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L'idoneità di questo modello di sferoide epatico 3D a base di linea cellulare per la coltura a lungo termine e la valutazione del rischio genotossico è stata valutata conducendo la caratterizzazione di base per determinare la vitalità e la funzionalità epatica del modello per la durata di 14 giorni in coltura e la sua applicabilità per il test del micronucleo.
Caratterizzazione di base del modello sferoide epatico 3D HepG2
Prima di qualsiasi valutazione tossicologica in vitro, è importante verificare che gli sferoidi 3D HepG2 si siano formati correttamente prima di eseguire il trasferimento di agarosio o il trattamento chimico /ENM. Gli sferoidi HepG2 prodotti con il metodo della goccia appesa di solito durano da 2 a 3 giorni dopo la semina (4000 cellule/sferoide) per formare sferoidi compatti e sferici con un diametro medio di 495,52 μm W x 482,69 μm H, come mostrato nella figura 5A-5C. Gli sferoidi HepG2 che si sono formati correttamente e sono accettabili per essere utilizzati per la valutazione tossicologica in vitro devono avere una struttura compatta e sferica con una superficie liscia e senza proiezioni visive. La figura 5 fornisce esempi di sferoidi di buona qualità (figura5D-F)e di scarsa qualità (figura5G-I). Quest'ultimo dovrebbe essere scartato. Tipicamente, il 90-95% degli sferoidi formati per piastra si formerà correttamente ed sarà vitale per ulteriori sperimentazioni.

Figura 5: Immagini di microscopia leggera che mostrano la morfologia naturale degli sferoidi HepG2 formati tramite il metodo della goccia appesa . (A-C) mostrano il giorno 2 e (D-I) Giorno 4 Sferoidi epatici HepG2 dopo la semina. (D-F) sono esempi di sferoidi HepG2 di buona qualità, mentre(G-I)mostra sferoidi mal formati. Tutte le immagini sono state scattate su un obiettivo X20 utilizzando un microscopio. La barra di scala rappresenta 20 μm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Per confermare ulteriormente la fattibilità dello sferoide HepG2, è possibile eseguire un saggio colorimetrico di base Bromocresol Green Albumin (BCG) o un saggio di Urea per valutare la loro funzionalità epatica. La funzionalità epatica è stata valutata in linea con la fattibilità utilizzando il test di esclusione blu di Trypan per un periodo di coltura di 14 giorni per determinare la longevità del modello di sferoide epatico e stabilire se poteva supportare la valutazione del rischio a lungo termine o ripetuta basata su ENM / chimica(figura 6). La concentrazione di albumina rimase costante per tutta la durata del periodo della coltura. La produzione di urea mostra un aumento della concentrazione di urea prodotta per sferoide per una settimana di coltura prima di raggiungere un altopiano entro il giorno 7. È importante notare che i livelli di albumina e urea prodotti negli sferoidi 3D HepG2 sono sostanzialmente superiori a quelli osservati nella stessa linea cellulare coltivata in formato 2D. In effetti, le colture 2D delle cellule HepG2, i livelli di picco di albumina e urea erano rispettivamente 0,001 mg/mL e 0,010 ng/μL. Inoltre, in precedenti lavori pubblicati da Shah et al. utilizzando un sistema sferoide HepG2 quasi identico, gli autori evidenziano un notevole miglioramento dell'attività metabolica (CYP1A1 e CYP1A2) nei sistemi modello 3D HepG2 in vitro rispetto alle cellule HepG2 coltivate in 2D5.

Figura 6: Dati di caratterizzazione di base a 14 giorni per gli sferoidi epatici HepG2. A seguito del trasferimento dalla caduta sospesa, (A) evidenzia la fattibilità del modello sferoide HepG2 per un periodo di 14 giorni, mentre (B) e (C) evidenziano rispettivamente la funzionalità dell'albumina e dell'urea simile al fegato. Dati meschino ± SEM presentati, n = 4. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Con l'inevitabile sviluppo di un nucleo necrotico, una limitazione nota delle colture di sferoidi epatiche 3D, è stato necessario stabilire la fattibilità di questo modello basato su HepG2 per dimostrare che era in grado di sostenere regimi di esposizione a lungo termine (5-10 giorni) mantenendo la capacità proliferativa necessaria per supportare il test del micronucleo5. In effetti, questo modello di sferoide epatico 3D ha dimostrato di mantenere la vitalità del >70% in 10 giorni in coltura. Sulla base di questo e in combinazione con la funzionalità epatica sostenuta osservata durante il periodo di coltura di ≥14 giorni, questo modello di sferoide epatico 3D può quindi supportare regimi di esposizione ENM ripetuti a lungo termine fino a 10 giorni (cioè, prima che la vitalità degli sferoidi scende al di sotto del 70%). Per riferimento, si consiglia che i livelli di albumina per gli sferoidi HepG2 sementi a 4000 cellule/sferoide siano di ≥20,0 ng/μL, mentre la produzione di urea dovrebbe essere di ≥0,25 ng/μL prima di condurre una valutazione tossicologica in vitro con questo modello.
Valutazione della genotossicità dei nanomateriali ingegnerizzati
Per la valutazione della genotossicità, il saggio del micronucleo è stato utilizzato per determinare la presenza di micronuclei a seguito di esposizioni acute (24 ore) e a lungo termine (120 h) enm. L'aflatossina B1 è un agente cancerogenoepatico noto 16,17 ed è un controllo positivo raccomandato per il test del micronucleo. Esperimenti di ottimizzazione hanno dimostrato che 0,1 μM di Alfatossina B1 induce una risposta genotossica positiva significativa (≥ aumento di 2,0 volte) negli sferoidi epatici 3D HepG2 e quindi viene utilizzata in ogni saggio di micronucleo condotto con questo modello. Per garantire la validità dei risultati del test del micronucleo utilizzando il modello sferoide HepG2, la frequenza micronuclea di fondo per le cellule HepG2 utilizzate in questo modello 3D in vitro dovrebbe trovarsi entro un intervallo dello 0,6% - 1,2%. Di conseguenza, l'alfatossine B1 dovrebbe indurre una risposta genotossica di almeno due volte superiore a quella osservata con il controllo negativo; pertanto, 0,1 μM di alfatossina B1 dovrebbero indurre una frequenza micronuclei compresa tra l'1,5% e il 3,0%. Utilizzando questi parametri di controllo, la genotossicità associata all'ENM in vitro può quindi essere valutata in modo affidabile. Sulla base della linea guida 487 dell'OCSE per i test, è importante notare che durante la prova di un ENM o di una sostanza chimica, le concentrazioni selezionate non devono indurre più del 55% ± 5% di citotossicità (indicata da una riduzione dei valori CPBI o RVCC in relazione al controllo negativo)11. La figura 7 illustra i dati generati quando l'aflatossina B1 e due ENM (biossido di titanio (TiO2) e sliver (Ag)) sono state valutate a seguito di esposizioni sia acute che a lungo termine negli sferoidi HepG2, e il successivo potenziale genotossico è stato analizzato utilizzando il saggio del micronucleo. Entrambe le ENM valutate sono state testate a una dose non citotossica e bassa di 5,00 μg/mL su un'esposizione acuta (24 ore) e un regime di esposizione a lungo termine (120 h). Una tendenza simile per la genotossicità sia nelle ENM TiO2 che ag può essere osservata, per cui l'elevata risposta di genotossicità risultante dall'esposizione di 24 ore non era evidente dopo un'esposizione a lungo termine di 5 giorni. Ciò nonostante la genotossicità sostenuta indotta dal controllo positivo dell'aflatossina B1 in entrambi i punti di tempo.

Figura 7: Valutazione della genotossicità a seguito dell'esposizione di TiO2 e Ag ENM sugli sferoidi epatici HepG2. Valutazione della genotossicità (frequenza micronuclea) mediantel'esposizione a lungo termine (120ore)a 5,00 μg/mL di TiO2 e Ag ENM. Il controllo negativo è solo un supporto, mentre il controllo positivo è di 0,1 μM di aflatossina B1. Dati meschino (n=2) ± SD. Significatività indicata in relazione al controllo negativo: * = p≤ 0,05. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.