Cette procédure a été établie pour être utilisée pour développer des cultures hépatiques 3D avancées in vitro, ce qui peut fournir une évaluation plus physiologiquement pertinente des dangers génotoxiques associés aux expositions aux nanomatériaux sur un régime de dose répété aigu ou à long terme.
En raison du développement et de la mise en œuvre rapides d’un large éventail de nanomatériaux d’ingénierie (ENM), l’exposition à l’ENM est inévitable et le développement de systèmes de test in vitro robustes et prédictifs est essentiel. La toxicologie hépatique est essentielle lors de l’examen de l’exposition à l’ENM, car le foie joue un rôle vital dans l’homéostasie métabolique et la désintoxication, en plus d’être un site majeur d’accumulation enM après exposition. Sur la base de ceci et de la compréhension acceptée que les modèles d’hépatocyte 2D n’imitent pas exactement les complexités des interactions multicellulaires complexes et de l’activité métabolique observée in vivo, il y a un plus grand accent sur le développement des modèles physiologiquement pertinents de foie 3D adaptés aux buts in vitro d’évaluation de danger d’ENM. Conformément aux principes des 3R pour remplacer, réduire et affiner l’expérimentation animale, un modèle hépatique à base de lignée cellulaire 3D HepG2 a été développé, qui est un système convivial et rentable qui peut prendre en charge les régimes d’exposition à la FOIS prolongés et répétés en MATIÈRE (≤14 jours). Ces modèles sphéroïdes (≥500 μm de diamètre) conservent leur capacité proliférative (c.-à-d. les modèles cellulaires de division) leur permettant d’être couplés à l’analyse micronucléus « étalon-or » pour évaluer efficacement la génotoxicité in vitro. Leur capacité de rendre compte d’une gamme de critères d’évaluation toxicologiques (p. ex., fonction hépatique, réponse (pro)inflammatoire, cytotoxicité et génotoxicité) a été caractérisée à l’aide de plusieurs ENM dans les régimes d’exposition aigus (24 h) et à long terme (120 h). Ce modèle hépatique in vitro 3D a la capacité d’être utilisé pour évaluer des expositions enM plus réalistes, offrant ainsi une approche in vitro future pour mieux soutenir l’évaluation des risques ENM d’une manière routinière et facilement accessible.
En raison du développement et de la mise en œuvre rapides d’un large éventail de nanomatériaux d’ingénierie (ENM) dans une pléthore d’applications à base humaine (p. ex., alimentation, cosmétiques, vêtements, équipements sportifs, électronique, transport et médecine), il est inévitable que les humains soient exposés régulièrement à l’ENM. Avec cela, on s’inquiète de plus en plus du fait que les caractéristiques physiochimiques nouvelles et spécifiques à la taille qui jugent ces matériaux avantageux dans de nombreuses applications pourraient avoir des effets néfastes sur la santé humaine et l’environnement simultanément. À l’heure actuelle, de nombreuses activités internationales sont en place pour refléter activement des expositions plus pertinentes sur le plan physiologique à ces ENM et évaluer la toxicité potentielle de ces matériaux par rapport aux scénarios d’exposition aiguë, à long terme et répétées à faible dose.
La toxicologie hépatique est essentielle lors de l’examen de l’exposition à l’ENM, car il est largement connu que le foie est un site majeur de l’accumulation ENM aprèsexposition 1,2. En outre, le foie est le système principal d’organe pour le métabolisme et la désintoxication des substances qui entrent dans la circulation systémique3. Sur la base de la compréhension acceptée que les modèles d’hépatocytes 2D n’imitent pas exactement les complexités des interactions multicellulaires complexes ou représentent de manière appropriée l’activité métabolique observée in vivo, un plus grand accent a été mis sur le développement de modèles hépatiques 3D in vitro robustes et physiologiquement pertinents pour les technologies de substitution in vivo aété établi 4,5. L’utilisation de technologies avancées de culture 3D améliore la longévité des modèles hépatiques in vitro, ce qui permet d’étudier des régimes d’exposition répétés à long terme. En outre, ce format de culture avancée favorise la formation de caractéristiques physiologiques et organotypiques améliorées telles que le canaliculi biliaire, les processus de transport actif et l’amélioration des capacités de métabolisation des médicaments CYP450, améliorant ainsi la prévisibilité des modèles6. Les modèles hépatiques 3D actuels, composés de monocultures (hépatocytes seulement) ou de co-cultures (hépatocytes avec cellules non paroenchymales) existent sous plusieurs formats, allant des microtissues ou sphéroïdes dans des plaques d’adhérence ultralow, sphéroïdes suspendus goutte, cellules intégrées dans les matrices et / ou échafaudages et plates-formes de culture cellulaire microfluidique, qui sont tous considérés comme efficaces modèles avancés in vitro pour l’évaluation de la toxicité hépatique6,7. Cependant, la majorité de ces systèmes modèles sont à entretien élevé, nécessitent de l’équipement spécialisé et sont coûteux. En outre, ces modèles sont souvent statiques (c.-à-d. modèles cellulaires non divisés) qui empêchent leur utilisation dans l’évaluation des points de terminaison des dangers, tels que les tests de génotoxicité utilisant des méthodes qui quantifient les dommages fixes à l’ADN. La génotoxité est une condition essentielle à la toxicologie réglementaire, et elle est un élément essentiel de l’évaluation des risques de tout toxicant8. Il n’y a pas de seul essai qui peut être appliqué pour quantifier toutes les formes de dommages à l’ADN qui peuvent survenir après l’exposition à un agent exogène. Cependant, un composant central de la batterie d’essai de génotoxicité in vitro est l’essai de micronucléus, qui est une technique fiable et multifacetted qui mesure les dommages chromosomiques bruts9. Il s’agit d’une technique d’étalon-or décrite par la Ligne directrice 487 de l’OCDE sur les tests, pour évaluer les dommages et la génotoxicité de l’ADN in vitro, et elle fait partie de l’exigence relative à la batterie d’essaipour l’évaluation réglementaire des risques 10,11.
La lignée cellulaire du carcinome hépatocellulaire humain, HepG2, est largement utilisée pour le dépistage initial de l’évaluation des dangers, car les cellules sont facilement disponibles, relativement peu coûteuses à la source, simples à la culture et à un criblage à hautdébit 12,13. Lorsqu’ils sont cultivés dans des structures sphériques 3D, il a été démontré qu’ils récapitulent bien le microenvironnement hépatique et offrent un modèle hépatique avec des capacités prolifératives suffisantes pour soutenir l’analyse de micronucléus3. D’autres développements des modèles sphéroïdes HepG2 ont été mis en place pour améliorer la longévité et la fonctionnalité hépatique du modèle afin de soutenir l’évaluation des risques de génotoxicité sur les régimes d’exposition répétés à long terme (≤14 jours). Ainsi, conformément aux principes des 3R pour remplacer, réduire et affiner l’expérimentation animale, le protocole actuel a été établi pour fournir un modèle hépatique in vitro avancé en 3D capable d’évaluer de manière fiable de multiples critères toxicologiques (p. ex., fonctionnalité hépatique, marqueurs inflammatoires (pro)inflammatoires, cytotoxicité et génotoxicité) suivant des expositions chimiques aiguës, à long terme et répétées et enm d’une manière routinière et facilement accessible.
Ici, nous présentons une méthode pour établir une lignée physiologiquement pertinente de cellules d’hépatocyte 3D basée le système in vitro de modèle pour l’évaluation de danger de génotoxicité suivant les expositions aiguës ou à long terme, répétées d’ENM. Le protocole peut être décomposé en 6 étapes clés : la culture des cellules hepG2 cryopréservées; Préparation sphéroïde HepG2; Transfert de sphéroïdes HepG2 de la chute suspendue à la suspension agarose; Récolte de sphéroïdes HepG2; analyse et notation de micronucléus ; et l’analyse des données.
Les applications pour les modèles hépatiques 3D varient considérablement selon le point de terminaison biochimique particulier ou la voie défavorable de résultats étant visée. Chaque modèle a ses avantages et ses limites, de la variation interdonor dans les modèles primaires d’hépatocyte humain (PHH) à l’activité réduite de cytochrome p450 dans les modèles basés sur la ligne cellulaire, mais tous sont valables dans leur propredroit 6,12,18,19. Lors de l’évaluation de la génotoxicité, il y a des limites dans la compatibilité des modèles avec les critères d’évaluation approuvés par la réglementation tels que l’analyse in vitro du micronucléus, car la prolifération active est nécessaire. Ceci est nécessaire, car l’évaluation de génotoxicité exige la quantification des dommages fixes d’ADN pour être évaluée division de poteau de cellule quand il y a l’occasion pour la réparation d’ADN pour corriger des lésions passagères. Malheureusement, les hépatocytes à base d’hépatocytes hautement différenciés (c.-à-d. les sphéroïdes à base d’HépaRG) ou microtissues PHH, qui sont réputés présenter les caractéristiques hépatiques les plus pertinentes sur le plan physiologique, forment des modèles statiques (non prolifératifs)12,19,20. En conséquence, le modèle sphéroïde 3D HepG2 présenté ici fournit un modèle alternatif approprié capable de soutenir les tests de génotoxicité. Les sphéroïdes à base de lignée cellulaire HepG2 ont suffisamment de cellules de division active sur la surface externe des sphéroïdes tout en conservant des caractéristiques hépatiques de base, telles que la production d’albumine et d’urée et certaines activités CYP4505,12,19. Principalement ce modèle de foie in vitro a été développé pour compléter l’analyse de micronucléus, car c’est l’un des deux essais in vitro recommandés dans la batterie pour l’essai de génotoxicité8,10,11,21. Cependant, le modèle peut être facilement appliqué aux technologies d’analyse du séquençage de l’ADN et d’expression des gènes (ARN), alors qu’il a le potentiel d’être davantage adapté et utilisé pour d’autres critères d’évaluation des dommages à l’ADN, tels que l’analyse de la comète. Néanmoins, il est important de tenir compte du rôle que joue l’interférence ENM dans certaines analyses de points de terminaison. Par exemple, les analyses basées sur la cytométrie de flux peuvent ne pas convenir à l’évaluation de la génotoxicité enM spécifiquement en raison de l’interférence desparticules 22.
Un facteur limitant des modèles sphéroïdes qui subissent activement la division cellulaire est leur taille. L’optimisation de la densité d’ensemencement est essentielle car il doit y avoir suffisamment de cellules qui permettent au modèle de continuer à proliférer; mais pas trop élevé un nombre de cellules, ce qui entraîne le sphéroïde devient trop compact, conduisant à un noyau nécrotique accru. La cause de cette nécrose est considérée comme limitant la diffusion de l’oxygène et des nutriments, car la limite de cette diffusion est considérée comme environ 100 – 150 μm de tissu23,24. Toutefois, cela dépend du type de cellule, du numéro de cellule, des interactions d’échafaudage et des conditions de culture25. Depuis, il a été démontré qu’environ 700 μm de diamètre est la limite pour éviter l’apparition prématurée de la nécrose au centre des sphéroïdes C3A, l’ensemencement de 4000 cellules HepG2 par sphéroïde assure le diamètre du modèle au moment de l’exposition est de ≤500 μm26. En outre, Shah et coll. ont établi que les cellules HepG2 ensemencées au-dessus de 5000 cellules par sphéroïde présentaient une réduction de 25 % de la viabilité après 7 jours de culture, ce qui pourrait se rapporter au diamètre moyen de 680 μm et à la disponibilité limitée des nutriments dans une goutte suspendue de 20 μL5. Pour surmonter cela, le modèle conçu dans le présent protocole subit une étape critique où la goutte suspendue est transférée dans des puits recouverts d’agarose après la formation initiale du sphéroïde. Cela garantit un plus grand volume de milieu de culture est présent pour soutenir le nombre sans cesse croissant de cellules dans les sphéroïdes. En conséquence, le modèle sphéroïde HepG2 reste plus de 70% viable après 10 jours en culture et peut être utilisé pour l’évaluation des risques à long terme in vitro.
Tandis que le modèle sphéroïde d’HepG2 peut soutenir des régimes aigus et à long terme d’exposition, le milieu rafraîchissant de culture cellulaire pendant des périodes prolongées de culture est limité pour ce modèle car le remplacement complet du milieu n’est pas conseillé en raison de la perte potentielle des sphéroïdes. On présume qu’avec les expositions à l’ENM, la tendance à des dispersions homogènes de l’ENM à l’aggloméate et aux sédiments est élevée. Toutefois, il est à noter que la vitesse à laquelle un ENM sédimente peut varier en fonction des paramètres des particules (p. ex., taille, forme et densité) et peut être déterminée théoriquement à l’aide du modèle de sédimentation, de diffusion et de dosimétrie in vitro (DISD), ou de ses dérivés récents, souvent mentionnés lorsqu’il s’agit de l’exposition à l’ENM (suspension),approche 27,28. Avec ceci est esprit, on suppose que si seulement 50% du milieu de culture cellulaire est soigneusement enlevé de la surface de la culture cellulaire, la perturbation et l’enlèvement ultérieur de la dose d’ENM devraient en théorie être minimes. Toutefois, avec le mouvement brownien en jeu, ce n’est peut-être pas strictement le cas et d’autres travaux de dépôt et de sédimentation de chaque ENM à tester devraient être entrepris pour s’assurer que la dosimétrie correcte est conservée tout au long des régimes d’exposition à long terme27. Il s’agit principalement d’une limitation potentielle à considérer lors de l’exécution de régimes de dosage répétés, car cela pourrait être essentiel à la concentration finale accumulée. Les expositions à base de produits chimiques, d’autre part, bien que non sans leurs propres limites à considérer, offrent une approche plus simpliste en ce que les substances chimiques ont tendance à rester en solution et donc un remplacement direct de la concentration chimique d’origine en plus de la concentration nouvellement ajoutée garantit que tout produit chimique perdu lors du rafraîchissement des médias est remplacéen conséquence 29. Les applications futures comprendraient l’évaluation de l’adéquation du modèle pour les régimes d’exposition répétés sur des périodes de culture à long terme, car les stratégies de dosage répétées sont d’une importance cruciale pour évaluer la capacité d’un système d’organes particulier à améliorer ou à surmonter les effets indésirables, le cas échéant, induits par la bioaccumulation d’une substance xénobiobiotique.
En conclusion, ce modèle hépatique in vitro 3D a la capacité d’être utilisé pour évaluer une gamme de scénarios d’exposition réalistes, offrant ainsi une approche in vitro future pour mieux soutenir l’ENM et l’évaluation des risques chimiques d’une manière routinière et facilement accessible.
The authors have nothing to disclose.
Les auteurs aimeraient reconnaître que cette recherche a reçu des fonds du programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne pour le projet PATROLS, en vertu de l’accord de subvention n° 760813
Aflotoxin B1 | Sigma Aldrich, UK | A6636-5MG | |
Agarose | Sigma Aldrich, UK | A9539-50G | |
Autoclave Tape | |||
BCG Albumin Assay | Sigma Aldrich, UK | MAK124 | |
Bovine Serum Albumin Powder | Sigma Aldrich, UK | A9418 | |
Cell Freezing Aid | Thermo Fisher Scientific, UK | 5100-0001 – Mr Frosty | |
Centrifuge | Eppendorf | 5810 R | |
Cytochalasin B | Merck, UK | 250233 | |
Cytology Metal Clips | |||
Cytospin 4 Centrifuge | ThermoFisher Scientific, UK | CM00730202 | |
DMEM with 4.5g/L D-Glucose, L-Glutamine | GIBCO, Paisley, UK | 41965-039 | |
DMEM, phenol-red free with 4.5g/L D-Glucose, L-Glutamine with Hepes | GIBCO, Paisley, UK | 21063-029 | |
DPX Mounting Medium | FisherScientific, UK | D/5330/05 | |
Ethanol | FisherScientific, UK | 10048291 | |
FBS | GIBCO, Paisley, UK | 10270-106 | |
Filter Cards for Shandon Cytospin | FisherScientific, UK | 15995742 | |
Frosted Glass Slides | ThermoFisher Scientific, UK | ||
Giemsa's Stain Improved R66 Solution, Gurr | VWR Chemicals, UK | MFCD00081642 | |
Glass Coverslips (24 x 60) | Deckglaser, VWR | ECN631-1575 | |
Haemocytometer and Coverslip | |||
Immersion Oil for Microscope | Zeiss, UK | 518F, ISO8034 | |
Laminar Class II Tissue Culture Hood | Scanlaf Mars | ||
Light Microscope | Zeiss, UK | Axiovert 40C | |
Liquid Nitrogen | |||
Methanol | FisherScientific, UK | 10284580 | |
Microwave | |||
Non-Filtered, Sterile 200µl and 1000µl Pipette tips | Greiner-Bio-One, UK | ||
NuncMicroWell 96-Well Microplates | ThermoFisher Scientific, Denmark | 167008 | |
P1000 and P200 micropipettes | |||
P300 and P50 multi-channel pipettes | |||
PBS pH 7.4 1X, MgCl2 and CaCl2 Free | GIBCO, Paisley, UK | 14190-094 | |
Pen/Strep | GIBCO, Paisley, UK | 15140-122, Penicillin/Strepmyocin 100X or 10,000U/ml | |
Phosphatase Buffer Tablets | GIBCO, Paisley, UK | 10582-013 | |
Pipette Boy | |||
Simport Scientific CytoSep Funnels for Shandon Cytospin 4 Centrifuges | FisherScientific, UK | 11690581 | |
Sonifier SFX 550 240V CE 1/2" – Probe | Branson, USA | 101-063-971R | |
T-25 and T-75 Tissue Culture Flask | Greiner-Bio-One, UK | T-25 (690175) and T-75 (660175) | |
Trypan Blue Solution | Sigma Aldrich, UK | T8154-100mL | |
Urea Assay Kit | Sigma Aldrich, UK | MAK006 | |
Virkon Disinfectant | DuPont, UK | Rely+On Virkon | |
Water Bath (37˚C) | Grant JBNova 18 | ||
Weighing Balance | |||
Xylene | FisherScientific, UK | 10588070 | |
0.05% Trypsin-EDTA | GIBCO, Paisley, UK | 5300-054 | |
0.2mL and 1.0mL Eppendorf Tubes | Greiner-Bio-One, UK | ||
0.45µm Filter Unit | Millex HA, MF-Millipore, UK | SLHA033SS | |
1.0mL Syringe | BD Plastipak, FisherScientific, UK | 300185 | |
20mL LS Scintillation Glass Vials, 22-400 Foil Lined PP Caps | DWK Life Sciences GmbH, Germany | WHEA986581 | |
37˚C and 5% CO2 ISO Class 5 Hepa Filter Incubator | NUAIRE DHD Autoflow | ||
3mL Pasteur Pipette | Greiner-Bio-One, UK | ||
50mL Conical Falcon Tubes | Greiner-Bio-One, UK | ||
50mL or 100mL Glass Bottles | |||
50mL Skirted Falcon Tubes | Greiner-Bio-One, UK | ||
5mL, 10mL and 25mL Pipettes | Greiner-Bio-One, UK | ||
9.4cm Square, Petri Dish | Greiner-Bio-One, UK | 688161 |