The objective of the study was to assess the biological impact of 15 cigarette smoke constituents using a combination of an impedance-based real time cell analyzer and a high-content screening (HCS)-based platform for toxicological assessment in vitro. This study provides information on effective doses, toxicity and modes of action of the tested compounds.
A fumaça do cigarro (CS) é um importante fator de risco para doenças cardiovasculares e pulmonares. Porque CS é um aerossol complexo contendo mais de 7.000 produtos químicos 1 é um desafio para avaliar as contribuições de componentes individuais para a sua toxicidade geral. Perfis toxicológicos dos componentes individuais, bem como misturas podem ser no entanto estabelecida in vitro, através da aplicação de alta through-colocar ferramentas de rastreio, que permitem a caracterização dos componentes nocivos e potencialmente prejudiciais (HPHCs) da fumaça do tabaco, tal como definido por os EUA Food and Drug Administration (FDA) 2.
Para uma avaliação inicial, um instrumento baseado em impedância foi usado para um tempo real de avaliação, sem rótulo de toxicidade do composto. O instrumento de leitura depende de adesão celular, viabilidade e morfologia que todos juntos fornecem uma visão geral do status celular. Um parâmetro adimensional, denominado índice de celular, é usado para a quantificação. Um conjunto de difprotocolos de coloração dife- foi desenvolvido para uma investigação baseada em imagens de fluorescência e uma plataforma de HCS foi utilizado para obter informações mais detalhadas sobre o tipo de citotoxicidade provocada por cada HPHC.
Dos 15 componentes testados, apenas cinco foram seleccionados para análise baseia-HCS em que registada uma calculável LD 50 (<20 mM). Estes incluíram 1-aminonaphtalene, Arsénio (V), cromo (VI), Crotonaldeído e fenol. Com base no seu efeito na HCS, 1-aminonaphtalene e fenol pode ser identificada para induzir disfunção mitocondrial, e, em conjunto com crómio (VI) como genotóxico com base no aumento da fosforilação da histona H2AX. Crotonaldeído foi identificado como um indutor de estresse oxidativo e arsênico como um ativador de quinase via do estresse.
Este estudo demonstra que uma combinação de tecnologias baseadas em impedância e HCS fornece uma ferramenta robusta para a avaliação in vitro dos constituintes CS.
Avaliação do risco toxicológico tem historicamente se baseou na utilização de modelos animais que, embora fundamental nas ciências da vida, também estão ligados com deficiências tais como tradutibilidade inconsistentes para os seres humanos e de alto custo. Além disso, tem havido um esforço crescente para encontrar alternativas à experimentação animal no espírito de "Os 3Rs" 2 (substituição, redução e refinamento). Este esforço tem sido acelerado nos últimos anos, não só por causa dos avanços recentes, como técnicas de alto rendimento e abordagens de biologia de sistemas, mas também por causa da legislação que restringe o uso de testes em animais, especialmente na União Europeia.
A complexidade das vias de sinalização celulares que regulam a resposta a insultos tóxicos torna evidente que o uso de parâmetros toxicológicos individuais não serão suficientes para descrever a base toxicológico de determinados compostos. Para isso, a interação de centenas de interagir proteins que contribuem para uma rede biológica também terão de ser tomadas em consideração. Para estudar o efeito de agentes tóxicos nessas redes, uma abordagem toxicologia sistema combinado com médio fenotípicas e ensaios de rastreio de alto rendimento é útil para inferir potências e, ao mesmo tempo, proporcionar mais informação sobre o mecanismo de acção de substâncias tóxicas individuais.
Neste estudo, utilizou-HCS como uma ferramenta de rastreio poderoso, o qual é composto por um microscópio automatizado e uma aplicação de software biológico, que pode adquirir, processar e analisar os dados de imagem obtidos a partir de ensaios celulares com base em fluorescência específica. Isto permite alterações visuais dentro de uma célula a ser quantificado, a uma única célula ou nível subcelular, e muitos parâmetros a serem analisados simultaneamente. 3 Por exemplo, o ADN quebras de cadeia dupla foram avaliados usando uma identificação à base de anticorpo da fosforilação da histona H2AX e espécies reactivas de oxigénio (ROS) foram quantificados utilizando uma célula-permsuperóxido eable corante sensível.
Como as células epiteliais pulmonares representam a primeira barreira biológica contra tóxicos inalados, incluindo o fumo do cigarro, utilizamos células epiteliais brônquicas primárias como um modelo in vitro para traçar o perfil do efeito da HPHCs publicados pelos Estados Unidos Food and Drug Administration. 4 Este manuscrito é um follow -up em um estudo anterior 5 em que se avaliou o impacto biológico de um subconjunto diferente de HPHCs.
Como parte do nosso fluxo de trabalho para avaliar a citotoxicidade in vitro, inicialmente avaliou as potências de uma seleção de 15 HPHC de, através de uma análise celular em tempo real baseado em impedância do sistema (RTCA) que nos permitiu estabelecer doses-ranges, adequados para HCS subsequente análise (Figura 1). A avaliação toxicológica HCS foi depois conduzida utilizando nove pontos de extremidade de multi-paramétricos de toxicidade celular, cada monitorizada em dois pontos de tempo (4 e 24 h). Os marcadores utilizados foram indicativos de toxicidade mitocondrial, danos no ADN, o stress quinase, espécies reactivas de oxigénio (ROS), o teor de glutationa (GSH), a caspase 3 – actividade de 7, a libertação do citocromo C e permeabilidade da membrana celular, como descrito na Tabela 1.
A nossa abordagem permitiu a identificação e a caracterização do efeito de constituintes do fumo do cigarro através de amostragem da dose e dependente do tempo. Em última análise, isso produziu um perfil toxicológico in vitro para cada HPHC. abordagens multi-genómica também pode ser usado para complementar ainda mais a análise de HCS. Isto iria finalmente também fornecer uma compreensão mais profunda dos efeitos na sinalização celular e / ou do nível de transcrição.
As necessidades de alternativas à experimentação animal e para novas abordagens de teste de alto rendimento têm sido amplamente discutido nos últimos anos. Isso levou os cientistas e autoridades reguladoras para investigar métodos alternativos para os testes de toxicidade padrão, utilizando ensaios celulares que imitam de perto a fisiologia dos tecidos-alvo. Neste estudo, demonstrámos a aplicabilidade da combinação de um analisador de células em tempo real (RTCA) com uma plataforma de alto teor de triagem (HCS) para avaliar o impacto da exposição aos componentes individuais CS em células epiteliais do pulmão humano. Esta configuração pode ser aplicada de forma análoga para avaliar a citotoxicidade induzida por vários outros poluentes transportados pelo ar, partículas transportadas pelo ar, e nanopartículas. Além disso, os resultados obtidos podem ser combinados com os de transcriptomics todo o genoma e métodos computacionais baseados em redes biológicas causais. Como relatado anteriormente, esta abordagem permitiu-nos para corroborar os dados sobre caminho molecularperturbação após exposição CS 5 com endpoints HCS, abordando estas perturbações via também fenotipicamente.
Como um ensaio de fluxograma, análise de células em tempo real fornece informação relacionada com a viabilidade celular em uma resolução dose e tempo-dependente, que permite uma melhor tomada de decisão que a dose e ponto de tempo de exposição pode ser favorável para a análise a jusante 14. O princípio do analisador depende de alterações na impedância eléctrica produzida pelas células que atribuem e espalhada sobre uma superfície de cultura bem coberto com um microeléctrodo de ouro. A impedância é convertido num parâmetro adimensional denominada célula-índice, que pode ser usado para monitorar a adesão celular, espalhamento, morfologia e, finalmente, a viabilidade celular. Embora esta técnica não fornece informação sobre os mecanismos citotóxicos, a sua sensibilidade permite a detecção de mudanças morfológicas celulares, mesmo em doses muito baixas em que o HCS não é informativo (dados não mostrados). Com base na PREVIexperimentos ous, observamos que a metodologia RTCA é capaz de detectar alterações morfológicas em doses mais baixas em comparação com os endpoints HCS.
Seguindo triagem inicial com o analisador de células em tempo real, uma plataforma HCS foi utilizado para obter informações mais detalhadas sobre o tipo de citotoxicidade provocada por cada HPHC. O painel de ensaio HCS permitido ao perfil HPHCs para seu potencial impacto sobre compartimentos celulares / organelas, bem como para identificar aqueles provocando genotoxicidade ou estresse oxidativo. A análise revelou perfis distintos em que as HPHCs selecionados induzem citotoxicidade nas células NHBE. Em geral, todos os compostos, excepto Fenol, foram encontrados para induzir a necrose nas doses testadas mais elevadas. Consistente com um potencial papel no desenvolvimento do cancro 1-aminonaphtalene fosforilação induzida de H2AX como um marcador para a genotoxicidade, no entanto, o painel HCS também descoberto actividade deste HPHC na leitura da toxicidade mitocondrial (massa aumentada e citocromo C releaSE) e estresse oxidativo (depleção de GSH). Da mesma forma, como anteriormente descrito, o fenol foi identificado para induzir disfunção mitocondrial, e causar danos no DNA, bem como o esgotamento de GSH. Crómio (VI), um dos compostos classificados como cancerígenos grupo I, e Crotonaldeído também foram ambos identificados como genotóxica, em particular, o cromo (VI) também induziu apoptose (caspase ativação em cascata) e Crotonaldeído causou aumento da geração de ROS. Finalmente arsênio (V), foi encontrada para induzir cJun fosforilação que é um marcador de activação da via cinase de stress.
Neste estudo, utilizou-se células NHBE como um modelo para as células epiteliais do pulmão in vitro. Usando essas células em um ambiente HCS é sem precedentes e permitiu a investigação de uma gama mais ampla de endpoints, incluindo marcadores de genotoxicidade e estresse oxidativo. Ambos células vivas e abordagens de coloração de células fixadas foram descritos nos nossos protocolos, que demonstra a flexibilidade da técnica geral. na fato, os mesmos protocolos pode ser aplicado a uma ampla gama de alvos, que pode ser endereçado pela utilização de qualquer corante fluorescente ou um anticorpo. Para a execução com sucesso dos protocolos de coloração vivo, é importante respeitar o tempo de incubação, como alguns dos corantes têm uma meia-vida limitada e o sinal de fluorescência pode diminuir antes da aquisição de imagem está completado. É também importante ter em conta que, se um tipo de célula diferente é utilizado, todas as condições de coloração devem ser reavaliados, como a concentração de corante óptima e o tempo de incubação pode ser diferente.
No presente trabalho, descrevemos um cenário em que apenas cinco compostos em que rastreados com a metodologia HCS. Considerando-se a disposição da placa anteriormente descrita, eles foram doseados mais de dois conjuntos diferentes de placas para um total de 24 placas (6 ensaios e 2-pontos de tempo) .O número de placas também pode ser aumentado, permitindo deste modo para o rastreio simultâneo de mais compostos ou os investigação de mais pontos de extremidade. Antes de o fazer, no entanto, deve-se tomar em consideração que certos pontos de extremidade (GSH e ROS) requerem aquisição imediata, e, como consequência, a dosagem das placas deve ser executada de forma escalonada para permitir a aquisição da placa anterior. Por outro lado, usando um protocolo de coloração de células fixadas representa uma vantagem que as placas podem ser empilhadas, interrompendo o protocolo em qualquer passo, após a fixação, para a conclusão do processo de coloração, numa fase posterior. Esta abordagem, por exemplo, que proporcionam ao operador o tempo para concluir todas as placas de coloração celular ao vivo, sem comprometer a qualidade dos dados.
Para optimizar ainda mais o fluxo de trabalho através da diminuição do número de placas, seria também possível multiplexar ponto de extremidade mais juntos. Por exemplo, neste danos DNA contexto e estresse Kinase puderam ser investigadas em conjunto simplesmente usando anticorpo secundário dois com fluorocromos que emitem em diferentes channels. O desenvolvimento contínuo da plataforma HCS, incluindo a semeadura totalmente automatizado de células, diluição do composto, de dosagem e de coloração, assim como a adição de novos pontos de extremidade irá expandir ainda mais a capacidade da plataforma de HCS como uma ferramenta de perfil poderosa para HPHCs sobre epiteliais e outros tipos de células .
The authors have nothing to disclose.
Os autores gostariam de agradecer Karsta Luettich e Grégory Vuillaume para a sua revisão do manuscrito.
Cellomics ArrayScan VTI HCS Reader | Thermo | N01-0002B | |
xCelligence RTCA MP | ACEA | 05331625001 | |
Screener (HCS) | Genedata | NA | |
CASY counter TTC | Roche | 05 651 719 001 | |
e-Plates VIEW 96 | ACEA | 06 472 451 001 | |
RTCA Frame 96 | ACEA | 05232392001 | |
RTCA Cardio Temperature Tool | ACEA | 2801171 | |
Plate sealer breathseal | Greiner bio-one | 676051 | |
Normal Human Bronchial Epithelial cells (NHBE) | Lonza | CC-2540 | non-smoking 60-year-old Caucasian male donor |
BEGM BulletKit | Lonza | CC-3170 | Warm at 37 °C before use |
ReagentPack Subculture Reagents kit | Lonza | CC-5034 | Warm at 37 °C before use |
Penicillin/Streptomycin (100x) | Corning | 30-002-CI | |
Easy Flask filter cap 75cm2 | Thermo Scientific | 12-565-349 | |
96 well assay plate black | Corning | 3603 | |
Hoechst 33342 | Fisher Scientific | PI-62249 | |
Draq5 (For Far Red Nuclear Staining) | Biostatus | DR50200 | |
Mitochondrial Dye: MitoTracker Red CMXRos | Life technologies | M-7512 | |
Mitochondrial Dye: MitoTracker Red CM-H2XRos | Life technologies | M-7513 | |
ROS Dye: Dihydroethidium | Sigma | D7008 | |
ROS Dye: CellROX | Life technologies | C10422 | |
ROS Dye: MitoSOX | Life technologies | M36008 | |
GSH Dye: Monochlorobimane | Sigma | 69899 | Toxic |
GSH Dye: Monobromobimane | Life technologies | M-1378 | Toxic |
Membrane permeability Dye: YO-PRO-1 | Life technologies | Y3603 | Irritating |
Membrane permeability Dye: TO-PRO-1 | Life technologies | T3602 | Irritating |
Membrane permeability Dye: TOTO-1 | Life technologies | T3600 | Irritating |
Caspase Dye: Cellevent Caspase 3/7 green | Life technologies | C10423 | Irritating |
Anti-Cytochrome C antibody (Mouse) | Thermo | MA5-11823 | |
Anti-phospho-c-Jun antibody (Mouse) | Thermo | MA5-15889 | |
Anti-phospho-H2AX antibody (Mouse) | Thermo | MA1-2022 | |
Goat anti-Mouse IgG DyLight 650 | Abcam | ab96878 | |
10X permeabilization buffer | Fisher | 8408400 | |
4% Formaldehyde solution | Sigma | F1635 | Toxic |
10X blocking buffer | Fisher | 8408500 | |
Dulbecco’s Phosphate Buffered Saline | Sigma | D8537 | |
Hanks' Balanced Salt solution | Sigma | H8264 | |
Staurosporine | Sigma | S4400 | Toxic |
Valinomycin | Sigma | V0627 | Toxic |
Paraquat | Sigma | 36541 | Toxic |
Anisomycin | Sigma | A9789 | Toxic |
Ethacrynic acid | Sigma | E4754 | Toxic |
1-Aminonaphthalene | Sigma | 34390 | Toxic |
2-Nitropropane | Sigma | 130265 | Toxic |
Acetamide | Sigma | 695122 | Toxic |
Acetone | Sigma | 650501 | Toxic |
Acrylamide | Sigma | A9099 | Toxic |
Arsenic (V) | Sigma | A6756 | Toxic |
Benzene | Sigma | 12540 | Toxic |
Chromium (VI) | Sigma | 216623 | Toxic |
Crotonaldehyde | Sigma | 262668 | Toxic |
Methyl ethyl ketone | Sigma | 34861 | Toxic |
Nickel | Sigma | 203866 | Toxic |
Nitrobenzene | Sigma | 48547 | Toxic |
Phenol | Sigma | P5566 | Toxic |
Quinoline | Sigma | 241571 | Toxic |
Toluene | Sigma | 34866 | Toxic |