Electrophysiology of pancreatic A-, B- and D-cells studied in intact mouse islets of Langerhans

Abstract

Abstract



The electrophysiological properties of insulin-secreting b-cells, glucagon-releasing a-cells and somatostation-producing d-cells in intact mouse pancreatic islets were investigated using the perforated patch whole-cell technique. It is demonstrated that it is possible to functionally identify the different cell types in situ. The ?-cells have a cell capacitance of 7.4 pF and differ from the ?- and ?-cells in lacking TTX-sensitive Na+-channels. Patch-clamp analysis of ?-cells in intact islets was applied to explain the grouping of action potentials to bursts in b-cells exposed to intermediate glucose concentrations. Electrical stimulation resulted in the gradual development of an outward K+-current, which deactivated slowly upon cessation of stimulation with a time course broadly consistent with a role in bursting (Kslow-current). A similar current was seen in isolated ?-cells but the amplitude was reduced by >80%, possibly explaining the lack of bursting in these cells. Inhibition of Ca2+-influx abolished the Kslow- current but it was resistant to apamin and charybdotoxin, two blockers of Ca2+-activated K+-channels. Ca2+-entry may instead lead to activation of ATP-regulated K+-channels by accelerated ATP-consumption as suggested by the observation that the Kslow-current was partially blocked by tolbutamide. The ?-cells are smaller than ?-cells as witnessed by a lower value of the cell capacitance (4.4 pF). They contain an L-type Ca2+-current, a TTX-sensitive Na+-current and a delayed outward K+-current. They also contained KATP-channels but the channel density was <50% of that seen in ?-cells. Glucagon-secreting ?-cells were occasionally seen to generate overshooting action potentials in the absence of glucose. An increased glucose concentration (to inhibit glucagon release) suppressed electrical activity but the membrane potential was paradoxically more depolarised than in the absence of the sugar. The size of the ?-cells was comparable to that of the ?-cell (5 pF) and like the ?-cells they contained a Na+-current that remained activatable at physiological membrane potentials. However, the steady-state inactivation of the Na+-current in the ?-cells occurred at voltages 20 mV more negative than seen in ?-cells (-47 mV instead of –28 mV). The a-cells are equipped with KATP-channels but the density was only »15% of that in the ?-cell. It is proposed that glucose inhibits glucagon release by closing KATP-channels. The associated depolarization leads to inactivation of the Na+- and T-type Ca2+-channels culminating in suppression of ?-cell electrical activity and glucagon release.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Glukos är kroppens viktigaste energikälla och distribueras via blodet. Hjärncellerna är helt beroende av glukos för sin energiförsörjning. Nervceller har dålig förmåga att lagra glukos och låga blodsockerhalter påverkar negativt dessa cellers funktion och kan ytterst leda till koma och död. Det är därför inte förvånande att blodsockerhalten normalt hålles inom ganska snäva ramar. Blodsockerhalten sänks genom upptag av glukos i muskel-, lever- och fettceller och ökas genom frisättning från levern. Upptag, lagring och frisättning av glukos regleras framförallt av hormoner från de langerhanska öarna i bukspott-körteln. Var och en av dessa består av omkring 1000 celler och innehåller tre olika celltyper: Insulinfrisättande b-celler, gluka-gonfrisättande a-celler och somatostatin-frisättande d-celler. Insulin frisätts när blodsockerhalten är hög och sänker blodsockernivån medan glukagon frisätts vid låg blodsockerhalt och höjer blodsockerhalten genom att stimulera glukosfrisättningen från levern. Insöndring av somatostatin sker när blodsockerhalten är hög och detta hormon har ingen direkt effekt på blodsockerhalten utan påverkar insulin- och glukagonfrisättningen. En ökad kalciumkoncentration inuti öcellerna till följd av kalciuminflöde genom spänningskänsliga kalciumkanaler är sig-nalen som startar hormonfrisättningen i alla tre celltyper. Detta gör att all hormon-frisätting från de langerhanska öarna och därmed blodsockerreglering styrs av den elektriska spänningen över öcellernas cell-membran. Elektrisk spänning innebär att det finns en skillnad i antalet laddningar mellan cellmembranets ut- och insida. Dessa laddningar bärs av joner som inte kan passera cellmembranet fritt utan enbart genom speciella kanaler. a-, b- och d-cellernas membran innehåller olika jonkanaler som är specifikt genomsläppliga för natrium-, kalium- eller kalciumjoner. Membranpotentialen, och därmed hormon-frisättningen från öceller, regleras således av vilka och hur många jonkanaler som är öppna. b-cellen kopplar insulinfrisättningen till blodsockerhalten via en speciell kaliumkanal (KATP-kanalen). En ökad blod-glukoskoncentrationen leder till ökat glukosupptag i b-cellen. Då glukos metabo-liseras bildas ATP vilket binder till och stänger KATP-kanalen. Minskad kalium-genomsläpplighet höjer membranpo-tentialen och leder till kalciuminflöde genom spänningskänsliga kalciumkanaler och därmed ökad hormonfrisättning. Öcellernas elektrofysiologi är bäst undersökt i b-cellerna medan lite är känt om a-celler och nästan inget om d-celler. Alla undersökningar av jonkanaler i dessa celler har tidigare dock genomförts på isolerade celler som saknar sin naturliga omgivning i den langerhanska ön. Biokemiska studier visar att ö-cellerna påverkar varandra men lite är känt om vilka mekanismer som styr. Framförallt b-cellens svar då den stimuleras av glukos skiljer sig avsevärt beroende på om den undersöks i isolerade celler eller i en intakt ö. b-celler i intakta öar visar ett typiskt elektriskt mönster, det så kallade ”burst-mönstret”. Detta består av lång-samma (5-20) sekunder oscillationer i membranpotentialen samt elektriska signaler (aktionspotentialer) som genereras under tiden då cellmembranet är mera positivt laddat (se Figur 3A). Burst-mönsteret är av stor betydelse för regleringen av insulinfrisättningen, efter-som mängden frisatt insulin korrelerar med tiden som b-cellen fyrar aktionspotentialer. Isolerade b-celler, vilka vanligtvis används i elektrofysiologiska underskningar, visar inte detta beteende. I denna avhandling undersöks de jonkanaler som reglerar hormonfrisättning i intakta langerhanska öar. Det första arbetet beskriver hur jonkanalernas aktivitet kan uppmätas i intakta öar och hur det olika celltyperna kan skiljas åt med hjälp av deras elektrofysiologiska egenskaper. I det andra arbetet studeras de mekanismer som reglerar oscillationer i b-cellens elektriska aktivitet. Vi fann en kaliumström som aktiveras medan b-cellen genererar aktionspotentialer. Denna ström har egenskaper som kan förklara upp-kommsten av de långasamma oscil-lationerna och därmed delvis bestämma hur länge b-cellen är elektrisk aktivt samt hur mycket insulin som frisätts. Blockering av denna kanal borde leda till att det långsamma oscillationerna upphör och b-cellen oavbrutet genererar elektriska signaler. Ett stort problem vid sockersjuka (diabetes) är att dosera insulinfrisättningen rätt så att blodsockerhalten bara sänks när den är för hög. En nackdel med många antidiabetiska mediciner är att det höjer insulinfrisättningen oberoende av blod-sockerhalten genom att stänga KATP-kanalen. Blockering av den nyupptäckta kaliumkanalen skulle däremot enbart höja insulinfrisättningen när blodsockerhalten är förhöjd. I det tredje arbetet beskrivs jonkanalerna i somatostatinfrisättande d-celler. Somatostatin påverkar frisättningen av insulin och glukagon och bidrar därmed till finregleringen av blodsockerhalten. Mekanismerna som reglerar d-cellernas hormonfrisättning är nästan helt okända. Vi kunde visa att d-cellens reglering av hormonfrisättningen är mycket lik b-cellens. d-cellen kopplar, som b-cellen, hormonfrisättningen till bloodsockerhalten via KATP-kanalen. Dessutom innehåller d-celler spännigskänsliga natrium- och kalciumkanaler. Natriumkanalens funktion är att generera aktionspotentialen under vilken kalcium flödar in i cellen genom spänningskänsliga kalciumkanaler och startar hormonfrisättningen Det fjärde arbetet belyser regleringen av glukagonfrisättningen från a-cellen. De basala processer som kopplar glukagonfrisättningen till blodsockerhalten är, trots glukagonets viktiga roll i blodsockerregleringen, okända. Glukagon frisätts när blodsockerhalten är för låg och säkerställer därmed kroppens energi-försörjningen. Diabetiker har ofta för låg insulinfrisättning kombinerat med för höga blodsockerhalter. Situationen förväras ytter-ligare genom att många diabetiker dessutom frisätter för mycket glukagon oberoende av glukoskoncentrationen, vilket bidrar till de förhöjda blodsockerhalterna. Vi kunde visa att a-celler i intakta öar innehåller samma KATP-kanaler som styr b-cellens elektriska aktivitet. Detta fynd är ganska överraskande eftersom a-celler är elektrisk aktiva när b-celler inte är det och vice versa. Vi hittade små men avgörande skillnader i de spänningskänsliga jonkanalernas egen-skaper vilka tros förklara a-cellens reglering. Höjs membranpotentialen via stängning av KATP-kanalen inaktiveras a-cellens spänningskänsliga jonkanaler. Efter några få aktionspotentialer är alla kanaler stängda och nästa elektriska impuls kan utlösas först när membranpotentialen sänks igen. Stängning av a-cellens KATP-kanaler leder, som i b-cellen, till en höjning av membranpotentialen men samtidigt till inaktivering av det jonkanaler som genererar aktionspotentialen. Kunskap om glukagonfrisättningens reglering tros kunna bidra till en bättre behandling av diabetes.

• author: Göpel, Sven
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Satin, Les
• organization: Department of Experimental Medical Science
• publishing date: 2001
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Developmental Biology
• keywords: somatostatin, glucagon, insulin, patch-clamp, membrane potential, Pancreatic islet, ion channel, diabetes, Physiology, Fysiologi
• pages: 100 pages
• defense location: Segerfalksalen, Wallenberg Neurocenter
• defense date: 2001-04-12 10:15:00
• ISBN: 91-628-4686-8
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 0b8c6258-730d-4fce-98d7-cce74d481e89 (old id 41379)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:12:41
• date last changed: 2018-11-21 20:57:27