3 r 原則の観点から動物実験に代わる方法として呼吸モデルが進化しています。呼吸器系物質のリスク評価の特に適切な試金の不足があります。ここでは、浮遊物質の評価のための肺癌精密カット スライスの使用について述べる。
広範な多様性呼吸器疾患には、基になるメカニズムを理解し、新しい治療法の開発を有効にする適切なモデル システムが必要があります。さらに、新規物質の登録には、損なわれて、たとえば、職場で個人のリスクを避けるために適切なテスト システムで適切なリスク評価が必要です。このようなリスク評価は、動物実験で通常行なわれます。3 r 原則、動物実験に対する懐疑論からみた精密カット肺のスライス (PCL) など、人間の代替方法を進化しています。本稿では、ヘキサクロロ白金酸アンモニウム (HClPt) などの低分子物質の免疫調節の可能性を研究する人間の PCL のex vivo法について説明します。生存率およびローカル呼吸器炎症、サイトカインやケモカインの変えられた分泌測定エンドポイントが含まれます。プロ炎症性サイトカイン、腫瘍壊死因子アルファ (TNF-α) およびインターロイキン 1 α (il-1) 有意に増加した人間 PCL HClPt の毒性濃度への露出の後。PCL の技術は、過去十年にわたって大幅に最適化されています、にもかかわらず、免疫調節のテストのための適用はまだ開発中です。したがって、ここで示された結果、予備、にもかかわらず、彼らは呼吸の研究の貴重なツールとして人間の PCL の可能性を示します。
上部と下部気道の感染症、肺気腫、慢性閉塞性肺疾患 (COPD) 職業性喘息アレルギー喘息など呼吸器疾患の上昇、世界的な健康負担1,2を表しています。適切なテスト システムは、適切な物質のテスト、開発に加え、これらの疾患の基になる基本的なメカニズムのいくつかを識別するために必要。基礎研究と前臨床試験の医薬品開発は生体外でまたは生体内での試金で得られた結果を重視します。これらの試金、ただし、その制限3があります。まず、生体外の試金分離と隣接する組織や臓器から削除されたひと細胞を活用し、こうしてもはや対話または他の細胞3によって保護されることができます。第二に、動物モデルは人間生理学および生化学的相違4の違いのために変換で可能多くの場合です。これらの制限を最小限にするために 3 r のコンテキストで (交換、洗練、削減) 原則5、新しい代替モデルが常に進化しています。
PCL などの代替 3 D 人体モデルは、生体外で人間ベースのと複雑な動物体内モデル間のリンクです。PCL は、上気道6内にあるすべての関連するセル型の機能的多様性を反映しています。さらに、PCL の技術単一動物または人間のティッシュのドナーから正確な厚さのいくつかの薄いスライスの再現可能な準備という利点があります。これは、により、濃度の違いと同様に、内部統制や薬をテストするために。
フィッシャーらによって 1994 年に寒天培地充てんひと肺のスライスの最初の導入以来7スライスと肺組織の培養技術が大幅に改善されました。クリスチャン ・ マーティンらさらに化学的および薬理学的アプリケーション8のこの技術を改善しています。当社グループは、2007 年にクリスチャン ・ マーティンがこの手法に導入されました。それ以来、研究における PCL の適用テスト、免疫学的には、気道9,10と血管収縮11などの機能的反応の薬理学的12,13, から広がった毒性7のいくつかの研究所で様々 な種でテストします。例えば、Schlepützら14種差の気道反応を調査し、比較末梢ニューロン活性化電気刺激 (EFS) かマウス、カプサイシン、ラット、モルモット、羊、マーモセット、人間。彼らは神経を介した気道攣縮の明瞭な別のパターンを用意する様々 な種を発見、よく使用される実験動物 (マウス、ラット) は常に人間の応答を反映しないことを締結します。肺毒性の試験のため、この文脈で、ヘスらの動物の数を減らすこと15吸入曝露実験のための前のヴィヴォ代わりとしてラット PCL の事前検証。この多中心性の事前検証の研究は有望な結果と PCL を使用して 2 つの予測モデルの開発で起因しました。
また、基礎研究は、PCL は16、初期のアレルギー反応の17、およびウイルス感染応答18,19カルシウムを明らかにする使用されています。技術の進歩は継続してさらなる進歩が検討されています。たとえば、フィールドは保存と凍結するティッシュの再利用によって人間の組織の利益を増加しています。Rosnerら説明凍結融解気道の刺激による契約能力を保持するマウスの PCL の技術: したがって、テクニックは、実行可能なとさらなる組織のまま、制限された時間ウィンドウを延ばしますアッセイは、時間をかけて同じドナー20に適用できます。これらの研究の進歩、ブラザーズクエイらに加え21は最近人間 PCL で職業性喘息における潜在的な増感剤としての役割を果たす可能性がありますさまざまな化学物質のリスク評価を行った
高分子分画法22や23低分子量 (低分子) の物質への暴露による職業性喘息、その症状は、気流閉塞と気道過敏性、アレルギー性の喘息と同様 (など、白金化合物) 職場の作業環境。低分子エージェントは、皮膚を形成する高感作の可能性があるし、キャリア蛋白質21バインドします。新規分画法や低分子化学物質の登録に関する彼らの推定感作性の潜在的なin vitroとin vivoのリスク評価が必要です (e.g。、OECD ガイドライン 429)24。テストを使用して、潜在的な推定の感作を決定しかし、もともと設計されていた呼吸増感剤のリスク評価のため連絡先作いくつか合同物質25 の小さなサブセットをするようだが.ブラザーズクエイらによる作業は、推定接触または肺増21のリスク評価のための代替のテスト戦略を開発する欧州連合プロジェクト Sens-it-iv の一部として設計されました。このプロジェクトのためには、代替テスト ツールとして人間の PCL のユーザビリティ テストに焦点を当てた。したがって、免疫調節エンドポイント (例えば、生存率およびサイトカイン分泌) のセットは、プラチナの低分子化合物などの化学物質の刺激や炎症性の可能性を決定するのに選択だった。ブラザーズクエイらすべて呼吸増; に適用できる一般的なパターンが見つかりませんしかし、自分の仕事は、最近公開されたプロトコル26基礎を提供しました。
要約すると、準備と人間の PCL のそれに続く露出のためここで提示されたプロトコルは潜在的な肺毒性の評価および/または呼吸の開発に関与するかもしれない免疫調節物質の有用なメソッドを提供します。職業性喘息などの疾患。
当研究室で人間の PCL の技術が定評です。本稿では、この手法とその肺組織体外の物質の毒性試験の説明を与えます。一般に、定量化可能な範囲の定義、推定変動と実験の妥当性を保証する品質管理関連アッセイを設定するこの手法が求める必要がありますを使用する任意の研究室。可能な標準的な手順をたとえば、各エンドポイントは、例えばサンプルを含む正あたり 2 ~ 3 技術的複製の最低 3 つ生体ドナー (個々 の実行) の最低で、細胞毒性アッセイを繰り返すできると否定的な参照。研究者は、アッセイの一貫性の向上、測定の変動を最小限に抑えるために訓練する必要があります。
肺組織の物質の免疫調節効果を評価するために頻繁に使用されるエンドポイントが含まれて細胞毒性には測定 (例えば、LDH アッセイ、WST 1 アッセイ、アッセイを染色顕微鏡) 別の試金を使用して、放出アッセイ、同様に発現プロファイルおよび乳歯メソッド6細胞集団における変化の特性評価の変更点さらに、人間の PCL に転送することも、こうして前に細胞の構成をより詳細に把握を提供可能性がありますマウスの PCL28の肺樹状細胞などの細胞の可視化を記述する技術があると推定の細胞毒性物質投与。
この基本的なプロトコルおよびひと肺切片の作製技術は出版物29によく記載されている技術に匹敵します。一言で言えば、臓器材料は、切除や移植の手術を受けるにした肺ガンなど生活にかかわる慢性疾患に苦しむ患者から取得されます。研究は、倫理委員会で承認されなければなりません。患者の情報に基づいた書面による同意が必要です。クリニック ・研究所間のワークフローを設定する重大な問題は、通信、およびインタ フェースとインフラストラクチャ双方のサイト間の定義が必要です。ひと肺材料が直接切除組織の実行可能性を維持するために処理されます。老いも若き肺と肺の健康と病気、人間 PCL ここで説明する手法を適用できることを言及する価値があります。たとえば、米国で、事故で死んだまたはその臓器移植拒否されている健康なドナーからの肺を得ることが可能です。
プロトコルの最初の重要なステップは、気道や周囲実質アガロース溶液のインフレです。この手順以降のスライス処理手順の非常に柔らかい組織を固めるため必要です。病気の背景に基づくひと肺材料の品質は、ここで重要です。そのまま胸膜と丸い突出部だけを入力できます。気管支に近い末期腫瘍充填プロセスを防ぐ。ひと由来の材料を膨らませる前にアガロース溶液の温度が徹底的にチェックします。あまりにも多くの血または他液体 (分泌物) 人間の内部肺組織 agarose の望ましくない希釈になります、重合プロセスに影響を与えます。肺組織のインフレと氷の agarose のゲル化後、肺は 200 に 300 μ m の厚みの部分にカットされます。組織の一貫性は非常に重要な問題です。組織が柔らかすぎる場合は、同じセクションのスライスは難しいです。設定各ドナーは、ドナー間のスライスの厚みが異なる場合があります同じミクロトーム、個々 のための条件、膨張時の変化プロセスを各肺の場合でも。組織の不均質の充填は、スライスの厚さになります。測定してスライスの厚さを標準化するのではなく、総たんぱく量の測定は肺のスライス厚を直接監視する使用できます。いくつかの末期疾患を妨げるスライス プロセス;例えば血管、肺高血圧症と線維組織で非常に厚くなった血液は組織シリンダーのスライスはほとんど可能、ミクロトームの刃は非常に頻繁に交換する必要があるので、硬いことができます。
人間の PCL と集中洗浄手順の準備の後、細胞の残骸を削除する必要ありリリース酵素、組織実験29のためのセクションを使用できます。人間 PCL は正常な細胞培養条件下で培養した、たとえば、化学物質、薬、またはリポ多糖にさらされます。(不明) 感染による PCL の時折の汚染はひと肺材料の文化で特別な問題です。組織培養感染症を示す必要があります破棄され、機器を徹底的に消毒する必要があります。空間的な分離の準備のため、一方で使用される実験室場所と養殖と一方、交差感染を避けるために役立ちます。機器に関してミクロトーム、リークが発生し、六角ネジの緩みは、モーターの損傷とブレードの動きの停止につながる可能性があります。スライサーのすべての部分はステンレス スチール製し、酸化し乾いていない場合だからすぐにクリーニングを変更します。機器の問題を克服するためには、少なくとも 1 つのバックアップ デバイスを持っている必要があります。
前の出版物、アガロースを洗い流されることが報告し、集中的な準備の後の手順を洗浄中に削除されています。実際には、これは不可能です、agarose を削除できません。Agarose の完全な除去は、それは、組織を破壊する高温で再溶融する必要があります。肺胞や気道のアガロースは、記載されているエンドポイントとは干渉しません。他のエンドポイントは、アガロースの存在に影響されるかもしれません (「制限」も参照)。非常に新鮮なティッシュ セクションを準備する必要がありますは、組織性は文化の重要な問題と強調します。気道攣縮は生存率の有効なパラメーターではありません。周囲実質; の実行可能性を確認する、少なくとも 2 つまたは 3 つの独立した細胞毒性アッセイを使用してお勧めします実験30でチェックする必要があります。細胞毒性試験の品質管理は、不十分な組織性の指標となります。したがって、すべての細胞毒性の試金に洗剤など効果的な有害物質に、たとえば、組織の対応を評価することをお勧めします。用量反応曲線に基づく、吸収の最小値と最大値は細胞毒性の試金のために定義する必要があり、その後の実験のために会った。プロトコルにさらに変更はほとんど応用化学薬品および興味のエンドポイントに依存します。不溶性か反応性の高い化学薬品の適用性が限定されます。DMSO の最も高い溶媒濃度は 1% に制限されます。高濃度は使用できますが、IL-8 などの炎症性サイトカインの顕著なリリースがあります。その一方で、使用される刺激は比較的弱い可能性があります。この場合、2 つのウェルあたり 4 つのスライスから組織の量を増やすことができます。このアプローチは、24 h に生存率を制限します。
人間の PCL の主要な制限は、ドイツでのみできる病気の人間の肺の材料からです。手術を受ける患者は、通常 50 歳以上と肺癌患者の 80% は、または喫煙をするために使用します。、糖質コルチコイドなどの患者の薬はヒト組織を用いた実験の結果に影響を与えることができます。したがって、それは不可欠です: i) 生存率、機能、および個々 の組織の感度を確認する肯定的な参照によって各実験を検証し、ii) クロス-検証結果から健康、非病気にかかった、中年期の肺組織を使用実験動物 (カニクイザルなどヒト以外の霊長類と、可能であれば、マウス、ラット、モルモット)。病気の組織の病理スコアの改善実験結果より。重く病気にかかったティッシュはほとんど使用することができます、非常に頻繁に示す制限生存率、不十分に低いまたは非常に高いサイトカイン、細菌や真菌の感染症およびより少ない気道攣縮。ドナー-ドナーの変化は、人間の個々 の変動を反映した実験動物から得られた結果と比較してください。これは、制限では、ただし、ありません一般的;前述のように他の国 (例えば米国) 移植拒否死亡したドナーからの健康な肺を得ることが可能です。組織の応答性は、急性暴露実験では 48 時間までの最初にも記載されています。文化の多くの日後または-80 ° C で保存後生存率と組織の機能が減少します。約 14 日間までの文化ひと肺組織することが可能です。この時に続けている生存率ただし、マイトジェン限られたサイトカイン放出の結果変動だけでなく、組織内のマクロファージなど、いくつかの細胞集団の機能の損失の増加が観察されます。いくつかのエンドポイントの別制限 RNA31の高品質かつ十分な量の分離または後続のフローサイトメトリー用単一細胞懸濁液の準備を妨げる組織の agarose の存在であると細胞の表現型解析。単一細胞の反応と機能機械論的洞察を得るために可能性、限定です。
人間の PCL などの脊髄組織モデルの基礎研究・非臨床研究に大きな影響を持つと見なされます。ひと肺材料は、器官の正常アーキテクチャを密接に反映する生物学的組成を持ちます。それは、たとえば、住宅および気管支肺胞上皮細胞、平滑筋細胞、線維芽細胞、血管内皮細胞、神経線維、マクロファージに含まれます。組織実行可能であり、細胞はいくつかの刺激に応答します。ただし、神経線維、カット、ローカルでアクティブにできるターミナルの反射応答14に 。その結果、この前のヴィヴォモデル細胞の自然免疫応答、防御反応、サイトカイン シグナル伝達、およびセル表面のマーカーの誘導を検討する可能性を提供しています。技術、培養、およびエンドポイントの検証にいくつかの改善は、並進科学で人間の PCL の使用を許可します。将来のアプローチの例としては、: i) 検証の新しいターゲットひと肺組織、暴露後免疫応答の評価 ii) たとえば、化学薬品、医薬品、ナノ粒子、等iii) 免疫細胞と肺組織の補充などT リンパ球、iv) として識別および呼吸感、病気を誘発する物質、または経路の阻害活性化合物への曝露後などの分子パターンの変更さらに、v) 気道リモデリングと vi) 神経調節32。科学の分野は、PCL のこれらの現在および将来のアプローチに興味があります。また、低温保存20、および組織または機械的呼吸時に組織の自然な動きを模倣する33のストレッチなど、PCL の技術を改善するのに役立ちます別の開発のさまざまながあります。換気。
他の 3 D モデルと比較して人間の PCL の主な利点は、免疫細胞や神経線維の存在です。実験は、マウス、ラット、および薬理学および毒物学で最もよく使用されるまだ動物の種は、ヒト以外の霊長類でも実行できます。ひと肺組織の複雑さは、人間を動物と体外体内から結果の翻訳をサポートしています。呼吸器系の増感剤の識別のため既存の代替アッセイのコンテキスト、人間 PCL は非常に複雑であり、単一細胞応答への洞察を許可しません。まだ、顕微鏡とフローサイトメトリーは右細胞のマーカーで使用した場合の組み合わせで、たとえば、アポトーシスや壊死、細胞内マーカー細胞応答に関する情報を与える可能性があります。公開されたアッセイ検証と呼吸器系の増感剤の識別のために使用されていると報告があります。ただし、ワトソンらによる記述で、単一セルの試金上のすべての利点と PCL の使用の進歩高スループットス クリーニングの手法が使える意味で貴重な貢献を作っている34彼らはマウスの低温保持 PCL で気道毒性を予測する高スループット スクリーニング アッセイを開発しました。小型 96 ウェル PCL 形式を彼らは PCL 可能の高スループット試金を作るマウス肺胞のような読み出しを検出しました。
The authors have nothing to disclose.
Lan ラウエンスタイン人間 PCL とリスク評価のための代替のテスト戦略に関する彼女の前の仕事のために感謝したいと思います。研究の一部は、6番目のフレームワーク プログラム SENS-IV「新規アレルゲンのIn Vitro評価テスト戦略」内で欧州委員会からの助成金によって支えられました。
Silicon hose 3.0 x 5.0 mm | A. Hartenstein (Leipzig, Germany) | SS04 | |
Syringe | Faust Lab Science (Klettgau, Germany) | 9.410 050 | |
Coring tools | custom-made | custom-made | |
Trimming Blade Handle (FEATHER) | pfm medical ag (Cologne, Germany) | 205530001 | |
Trimming Blades (FEATHER) | pfm medical ag (Cologne, Germany) | 205500000 | |
Microtome: Tissue Slicer | Alabama R&D (Bad Homburg, Germany) | 303400-ADPT | Krumdieck Tissue Slicer (MD6000) |
Microtome blade | Wilkinson Sword (Solingen, Germany) | ENR-4027800011506 | |
Tissue culture dishes | Sigma (München, Germany) | Z666246-420EA | |
Cell strainer filter (100 µm Nylon) | Becton Dickinson (Heidelberg, Germany) | BD352360 | |
Inoculation loop | Copan Diagnostics (Murrieta, USA) | CD176S01 | |
TPP Tissue culture plates 24wells | Sigma (München, Germany) | Z707791-126EA | |
Cassette | Thermo Scientific (Schwerte, Germany) | 1000957 | |
Nunc MaxiSorp flat-bottom | Fisher Scientific GmbH (Hannover, Germany) | 44-2404-21 | |
Nunc MicroWell 96-Well | Thermo Scientific (Schwerte, Germany) | 260836 | |
Confocal Microscope | Zeiss (Jena, Germany) | Confocal LSM Meta 510 | |
Image rendering software | Bitplane AG (Zürich, Switzerland) | IMARIS 7.6 | |
LSM Image Browser | Zeiss (Jena, Germany) | ||
Multiwell-Reader | Tecan Group Ltd. (Männedorf, Switzerland) | Tecan infinite F200Pro | Plate Reader |
Plate shaker | Edmund Buehler GmbH (Hechingen, Germany) | KM-2 Akku | |
BenchMark ULTRA | Ventana Medical Systems (Tucson, USA) | Automated IHC/ISH slide staining system | |
Assays | |||
Cell Proliferation Reagent WST-1 | Roche (Basel, Switzerland) | 11644807001 | |
Cytotoxicity Detection Kit (LDH) | Roche (Basel, Switzerland) | 11644793001 | |
Microscopical vitality staining | Invitrogen (Carlsbad, USA) | L-3224 | LIVE/DEAD Viability/Cytotoxicity Kit |
BCA Protein Assay | Thermo Scientific (Schwerte, Germany) | 23225 | |
ELISA assay kit | R & D systems | various, e.g. DY210 (TNF-α) or DY200 (IL-1α) | DuoSet |
Reagents | |||
Agarose, low gelling temperature | Sigma (München, Germany) | A9414-100G | |
Balanced Salt Mixtures and Solutions, Cell Culture, Classic Media and Salts, Earle’s Balanced Salts (EBSS) | Sigma (München, Germany) | E2888-500ML | |
Penicillin and streptomycin | Lonza (Verviers, Belgium) | 17-602E | |
Dulbecco´s Modified Eagle´s Medium Nutrient Mixture F-12 Ham (DMEM F-12) | Gibco (Darmstadt, Germany) | 11039-047 | Culture medium |
Dulbecco´s Phosphate with Ca and Mg (DPBS) | Lonza (Verviers, Belgium) | BE17-513F | Buffer solution |
Albumin from bovine serum (BSA) | Sigma (München, Germany) | A9647-500G | |
Detergent | Sigma (Saint Louis, USA) | X100-100ML | Triton X-100 |
Washing buffer | Merck (Darmstadt Germany) | 524653 | 0.05% Tween 20 in PBS |