Die Insulinsekretion infolge von Glucosezufuhr durchläuft 2 Phasen. In der ersten triggert die β-Zell-Depolarisation eine transiente schnelle Zunahme an intrazellulärem Ca²⁺ sowie die Insulinfreisetzung. In der zweiten erfolgt die Insulinsekretion kraftvoller und stoßweise. Bei Menschen mit Prädiabetes oder geschwächter Glucosetoleranz ist die erste Phase gedämpft, bei denen mit manifestem Typ-2-­Diabetes (T2D) entfällt die erste Phase und in der zweiten wird weniger und nicht mehr stoßartig Insulin ausgeschüttet.

Dass die β-Zellen in beiden Phasen nicht alle gleich empfindlich reagieren, zeigten bereits frühere Arbeiten. Und auch wir hatten in Zebrafischen eine Subpopulation von β-Zellen identifiziert, die den Ca²⁺-Anstieg der ersten Phase auslösen, und entsprechend First-Responder-Zellen genannt. Die Laser-Ablation dieser Zellen kann die Ca²⁺-Antwort auf eine Glucosestimulation abschwächen, was sie in den Fokus der Forschung rückt. Eine Analyse der β-Zellen in ihrer natürlichen Umgebung (in Zebrafischen) mittels intravitaler Mikroskopie sollte weiteren Aufschluss über die Heterogenität der β-Zellen geben [1]. Um gezielt bestimmte Zellen in den Fischen zu depolarisieren oder hyperpolarisieren, nutzten wir die Optogenetik und entwickelten transgene Zebrafisch-­Linien, was uns ermöglichte, β-Zellen stabil zu markieren und damit an der Schwelle des Glucose-stimulierten Ca²⁺-Influx zu unterscheiden.

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Wichtige Beziehung zwischen First-Responder- und Nachfolger-Zellen

Auf 3 konsekutive Glucosestimulationen reagierten die First-Responder-Zellen mit dem schnellsten Ca²⁺-Anstieg. Bei den langsamer reagierenden Folgerzellen zeigte sich eine positive Korrelation zwischen der Entfernung zu den First Respondern und der Zeit bis zur Antwort auf die Glucosezufuhr.

Die Inhibierung der First-Responder-Zellen mittels Optogenetik bewirkte eine deutlich stärkere Reduktion des Calcium-Inoneneinflusses im Vergleich zur Inhibierung der Folgerzellen. Vermutlich lösen bei der Inhibierung der First-Responder-Zellen andere β-Zellen die Ca²⁺-Antwort aus, allerdings mit geringerer Effizienz.

Die Licht-regulierte Depolarisation einzelner β-Zellen in einem bestimmten Areal ergab, dass 45 % keine weiteren β-Zellen außer den unmittelbar benachbarten co-aktivieren. Etwa 24 % aktivieren darüber hinaus 4–5 weitere Zellen (25–75 % der Zellen). Und 14 % zeigen ein hohes Potenzial der Koordination der β-Zell­aktivität, indem sie fast alle β-Zellen co-aktivieren. Dies weist auf eine Hierarchie unter den β-Zellen hin.

Weitere Untersuchungen zeigten, dass bei 5 von 7 Zebrafisch-Larven die First-Responder-Zellen diejenigen mit dem höchsten Potenzial für das Rekrutieren anderer β-Zellen waren. Generell konnten die Zellen mit der schnellsten Reaktion auch die meisten Nachbar-Zellen co-aktivieren.

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Vitamin-B₆-Synthese-Enzym PNPO als essenzieller Faktor

Schließlich untersuchten wir den Zusammenhang zwischen First-Responder-Zellen und Pyridoxin-5‘-Phosphat-Oxidase (PNPO), einem Enzym für die Produktion von Pyridoxal-Phosphat (PLP), der ­aktiven Form von Vitamin B₆. Die Assoziation der PNPO-Aktivität in Insulin-exprimierenden Neuronen mit der Glucoseregulation in Fruchtfliegen ­sowie die epidemiologischen Verbindungen zwischen einem Vitamin-B6-Defizit und metabolischen Erkrankungen machen PNPO zu einem interessanten Therapie-Target.

Mithilfe der Einzelzell-RNA-Sequenzierungsanalyse entdeckten wir, dass PNPO im Pankreas des Zebrafischs nur in 4 % der Insulin-exprimierenden Zellen ausgeschüttet wird. Diese Zellen schienen eine hohe metabolische Aktivität aufzuweisen. Im menschlichen Pankreas weisen 11 % der β-Zellen PNPO auf. Mit hoher Sensitivität offenbarte ein innovativer In-situ-Hybridisierungsassay an Zebrafisch-Pankreaten, dass 45 % der β-Zellen keine PNPO-Expression aufweisen, 35 % nur einen entsprechenden Transkriptionsabschnitt, 15 % 2 und nur 5 % 3 oder 4 Transkriptionsabschnitte haben. Wir konnten unsere Vermutung bestätigen, dass die First-Responder-Zellen die PNPO-reichen sind.

Um herauszufinden, welche Bedeutung Vitamin B₆ bei der β-Zell-Ca²⁺-Aktivität zukommt, schalteten wir deren Produktion im Pankreas von Zebrafischen aus, was die Reaktion der β-Zellen auf eine Glucosestimulation deutlich abschwächte. Auch die pharmakologische Inhibition der Vitamin-B₆-Synthese in kultivierten Mäuse-Pankreaten dämpfte die Reaktion der β-Zellen auf eine Glucosestimulation. Demnach ist die Vitamin-B₆-Produktion nicht nur ein Marker für First-Responder-Zellen, sondern auch essenziell für die Blutzuckerkontrolle durch diese.

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First-Responder-Zellen stellen eine funktionell unterschiedliche Gruppe von β-Zellen dar, die die Pankreas-Aktivität über die Initiierung der Ca²⁺-Antwort auf eine Glucosezufuhr in der ersten Phase kontrollieren. Den Zusammenhang zwischen niedrigen Vitamin-B₆-Spiegeln und T2D gilt es genauer zu untersuchen, um neue Ansätze für die Diabetestherapie identifizieren bzw. entwickeln zu können.