Dieses Verfahren wurde für die Entwicklung fortgeschrittener 3D-Leberkulturen in vitro eingeführt, die eine physiologisch relevantere Bewertung der genotoxischen Gefahren im Zusammenhang mit Nanomaterial-Expositionen sowohl über ein akutes als auch ein langfristiges, wiederholtes Dosisregime ermöglichen können.
Aufgrund der schnellen Entwicklung und Implementierung einer Vielzahl von technischen Nanomaterialien (ENM) ist eine Exposition gegenüber ENM unvermeidlich und die Entwicklung robuster, prädiktiver In-vitro-Testsysteme ist unerlässlich. Die Hepatische Toxikologie ist der Schlüssel bei der Betrachtung der ENM-Exposition, da die Leber eine wichtige Rolle bei der metabolischen Homöostase und Entgiftung spielt und ein wichtiger Ort der ENM-Akkumulation nach der Exposition ist. Basierend auf diesem und dem akzeptierten Verständnis, dass 2D-Hepatozytenmodelle die Komplexität komplizierter multizellulärer Wechselwirkungen und metabolischer Aktivität, die in vivo beobachtet werden, nicht genau imitieren, liegt ein größerer Fokus auf der Entwicklung physiologisch relevanter 3D-Lebermodelle, die auf ENM-Gefahrenbewertungszwecke in vitro zugeschnitten sind. In Übereinstimmung mit den Prinzipien der 3Rs, um Tierversuche zu ersetzen, zu reduzieren und zu verfeinern, wurde ein 3D HepG2 Zelllinien-basiertes Lebermodell entwickelt, das ein benutzerfreundliches, kostengünstiges System ist, das sowohl erweiterte als auch wiederholte ENM-Expositionsregime (≤14 Tage) unterstützen kann. Diese Sphäroidmodelle (≥500 m Durchmesser) behalten ihre proliferative Kapazität (d. h. Zellteilungsmodelle) und können so mit dem Mikrokernassay “Goldstandard” gekoppelt werden, um die Genotoxizität in vitro effektiv zu bewerten. Ihre Fähigkeit, über eine Reihe von toxikologischen Endpunkten zu berichten (z. B. Leberfunktion, (Pro-)Entzündungsreaktion, Zytotoxizität und Genotoxizität) wurde mit mehreren ENMs sowohl in akuten (24 h) als auch in langfristigen (120 h) Expositionsregimen charakterisiert. Dieses 3D-In-vitro-Hepatikmodell kann für die Bewertung realistischerer ENM-Expositionen genutzt werden und bietet damit einen zukünftigen In-vitro-Ansatz, um die ENM-Risikobewertung routinemäßig und leicht zugänglich zu unterstützen.
Aufgrund der raschen Entwicklung und Umsetzung einer Vielzahl von technischen Nanomaterialien (ENM) in einer Vielzahl von anwendungen auf menschlicher Basis (z. B. Lebensmittel, Kosmetik, Bekleidung, Sportausrüstung, Elektronik, Transport und Medizin) ist es unvermeidlich, dass der Mensch regelmäßig ENM ausgesetzt wird. Damit wächst die Sorge, dass die neuartigen, größenspezifischen physiochemischen Eigenschaften, die diese Materialien in zahlreichen Anwendungen für vorteilhaft erachten, gleichzeitig negative Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Umwelt haben könnten. Derzeit gibt es viele internationale Aktivitäten, um physiologisch relevantere Expositionen gegenüber diesen ENM aktiv widerzuspiegeln und die potenzielle Toxizität dieser Materialien über akute, langfristige und wiederholte Szenarien mit niedriger Dosis exposition zu bewerten.
Hepatische Toxikologie ist der Schlüssel bei der Betrachtung der ENM-Exposition, da allgemein bekannt ist, dass die Leber ein wichtiger Ort der ENM-Akkumulation nach der Exposition1,2ist. Darüber hinaus ist die Leber das primäre Organsystem für den Stoffwechsel und die Entgiftung von Substanzen, die in den systemischen Kreislauf gelangen3. Basierend auf dem akzeptierten Verständnis, dass 2D-Hepatozytenmodelle die Komplexität komplizierter multizellulärer Wechselwirkungen nicht genau imitieren oder die in vivo beobachtete metabolische Aktivität angemessen darstellen, wurde ein größerer Fokus auf die Entwicklung robuster und physiologisch relevanter In-vitro-3D-Lebermodelle für In-vivo-Ersatztechnologien festgelegt4,5. Der Einsatz fortschrittlicher 3D-Kulturtechnologien verbessert die Langlebigkeit von In-vitro-Lebermodellen, so dass langfristige, wiederholte Expositionsregime untersucht werden können. Darüber hinaus fördert dieses fortschrittliche Kulturformat die Bildung verbesserter physiologischer, organotypischer Merkmale wie Gallenkanaliculi, aktive Transporterprozesse und verbesserte CYP450-Wirkstoffmetabolisierungsfähigkeiten, wodurch die Prädiktodibilität der Modelle6verbessert wird. Aktuelle 3D-In-vitro-Hepatikmodelle, die aus Monokulturen (nur Hepatozyten) oder Kokulturen (Hepatozyten mit nichtparenchymalen Zellen) bestehen, existieren in mehreren Formaten, von Mikrotissues oder Sphäroiden in ultraniedrigen Haftplatten, hängenden Tropfensphäroiden, In Matrizen und/oder Gerüsten eingebetteten Zellen und mikrofluidischen Zellkulturplattformen, die alle als effektive fortgeschrittene In-vitro-Modelle für die Beurteilung der Lebertoxizität6,7gelten. Die meisten dieser Modellsysteme sind jedoch wartungsarm, erfordern spezielle Ausrüstung und sind teuer. Darüber hinaus sind diese Modelle häufig statisch (d. h. nicht dividierende Zellmodelle), die ihre Verwendung bei der Bewertung von Gefahrenendpunkten verhindern, wie z. B. Genotoxizitätstests mit Methoden, die feste DNA-Schäden quantifizieren. Genotoxizität ist eine wesentliche Voraussetzung in der regulatorischen Toxikologie, und es ist ein wichtiger Bestandteil der Risikobewertung von giftem Mittel8. Es gibt keinen einzigen Test, der angewendet werden kann, um alle Formen von DNA-Schäden zu quantifizieren, die nach der Exposition gegenüber einem exogenen Mittel auftreten können. Ein Kernbestandteil der In-vitro-Genotoxizitätstestbatterie ist jedoch der Mikrokern-Assay, eine zuverlässige und facettenreiche Technik, die grobe Chromosomenschäden misst9. Es handelt sich um eine Goldstandardtechnik, die von der OECD-Testleitlinie 487 zur Beurteilung von In-vitro-DNA-Schäden und Genotoxizität beschrieben wird, und ist Teil der Prüfbatterieanforderung für die regulatorische Risikobewertung10,11.
Die humane hepatozelluläre Karzinom-Zelllinie, HepG2, wird häufig für das erste Risikobewertungsscreening verwendet, da die Zellen leicht verfügbar, relativ kostengünstig zu beschaffen, einfach zu kulturierbar und für ein Durchsatzscreening12,13zugänglich sind. Wenn sie in 3D-Sphärische Strukturen kultiviert werden, haben sie gezeigt, dass sie die Mikroumgebung der Leber gut rekapitulieren und ein Lebermodell mit ausreichenden proliferativen Fähigkeiten bieten, um den Mikrokern-Assay3zu unterstützen. Die Weiterentwicklung der HepG2-Sphäroidmodelle wurde etabliert, um die Langlebigkeit und Leber-ähnliche Funktionalität des Modells zu verbessern, um die Bewertung der Genotoxizitätsgefährdung über langfristige, wiederholte Expositionsregime (≤14 Tage) zu unterstützen. Daher wurde das vorliegende Protokoll gemäß den Grundsätzen der 3Rs, die Tierversuche ersetzen, reduzieren und verfeinern sollen, eingeführt, um ein fortschrittliches 3D-In-vitro-Hepatikmodell bereitzustellen, das in der Lage ist, mehrere toxikologische Endpunkte (z. B. Leberfunktionalität, (Pro-)Entzündungsmarker, Zytotoxizität und Genotoxizität) nach akuten, langfristigen und wiederholten chemischen und ENM-Expositionen routinemäßig und leicht zugänglich zuverlässig zu bewerten.
Hier stellen wir eine Methode zur Etablierung eines physiologisch relevanten 3D-Hepatozyten-Zelllinien-basierten In-vitro-Modellsystems zur Bewertung der Genotoxizitätsgefährdung nach akuten oder langfristigen, wiederholten ENM-Expositionen vor. Das Protokoll kann in 6 Schlüsselstufen unterteilt werden: Kultivierung kryokonservierter HepG2-Zellen; HepG2 Sphäroid Vorbereitung; HepG2 Sphäroid Transfer von hängenden Tropfen zu Agarose Suspension; HepG2 Sphäroid Ernte; Mikrokern-Assay und Scoring; datenanalyse.
Anwendungen für 3D-Lebermodelle variieren erheblich, je nachdem, auf den jeweiligen biochemischen Endpunkt oder den unerwünschten Ergebnisweg gezielt. Jedes Modell hat seine Vorteile und Einschränkungen, von Interdonor Variation in primären menschlichen Hepatozyten (PHH) Modelle zu reduzierten Cytochrom p450 Aktivität in Zelllinien-basierten Modellen, aber alle sind wertvoll in ihrem eigenen Recht6,12,18,19. Bei der Bewertung der Genotoxizität gibt es Einschränkungen in den Modellen Kompatibilität mit gesetzlich zugelassenen Endpunkten wie der In-vitro-Mikrokern-Assay, da aktive Proliferation erforderlich ist. Dies ist notwendig, da die Genotoxizitätsbewertung erfordert, dass die Quantifizierung von festen DNA-Schäden nach der Zellteilung bewertet wird, wenn die Möglichkeit besteht, dass die DNA-Reparatur vorübergehende Läsionen korrigiert. Leider bilden hochdifferenzierte Hepatozyten (d.h. HepaRG) sphäroide oder PHH-Mikrotissues, die als die physiologisch relevantesten leberähnlichen Eigenschaften gelten, statische (nicht-proliferative) Modelle12,19,20. Daher bietet das hier vorgestellte 3D HepG2 Sphäroid-Modell ein geeignetes, alternatives Modell, das Genotoxizitätstests unterstützen kann. HepG2-Zelllinien-basierte Sphäroide haben genügend aktiv teilende Zellen auf der außenoberfläche der Sphäroide unter Beibehaltung grundlegender leberähnlicher Eigenschaften, wie Albumin- und Harnstoffproduktion und einige CYP450-Aktivität5,12,19. Hauptsächlich wurde dieses In-vitro-Lebermodell entwickelt, um den Mikrokern-Assay zu ergänzen, da dies einer der beiden In-vitro-Assays ist, die in der Batterie für Genotoxizitätstests8,10,11,21empfohlen werden. Das Modell kann jedoch problemlos auf DNA-Sequenzierungsanalysen und Genexpressionstechnologien (RNA) angewendet werden, während es das Potenzial hat, weiter angepasst und für andere DNA-Schadensendpunkte wie den Kometentest genutzt zu werden. Nichtsdestotrotz ist es wichtig, die Rolle zu berücksichtigen, die ENM-Interferenzen bei einigen Endpunktanalysen spielen. Beispielsweise sind Strömungszytometrie-basierte Analysen möglicherweise nicht für die ENM-Genotoxizitätsbewertung geeignet, insbesondere aufgrund von Partikelstörungen22.
Ein begrenzender Faktor von Sphäroidmodellen, die sich aktiv einer Zellteilung unterziehen, ist ihre Größe. Die Optimierung der Saatdichte ist von entscheidender Bedeutung, da genügend Zellen vorhanden sein müssen, die es dem Modell ermöglichen, sich weiter auszumehren. aber nicht zu hoch eine Zellzahl, was dazu führt, dass das Sphäroid übermäßig kompakt wird, was zu einem erhöhten nekrotischen Kern führt. Die Ursache dieser Nekrose wird geglaubt, um eingeschränktsauerstoff- und Nährstoffdiffusion sein, da die Grenze dieser Diffusion wird angenommen, dass etwa 100 – 150 m Gewebe23,24. Dies hängt jedoch vom Zelltyp, der Zellnummer, den Gerüstinteraktionen und den Kulturbedingungen25ab. Seitdem hat sich gezeigt, dass etwa 700 m Durchmesser die Grenze zur Vermeidung eines vorzeitigen Beginns der Nekrose in der Mitte von C3A-Sphäroiden ist, die Aussaat von 4000 HepG2-Zellen pro Sphäroid stellt sicher, dass der Durchmesser des Modells zum Zeitpunkt der Exposition ≤500 m26beträgt. Darüber hinaus stellten Shah et al. fest, dass HepG2-Zellen mit einem Samen von mehr als 5000 Zellen pro Sphäroid nach 7 Tagen in der Kultur eine 25%ige Verringerung der Lebensfähigkeit aufwiesen, was sich auf den durchschnittlichen Durchmesser von 680 m und die begrenzte Verfügbarkeit von Nährstoffen in einem 20-L-Hängetropfen5beziehen konnte. Um dies zu überwinden, durchläuft das im vorliegenden Protokoll entwickelte Modell einen kritischen Schritt, bei dem der hängende Tropfen nach der Erstbildung des Sphäroids in Agarose-beschichtete Brunnen übertragen wird. Dies stellt sicher, dass ein größeres Volumen an Kulturmedium vorhanden ist, um die ständig wachsende Anzahl von Zellen innerhalb der Sphäroide zu erhalten. Infolgedessen bleibt das HepG2 Sphäroid-Modell nach 10 Tagen in der Kultur über 70% lebensfähig und kann für die langfristige Gefährdungsbeurteilung in vitro genutztwerden.
Während das HepG2 Sphäroid-Modell sowohl akute als auch langfristige Expositionsregime unterstützen kann, ist die Erfrischung des Zellkulturmediums während längerer Kulturperioden für dieses Modell eingeschränkt, da ein vollständiger Ersatz des Mediums aufgrund des potenziellen Verlusts der Sphäroide nicht empfohlen wird. Es wird vermutet, dass bei ENM-Expositionen die Tendenz zu homogenen ENM-Dispersionen zu Agglomerat und Sediment hoch ist. Es ist jedoch bemerkenswert, dass die Rate, mit der ein ENM-Sediment je nach Denplyse parametern (z. B. Größe, Form und Dichte) variieren kann und theoretisch anhand des In-vitro-Sedimentations-, Diffusions- und Dosimetriemodells (ISDD) oder seiner jüngsten Derivate bestimmt werden kann, auf die bei ENM-Expositionsansätzen oft Bezug genommen wird27,28. Dabei wird angenommen, dass, wenn nur 50% des Zellkulturmediums vorsichtig von der Oberfläche der Zellkultur entfernt werden, die Störung und anschließende Entfernung der ENM-Dosis theoretisch minimal sein sollte. Mit Brownian Bewegung im Spiel, kann dies jedoch nicht unbedingt der Fall sein und weitere Arbeiten in der Ablagerung und Sedimentation jedes einzelnen ENM getestet werden sollte durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die richtige Dosimetrie während der langfristigen Expositionsregime beibehalten wird27. Grundsätzlich ist dies eine potenzielle Einschränkung, die bei der Durchführung wiederholter Dosiersysteme zu berücksichtigen ist, da dies für die endgültige, akkumulierte Konzentration von entscheidender Bedeutung sein könnte. Chemische Expositionen hingegen bieten, auch wenn sie nicht ohne ihre eigenen Einschränkungen zu berücksichtigen sind, einen vereinfachteren Ansatz, da chemische Stoffe tendenziell in Lösung bleiben und somit ein direkter Ersatz der ursprünglichen chemischen Konzentration zusätzlich zur neu zugesetzten Konzentration dafür sorgt, dass alle Chemikalien, die während der Medienerfrischung verloren gehen, entsprechend ersetzt werden29. Zukünftige Anwendungen würden die Bewertung der Eignung des Modells für wiederholte Expositionsregime über langfristige Kulturperioden umfassen, da wiederholte Dosierstrategien von entscheidender Bedeutung für die Beurteilung der Fähigkeit eines bestimmten Organsystems sind, die durch die Bioakkumulation einer xenobiotischen Substanz verursachten nachteiligen Auswirkungen zu mildern oder zu überwinden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dieses 3D-In-vitro-Hepatikmodell in der Lage ist, eine Reihe realistischer Expositionsszenarien zu bewerten und damit einen zukünftigen In-vitro-Ansatz bereitzustellen, um sowohl enM als auch die Bewertung chemischer Gefahren routinemäßig und leicht zugänglich zu unterstützen.
The authors have nothing to disclose.
Die Autoren möchten anerkennen, dass diese Forschung aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union für das PATROLS-Projekt im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 760813 gefördert wurde.
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 |