이 프로토콜의 목적은 인체 유기형 3D 기관지 및 코 조직 모델을 공기-액체 계면에서 주류 담배 연기(CS)에 노출시키는 것입니다. 그런 다음 시토크롬 P450 활성 분석, 섬모 박동 측정 및 시스템 생물학 접근 방식을 사용하여 CS가 조직에 미치는 영향을 조사합니다.
방법 논문
이 프로토콜의 목적은 인체 유기형 3D 기관지 및 코 조직 모델을 공기-액체 계면에서 주류 담배 연기(CS)에 노출시키는 것입니다. 그런 다음 시토크롬 P450 활성 분석, 섬모 박동 측정 및 시스템 생물학 접근 방식을 사용하여 CS가 조직에 미치는 영향을 조사합니다.
담배 연기(CS)는 폐 생물학에 큰 영향을 미치며 만성 폐쇄성 폐 질환 또는 폐암과 같은 폐 질환의 발병을 초래할 수 있습니다. 질병 발병의 기저 메커니즘을 이해하려면 CS 노출이 폐 조직에 미치는 영향을 직접 조사하는 것이 중요합니다. 그러나 이 접근 방식은 폐 조직 샘플링이 복잡하고 침습적이기 때문에 역학 연구에서 구현하기 어렵습니다. 또는 조직 배양 모델을 통해 폐 조직에 대한 노출 영향 평가를 용이하게 할 수 있습니다. 정상 인간 기관지 상피(NHBE) 세포 배양과 같은 수중 2D 세포 배양은 전통적으로 이러한 목적으로 사용되어 왔습니다. 그러나 생체 내 노출 상황과 유사한 방식으로 연기에 직접 노출될 수 없습니다. 최근에 개발된 3D 조직 배양 모델은 공기-액체 계면(ALI)에서 배양할 수 있기 때문에 생체 내 상황을 더 잘 반영합니다. 그들의 기저 측면은 배양 배지에 잠겨 있습니다. 반면에, 그들의 정점 측면은 공기에 노출됩니다. 또한, 다양한 유형의 세포를 포함하는 유기형 조직 배양은 생체 내 조직의 생리학을 더 잘 나타냅니다. 이 연구에서는 인간 유기형 기관지 및 코 조직 모델을 주류 CS에 노출시키기 위한 체외 노출 시스템의 활용을 보여줍니다. CS가 조직에 미치는 기능적 영향을 평가하기 위해 섬모 박동 빈도와 사이토크롬 P450s(CYP) 1A1/1B1의 활성을 측정했습니다. 또한, 분자 수준에서 CS에 의한 변화를 조사하기 위해 노출 후 조직에서 유전자 발현 프로파일을 생성했습니다. CYP1A1/1B1 활성의 경미한 증가는 공기에 노출된 조직과 비교하여 CS에 노출된 조직에서 관찰되었습니다. 네트워크 및 전사체학 기반 시스템 생물학 접근법은 흡연자로부터 얻은 기관지 및 코 상피 세포에서 관찰된 것과 유사한 CS에 의한 생체 이물 대사의 변화를 입증하기에 충분히 강력했습니다.
폐는 오염 물질 및 담배 연기 성분(CS)과 같은 다양한 독성 물질을 포함할 수 있는 흡입된 공기에 직접적이고 지속적으로 노출됩니다. 이러한 독성 물질에 대한 노출이 호흡기 조직에 미치는 영향을 연구하는 것은 생체 내 노출과 유사한 방식으로 수행할 때 가장 유익합니다. 고전적인 2D 침지 세포 배양(예: 정상 인간 기관지 상피 세포(NHBE))과 비교하여 3D 유기형 조직 모델은 생체 내 인간 기도 상피의 형태학적, 생리학적, 분자적 측면을 더 잘 요약합니다 1,2: 3D 조직 모델에는 생체 내에서 관찰된 세포 유형의 다양성이 포함되어 있습니다, 분화된 상피 세포, 섬모 및 비섬모 세포, 배상 세포 및 기저 세포를 포함합니다. 그들은 기능적으로 긴밀한 연접을 가지고 있으며 점액섬모 표현형 1-3을 나타냅니다. 또한, 배양물은 공기-액체 계면의 투과성 다공성 막에서 성장할 수 있으므로 정점 측에서 에어로졸에 직접 노출될 수 있습니다(기저 측은 배양 배지에 잠겨 있음) 3-5. 드보르작(Dvorak)과 동료들은 기관지 조직 모델의 유전자 발현 프로파일이 인간의 기관지 칫솔질에서 얻은 것과 유사하다고 보고했다 3. 또한, Mathis와 동료들은 CS에 대한 이러한 조직 모델의 반응이 흡연자로부터 얻은 기관지 상피 세포와 비흡연자로부터 얻은 세포 간에 관찰된 차이와 유사하다는 것을 보여주었습니다 6. 마지막으로, 기관지 조직 모델은 최대 몇 개월 동안 배양될 수 있기 때문에 4,5, 잠재적으로 테스트 항목의 장기 노출의 영향을 조사하는 데 사용될 수 있습니다.
세포독성 평가는 화학적 모욕 후 또는 특정 화합물 또는 혼합물의 독성을 평가하기 위해 측정되는 일반적인 매개변수입니다. 예를 들어, 멤브레인 무결성은 발광 분석법으로 측정할 수 있으며 세포 배양 7에 대한 용량 의존적 세포독성 효과를 측정할 수 있습니다. 그러나 저독성 농도에서 화합물의 병태생리학적 영향을 평가하려면 다른 매개변수를 측정해야 합니다. 예를 들어, 경상피 전기 저항(TEER) 분석을 사용하여 측정된 조직 무결성은 밀착 접합의 기능을 보장하고 상피층의 파괴를 모니터링합니다 8,9. 섬모 박동 빈도는 또한 호흡기 조직에 대한 CS 관련 효과를 측정할 수 있습니다. 상기도와 하호흡기와 접해 있는 섬모 내벽의 정상적인 박동 빈도는 기도 감염을 예방하는 데 중요하다 10. 호흡기 상피의 각 섬모 원주 상피 세포는 200-300개의 섬모가 특정 주파수로 박동하여 산재된 잔 세포에 의해 방출되는 점액에 갇힌 감염원 또는 흡입된 미립자 물질을 제거합니다 11. CS에는 섬모 박동을 억제할 수 있는 화학 물질이 포함되어 있으며12 이는 호흡기의 보호를 감소시킵니다. 이 연구는 유기형 조직 모델에서 섬모 박동을 측정할 수 있음을 보여줍니다. 이 접근법을 통해 상피 세포가 유기형 조직 배양에서 정상적인 기능을 발휘하는지 여부를 평가할 수 있습니다. CS는 또한 호흡기에서 이종생물 대사 반응을 활성화하여 담배 연기 성분을 대사합니다 13. 조직 모델의 I상 생체 대사 효소인 CYP1A1 및 CYP1B1의 활성을 측정할 수 있습니다. 또한, 이전에 보고된 바와 같이, 전체 유전자 발현은 유기형 기관지 조직 모델 6,14,15에서 측정할 수 있습니다. 전사체 데이터 및 네트워크 기반 시스템 생물학 접근법을 활용하여 CS가 생체 이물 대사에 미치는 영향을 평가합니다 15.
체외 노출 시스템을 사용하여 유기형 3D 기관지 및 코 조직 모델을 주류 CS에 노출시키고 신선한 공기 노출(대조군)과 비교하여 이 노출에 대한 조직 반응을 측정하는 데 사용되는 방법론이 여기에 자세히 설명되어 있습니다.
의 Organotypic 조직 기관지 문화 모델 1. 문화
참고 : 재구성 된 조직 모델을 사용할 준비가 삽입으로 구입 하였다. 카프와 동료 (16)에 의해 예를 들어 설명 된 바와 같이 대안 적으로, 일차 배양 세포로부터 개발 될 수있다. 무균 포장에서 조직의 영수증에 따라, 항상 무균 상태에서 인간의 Organotypic 조직을 처리합니다.
체외 노출 시스템을 사용하여 2. 담배 연기 (CS) 노출
섬모 구타 3. 측정
참고 : 이전에 노출에 직접 노출 된 후 구타로 실험 계획 당 (그림 1), 기록 섬모를.
4. Transepithelial 전기 저항 (봉사자) 측정
참고 : 봉사자의 측정은 이전 3 일 voltohmmeter에 연결 젓가락 전극 (STX-2)를 사용하여 무균 상태에서 후드 아래 노출 후 48 시간을 수행한다.
5. 시토크롬 P450 (CYP) 1A1 / 1B1 Activi타이
6. RNA 추출.
7. 마이크로 어레이 워크 플로우
주의 : 아래에 기재된 방법은 복합체의 사용에 RNA의 제조로부터 시작 Affymetrix의 3 '유전자 발현 카트리지에 혼성화 할 대상 합성에 사용하는 어피 메트릭스 진칩 고효율 3'IVT 익스프레스 키트를위한 방법에 초점을 맞추고 액체 핸들링 시스템 (예., 피펫은, 희석 분배, 또는 통합).
영향 평가 8. 네트워크 기반 시스템 생물학 분석
아래에 설명 된 결과에서의 Organotypic 조직 건강, 금연로부터 격리 차 인간 상피 세포, 백인 기증자이었고, 섬유 아세포 (15)를 사용하여 재구성 하였다.
3D 기관지와 코 조직 모델
체외 기관지와 코의 Organotypic 모델에서 세포 수준 인간의 호흡기 상피 세포 (그림 2)에서 유사.
CS 노출
비강의 Organotypic 기관지 조직 모델 반복적 공기 - 액체 계면에서 주류 CS에 노출 될 수있다. 여기에 도시 된 결과를 사용 흡연 노출 실험 절차는도 1에 도시되어있다.
섬모 박동의 기록
속눈썹 박동이 동영상에 도시 된 바와 같이 공기에 노출 된 조직에서 기록되었다. CS 노출은 섬모 박동 주파수의 감소와 관련이 : 주위에 관찰 강한 피크를노출 노출 된 가짜 및 이전 4 Hz로는 CS 노출 (그림 3) 이후 더 이상 관찰되지 않는다. 이 감소 된 주파수는 점액과 감염원 (22)를 제거 덜 효율적 치는 속눈썹을 만들 것입니다.
봉사자 및 CYP1A1 / 1B1 활동의 측정
봉사자는 조직이 여전히 기능에 마지막 노출 후 48 시간을 측정 하였다. 도 1에 도시 된 바와 같이, CYP1A1 / 1B1 활성은 노출 종료 후 48 시간을 측정 하였다. CS에 노출 된 조직에서 티에르 값이 크게 차이가 없었다 연기의 더 큰 세포 독성 효과가 있다는 것을 확인하는 공기에 노출 된 조직에 비해 이 농도. 48 시간 후 - 노출에서, 조직의 CYP1A1 / 1B1 활동은 약간 노출 (그림 4) 다음과 같은 조직의 방어 메커니즘의 완만 한 증가를 나타내는 증가 하였다.
유전자 발현 양상 및 네트워크 기반 시스템 양방향ology 접근법 생체이 대사의 변화에 CS 노출의 영향을 연구
조직을 48 시간 노출 후 시점에서 수집 하였다. 이어서, 마이크로 어레이 분석은 유전자 발현 프로필 및 CS- 공기에 노출 된 조직을 생성하기 위해 수행 하였다. 생체 이물 대사에 CS 노출의 영향은 유전자 발현 양상에서 활용 네트워크 기반 시스템 생물학 접근 방식을 사용하여 조사하고로 이전 (15) 보도했다. 네트워크 기반 시스템 생물학 접근 방식을 사용하여 생체 이물 대사 네트워크 모델의 백본 노드의 수준에서 CS 노출에 영향을 멋지게 (그림 5) 시험 관내 사이 및 생체 데이터 세트의 상관 관계를 보여줍니다. 대조적으로, 각각의 유전자 발현 변화의 차원에서, 열악한 상관 관계 관내 (대 비 흡연자가 흡연) 및 생체 내 (공기에 노출 된 노출 대 CS) 사이에서 관찰되었다.

의 Organotypic 기관지 조직 모델 CS의 반복 노출의 그림 1. 도식 절차 약어 :. CYP, 사이토 크롬 P450s; CS, 담배 연기, 봉사자, transepithelial 전기 저항.

도 2의 Organotypic 비강 기관지 상피 조직 배양 모델. 만화 공기 - 액체 계면에서 기관지 (A)와 코 (B) 조직 배양 삽입물을 도시. 이전 15보고 체외 모델은 헤 마톡 실린 및 에오신 염색 된 세포의 꼭대기 층에 표시된 섬 모세포 (기관지에 대한 C, 비강 용 D)를 포함. 모델은 중요 아세포와 공동 배양 하였다 성장 및 상피 세포의 분화를 위해 (화살표로 표시). 기도 혈통 마커의 얼룩 : 이전에 15보고 P63 (코 기관지에 대한 E, F)와 MUC5AC (기관지에 대한 G는 코에 대한 H)가 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3. 섬모 치는 주파수. 섬모 박동 주파수 (CBF)는 전 및 노출 후 공기에 노출과 문화 측정 하였다. CBF는 CS 노출 후 본 낮게 나타났다 (두 삽입 대표 결과가 복제 1 (R1로 표시) 및 복제되는 2 (R2)).
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그림 4. CYP1A1 / CYP1B1 활동과 봉사자의 측정. 왼쪽 pannels는 기관지 (A)과 코 (B) 조직 모델에서 CYP1A1 / CYP1B1 활동을 나타냅니다. 오른쪽 패널은 기관지 (C)과 코 (D) 조직 모델 티에르 측정을 나타낸다. SD ± 수단이 표시됩니다. 요약 : CS, 담배 연기, CYP 시토크롬 P450; 봉사자, transepithelial 전기 저항; RLU, 상대 luminescense 장치.

생체이 대사의 맥락에서 CS 노출의 영향 평가 그림 5. 네트워크 기반 시스템 생물학 방법. 유전자 발현 수준의 변화는 생체이 대사 네트워크 모델의 백본 노드의 활성화 (A)를 계산하는 데 사용 된 강한> 이전 게시 (15)에보고. 오른쪽 그림은 NPA 방식을 사용하여 "차동 네트워크 백본 값」라고도 백본 노드의 정량의 개념을 도시한다. 청색 타원은 백본 노드의 활성을 나타낸다 (예., 기능 층) 및 녹색 공은 유전자의 발현을 나타낸다 (예., 전사 층). 의 Organotypic 기관지 조직에서 CS 노출의 영향 GSE16008 (노출 후의 48 시간에서 하 비갑개를 burshing에 의해 기관지와 코 점막 상피에 의해 수집 된 인간 기관지 상피에 흡연의 것과 비교 하였다 (체외은 공기에 노출이 대 CS는 노출) ) (생체, 흡연자 대 비 흡연자의) (B). 인 세트는, 유전자 발현의 상관 관계는 시험 관내 및 생체 내 사이에 데이터 셋 변경한다. 요약 : CS, 담배 연기, NPA 네트워크 교란 진폭.ove.com/files/ftp_upload/52325/52325fig5large.jpg "대상 ="_ 빈 ">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
여기서는 반복 CS 노출의 영향을 평가하는 인간의 Organotypic 기관지 비강 조직 모델의 적용 가능성을 보여 주었다. 동물 실험에 대한 대안으로, 노광 시스템의 수는 (예., Vitrocell, Cultex, ALICE 등) 시험관 내에서 에어로졸 노출 독성 평가를 위해 개발되었다. 이러한 노광 모듈도 본 연구 등 공수 오염 물질, 공기 중의 입자, 나노 입자의 독성 학적 평가를 위해 이용 될 수 있고, 우리는 더 큰 규모의 실험 간의 낮은 가변성을 허용 동시에 48 가지의 다른 샘플들까지 수용 할 수 Vitrocell 시스템을 사용 치료. 시험관 내에서 모든 에어로졸 노출, 조직 배양 오염의 위험은 저감 그 실험에 걸쳐 조직 배양의 취급에주의를 요구하는 주요 위험 남아있다.
E 중 미량 천칭에 실시간 입자 침착을 측정xposure 실험은 노출 시스템에서 생성 된 CS 량은 기대에 부합하는 것을 모니터링 할 수 있습니다. 설정해서 온라인 측정을 정확하게 노광 전에 것은, 예 critial 때문에 마이크로 저울 (cm 2)의 영역의 차이, 또한 0으로 스케일을 설정하고, 측정 된 입자의 증착의 정확성 조직 배양 인서트 (0.33 cm 2), 우리는 배양 인서트의 영역에 최종 계산을 조정 된 미량 천칭에 증착 단지 33 %가 배양 인서트의 실제 증착을 반영한다.
꽉 접합 장벽 기능을 확인하고 상피 층의 중단을 평가하기 위해 봉사자의 측정은 우리가 여기에보고 구현하기 비교적 쉬운 과정이다. 비강 및 기관지 조직 모델 점액 생산 산재 배 세포를 포함하기 때문에, 정점 세척 봉사자 MEAS 전에 행할 필요하여 연산. 정점 세척 중요하므로 점액층의 존재 및 CS 노출의 영향 interferring 두께 캔 바이어스 티에르의 측정 가변성. 이 개념은 Hilgendorf 및 카코-2 세포의 투과성이 점액을 생산하는 술잔 세포 라인 HT29 (23)와 공동 배양에 의해 영향을 받았다있는 동료들에 의해보고 된 것과 일치한다. 바로 노출 전에 혀끝의 세척 CS에 대한 조직 반응을 방해 할 수 있기 때문에 점액 전에 봉사자 측정에 씻어해야합니다. 따라서, 측정은 노출 3 일 전에 수행 및 노출되기 직전되지 않습니다.
우리는 활동이 완만 한 CS 증가되었지만 CYP1A1 / CYP1B1 활동이 CS 노출 다음의 Organotypic 문화 모델에서 측정 될 수 있음을 보여 주었다. 이 약한 신호는 CYP1A1 / 1B1 기판의 장기간 배양에 의해 증폭 될 수있다 (예., 루시페린 - CEE), 예컨대 대24 시간 (데이터 미기재). 본 연구에서 CYP 활성 측정의 한계 중 하나는 효소 활성에 변화가 영향을받지 않도록 CYP 단백질 수준 또는 미래 연구를 위해 고려 될 수있는 세포 수로 정규화 결석 단백질 수준 또는 세포 수의 변화 중 하나에 의하여.
우리는 CS 노출은 비강과 기관지 조직 모델을 모두 제치고 섬모를 억제 보도했다. 비슷한 관찰 다양한 포유 동물 및 비 - 포유 동물 모델 (12)에서 수행 하였다. 섬모가 측정 치는 조직을 유사한 방식으로 처리하고 처리하도록 할 변화 매체가 구현되는 경우, 모든 샘플에 적용되어야한다, 예를 들면, 중요하다. Sutto와 동료들은 pH가 주파수 (24)를 때리고 포유 동물의 섬모에 영향을 보도했다. 따라서, 다른 compunds / 혼합물의 pH로 처리 한 세포 사이의 주파수를 치고 비교할 때조정은 모양체 박동 측정의 변동을 최소화하기 위해 고려되어야한다. 모양체 고해 주파수가 감소함에 따라 온도 강하 더욱이, 측정이 수행되는 온도는 중요하다. 본 연구에서 사용 된 온도, CO 2, 조습 갖추고 이러한 변화, 탑 스테이지 배양기에 의한 변동을 최소화. 그럼에도 불구하고, 우리는 CS 노출 후 기관지 조직에 주파수를 치는 섬모는 섬모 구타 노출 후 매우 방해 권리가 있음을 시사 매우 변수 (예., 하나 삽입 증가하고 다른 삽입 감소)이라고 관찰했다. 대조적으로, 우리는 비강 조직의 반응이 더 민감하고 일관성이 있음을 시사 CS 노광 후의 비강 조직에서 측정 모양체 비팅 주파수의 유무를 관찰했다. 이 비강 조직으로 독을 제거하기 위해 낮은 용량을 가지고 있음을 보여주는 이전의 출판물과 일치한다기관지 (25)와 비교.
마지막으로, 우리는 CS에 노출의 Organotypic의 기관지와 코 조직 모델에서 프로파일 유전자 발현이 생체 이물 대사에 CS의 영향을 설명 할 수 있음을 보여 주었다. 이전 출판 (15)에 자세히 설명한 바와 같이 흥미롭게도, CS에 노출 체외 모델에서 관찰의 Organotypic의 기관지에서 생체 이물 대사 변경과 코는 흡연자의 생체 내 상황의 유사. 유전자 발현 분석을 위해, 로봇 기기를 사용하면 높은 처리량 분석을 가능하게한다. 또한, 자동 핸들링 로봇은 상기 유전자 발현 결과의 일관성 및 정확성을 증가시킨다. 그럼에도 불구하고, 조직 샘플의 신속한 수집 RNA 추출 중에 RNA의 분해를 방지하는 것이 중요했다. RNA 프로세싱 및 여기서 설명 transcriptomic 접근법은 또한 생체 조직 샘플에 적용될 수있다.
이 연구는 필립 모리스 인터내셔널 (Philip Morris International)에 의해 투자되었다.
저자는 원고의 자신의 검토를 위해 모리스 스미스와 Marja Talikka에게 감사의 말씀을 전합니다.
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