Stimulus-secretion coupling in pancreatic β-cells of healthy and diabetic rats in tissue slice preparation

Abstract

Eines der ersten Ereignisse in der Entwicklung von Diabetes des Typs 2 ist eine verringerte Kapazität der β-Zellen des Pankreas, Insulin als Antwort auf eine Stimulation mit Glukose zu sezernieren. Die Goto Kakizaki (GK) Ratte ist ein häufig genutztes Tiermodel, um diese defekte Insulinfreisetzung zu studieren. Ähnlich, wie kürzlich für Patienten mit Diabetes des Typs 2 gezeigt wurde, kommt es in diesem Tiermodell zu einer fehlregulierten Expression mehrerer der Proteine, die an der Ca2+-abhängigen Exozytose Insulin enthaltender Large Dense Core Vesikel (LDCV) beteiligt sind. Vorhergehende Studien konnten jedoch bisher keinen Defekt der Ca2+-abhängigen Schritte der Insulinsekretion aufzeigen. Diesen Studien fehlte jedoch entweder die zeitliche und räumliche Auflösung, um subtile Veränderungen der LDCV Freisetzung beobachten zu können, oder sie wurden in vitro anhand isolierter β-Zellen in primärer Zellkultur durchgeführt, einer Präparation, die bekannt ist dafür, dass sie die Sekretionsfunktion von β-Zellen negativ beeinträchtigt.Um den offensichtlichen Widerspruch zwischen den biochemischen Daten und den bisher durchgeführten physiologische Studien aufzulösen, haben wir mit der Gewebeschnitt Präparation des Pankreas der Ratte eine Methode etabliert, die dank der Bewahrung der komplexen zellulären Organisation mehr als bisherige Präparationen der in vivo Physiologie entspricht. Wir untersuchten den Zusammenhang von Stimulus evoziertem Ca2+ Einstrom und Insulin Sekretion in β-Zellen gesunder und diabetischer Ratten, indem wir den Vorgang der Exozytose mittels zeitlich hoch aufgelösten Messungen von Membrankapazität und Ganzzell Ionenströmen beobachteten.β-Zellen in frischen Gewebeschnitten des Pankreas antworteten auf eine Stimulation mit Glukose mit einem normalen, oszillierenden Anstieg der zytosolischen Ca2+ Konzentration. Ungeachtet dessen war die Sekretion von β-Zellen der GK Ratten gestört. Trotz vermutlich kompensatorischer Mechanismen, wie einer ausgeprägten Vergrößerung der Zellen und einer Erhöhung des spannungsabhängigen Ca2+ Einstroms, zeigten diabetische β-Zellen eine anfänglich geringere Freisetzungsgeschwindigkeit und verringerte Effektivität von Ca2+, Sekretion hervorzurufen wenn die Zellen mit hoch-frequenten depolarisierenden Stimuli gereizt wurden. Unerwarteterweise führte die intensive Erregung der Zellen mit zwei aufeinander folgenden Einheiten hoch-frequenter Stimulation zu einer ausgeprägten Erhöhung der Sekretion in diabetischen β-Zellen ( Bahnung ), wohingegen die gleiche Stimulation keine Veränderung in gesunden β-Zellen hervorrief. Letzteres steht in Übereinstimmung mit der häufig beobachteten paradoxen Hypersekretion, die sowohl in GK Ratten als auch Patienten mit Diabetes des Typs 2 durch stark depolarisierende Stimuli hervorgerufen wird. Mittels einer pharmakologischen Unterdrückung der Aktivität von Protein Kinasen konnten wir ferner zeigen, dass eine wahrscheinliche Erklärung für die von uns beobachteten Phänomene eine chronisch Erhöhte Aktivität der Protein Kinase C (PKC) ist. Eine Breitband Inhibierung von PKC Isoformen erhöhte sowohl die apparente Ca2+ Sensitivität der Exozytose und verhinderte die aktivitäts-abhängige Bahnung in β-Zellen diabetischer GK Ratten.Wir kommen zu dem Ergebnis, dass eine Erniedrigung der apparenten Ca2+ Sensitivität des sekretorischen Apparates der β-Zellen von GK Ratten an der defekten Insulin Sekretion bei Glukosestimulation beteiligt ist. Ferner schlagen wir vor, dass eine chronisch erhöhte Aktivität einer oder mehrerer PKC Isoformen am diabetischen Phänotyp von GK Ratten beteiligt ist.