熟，研究人员收集了123例儿童胰腺标本，并绘制了从出生至10岁期间的形态学和时空变化图谱。利用定量分析及多种互补的组织成像方法（包括共聚焦显微技术和全片多层成像），研究人员建立了内分泌细胞形成与胰岛结构的整合模型，涵盖内分泌细胞类型异质性与丰度、内分泌细胞增殖、胰岛血管化及神经支配等方面。此外，研究人员评估了2个月至10岁年龄段的儿科供体分离胰岛中胰岛素和胰高血糖素的分泌特征，发现胰岛素分泌成熟与胰高血糖素分泌成熟存在时间差异。这项关于出生后及儿童期胰腺胰岛发育的全面总结为后续研究以及整合与胰岛生物学和糖尿病风险相关的 emerging 遗传学和基因组学数据提供了框架。
本研究发表于《Nature Communications》，旨在系统性地揭示人类出生后早期胰岛发育的关键事件与时间轴，填补该领域长期存在的知识空白。
研究背景与问题
功能性β细胞质量的降低以及胰腺胰岛无法有效调控血糖稳态是所有类型糖尿病的基础。人类β细胞质量在产前时期个体差异可达40倍，成年期则差异3-5倍；成人胰岛组成也存在显著异质性。尽管已有研究表明儿童和成人胰岛的胰岛素分泌存在差异，但关于β细胞质量和胰岛细胞组成在产前及产后发育过程中的时空动态变化仍知之甚少。尤为重要的是，1型糖尿病的β细胞定向自身免疫反应常在生命前五年出现，而这一时期恰好是胰腺快速生长和胰岛发育活跃、组织发生显著重塑与成熟的关键阶段。然而，由于难以获取该阶段人体组织样本，加之在快速生长和重塑的器官中以分子分辨率可视化胰岛发育过程和细胞关系存在技术困难，人类从出生前到出生后早期的内分泌细胞发育定义一直面临挑战。
既往研究多聚焦于β细胞增殖与成熟，发现年轻β细胞在妊娠期和围产期具有较高的增殖能力，但出生后数年内其增殖能力和对有丝分裂原的反应性急剧下降。此外，葡萄糖刺激胰岛素分泌（Glucose-Stimulated Insulin Secretion, GSIS）的发育成熟时机尚不明确，其在胎儿期尚未出现，而儿童胰岛的基础胰岛素分泌低于成人胰岛；人类胰岛何时获得调控胰高血糖素分泌的关键反调节机制亦属未知。胰岛血管化和神经支配虽有产前描述，但产后特征尚未深入表征。基于小鼠胰腺发育的研究提示，这些过程可能以相互影响的方式调控内分泌细胞成熟。
研究人员开展的研究工作
为应对上述挑战，研究人员联合全美器官获取组织（Organ Procurement Organizations, OPOs），通过面向糖尿病的胰腺器官捐献者网络（Network for Pancreatic Organ Donors with Diabetes, nPOD）建立的基础设施，自2012年以来协调收集了超过100例出生后儿科器官标本，最终纳入123例从出生至10岁的无糖尿病儿童胰腺，以及14例成人供体作为对照。供体按关键发育里程碑分为三组：新生儿期（出生至≤2个月，n=36）、婴儿期（≥3个月至<24个月，n=36）和儿童期（≥2岁至≤10岁，n=51）。研究人员系统应用了互补的组织成像方法，包括共聚焦显微技术和全片多层成像（CO-Detection by indEXing, CODEX），对亚组样本进行分析。
研究方法与关键技术
本研究采用的核心技术方法主要包括：（1）大样本队列建立与标准化组织采集：通过全国性OPO合作网络获取胰腺标本，进行头、体、尾三部分冠状切片，采用多种固定方式保存；（2）传统免疫组织化学（Immunohistochemistry, IHC）染色与数字成像：利用激光扫描共聚焦显微镜和荧光显微镜获取图像，并通过公开可访问的Pancreatlas?平台进行数据共享；（3）CODEX多重抗体成像技术：应用31重标记面板对17例供体进行单细胞水平的多重蛋白检测，结合自定义"指纹"分析流程进行细胞类型注释和空间分析；（4）胰岛功能动态灌注分析：采用已建立的胰岛表型分析流程，对婴儿期（n=8）、儿童期（n=20）和成人（n=14）分离胰岛进行动态细胞灌注实验，通过放射免疫分析、酶联免疫吸附测定或均相时间分辨荧光测定法检测胰岛素和胰高血糖素浓度，并运用线性混合效应模型分析分泌轨迹差异；（5）定量图像分析算法：包括用于胰岛结构分析的归一化距离算法，以及基于随机森林分类器和StarDist插件的细胞分割与注释方法。
研究主要结果
新生儿期多能干/祖细胞和原内分泌细胞持续存在：通过检测GP2、PTF1A和NKX6.1等标志物，研究人员发现出生后胰腺上皮仍维持管状结构，NKX6.1表达不限于"躯干"区域，而是与PTF1A共定位于GP2+细胞的"尖端"区域，提示人类多能干/祖细胞（Multipotent Progenitor Cells, MPCs）可能在出生后持续存在。此外，PAX6+激素阴性原内分泌细胞在出生后仍可见，直至20个月龄，且新生儿期显著富集于导管区域（24.75±7.22%），这些细胞多共表达ISL1和NKX2-2，部分表达PDX1或ARX，符合β细胞和α细胞的预期谱系特异性转录因子特征。
新生儿期内分泌细胞更多位于小簇中：研究显示，新生儿期36.13±3.20%的内分泌细胞位于直径<50μm的小簇中，显著高于婴儿期（25.67±1.60%）和儿童期（24.15±1.13%），这一差异主要由β细胞驱动。婴儿期胰岛可见类似啮齿胰岛的β细胞核心和（α、δ细胞）外周结构，儿童期胰岛则与成人胰岛难以区分，分布更为稀疏。
儿童期胰岛β细胞比例增加而增殖细胞减少：总内分泌细胞比例在出生时最高（11.63±0.64%），之后显著下降。新生儿期β细胞（42.38±1.75%）、δ细胞（34.04±1.50%）和α细胞（23.58±1.31%）的比例在婴儿期发生显著变化：β细胞增至55.30±1.81%，δ细胞降至22.72±0.87%，α细胞维持在21.98±1.38%；该比例在儿童期保持稳定。Ki67+标记的增殖率在新生儿期已较低（β细胞1.31±0.24%，α细胞2.25±0.41%，δ细胞1.09±0.12%），婴儿期和儿童期进一步降低。
β细胞逐渐向胰岛周边迁移：通过归一化距离算法分析，新生儿期β细胞分布较均匀，而婴儿期和儿童期更多β细胞定位于胰岛周边区域（归一化距离0-0.3），儿童期α细胞和β细胞亚型在边界区域显著增多，δ细胞则减少，反映了向成人胰岛混合排列模式的转变。
胰高血糖素分泌成熟晚于胰岛素分泌：动态灌注实验显示，胰岛素分泌轨迹在婴儿期和儿童期相对接近，但与成人存在细微差异；基础胰岛素分泌儿童期显著低于成人（按胰岛当量标准化）。相比之下，胰高血糖素分泌轨迹在三组间存在显著全局差异，婴儿期在每个时间点的分泌量均低于儿童期，儿童期又低于成人；基础胰高血糖素分泌和低葡萄糖/肾上腺素刺激的胰高血糖素反应（曲线下面积）在儿童期和成人期显著高于婴儿期。cAMP增强的胰高血糖素分泌或高葡萄糖介导的胰高血糖素抑制未显示年龄间差异。
胰岛血管网络形成先于神经支配：CD31+血管结构在各发育阶段占比相似，但突触蛋白I/II标记的神经纤维在新生儿期和婴儿期变异性较大（10-40%胰岛有内部神经纤维），儿童期大多数胰岛（>60%）才获得内部神经纤维。CODEX成像显示新生儿期胰腺内神经节位于上皮簇之间，MCAM+SYP+纤维紧邻上皮，内皮细胞存在于发育中的胰岛和内分泌簇中并与MCAM+周细胞相邻。儿童期内皮细胞和周细胞数量较新生儿期有所下降，但胰岛内CD31+区域比例高于小簇。
巨噬细胞和T淋巴细胞贯穿整个产后胰腺发育：CD45+免疫细胞约占10.44%，其中约三分之二为巨噬细胞，各年龄段比例稳定。CD163+HLA-DR+巨噬细胞群在各期均丰富。PAX6+激素阴性原内分泌细胞在婴儿期/儿童期定位于簇中时比位于胰岛中时更频繁地接近免疫细胞。主成分分析显示胰岛特征变异主要由内分泌细胞组成和免疫细胞富集模式驱动。
讨论与结论
本研究通过迄今最大规模的儿童胰腺样本队列，建立了人类出生后胰岛发育的综合参考框架，将产前研究与本研究产后观察相连接。研究揭示的关键发现包括：胰腺大小的个体差异始于新生儿期，可能由宫内环境和遗传因素早期决定；内分泌细胞谱系分配在产前即已确定，但α、β、δ细胞比例在出生后迅速达到平衡；产后内分泌细胞新生可能持续存在，人类MPCs的术后持续性与小鼠模型存在显著差异；胰岛血管化和神经支配不同步，神经支配明显滞后；形态学与功能性胰岛细胞成熟期不同步，α细胞功能成熟显著晚于β细胞。
这些发现对理解1型糖尿病的发病机制具有重要意义，因为动态变化的早期胰岛可能构成自身免疫攻击的"易感窗口"。此外，确定影响青少年和成人期β细胞质量的产前和产后因素，可能为增强所有类型糖尿病的β细胞质量提供干预靶点。该研究框架还可与新兴遗传学和基因组学数据整合，推动未来利用多重成像、空间转录组学、蛋白质组学、脂质组学和基因组学等技术深入表征和认识生命第一个十年中胰岛内分泌细胞的表型特征、信号机制和功能成熟。
