胰岛β细胞总量的非侵入性图像分析技术研究进展

姜文静 孙嘉星 朱晓波 (河北北方学院医学检验学院，河北 张家口 075000)

1型糖尿病(T1DM)是胰腺β细胞选择性自身免疫损伤的结果，当其绝大多数β细胞被破坏，β细胞总量(BCM)显著减少，胰岛素分泌不足时，出现高血糖。T2DM除外周胰岛素抵抗，肝葡萄糖产生增加外，研究表明，机体多个代谢紊乱可以对β细胞产生毒性作用，导致BCM降低，最高出现65%的β细胞损伤〔1〕。BCM的显著降低是T1DM和T2DM的共同特点。能够准确对BCM进行测定，了解BCM的动态变化，可以为DM治疗及包括胰岛移植的新的治疗学研究提供重要信息。目前，BCM的经典分析是利用组织切片，经免疫组化染色后进行形态学分析〔2〕，需要杀死实验动物并取出胰腺，临床研究也仅局限于尸体解剖。近年，一系列研究探讨了对活体内BCM进行非侵入性分析，建立了一些胰岛或胰岛β细胞图像分析技术，本文综述关于胰岛或胰岛β细胞图像分析技术的最新进展。

1 磁共振成像(MRI)

MRI技术的发展使它有可能进行非侵入性及重复进行胰岛或β细胞的图像分析。目前，主要应用在移植胰岛的研究。胰岛MRI的获取主要依赖于各种外源性增强剂移植前在体外标记胰岛或β细胞，以提高胰岛或β细胞的背景反差形成清晰图像，因此，寻找适于细胞表面标记是成像的关键。

过顺磁铁氧(SPIO)粒子一直用于血管MRI的增强剂，其在局部磁场的分布导致MRI可迅速测到质子相位差。研究发现，在体外胰岛与SPIO共培养，使其进入胰岛，MRI下可使胰岛成像。用结合荧光染料的SPIO表明，SPIO主要进入到胰岛β 细胞〔3〕。Evgenov等〔4〕表明，以 SPIO 标记的人胰岛在移植到免疫缺陷小鼠的肾囊或肝中后可以MRI。SPIO标记胰岛的MRI主要问题是SPIO信号的定量，特别是移植到肝的胰岛。MRI中胰岛显示低强度的点，这些点很难与MRI背景区别。这一方法对于接受胰岛移植的临床患者，胰岛图像是否有效，是否安全尚不清楚。

另一类 MRI增强剂是顺磁离子的应用(最典型的是Gd3+)，由于其增强的体积与细胞大小一致，产生的高强度点比SPIO标记更易鉴定和定量。Zheng等〔5〕合成了一个与细胞膜结合的亲脂性Gd3+复合物，通过共培养标记胰岛之后，在体外及植入纤维管对标记的胰岛和β细胞进行MRI。标记的β细胞在移植后15 d在MRI仍然成像。

此外，有潜力用于人体BCM分析的一个MRI技术是Mn2+强化MRI。这一技术并不是直接标记β细胞，而是当β细胞被葡萄糖激活时，Mn2+经由Ca2+通道在细胞内积累，进而MRI来分析β细胞活性。Antkowiak等〔6〕给正常及不同剂量链脲佐菌素(STZ)诱导的DM小鼠静脉灌注葡萄糖和Mn2+盐，Mn2+强化MRI敏感地监测到了不同情况下胰岛β细胞功能的变化，虽然该研究没有进一步分析与BCM的相关性，但在非侵入性分析BCM方面是最有希望的。

2 正电子发射断层扫描成像(PET)

PET广泛用于细胞成像及功能分析，其灵敏度比MRI更高，设备也比MRI便宜，成像花费时间短，需要加入靶向放射性示踪物，在体内与特异的分子或细胞结合。因此，胰岛或β细胞也可以PET并定量分析。由于胰岛很小，散在地分布于胰腺中，占整个胰腺的1% ～2%，且胰岛由以β细胞为主的多细胞组成，因此，有研究指出，胰岛或β细胞中靶向放射性示踪物探针的放射强度必须比外分泌胰腺强约1000倍〔7〕。

有研究探讨了一些分子作为潜在放射性示踪探针用于PET的可能性，如治疗T2DM的磺脲类，影响细胞糖代谢的6-脱氧-6-125碘-葡萄糖，靶向结合葡萄糖转运蛋白 2抗体(GLUT2)转运体的四氧嘧啶等或由于其低的组织特异性结合而广泛分布，或不能获得基本的信号-背景比，不适于作为PET的放射示踪探针。

近年发现能靶向结合胰岛或β细胞的一些多肽和抗体，可以用于胰岛或β细胞的PET及BCM定量分析。IC2是一种与胰岛β细胞特异结合的单克隆抗体，电镜下IC2广泛地与β细胞表面膜结合，Moore等〔8〕以放射性核素125I修饰单克隆抗体IC2，将其注射到小鼠体内，进行胰岛PET研究，结果表明正常及STZ损伤β细胞的糖尿病小鼠胰腺信号强度也显著差异，并且，信号强度与正常及糖尿病小鼠BCM呈正比，因为图像是在分离的胰腺完成的，目前不清楚该方法是否可用于临床。Ladriere等〔9〕用其他的单克隆抗体则不能区别对照大鼠和β细胞减少大鼠的PET信号差异。

一类放射性药剂已用于大脑和神经的PET。由于胰岛与神经共有一些基因表达，显示类似的功能，这些药剂也可能靶向结合胰岛或β细胞，进行PET和BCM分析。2型囊泡单胺转运体(VMAT2)在中枢系统多巴胺神经末端及胰岛β细胞表达。免疫组化分析表明，VMAT2和胰岛素共同定位于胰岛β细胞〔10〕。VMAT2存在于β细胞中储存胰岛素和多巴胺的囊泡膜，负责调节囊泡中多巴胺浓度。随胰岛素一起释放的多巴胺作用于邻近β细胞多巴胺受体，调节β细胞胰岛素的分泌。VMAT2的特异性配体二氢丁苯喹嗪(DTBZ)，已临床用于中枢神经PET，可以特异结合纯化的人胰岛，但不与胰腺外分泌部分结合。Souza等〔11〕将11C-DTBZ用于进行性自身免疫DM大鼠(BB-DP)体内胰岛成像，以监测BCM的变化，发现应用11CDTBZ形成的PET可以准确地反映BCM。

Goland等〔12〕将11C-DTBZ PET用于T1DM患者和健康人群的BCM分析，这是首次进行的临床研究，结果获得了清晰的图像及对VMAT2结合的定量分析。该方法表明，对人体BCM的PET定量分析是可行的，可以测到T1DM残余的β细胞。11CDTBZ PET在临床中枢系统成像的安全性提示该方法也可用于不同临床及实验条件下的人体BCM分析。

3 光学成像

光学成像是最敏感的成像方法，花费时间短，一些实验动物可以立即成像。但当光通过组织时，光子被发色团，主要是水、血红蛋白、黑色素吸收，限制了光子通透性，使其只能透过组织几厘米的厚度;此外，由于组织折射率差异，光子也出现散射，造成图像不清晰。因而，虽然该技术在啮齿类实验动物模型被证明是有价值的胰岛成像方法，但显然不适于人类及大型实验动物应用。

啮齿类实验动物模型已建立了胰岛或β细胞的生物发光图像技术。为形成生物发光图像，荧光素酶必须在胰岛细胞中表达，在底物荧光素、三磷酸腺苷(ATP)、Mg2+存在下，荧光素酶催化化学发光反应，用特定的成像设备在体外即可观察到图像。几个研究小组使用病毒载体将荧光素酶cDNA导入啮齿类及人的离体胰岛，形成标记胰岛，将该胰岛移植到小鼠肾囊或肝脏，在移植后数月可以反复及非侵入性地监视移植胰岛，并且表明标记胰岛的生物发光强度与移植到肾囊或肝脏的胰岛数量呈线性关系，最低可以检测到50个胰岛〔13，14〕，在提高移植胰岛生存率的临床相关研究方面显然是有价值的。

近年，三个小组建立了在胰岛素启动子控制下表达荧光素报告基因的转基因小鼠系，特别是Virostko等〔15〕建立的MIPLuc-VU小鼠系，更好地表明胰岛的生物发光强度与肥胖引起的BCM增加和STZ引起的BCM减少呈正比及移植后的BCM。基于此，该类转基因小鼠也有助于T1DM和T2DM中促进β细胞再生、减缓β细胞减少的实验研究等与BCM分析相关的研究。

基于荧光的光学方法也用于胰岛成像。荧光不同于生物发光，它需要激发光以产生光信号，而不是化学底物。Hara等〔16〕建立了受胰岛素启动子控制的可表达绿色或红色荧光蛋白的转基因小鼠系，以观察移植到肝脏的胰岛生存情况。

总之，在以上非侵入性胰岛或β细胞成像技术中，仅有11CDTBZ PET可以对人体进行胰岛成像及BCM相关分析，但这些技术仍处于早期阶段，在用于临床前仍需要技术的发展及进一步的评估。MRI、PET和光学图像分析已用于啮齿类DM模型以分析移植胰岛及不同情况下的BCM改变，为临床研究提供重要信息，最终将有助于人体生理及人类DM研究。

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