近日，上海科技大学大科学中心、物质科学与技术学院江怀东课题组，与上科大iHuman研究所Raymond C. Stevens课题组、加拿大光源王建研究员、上海光源邰仁忠团队合作，将X射线扫描相干衍射成像技术与高分辨电子显微技术相结合，实现了从完整胰岛B细胞到胰岛素囊泡的多尺度、多模态成像以及胰岛素囊泡内部锌、钙等关键元素的精确定位与量化分析。该技术有望用于研究糖尿病及其它离子调控失常类疾病的发病机制，为相应治疗药物的研发提供新思路。相关成果发表于国际知名期刊PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences)。
胰岛素是人体内唯一能够降低血糖的激素，主导着葡萄糖的吸收和存储，胰岛素缺乏将导致血糖失衡，引发糖尿病等疾病。胰岛B细胞是胰岛素的分泌细胞，其内部胰岛素囊泡的精细结构及胰岛素聚集体的含量与分布目前仍不清楚。研究团队利用同步辐射X射线光源，采用扫描相干X射线衍射成像方法，解决了传统成像中大视场与高分辨率之间的矛盾，实现了完整胰岛B细胞（INS-1E）的全景高分辨、高衬度成像。在此基础上，通过等斜率层析重建技术对细胞关键局部区域进行三维高分辨定量成像，获得了INS-1E细胞内胰岛素囊泡的三维形貌，直观展现了胰岛素囊泡的空间聚集行为和分布情况。
图1. （A-C）胰岛B细胞INS-1E局部三维成像结果及胰岛素囊泡分布，（D）锌元素在胰岛素囊泡内含量与分布图，（E）胰岛素囊泡中结晶的胰岛素聚集体。
胰岛素囊泡内锌、钙等元素与胰岛素的合成和分泌密切相关，缺失这些元素的确切含量及它们在胰岛素囊泡内具体位置分布等信息，会在不同程度上影响胰岛素分泌过程和血糖失调疾病的机理研究的有效性和精确性。本工作中，借助新型相干X射线衍射成像方法和谱学分析技术在高分辨定量生物成像方面的优势，联合研究团队得以精确测量胰岛素囊泡中锌和钙元素的含量及分布，并进一步确定了胰岛素在胰岛素囊泡中的精确位置，验证了葡萄糖对胰岛素分泌的促进作用。本研究创新性地将先进成像技术应用于探索胰腺B细胞结构，为大尺寸生物样品微观结构的定量分析提供了新方法。
该成果论文题为“Quantitative, in situ visualization of intracellular insulin vesicles in pancreatic beta cells”。上海科技大学物质学院博士研究生郭阿敏和大科学中心助理研究员张建华为论文共同第一作者，江怀东教授与范家东副研究员为共同通讯作者。
论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2202695119
