我们介绍一种稳定、可转移且具有预测性的体外暴露系统,通过在气液界面(ALI)暴露培养的人肺细胞,用于筛选和监测空气颗粒物的急性肺部细胞毒性。
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我们介绍一种稳定、可转移且具有预测性的体外暴露系统,通过在气液界面(ALI)暴露培养的人肺细胞,用于筛选和监测空气颗粒物的急性肺部细胞毒性。
本文介绍了一种专门设计的模块化体外暴露系统,该系统可实现培养的人肺细胞在气液界面(ALI)对气体、颗粒物或复杂大气环境(如香烟烟雾)的均匀暴露,从而为人体肺泡区域的顶面提供接近生理条件的空气暴露。与采用线性气溶胶导引的顺序暴露模型相比,这种径向流动系统的模块化设计满足了测试大气持续生成与输送至细胞、颗粒物均匀分布与沉降以及大气持续排出的所有要求。该暴露方法主要用于细胞对空气传播颗粒物的暴露,但根据气溶胶生成方法及暴露模块材料的不同,也可适用于液态气溶胶以及高毒性与强反应性气体的暴露。
在最近完成的一项验证研究框架内,该暴露系统已被证实为一种可转移、可重复且具有预测性的筛选方法,可用于定性评估空气颗粒物的急性肺细胞毒性,从而有可能减少或替代通常用于此类毒理学评估的动物实验。
吸入有毒的空气颗粒物是公共卫生领域的一大关切,已在全球范围内导致多种健康风险,并造成每年数以百万计的死亡1,2。气候变化、持续的工业发展以及对能源、农产品和消费品日益增长的需求,导致近年来肺部疾病不断增加3,4,5,6。了解和评估可吸入物质的急性吸入毒性,是进行危害评估和风险管理的基础,但目前仍缺乏大量此类物质的相关信息7,8。自2006年起,欧盟化学品法规REACH(化学品的注册、评估、授权和限制)要求所有已存在或新上市的产品在投放市场前,必须进行包括吸入途径在内的毒理学表征。因此,REACH强调采用替代方法和非动物测试手段,推动实施"3R"原则(减少、优化和替代动物实验),并使用适当的体外模型9。近年来,已开发出多种有效且非动物的吸入毒性测试模型(例如体外细胞培养、芯片上肺模型、精确切割肺组织切片(PCLS)),用于评估空气颗粒物的急性吸入毒性5,7,10,11。在体外细胞培养模型中,细胞可在浸没条件下或气液界面(ALI)进行暴露(图1)。然而,浸没暴露实验在评估空气化合物(尤其是颗粒物)毒性方面的有效性有限。浸没暴露方法无法模拟人体内的真实情况;覆盖在细胞表面的培养基可能影响测试物质的理化性质,从而改变其毒性特征12,13。ALI体外吸入模型可使细胞直接接触测试物质,避免培养基对测试颗粒的干扰,因此相较于浸没暴露,能更真实地模拟人体暴露情况,具有更高的生理和生物学相似性12,14。
然而,在急性吸入毒理学领域,对于REACH等监管流程,目前仅有动物模型可用,因为尚无足够的体外替代方法得到充分验证并被官方接受14。为此,测试模型必须根据欧洲替代动物试验参考实验室(EURL-ECVAM)关于测试有效性的原则进行验证15。
一项前期预验证研究和一项 recently completed 验证研究成功证明了 CULTEX RFS 暴露系统的应用范围及其可转移性、稳定性和可重复性13。该暴露系统是一种基于体外细胞的暴露系统,凭借其径向气溶胶分布设计以及测试气溶胶以连续气流方式通过细胞表面的机制,可在气液界面(ALI)实现细胞对气体、颗粒物或复杂大气环境(例如香烟烟雾)的均一暴露16。该径向流动系统的基本模块包括进气适配器、具有径向气溶胶分布功能的气溶胶导流模块、采样与插口模块,以及带手轮的锁紧模块(图 2)。生成的颗粒物通过进气适配器和气溶胶导流模块到达细胞,并沉积在细胞培养插入物上,这些插入物位于采样模块中三个呈径向排列的暴露腔室内。气溶胶导流模块和采样模块均可通过连接外部水浴进行加热17。
在这两项研究中,所有暴露实验均使用A549细胞。A549细胞系是一种人类永生化上皮细胞系,其特性已被充分表征,在众多毒理学研究中被用作II型肺泡上皮细胞的体外模型。该细胞具有板层小体,能够产生表面活性物质以及多种与炎症相关的因子18。此外,由于其可分泌黏液,也表现出支气管上皮细胞的特性19。更重要的是,这些细胞可在气液界面(ALI)条件下培养。尽管该细胞系在形成细胞间连接方面存在缺陷,但与原代细胞相比,其培养更为简便、成本更低,且实验结果不受供体差异的影响20。
将A549细胞以每孔3.0 × 105个细胞的密度接种于6孔细胞培养小室(PET膜,表面积4.67 cm2,孔径0.4 mm)中,在浸没条件下培养24小时。随后,在三个独立实验室中,将细胞在气液界面(ALI)暴露于洁净空气以及20种测试物质的三种不同暴露剂量(25、50和100 µg/cm2)。暴露剂量与沉积时间相关,分别经过15、30或60分钟的沉积后,在细胞表面实现25 µg/cm2、50 µg/cm2和100 µg/cm2的恒定颗粒沉积速率。然而,颗粒沉积后并未被洗去,而是保留在细胞表面持续24小时。因此,颗粒的沉积时间分别为15、30和60分钟,但细胞的总暴露时间持续24小时。测试物质的沉积速率根据先前方法在预实验中确定17。
在颗粒物沉积后24小时,通过细胞活力检测评估细胞活力作为毒性的指标。研究特别关注洁净空气对照组的质量、暴露方案的优化与改进、实验室内部及实验室之间的可重复性,以及预测模型(PM)的建立。在三个暴露剂量中的任意一个剂量下,若物质导致细胞活力下降至50%以下(PM 50%)或75%以下(PM 75%),则被认为具有急性吸入危害性。随后将结果与现有的体内实验数据进行比较(依据经合组织试验指南(TG)403或TG 436中至少一项可靠研究21,22),总体一致性达到85%,特异性为83%,敏感性为88%23。
除了细胞活力检测外,还可评估其他终点指标,如细胞因子释放、通过LDH实验检测细胞裂解液或细胞膜完整性,但这些指标在验证研究中并非必需。因此,该暴露系统(例如CULTEX RFS)已被证实可作为评估测试空气中颗粒物急性吸入毒性的定性预测性筛选工具,是一种有前景的动物实验替代方法。建议采用以下方案进行利用该暴露系统开展空气中颗粒物的暴露实验。
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注意:一次暴露实验的方案涵盖三天时间。
第1天
1. 细胞的常规准备与培养
注意:本实验使用人肺腺癌上皮细胞系 A549 进行暴露实验。细胞操作必须在无菌条件下进行。其他适合在气液界面(ALI)培养的细胞系也可使用。
2. 细胞的胰蛋白酶消化
3. 细胞数量的测定
注意:细胞浓度使用细胞计数器或计数板确定。
4. 在细胞培养小室的微孔膜上接种细胞
注意:暴露系统配备有特殊适配器,可兼容不同供应商和不同尺寸的商用小室。本暴露实验使用6孔板及相应细胞培养小室。所有操作步骤均需在无菌条件下进行。
5. 测试物质的压片
注意:测试物质使用完全可控的液压机压制成粉饼。该压机系统可施加最大18 kN的压力,该压力以压机系统当前的油压(单位为bar)显示。未知测试物质的压制条件(压制压力、压制时间)需通过预实验确定并表征。根据物质的压制特性,可采用不同的压制参数和类型的压头。
警告:压片有毒或危险物质时需佩戴防护装备。
第2天
6. 组装暴露系统并连接外周设备
注意:更详细的视图见图3、补充图2和补充图3。请根据制造商的说明组装两个模块和气溶胶发生器。
7. 洁净空气与颗粒物暴露的准备工作
8. 径向流动系统的泄漏测试
注意:为了确保模块已正确重新组装,必须在真空条件下对两个模块(暴露模块和洁净空气模块)进行泄漏检查。
9. 气溶胶生成
10. 暴露实验
第3天
11. 细胞活力
注意:在颗粒沉积后24小时,通过WST-1检测法测定线粒体活性以评估细胞活力。该检测按照试剂盒生产商的说明书进行。也可使用其他细胞活力检测方法(如XTT法)测定细胞活力。
12. 统计学
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CULTEX RFS 是一种专门设计的模块化体外暴露系统,可实现细胞在气液界面(ALI)的直接且均一的暴露。在之前的一项预验证研究中,已成功证明了该暴露系统的普遍适用性及其可转移性、稳定性和可重复性。在德国联邦教育与研究部资助的一项最新研究项目中,该暴露系统已成功通过验证,并被确立为用于预测受试化合物急性吸入危害的预测模型(PM)。由于在预验证研究中发现洁净空气对照的质量是一个关键参数,因此在验证研究初期实施了多项方案和方法优化(例如更换细胞培养插件、通过将 HEPES 浓度提高至 100 mM 来稳定暴露培养基的 pH 值),从而在所有三个实验室中均获得了高度稳定且可重复的结果,并显著改善了洁净空气对照的细胞活力数据(图4)。随后,在三个独立实验室中,A549 细胞在气液界面(ALI)暴露于 20 种预先选定并编码的测试物质,每种物质设置三个不同的暴露剂量(25、50 和 100 µg/cm2),并将细胞毒性(作为毒性的指标)与相应的培养箱对照进行比较。其中,13 种编码物质进行了三次重复...
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近年来,为了获取有关可吸入颗粒物急性吸入危害的信息,并根据3R原则减少和替代动物实验,已开发出多种非动物吸入毒性测试模型25.
在细胞培养模型方面,细胞暴露可在浸没条件下或气液界面(ALI)进行。在浸没条件下暴露细胞可能影响测试物质的理化性质,从而影响其毒性特征12。然而,体外ALI吸入模型比浸没暴露更接近人体实际暴露情况,具有更高的生物学和生理学相似性,因此更适合用于分析空气中颗粒物的急性吸入毒性。CULTEX RFS与其他现有暴露模块相比的重要意义不仅在于其可在ALI条件下进行细胞暴露,还在于能够实现颗粒物高度均匀的分布与沉降。与采用线性气溶胶导引的顺序式暴露模型不同,该暴露方法的模块化设计实现了径向供气,从而使颗粒物在细胞表面的沉降更加均匀17。
成功开展暴露实验最重要的要点是洁净空气对照组的质量必须稳定且一致。必须特别注意确保洁净空气对照组的细胞活力不会随时间推移而下降,并且应...
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作者AT、KG、AB、SH、HM、TG、HT和DS无任何利益冲突需要披露。Cultex Technology GmbH公司(曾用名:Cultex Laboratories GmbH)生产本文中所使用的仪器(例如,CULTEX RFS、CULTEX DG)。NM在本研究期间曾为Cultex Laboratories GmbH的雇员。OK目前为Cultex Technology GmbH(曾用名:Cultex Laboratories GmbH)的雇员。该设备的专利PCT/EP2009/007054由Cultex Technology GmbH创始人Ulrich Mohr教授博士(曾用名:Cultex Laboratories GmbH)持有。
本工作由德国联邦教育和研究部(Bundesministerium für Bildung und Forschung,BMBF,德国(资助号 031A581,子项目 A-D))和德国研究基金会(Deutsche Forschungsgesellschaft,DFG,研究培训组 GRK 2338)资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 细胞 | |||
| A549 | ATCC | CCL-185 | |
| 细胞培养基与耗材 | |||
| DMEM | Biochrom, Berlin, Germany | FG 0415 | 用作生长培养基 |
| DMEM | Gibco-Invitrogen, Darmstadt, Germany | 22320 | 用作暴露培养基 |
| FBS superior | Biochrom, Berlin, Germany | S 0615 | |
| 庆大霉素(10 mg/mL) | Biochrom, Berlin, Germany | A 2710 | |
| HEPES 1 M | Th. Geyer, Renningen, Germany | L 0180 | |
| PBS | Biochrom, Berlin, Germany | L 1825 | |
| 胰蛋白酶/EDTA(0.05%/0.02%) | Biochrom, Berlin, Germany | L 2143 | |
| 细胞培养材料 | |||
| CASY 杯 | Roche Diagnostic GmbH, Mannheim, Germany | REF 05651794 | |
| 细胞培养板 | Corning, Wiesbaden, Germany | 3516 | 6-孔板 |
| Corning Transwell 细胞培养小室 | Corning, Wiesbaden, Germany | 3450 | 24 mm 小室;6-孔板;0.4 µm 孔径 |
| 化学试剂 | |||
| CASYton | Roche Diagnostic GmbH, Mannheim, Germany | REF 05651808001 | |
| 压缩空气(DIN EN 12021) | Linde Gas Therapeutics GmbH, Oberschleißheim, Germany | 2290152 | |
| WST-1 | Abcam, Cambridge, United Kingdom | ab155902 | |
| 仪器与设备 | |||
| CASY 细胞计数仪 | Schärfe System GmbH, Reutlingen, Germany | ||
| 循环恒温器 | LAUDA, Lauda-Königshofen, Germany | Ecoline RE 100 | |
| CULTEX HyP - 液压压片机 | Cultex® Technology GmbH, Hannover, Gemany | ||
| CULTEX 插入套管 | Cultex® Technology GmbH, Hannover, Gemany | ||
| CULTEX RFS - 径向流系统 II 型(颗粒暴露模块) | Cultex® Technology GmbH, Hannover, Gemany | ||
| CULTEX RFS - 径向流系统 II 型(洁净空气暴露模块) | Cultex® Technology GmbH, Hannover, Gemany | ||
| CULTEX 供应系统 | |||
| 流量控制器 0–30 mL/min(IQ-Flow) | Bronkhorst Deutschland Nord GmbH | ||
| 流量控制器 0–1.5 L/min(EL-Flow) | Bronkhorst Deutschland Nord GmbH | ||
| 滤膜(大尺寸) | Munktell & Filtrak GmbH, Sachsen, Germany | LP-050 | Munktell 无菌滤膜;颗粒截留效率 > 99.999% |
| 滤膜(小尺寸) | Parker Hannifin Corporation, Mainz, Germany | 9933-05-DQ | Balston 一次性滤膜 |
| 培养基泵 | Cole-Parmer GmbH, Wertheim, Germany | Ismatec IPC 高精度多通道分配器 | 数字式蠕动泵 |
| 无限 M200 Pro 多功能酶标仪 | Tecan Deutschland GmbH, Crailsheim, Germany | ||
| 真空泵 | KNF, Freiburg, Germany | N86 KT.18 | |
| Vögtlin 质量流量控制器 0.2–10 L/min | TrigasFI GmbH | Vögtlin red-y compact 调节器,型号:GCR-C3SA-BA20 | |
| 水浴锅 | LAUDA, Lauda-Königshofen, Germany | Ecoline Staredition RE 104 |
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