胰腺α细胞通过调节胰岛内β细胞动态网络参与营养素稳态的维持

《SCIENCE ADVANCES》：Pancreatic α cells are required for nutrient homeostasis by regulating dynamic β cell networks in islets

　　

胰腺胰岛含有α、β、γ和δ细胞，作为感应器与效应器共同调控葡萄糖稳态。尽管α细胞的重要性已被认识，但其似乎仅在代谢应激条件下才对葡萄糖耐受性产生影响。研究人员利用诱导性小鼠α细胞消融模型（GluDTR），发现模拟进餐的氨基酸加入后，葡萄糖耐受性显著下降。通过微电极阵列（Microelectrode Array，MEA）分析胰岛β细胞分泌及电活动时，单纯葡萄糖条件下GluDTR与野生型小鼠差异较小，但加入氨基酸后差异显著。高密度MEA分析功能性胰岛β细胞网络显示：野生型中存在不同位置的"主导区（leader regions）"、高度同步化及大细胞簇激活；GluDTR胰岛中主导区特征保留，但同步性、簇大小及信号传播速度大幅降低。因此，即便无代谢应激，α细胞也通过调控β细胞网络的动力学参与营养素稳态的维持。

《SCIENCE ADVANCES》刊发研究解读：胰腺α细胞通过调节胰岛β细胞动态网络维持营养素稳态

本研究围绕胰腺胰岛内α细胞与β细胞间旁分泌互作（paracrine crosstalk）及其对β细胞功能网络调控作用的未知机制展开。已有认知认为α细胞主要在低血糖时代偿性分泌胰高血糖素（glucagon），且α细胞缺失仅在代谢应激或老龄小鼠中影响糖耐量；但近年研究发现α细胞可感受氨基酸并分泌胰高血糖素及少量胰高血糖素样肽-1（Glucagon-Like Peptide-1，GLP-1），可能通过cAMP通路影响β细胞。然而，α细胞在生理营养刺激（尤其是氨基酸联合葡萄糖）下如何调控β细胞电活动及功能耦联网络仍不明确。本研究采用α细胞特异性白喉毒素受体（Diphtheria Toxin Receptor，DTR）诱导消融小鼠模型（GluDTR），结合经典及高密度微电极阵列（High-Density Microelectrode Array，HD-MEA）电生理记录、体外胰岛素分泌检测及外源性激素回补实验，阐明α细胞经其分泌的胰高血糖素等产物作用于β细胞上glucagon receptor（GCGR）及GLP-1 receptor（GLP-1R），提升β细胞在第二相的电活动振幅、细胞间同步性及功能簇规模，加快电信号的跨胰岛传播速度，从而在餐后氨基酸存在条件下增强葡萄糖诱导的胰岛素分泌与血糖调控。该工作证明α细胞在非应激生理营养状态下亦为胰岛功能网络所必需，修正了传统对α细胞仅具升血糖反向调节功能的单一认知。

研究人员主要关键技术方法如下：构建并采用胰岛α细胞特异性表达人DTR的诱导消融小鼠模型（GluDTR，C57BL/6N背景），腹腔注射白喉毒素（Diphtheria Toxin，DT）选择性清除α细胞，野生型（Wild Type，WT）为对照；进行小鼠腹腔葡萄糖耐量及葡萄糖-氨基酸混合耐量（含19种氨基酸混合物 Amino Acid Mix，AAM）测试，测定血胰岛素与C肽；分离原代胰岛行静态胰岛素分泌实验，分别给予不同葡萄糖浓度（3/8 mmol/L，即G3/G8）、AAM、外源glucagon、GLP-1、腺苷酸环化酶激活剂forskolin及直接胞吐刺激物mastoparan；采用常规MEA记录慢电位（Slow Potential，SP）频率与振幅；采用HD-MEA（电极间距30 μm）分析β细胞网络同步性、功能簇（cluster）大小、主导区（leader region）分布及信号传播初速度；部分实验加入GLP-1R拮抗剂exendin 9-39或外源glucagon进行回补验证；数据经Python自定义脚本做皮尔逊相关矩阵与层级聚类（UPGMA）分析。

结果部分：

α cells mediate the effect of amino acids on glycemia and insulinemia（α细胞介导氨基酸对血糖及胰岛素分泌的影响）

研究人员对WT与GluDTR小鼠行腹腔葡萄糖耐量试验（IPGTT），单独葡萄糖刺激时两组无差异；但在葡萄糖中加入AAM（模拟进餐后氨基酸负荷）后，WT小鼠血糖降幅显著增大（AUC降低），而GluDTR小鼠该降糖效应几乎消失。血胰岛素与C肽检测显示AAM使WT小鼠早期胰岛素分泌明显升高，GluDTR小鼠则无此升高。丙酮酸耐量试验、胰岛素耐量试验及空腹血糖/胰岛素均无组间差异。结论：α细胞是氨基酸联合葡萄糖刺激下增强胰岛素分泌和改善早期糖耐量的必要条件。

α cells enhance β cell electrical activity mainly during the second phase in the presence of AAM（α细胞主要在AAM存在时增强β细胞第二相电活动）

MEA记录显示，单纯葡萄糖（G6或G8.2 mmol/L）刺激时WT与GluDTR胰岛慢电位（SP）频率与振幅无明显差异；加入AAM后，WT胰岛SP第二相的频率与振幅显著升高，而GluDTR胰岛仅轻微升高（第二相频率与振幅分别仅为WT的约38%–45%和59%–48%）。外源加入1 nmol/L glucagon可恢复GluDTR胰岛第二相电活动至接近WT水平，GLP-1部分恢复，forskolin仅部分恢复。加入GLP-1R拮抗剂exendin 9-39削弱WT胰岛第二相电活动。结论：α细胞来源激素（尤其glucagon）通过GCGR/GLP-1R依赖途径增强葡萄糖+氨基酸刺激下β细胞第二相电活动。

α cells enhance β cell synchrony and cluster size（α细胞增强β细胞同步性与功能簇大小）

HD-MEA分析表明，随葡萄糖与AAM浓度升高，WT胰岛β细胞同步性（电极对皮尔逊相关系数）及同步功能簇占胰岛面积比例显著增大（G8.2+AAM时簇占比达~0.8），且形成大尺度簇；GluDTR胰岛同步性低、始终未形成大簇（簇占比不随刺激升高显著变化）。SP振幅与同步性显著正相关。结论：α细胞通过旁分泌信号促进β细胞间间隙连接耦联及同步化，扩大功能活动细胞簇。

α cells increase β cell cluster leader regions and signal speed but not their life span（α细胞增加β细胞簇主导区数量与信号传播速度但不改变其持续时间）

HD-MEA空间分析显示，WT与GluDTR胰岛电活动均多起始于胰岛周边（periphery），第一主导区（LR^1st）持续时间（寿命）两组无差异（约20–30 s）；但GluDTR胰岛中出现可定义主导区的比例更低，相邻主导区间距更小，整体网络连通性维持时间更短（约10% vs WT大部分时间），初始信号传播速度显著低于WT（0.5±0.2 μm/s vs 2.3±1.2 μm/s），且大范围全岛传播少见。结论：α细胞不决定主导区稳定性，但通过降低β细胞激活阈值增加可成为主导区的数量、扩大网络连通范围并加速跨胰岛电信号传播。

讨论部分结论翻译总结：

既往认为α细胞主要在低血糖时代偿升糖，本研究证实α细胞对氨基酸-葡萄糖共刺激下的营养稳态亦至关重要。MEA与HD-MEA揭示α细胞缺失削弱β细胞第二相电活动振幅（反映细胞间耦联减弱）、减小同步簇规模、减慢信号传播，这些可被外源glucagon回补，说明glucagon是主要介质并可经GCGR与GLP-1R双重作用。单纯葡萄糖下α细胞缺失体外电活动变化小但胰岛素分泌减少，提示α细胞激素还可经cAMP非依赖通路调节胞吐过程。本研究表明即使在非代谢应激的生理营养状态下，α-β细胞互作通过调控β细胞网络动力学确保适当的胰岛素应答，为理解胰岛功能及改进糖尿病治疗算法提供了新依据。