Summary

Zebra Balığı Hücre Hatları ile Sitotoksisite Testleri

Published: January 06, 2023
doi:

Summary

Bu protokol, zebra balığı embriyo (ZEM2S) ve karaciğer (ZFL) hücre hatlarında 96 kuyucuklu plakalarda sitotoksisitenin değerlendirilmesi için uyarlanmış yaygın olarak kullanılan sitotoksisite testlerini (Alamar Blue [AB], CFDA-, Nötr Kırmızı ve MTT testleri) sunar.

Abstract

Balık hücre hatları ekotoksisite çalışmalarında giderek daha fazla kullanılmaya başlanmıştır ve sitotoksisite testleri balık akut toksisitesini tahmin etmek için yöntemler olarak önerilmiştir. Bu nedenle, bu protokol, zebra balığı (Danio rerio) embriyo (ZEM2S) ve karaciğer (ZFL) hücre hatlarında 96 kuyucuklu plakalarda hücre canlılığını değerlendirmek için modifiye edilmiş sitotoksisite testleri sunar. Değerlendirilen sitotoksisite sonlanım noktaları mitokondriyal bütünlük (Alamar Blue [AB] ve MTT testleri), esteraz aktivitesi yoluyla membran bütünlüğü (CFDA-testi) ve lizozomal membran bütünlüğüdür (Nötr Kırmızı [NR] testi). Test maddelerinin 96 delikli bir plakaya maruz bırakılmasından sonra, sitotoksisite testleri yapılır; Burada, AB ve CFDA-aynı anda gerçekleştirilir, ardından aynı plakada NR yapılırken, MTT testi ayrı bir plakada gerçekleştirilir. Bu tahliller için okumalar, AB ve CFDA-için floresan ve MTT ve NR için absorbans ile alınır. Bu balık hücre hatları ile yapılan sitotoksisite testleri, kimyasal maddelerin balıklar üzerindeki akut toksisitesini incelemek için kullanılabilir.

Introduction

Kimyasal maddelerin insan sağlığı ve çevre açısından güvenlikleri açısından test edilmeleri gerekmektedir. Moleküler ve hücresel biyobelirteçler, düzenleyici kurumlar ve/veya mevzuatlar (örneğin, REACH, OECD, US EPA)1,2 tarafından canlı organizmalar üzerindeki etkileri tahmin etmek için güvenlik değerlendirmelerinde giderek daha fazla dikkate alınmaktadır, çünkü bunlar in vivo advers sonuçtan (örneğin, endokrin bozulma, immünolojik yanıt, akut toksisite, fototoksisite)3,4,5,6,7 . Bu bağlamda, sitotoksisite, balık akut toksisitesini tahmin etmek için bir ölçüm olarak alınmıştır 5,8; Bununla birlikte, ekotoksisite çalışmalarında, balıklar üzerindeki en çeşitli etkilerini (örneğin, endokrin bozucu etkiler) incelemek için kimyasal maddelerin alt sitotoksik konsantrasyonlarını tanımlamak gibi birçok başka uygulamaya sahip olabilir.

Hücre kültürü sistemlerinde (in vitro sistemler), kimyasal maddelerin sitotoksisitesi, sonlanım noktalarının tiplerinde farklılık gösteren yöntemlerle belirlenebilir. Örneğin, bir sitotoksisite yöntemi, hücre ölümü sürecinde gözlenen spesifik morfoloji ile ilgili bir son noktaya dayanabilirken, bir diğeri hücre ölümü, canlılık ve işlevsellik, morfoloji, enerji metabolizması ve hücre bağlanma ve çoğalmasının ölçülmesiyle sitotoksisiteyi belirleyebilir. Kimyasal maddeler hücre canlılığını farklı mekanizmalarla etkileyebilir, bu nedenle kimyasal etkileri tahmin etmek için farklı hücre canlılık sonlanım noktalarını kapsayan sitotoksisite değerlendirmesi gereklidir9.

MTT ve Alamar Blue (AB), hücre metabolik aktivitesine bağlı olarak hücre canlılığı üzerindeki etkileri belirleyen testlerdir. MTT testi, mitokondriyal enzim süksinat dehidrogenaz10’un aktivitesini değerlendirir. Sarımsı 3-[4,5-dimetiltiazol-2il]-2,5-difeniltetrazolyum bromür (MTT) formazan mavisine indirgenmesi sadece canlı hücrelerde meydana gelir ve optik yoğunluğu canlı hücrelerin sayısı ile doğru orantılıdır10. AB testi, resazurinin canlı hücreler tarafından resorufin’e indirgenmesi üzerine floresan ve renk değiştiren mitokondriyal enzimlerin aracılık ettiği hassas bir oksidasyon-indirgeme göstergesidir11; Bununla birlikte, sitozolik ve mikrozomal enzimler de AB ve MTT12’nin azaltılmasına katkıda bulunur. Bu enzimler, alkol ve aldehit oksidoredüktazları, NAD (P) H gibi çeşitli redüktazları içerebilir: kinon oksidoredüktaz, flavin redüktaz, NADH dehidrogenaz ve sitokromlar11.

Nötr Kırmızı (NR) testi, bu boyanın canlı hücrelerin lizozomlarına dahil edilmesine dayanan bir hücre canlılığı testidir13. NR alımı, hücrelerin pH gradyanlarını koruma kapasitesine bağlıdır. Lizozomların içindeki proton gradyanı, sitoplazmadan daha düşük bir pH tutar. Normal fizyolojik pH’da, NR yaklaşık sıfır net yük sunar ve bu da hücre zarlarına nüfuz etmesini sağlar. Böylece, boya şarj olur ve lizozomların içinde tutulur. Sonuç olarak, tutulan NR miktarı ne kadar büyük olursa, canlı hücrelerin sayısı da o kadar fazlaolur 14. Hücre yüzeyine veya lizozomal membranlara zarar veren kimyasal maddeler bu boyanın alımını bozar.

CFDA-testi, 5-karboksifloresein diasetat asetoksimil esterin (CFDA-) 15’in tutulmasına dayanan bir florometrik hücre canlılığı testidir. Bir esteraz substratı olan 5-CFDA-, polar olan ve canlı hücrelerin zarları tarafından geçirgen olmayan floresan bir madde olan karboksifloreseine dönüştürülür15; Böylece, sağlam bir hücre zarının iç tarafında tutulur ve canlı hücreleri gösterir.

Son zamanlarda, RTgill-W1 hücre hattını (gökkuşağı alabalığından kalıcı hücre hattı [Oncorhynchus mykiss] solungaç) kullanarak balık akut toksisitesini değerlendirmek için doğrulanmış bir ISO (Uluslararası Standardizasyon Örgütü) kılavuzunda (ISO 21115: 2019) 16 ve OECD (Ekonomik İşbirliği ve Kalkınma Örgütü) test yönteminde (OECD TG 249) üç sitotoksisite testi (CFDA-, NR ve AB tahlilleri) birleştirilmiştir17 . Balıkların akut toksisitesini tahmin etmek için mevcut hücre bazlı bir yöntem olmasına rağmen, diğer balık türleriyle benzer yöntemler geliştirmek ve yöntemin verimini artırmak için çabalar harcanmıştır. Bazı örnekler arasında, spesifik toksisite yolları18,19 için muhabir genlerle transfekte edilmiş ZFL hücre hatlarının geliştirilmesi, RTgill-W1 hücre hattı20’de fototoksisite testleri ve ZFL ve ZF4 hücre hatlarının (1 günlük embriyolardan türetilen zebra balığı fibroblastik ) çeşitli sitotoksisite tahlilleri ile toksisiteyi değerlendirmek için kullanılması21.

Danio rerio (zebra balığı), sucul toksisite çalışmalarında kullanılan başlıca balık türlerinden biridir; Bu nedenle, balık toksisitesi testi için zebra balığı hücre hatları ile hücre bazlı yöntemler son derece yararlı olabilir. ZFL hücre hattı, karaciğer parankimal hücrelerinin temel özelliklerini sunan ve ksenobiyotikleri 7,22,23,24,25 metabolize edebilen bir zebra balığı epitelyal hepatosit hücre hattıdır. Bu arada, ZEM2S hücre hattı, balık26,27 üzerindeki gelişimsel etkileri araştırmak için kullanılabilecek blastula aşamasından türetilen embriyonik bir zebra balığı fibroblastik hücre hattıdır. Bu nedenle, bu protokol, 96 delikli plakalarda ZFL ve ZEM2S hücre hatları ile yapılacak modifikasyonlarla dört sitotoksisite testini (MTT, AB, NR ve CFDA-testleri) tanımlamaktadır.

Protocol

NOT: Bu protokolde kullanılan malzemelerin listesi için Malzeme Tablosu’na ve bu protokolde kullanılan çözümlerin ve ortamların bileşimi için Tablo 1’e bakınız. 1. ZFL ve ZEM2S hücrelerinin hazırlanması birleşimli ZFL veya ZEM2S hücrelerinden oluşan bir T75 şişesi ile başlayın, CO 2 olmadan 28 ° C’de ilgili tam ortamda kültürlenmiştir. Kültür ortamını şişeden çıkarın ve 10 mL…

Representative Results

Şekil 3, AB, CFDA-, NR ve MTT tahlillerinin plakalarını göstermektedir. AB tahlili için (Şekil 3A), canlı hücre sayısı az veya hiç olmayan boş kuyular ve kuyular mavi renk ve düşük floresan gösterirken, çok sayıda canlı hücreye sahip kuyular pembemsidir ve resazurinin (AB) canlı hücreler tarafından resorufin’e (pembemsi madde) dönüştürülmesi nedeniyle yüksek floresan değerleri sunar. CFDA-testi için, plakadaki kuyucukların rengind…

Discussion

Sitotoksisite testleri, in vitro toksisite değerlendirmesi için yaygın olarak kullanılmaktadır ve bu protokol makalesi, zebra balığı hücre hatlarında gerçekleştirilmek üzere modifiye edilmiş dört yaygın olarak kullanılan sitotoksisite tahlilini sunmaktadır (yani, 96 kuyucuklu plaka için hücre yoğunluğu, MTT testinde kuluçka süresi, kimyasal maruz kalma koşulu sırasında FBS tükenmesi ve SC için maksimum kabul edilebilir konsantrasyon). Bu analizler sitotoksisiteyi farklı hücre canl?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu çalışmanın ortak yazarı, kozmetik alanında mükemmel bir araştırmacı olan ve Brezilya’da kozmetik araştırmalarını teşvik etmeye adanmış Dr. Márcio Lorencini’nin anısına. Yazarlar, ekipman kullanılabilirliği ve Yüksek Öğretim Personelinin İyileştirilmesi için Koordinasyon (CAPES, Brezilya) (Finans Kodu 001) ve Grupo Boticario’nun mali desteği için Fizyoloji Bölümündeki (UFPR) Çok Kullanıcılı Laboratuvara minnettardır.

Materials

5-CFDA, AM (5-Carboxyfluorescein Diacetate, Acetoxymethyl Ester) Invitrogen C1345
Cell culture plate, 96 well plate Sarstedt 83.3924 Surface: Standard, flat base
DMEM Gibco 12800-017 Powder, high glucose, pyruvate
Ham's F-12 Nutrient Mix, powder Gibco 21700026 Powder
HEPES (1 M) Gibco 15630080
Leibovitz's L-15 Medium Gibco 41300021 Powder
Neutral red  Sigma-Aldrich N4638 Powder, BioReagent, suitable for cell culture
Orbital shaker  Warmnest KLD-350-BI 22 mm rotation diameter
Dulbeccos PBS (10X) with calcium and magnesium Invitrogen 14080055
Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL) Gibco 15140122
Resazurin sodium salt  Sigma-Aldrich R7017 Powder, BioReagent, suitable for cell culture
RPMI 1640 Medium Gibco 31800-014 Powder
SFB – Fetal Bovine Serum, qualified, USDA-approved regions Gibco 12657-029
Sodium bicarbonate Sigma-Aldrich S5761 Powder,  bioreagent for molecular biology
Thiazolyl Blue Tetrazolium Bromide  98% Sigma-Aldrich M2128
Trypan blue stain (0.4%) Gibco 15250-061
Trypsin-EDTA (0.5%), no phenol red Gibco 15400054
ZEM2S cell line ATCC CRL-2147 This cell line was kindly donated by Professor Dr. Michael J.
Carvan (University of Wisconsin, Milwaukee, USA)
ZFL cell line BCRJ 256

References

  1. ECHA. Non-Animal Approaches-Current Status of Regulatory Applicability Under the REACH, CLP and Biocidal Products Regulations. ECHA. , (2017).
  2. Alternative Methods Accepted by US Agencies. National Toxicology Program, and US Department of Health and Human Services Available from: https://ntp.niehs.nih.gov/whatwestudy/niceatm/accept-methods/index.html (2022)
  3. Schirmer, K. Proposal to improve vertebrate cell cultures to establish them as substitutes for the regulatory testing of chemicals and effluents using fish. Toxicology. 224 (3), 163-183 (2006).
  4. Scholz, S., et al. Alternatives to in vivo tests to detect endocrine disrupting chemicals (EDCs) in fish and amphibians-screening for estrogen, androgen and thyroid hormone disruption. Critical Reviews in Toxicology. 43 (1), 45-72 (2013).
  5. Tanneberger, K., et al. Predicting fish acute toxicity using a fish gill cell line-based toxicity assay. Environmental Science & Technology. 47 (2), 1110-1119 (2013).
  6. Roesler, R., Lorencini, M., Pastore, G. Brazilian cerrado antioxidant sources: cytotoxicity and phototoxicity in vitro. Food Science and Technology. 30, 814-821 (2010).
  7. Ruyra, A., et al. Zebrafish liver (ZFL) cells are able to mount an anti-viral response after stimulation with Poly (I:C). Comparative Biochemistry and Physiology. Part B, Biochemistry & Molecular Biology. 182, 55-63 (2015).
  8. Natsch, A., Laue, H., Haupt, T., von Niederhäusen, V., Sanders, G. Accurate prediction of acute fish toxicity of fragrance chemicals with the RTgill-W1 cell assay. Environmental Toxicology and Chemistry. 37 (3), 931-941 (2018).
  9. Freshney, R. I. Cytotoxicity. Culture of Animal Cells: A Manual of Basic Technique. , (2005).
  10. Mosmann, T. Rapid colorimetric assay for cellular growth and survival: application to proliferation and cytotoxicity assays. Journal of Immunological Methods. 65 (1-2), 55-63 (1983).
  11. O’Brien, J., Wilson, I., Orton, T., Pognan, F. Investigation of the Alamar Blue (resazurin) fluorescent dye for the assessment of mammalian cell cytotoxicity. European Journal of Biochemistry. 267 (17), 5421-5426 (2000).
  12. Gonzalez, R. J., Tarloff, J. B. Evaluation of hepatic subcellular fractions for Alamar blue and MTT reductase activity. Toxicology In Vitro. 15 (3), 257-259 (2001).
  13. Borenfreund, E., Puerner, J. A. Toxicity determined in vitro by morphological alterations and neutral red absorption. Toxicology Letters. 24 (2-3), 119-124 (1985).
  14. Repetto, G., del Peso, A., Zurita, J. L. Neutral red uptake assay for the estimation of cell viability/cytotoxicity. Nature Protocols. 3 (7), 1125-1131 (2008).
  15. Kamiloglu, S., Sari, G., Ozdal, T., Capanoglue, E. Guidelines for cell viability assays. Food Frontiers. 1 (3), 332-349 (2020).
  16. Water Quality-Determination of Acute Toxicity of Water Samples and Chemicals to a Fish Gill Cell Line (RTgill-W1) (ISO 21115:2019). International Organization for Standardization Available from: https://www.iso.org/standar/69933.html (2019)
  17. Organisation for Economic Co-operation and Development. . Test Guideline No. 249: Fish Cell Line Acute Toxicity-The RTgill-W1 Cell Line Assay. OECD Guidelines for the Testing of Chemicals, Section 2. Effects on Biotic Systems. , (2021).
  18. Lungu-Mitea, S., Lundqvist, J. Potentials and pitfalls of transient in vitro reporter bioassays: interference by vector geometry and cytotoxicity in recombinant zebrafish cell lines. Archives of Toxicology. 94 (8), 2769-2784 (2020).
  19. Lungu-Mitea, S., Han, Y., Lundqvist, J. Development, scrutiny, and modulation of transient reporter gene assays of the xenobiotic metabolism pathway in zebrafish hepatocytes. Cell Biology and Toxicology. , 1-23 (2021).
  20. Schirmer, K., Chan, A. G., Greenberg, B. M., Dixon, D. G., Bols, N. C. Methodology for demonstrating and measuring the photocytotoxicity of fluoranthene to fish cells in culture. Toxicology In Vitro. 11 (1-2), 107-119 (1997).
  21. Lungu-Mitea, S., et al. Modeling bioavailable concentrations in zebrafish cell lines and embryos increases the correlation of toxicity potencies across test systems. Environmental Science & Technology. 55 (1), 447-457 (2021).
  22. Cavalcante, D. G. S. M., et al. Cytotoxic, biochemical and genotoxic effects of biodiesel produced by different routes on ZFL cell line. Toxicology In Vitro. 28 (6), 1117-1125 (2014).
  23. Meng, Q., Yeung, K., Chan, K. M. Toxic effects of octocrylene on zebrafish larvae and liver cell line (ZFL). Aquatic Toxicology. 236, 105843 (2021).
  24. Kwok, M. L., Chan, K. M. Oxidative stress and apoptotic effects of copper and cadmium in the zebrafish liver cell line ZFL. Toxicology Reports. 7, 822-835 (2020).
  25. Yang, J., Chan, K. M. Evaluation of the toxic effects of brominated compounds (BDE-47, 99, 209, TBBPA) and bisphenol A (BPA) using a zebrafish liver cell line, ZFL. Aquatic Toxicology. 159, 138-147 (2015).
  26. Bradford, C. S., Sun, L., Collodi, P., Barnes, D. W. Cell cultures from zebrafish embryos and adult tissues. Journal of Tissue Culture Methods. 16 (2), 99-107 (1994).
  27. He, S., et al. Genetic and transcriptome characterization of model zebrafish cell lines. Zebrafish. 3 (4), 441-453 (2006).
  28. Mansoury, M., Hamed, M., Karmustaji, R., Al Hannan, F., Safrany, S. T. The edge effect: A global problem. The trouble with culturing cells in 96-well plates. Biochemistry and Biophysics Reports. 26, 100987 (2021).
  29. Funk, D., Schrenk, H. -. H., Frei, E. Serum albumin leads to false-positive results in the XTT and the MTT assay. BioTechniques. 43 (2), 178 (2007).
  30. Dayeh, V. R., Bols, N. C., Tanneberger, K., Schirmer, K., Lee, L. E. J. The use of fish-derived cell lines for investigation of environmental contaminants: An update following OECD’s fish toxicity testing framework no. 171. Current Protocols in Toxicology. 1, (2013).
  31. Stepanenko, A. A., Dmitrenko, V. V. Pitfalls of the MTT assay: Direct and off-target effects of inhibitors can result in over/underestimation of cell viability. Gene. 574 (2), 193-203 (2015).
  32. Ulukaya, E., Colakogullari, M., Wood, E. J. Interference by anti-cancer chemotherapeutic agents in the MTT-tumor chemosensitivity assay. Chemotherapy. 50 (1), 43-50 (2004).
  33. Sebaugh, J. L. Guidelines for accurate EC50/IC50 estimation. Pharmaceutical Statistics. 10 (2), 128-134 (2011).
  34. Weimer, M., et al. The impact of data transformations on concentration-response modeling. Toxicology Letters. 213 (2), 292-298 (2012).
  35. Green, J. W., Holbech, T. A., Henrik, Chapter 4: Analysis of Continuous Data (Regression). Statistical Analysis of Ecotoxicity Studies. , (2018).
  36. Proença, S., et al. Effective exposure of chemicals in in vitro cell systems: A review of chemical distribution models. Toxicology In Vitro. 73, 105133 (2021).
  37. Guidony, N. S., et al. ABC proteins activity and cytotoxicity in zebrafish hepatocytes exposed to triclosan. Environmental Pollution. 271, 116368 (2021).
  38. da Silva, N. D. G., et al. Interference of goethite in the effects of glyphosate and Roundup® on ZFL cell line. Toxicology In Vitro. 65, 104755 (2020).
  39. Yang, Y., et al. Temperature is a key factor influencing the invasion and proliferation of Toxoplasma gondii in fish cells. Experimental Parasitology. 217, 107966 (2020).
  40. Lopes, F. M., Sandrini, J. Z., Souza, M. M. Toxicity induced by glyphosate and glyphosate-based herbicides in the zebrafish hepatocyte cell line (ZF-L). Ecotoxicology and Environmental Safety. 162, 201-207 (2018).
  41. Lachner, D., Oliveira, L. F., Martinez, C. B. R. Effects of the water soluble fraction of gasoline on ZFL cell line: Cytotoxicity, genotoxicity and oxidative stress. Toxicology In Vitro. 30, 225-230 (2015).
  42. Morozesk, M., et al. Effects of multiwalled carbon nanotubes co-exposure with cadmium on zebrafish cell line: Metal uptake and accumulation, oxidative stress, genotoxicity and cell cycle. Ecotoxicology and Environmental Safety. 202, 110892 (2020).
  43. Dognani, G., et al. Nanofibrous membranes for low-concentration Cr VI adsorption: kinetic, thermodynamic and the influence on ZFL cells viability. Materials Research. , 24 (2021).
  44. ZEM2S (ATCC®CRL-2147™). American Type Culture Collection Available from: https://www.atcc.org/products/crl-2147 (2023)
  45. Chen, Y., et al. Acute toxicity of the cationic surfactant C12-benzalkonium in different bioassays: how test design affects bioavailability and effect concentrations. Environmental Toxicology and Chemistry. 33 (3), 606-615 (2014).
  46. Pomponio, G., et al. In vitro kinetics of amiodarone and its major metabolite in two human liver cell models after acute and repeated treatments. Toxicology In Vitro. 30, 36-51 (2015).
  47. Mori, M., Wakabayashi, M. Cytotoxicity evaluation of chemicals using cultured fish cells. Water Science and Technology. 42 (7-8), 277-282 (2000).
  48. Caminada, D., Escher, C., Fent, K. Cytotoxicity of pharmaceuticals found in aquatic systems: comparison of PLHC-1 and RTG-2 fish cell lines. Aquatic Toxicology. 79 (2), 114-123 (2006).
  49. Giltrap, M., et al. In vitro screening of organotin compounds and sediment extracts for cytotoxicity to fish cells. Environmental Toxicology and Chemistry. 30 (1), 154-161 (2011).
  50. Hollert, H., Duerr, M., Erdinger, L., Braunbeck, T. Cytotoxicity of settling particulate matter and sediments of the Neckar River (Germany) during a winter flood. Environmental Toxicology and Chemistry. 19 (3), 528-534 (2000).
  51. Pannetier, P., et al. Toxicity assessment of pollutants sorbed on environmental sample microplastics collected on beaches: Part I-adverse effects on fish cell line. Environmental Pollution. 248, 1088-1097 (2019).
  52. Ternjej, I., Srček, V. G., Mihaljević, Z., Kopjar, N. Cytotoxic and genotoxic effects of water and sediment samples from gypsum mining area in channel catfish ovary (CCO) cells. Ecotoxicology and Environmental Safety. 98, 119-127 (2013).
  53. Hamid, R., Rotshteyn, Y., Rabadi, L., Parikh, R., Bullock, P. Comparison of alamar blue and MTT assays for high throughput screening. Toxicology In Vitro. 18 (5), 703-710 (2004).
  54. Vistica, D. T., et al. Tetrazolium-based assays for cellular viability: a critical examination of selected parameters affecting formazan production. Cancer Research. 51 (10), 2515-2520 (1991).
  55. Knauer, K., Lampert, C., Gonzalez-Valero, J. Comparison of in vitro and in vivo acute fish toxicity in relation to toxicant mode of action. Chemosphere. 68 (8), 1435-1441 (2007).
  56. Stadnicka-Michalak, J., Tanneberger, K., Schirmer, K., Ashauer, R. Measured and modeled toxicokinetics in cultured fish cells and application to in vitro-in vivo toxicity extrapolation. PLoS One. 9 (3), 92303 (2014).

Play Video

Cite This Article
Rodrigues de Souza, I., Wilke Sivek, T., Vaz de Oliveira, J. B., Di Pietro Micali Canavez, A., de Albuquerque Vita, N., Cigaran Schuck, D., Rodrigues de Souza, I., Cestari, M. M., Lorencini, M., Leme, D. M. Cytotoxicity Assays with Zebrafish Cell Lines. J. Vis. Exp. (191), e64860, doi:10.3791/64860 (2023).

View Video