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.
Sigara dumanı (CS), kardiyovasküler ve akciğer hastalıkları için önemli bir risk faktörüdür. CS onun genel toksisite bireysel bileşenlerin katkıları değerlendirmek için zorlu 1 7.000 'den fazla kimyasal madde içeren karmaşık bir aerosol olduğu için. ABD Gıda ve İlaç tarafından tanımlanan tek tek bileşenlerin yanı sıra karışımların toksikolojik profilleri, ancak verimlilikte bir tütün dumanının zararlı ve Potansiyel Zararlı Bileşenlerinin (HPHCs) ve profil oluşturma özelliği sağlar tarama araçları, yüksek uygulayarak, in vitro kurulabilir İdaresi (FDA). 2
Bir ilk değerlendirmenin, bir empedans tabanlı enstrüman bileşiğin toksisite gerçek zamanlı, etiket ücretsiz değerlendirme için kullanıldı. alet okuması hep birlikte hücre durumuna genel bir bakış sağlamak hücre yapışması, canlılığı ve morfolojisi dayanır. Hücre indeksi adında bir boyutsuz parametre, ölçümü için kullanılır. dif kümesiferent boyama protokolleri bir floresan görüntüleme bazlı soruşturma için geliştirilmiştir ve bir HCS platformu her HPHC tarafından ortaya sitotoksisite tür daha derinlemesine bilgi elde etmek için kullanıldı.
Onlar hesaplanabilir LD 50 (<20 mM) kayıtlı olarak test edilen 15 bileşenlerin, sadece beş HCS tabanlı analiz için seçilmiştir. Bu 1-aminonaphtalene, Arsenik (V), Krom (VI), Crotonaldehyde ve Fenol dahil. HCS'de etkilerini esas alarak, 1-aminonaphtalene ve Fenol artan histon H2AX fosforilasyonuna dayanan genotoksik krom (VI) ile birlikte, mitokondriyal disfonksiyon indüklemek için tespit edilebilir ve. Krotonaldehit stres kinaz yolu aktivatörü gibi bir oksidatif stres indükleyici ve arsenik olarak tespit edilmiştir.
Bu çalışma, empedansı bazlı ve HCS teknolojilerinin bir kombinasyonu CS bileşenlerin in vitro değerlendirilmesi için sağlam bir araç sağlar göstermektedir.
Toksikolojik risk değerlendirmesi tarihsel yaşam bilimlerindeki temel olsa da, aynı zamanda insanlar ve yüksek maliyet tutarsız çevirilebilirlik olarak eksiklikleri ile bağlantılıdır, hayvan modellerinin kullanımı dayanmıştır. Ayrıca, "3R" 2 (değiştirme, azaltma ve arıtma) ruhu hayvan testlerine alternatifler bulmak için giderek artan bir çaba olmuştur. Bu çaba, son birkaç yıl içinde ivme kazanmıştır çünkü sadece özellikle Avrupa Birliği'nde bu tür yüksek verimlilik teknikleri ve aynı zamanda, çünkü hayvanlar üzerinde test kullanımını kısıtlayan mevzuat sistem biyolojisi yaklaşımları olarak son gelişmeler, evi.
Toksik hakaretlere tepki düzenleyen hücresel sinyal yollarının karmaşıklığı tek toksikolojik son noktalar kullanılarak bazı bileşiklerin toksikolojik temelini açıklamak için yeterli olmayacaktır o belli yapar. Bunun için, etkileşen p yüzlerce etkileşimibiyolojik ağa katkıda roteinler de dikkate alınması gerekir. Bu ağlarda Toksik maddelerin etkisini araştırmak için, fenotipik orta ve yüksek verimli tarama deneyleri ile kombine bir sistem toksikoloji yaklaşımı güçlerini anlaması ve aynı zamanda bireysel toksik maddelerin etki mekanizması hakkında daha fazla bilgi sağlamak için yararlıdır.
Bu çalışmada elde süreç ve spesifik flüoresan bazlı hücresel analizlerden elde edilen görüntü verilerini analiz otomatik bir mikroskop ve bir biyolojik yazılım uygulaması oluşan güçlü bir tarama aracı, yanı HCS kullanılabilir. Bu, tek bir hücre ya da hücre-altı seviyede, sayısal olarak bir hücre içinde görsel değişiklikler sağlar ve birçok parametre eş zamanlı olarak analiz edilmesi. 3, örneğin, DNA, iki iplikçikli kırılmalar histon H2AX fosforilasyon bir antikor bazlı kimlik kullanılarak değerlendirildi ve reaktif oksijen türleri (ROS), bir hücre-Perm kullanılarak ölçüldüEable süperoksit duyarlı boya.
Akciğer epitel hücreleri sigara dumanı olmak üzere solunan toksik maddelerin, karşı ilk biyolojik bariyer temsil çünkü, biz Amerika Birleşik Devletleri Gıda ve İlaç İdaresi tarafından yayınlanan HPHCs etkisini profil bir in vitro model olarak primer bronş epitel hücreleri kullanılmaktadır. 4 Bu el yazması bir takip olduğunu biz HPHCs farklı bir alt kümesi biyolojik etkilerini değerlendirdi olan önceki bir çalışmada 5 üzerinde -up.
In vitro sitotoksisite değerlendirmek için bizim iş akışının bir parçası olarak, başlangıçta bize sonraki HCS için uygun doz aralıkları, kurmalarına izin (RTCA) sistemi, bir empedans tabanlı gerçek zamanlı hücre analiz kullanılarak, 15 HPHC en bir seçim potenslerine değerlendirdi analiz (Şekil 1). Daha sonra hücresel toksisite dokuz çok parametrik son noktalar kullanılarak gerçekleştirilmiştir bir toksikolojik HCS değerlendirme, her iki zaman noktalarında (4 ve 24 saat) izlenir. Tablo 1 'de tarif edildiği gibi, 7 aktivitesi, sitokrom C salınımı ve hücre membran geçirgenliği – kullanılan belirteçler mitokondriyal toksisite, DNA hasarı, stres kinaz, reaktif oksijen türlerinin (ROS), glutatyon (GSH) içeriği, kaspaz 3'ün göstermekteydi.
Bizim yaklaşım etkin kimlik ve doza ve zamana bağımlı örnekleme yoluyla sigara duman bileşenlerinin etkisi karakterizasyonu. Sonuç olarak, bu durum, her HPHC için bir in vitro toksikolojik profil üretilmektedir. Çok omik yaklaşımlar da daha HCS analizi tamamlamak için kullanılabilir. Bu nihayet hücre haberleşmesi ve / veya transkripsiyon seviyesinde etkileri daha derin bir anlayış sağlayacaktır.
Hayvan deneyleri alternatifler için ve yeni yüksek kapasiteli test yaklaşımları için ihtiyaçları yaygın olarak son yıllarda ele alınmıştır. Bu yakından hedef dokuların fizyolojisini taklit hücresel deneyleri kullanılarak standart toksisite testleri için alternatif yöntemler, araştırmak için bilim adamları ve düzenleyici otoriteleri yol açmıştır. Bu çalışmada, insan akciğer epitel hücreleri üzerinde tek CS bileşenlere maruz kalma etkisini değerlendirmek için bir içeriği yüksek tarama (HCS) platformu ile gerçek zamanlı hücre analizörü (RTCA) birleştirerek uygulanabilirliğini göstermiştir. Bu kurulum benzer diğer çeşitli havada bulunan kirleticilerin, havadaki partiküllerin ve nanopartiküller tarafından uyarılan sitotoksisite değerlendirmek için uygulanabilir. Ayrıca, elde edilen sonuçlar nedensel biyolojik ağlarına dayalı tam genom transkriptomik ve hesaplama yöntemleri gelenler ile uyumlu olabilir. Önceden bildirildiği gibi, bu yaklaşım moleküler yolu verileri doğrulamak için bize izinHCS bitiş noktaları ile CS maruz 5 üzerine pertürbasyon, ayrıca fenotipik bu yolu tedirginlikler ele.
Bir akış deneyi olarak, gerçek zamanlı hücre analiz dozu ve maruz kalma süresi noktası aşağı analiz 14 için uygun olabilir daha iyi karar verme sağlayan bir doz ve zamana bağımlı çözünürlük, hücre canlılığı ile ilgili bilgi sağlar. analizörü ilkesi bir altın mikroelektrot ile kaplı bir kültür de yüzeyde takmak ve yayılma olarak hücreler tarafından üretilen elektrik empedans değişikliklere dayanır. Empedans sonuçta morfolojisi ve hücre canlılığı, yayma, hücre yapışmasını izlemek için kullanılabilir hücre dizini adlı bir boyutsuz parametre, dönüştürülür. Bu teknik sitotoksik mekanizmaları hakkında bilgi sağlamaz rağmen, duyarlılığı bile HCS bilgilendirici olmadığı çok düşük dozlarda morfolojik hücresel değişimlerin tespit edilmesini sağlar (veriler gösterilmemiştir). Kümelenme Strateji dayalılı deneyler, biz RTCA metodoloji HCS bitiş noktaları ile karşılaştırıldığında daha düşük dozlarda morfolojik değişiklikleri tespit etmek mümkün olduğunu kaydetti.
Gerçek zamanlı hücre analizörü ile ilk gösteriminin ardından, bir HCS platformu her HPHC tarafından ortaya sitotoksisite tür daha derinlemesine bilgi elde etmek için kullanıldı. hücre bölmeleri üzerindeki potansiyel etkileri doğru HPHCs profil izin HCS tahlil paneli / organelleri yanı sıra genotoksisite veya oksidatif stres yol açanlara tanımlamak için. Analiz seçilen HPHCs NHBE hücrelerinde sitotoksisite neden bu sayede farklı profiller ortaya çıkardı. Genel olarak, tüm bileşikler, fenol hariç test edilen en yüksek dozda nekroza neden olduğu bulunmuştur. potansiyel genotoksisite için bir marker olarak H2AX kanser gelişimi 1-aminonaphtalene indüklediği fosforilasyon rolü ise mitokondriyal toksisite okuma bu HPHC de ortaya çıkarılan aktivite HCS paneli (kütle artarak sitokrom C Relea tutarlıse) ve oksidatif stres (GSH azalması). Daha önce de tarif edildiği gibi, fenol mitokondriyal işlev bozukluğu indükler ve DNA hasarı gibi GSH tüketilmesine neden olarak tespit edilmiştir. Krom (VI), grup I kanserojen olarak sınıflandırılmıştır bileşiklerden biri ve Crotonaldehyde de hem özellikle krom (VI) aynı zamanda kaynaklı apoptosis (kaspaz çağlayanı etkinleştirme) ve krotonaldehit ROS üretimini artış neden olarak genotoksik tespit edilmiştir. Son olarak arsenik (V), stres kinaz yolu aktivasyonunun bir belirtecidir cJun fosforilasyonu uyardığı bulunmuştur.
Bu çalışmada, in vitro olarak akciğer epitel hücreleri için bir model olarak NHBE hücreleri kullanılmıştır. Bir HCS ortamda bu hücreleri kullanılarak görülmemiş ve genotoksisite ve oksidatif stres belirteçleri de dahil olmak üzere uç noktalar, daha geniş bir yelpazede soruşturma sağladı. canlı hücre ve sabit hücre boyama yaklaşımları Hem genel teknik esneklik göstererek bizim protokoller dahilinde tarif edildi. fişlem, aynı protokoller bir flüoresan boya veya antikor kullanılarak saptanabilir hedefleri daha geniş bir yelpazesi için uygulanabilir. Canlı boyama protokollerin başarıyla uygulanması için, boyalar, bazı sınırlı yarılanma ömrü ve görüntü alma tamamlanmadan önce azalabilir floresan sinyali olarak, inkübasyon süresi saygı önemlidir. Farklı bir hücre tipi kullanılırsa, tüm boyama koşullarının uygun boya konsantrasyonu, yeniden değerlendirilmeli ve inkübasyon süresi farklı olabileceğini dikkate almak da önemlidir.
Geçerli yazıda sadece beş bileşikler HCS metodolojisi ile tarandı bir senaryo tarif var. daha önce tarif edilen plaka düzeni göz önüne alındığında, bu şekilde daha fazla bileşik ya da eş zamanlı olarak taranması için sağlayan 24 levha (6 deneyleri, 2 zaman noktalarında) levha .bir sayısı da artırılabilir toplam 2 farklı levhayı dozlandı yatırımcılarınDaha fazla uç noktaları sunda. Bunu yapmadan önce, ancak, bir belirli uç noktalar (GSH ve ROS) derhal satın gerektiren dikkate almalı ve bunun sonucu olarak, plakaların dozaj önceki plaka satın izin vermek için kademeli bir şekilde yapılmalıdır. Plakalar daha sonraki bir aşamada boyama işleminin tamamlanması için, tespit sonrasında herhangi bir aşamada iletişim kuralı bölerek istiflenebilir Diğer taraftan, sabit bir hücre boyama protokolü kullanılarak bir avantajı temsil eder. Bu yaklaşım, örneğin veri kalitesinden ödün vermeden tüm canlı hücre boyama plakaları tamamlamak için zaman operatör sağlayacaktır.
ayrıca plakaların sayısını azaltarak iş akışını optimize etmek için, aynı zamanda birlikte daha uç noktaları multipleks mümkün olacaktır. Bu bağlamda DNA Hasarı ve Stres Örneğin Kinaz farklı c yayan fluorochromes sadece iki ikincil antikor kullanılarak birbirine araştırılması olabilirhannels. Sürekli tam otomatik Hücre Serpilmesi bileşik seyreltme, dozajlama ve boyama dahil HCS platformun geliştirilmesi, hem de yeni uç noktaları ilavesi, epitelyal ilgili HPHCs ve diğer hücre tipleri için güçlü bir profil aracı olarak HCS platformun kapasitesini artıracaktır .
The authors have nothing to disclose.
Yazarlar yazının kendi incelenmek üzere Karsta Luettich ve Grégory VUILLAUME teşekkür etmek istiyorum.
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 |