$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Uraz oka wywołany przez toksyny jest prawdziwym zagrożeniem dla oka, ponieważ chemikalia mogą szybko spowodować znaczne uszkodzenia tkanek. Niestety, leczenie uszkodzeń rogówki wywołanych toksynami jest tylko ogólnie wspomagające, ponieważ nie istnieją żadne specyficzne terapie do leczenia tych urazów. Obecna strategia leczenia jest niespecyficzna i obejmuje przede wszystkim miejscowe leczenie terapeutyczne, takie jak lubrykanty, antybiotyki i cykloplegia, a następnie leki przeciwzapalne (np. sterydy) po ponownym nabłonku rogówki1,2. Pomimo najlepszych obecnie dostępnych opcji terapeutycznych, długoterminowe rokowanie jest na ogół złe z powodu postępującego zmętnienia rogówki i neowaskularyzacji2,3.
Modele zwierzęce były tradycyjnie używane do badania toksyczności chemicznej i zrozumienia mechanizmów urazów. Jednak badania na zwierzętach są czasochłonne i kosztowne. Podejmowane są również wysiłki na rzecz ograniczenia testów na zwierzętach. Na przykład przepisy REACH (WE 1907/2006) w Unii Europejskiej zawierają przepisy mające na celu ograniczenie testów na zwierzętach. Przepisy obejmują wymóg, aby przedsiębiorstwa dzieliły się danymi w celu uniknięcia testów na zwierzętach i uzyskania zgody Europejskiej Agencji Chemikaliów przed przeprowadzeniem proponowanych testów na zwierzętach. Zgodnie z przepisami rozporządzenia REACH testy na zwierzętach powinny być stosowane w ostateczności. Istnieje również europejskie rozporządzenie w sprawie kosmetyków (WE 1223/2009), które stopniowo zniosło testowanie kosmetyków na zwierzętach. Kiedy przeprowadzane są badania na zwierzętach, kierują się zasadami 3R (Refinement, Reduction, and Replacement), które zapewniają ramy do prowadzenia bardziej humanitarnych badań na zwierzętach, zmniejszania liczby wykorzystywanych zwierząt i stosowania alternatyw bez udziału zwierząt, jeśli to możliwe. Z tych powodów dziedzina toksykologii starała się przyjąć testy in vitro, które mogą zapewnić wgląd w molekularne mechanizmy toksyczności i mogą być wykonywane w wyższej przepustowości4. Jest to podejście toksykologiczne funkcjonalne, w którym substancje toksyczne są definiowane na podstawie ich funkcji, a nie wyłącznie na podstawie ich składu chemicznego. Idąc o krok dalej, toksykogenomika funkcjonalna stara się zrozumieć rolę, jaką określone geny odgrywają w działaniu substancji toksycznych5. Dzięki zastosowaniu technologii siRNA, badania przesiewowe w celu zbadania funkcji genów w molekularnych i komórkowych odpowiedziach na substancje toksyczne mogą być wykonywane z dużą przepustowością. siRNA to dwuniciowe cząsteczki RNA o długości 19-25 nukleotydów, które wykorzystują potranskrypcyjny szlak wyciszania genów obecny we wszystkich komórkach ssaków6. Są one wytwarzane syntetycznie i zaprojektowane tak, aby celować w określony gen. Po wprowadzeniu do komórki siRNA jest przetwarzane, a jedna nić, nić prowadząca, jest ładowana do kompleksu wyciszającego indukowanego RNA (RISC). SiRNA kieruje RISC do komplementarnego regionu w cząsteczce mRNA, a RISC degraduje mRNA. Powoduje to zmniejszenie ekspresji określonego genu. Wynikające z tego zmniejszenie ekspresji określonego genu można następnie badać w komórkach narażonych na działanie substancji toksycznych, aby ustalić funkcję tego genu w odpowiedzi komórkowej na substancję toksyczną. Takie podejście zostało wykorzystane do lepszego zrozumienia mechanizmów wrażliwości na rycynę i zależnej od AHR indukcji CYP1A17,8.
Lista Oceny Ryzyka Terroryzmu Chemicznego (CTRA) oraz lista toksycznych chemikaliów przemysłowych (TIC) zawierają wyszczególnione wybrane substancje chemiczne na podstawie ich toksyczności i potencjału do uwolnienia podczas zdarzenia terrorystycznego, wojennego lub wypadku przemysłowego9. Stosujemy podejście toksykogenomiczne oparte na wysokoprzepustowych badaniach przesiewowych siRNA (HTS) do badania substancji toksycznych z listy CTRA, które zostały zidentyfikowane jako narażone na wysokie ryzyko użycia w incydencie terrorystycznym. Tradycyjna toksykologia ma na celu zrozumienie niekorzystnego wpływu, jaki chemikalia wywierają na organizmy żywe; Mamy jednak dalsze pragnienie zrozumienia mechanizmów urazu, aby pomóc w rozwoju terapii i podejść terapeutycznych, a być może także odkryć cząsteczki, które mogą być celem rozwoju terapeutycznego. Wysiłek ten pod pewnymi względami można uznać za analogiczny do zastosowania wysokoprzepustowych badań przesiewowych siRNA i testów komórkowych w procesie odkrywania leków10. Główna różnica polega na tym, że odkrywanie leków zazwyczaj poszukuje pojedynczego celu do odkrycia terapeutycznego, podczas gdy w naszym podejściu jest raczej mało prawdopodobne, aby istniał pojedynczy cel o wysokiej wartości terapeutycznej w leczeniu narażenia na toksyny. Przewidujemy, że każdy skuteczny paradygmat leczenia narażenia na toksyny będzie wymagał wieloaspektowego podejścia w celu osiągnięcia wysokiej wartości terapeutycznej, a dane toksykogenomiczne mogą stanowić istotną informację o skutecznym paradygmacie leczenia.
Automatyzacja laboratoryjna wprowadza metodologię wysokiej przepustowości do laboratoriów spoza przemysłu farmaceutycznego lub biotechnologicznego. Badania in vitro w naszym instytucie były historycznie tradycyjnymi testami o niskiej przepustowości11,12,13. W ciągu ostatnich kilku lat nasze laboratorium przestawiło się na wykorzystanie robotyki laboratoryjnej do wykonywania wysokoprzepustowych badań przesiewowych siRNA. W niniejszym artykule przedstawiono udoskonalenie modeli komórek oka oraz opracowanie metod ekspozycji in vitro na fluorowodór (HF) i chloropikrynę (CP) odpowiednich do wysokoprzepustowych badań przesiewowych siRNA. Naszym celem jest zidentyfikowanie cząsteczek, które regulują uszkodzenia komórek w odpowiedzi na te toksyny. Cele wybranej przez nas biblioteki siRNA obejmują receptory sprzężone z białkiem G, kinazy białkowe, proteazy, fosfatazy, kanały jonowe i inne potencjalnie ulegające uleczanie cele. HF i CP zostały wybrane do badania poprzez porównanie agentów z listy CTRA z raportami ToxNet dotyczącymi wypadków przemysłowych w celu znalezienia tych, którzy stwarzają największe ryzyko urazu oka poprzez ekspozycję na opary9,14. CP (wzór chemiczny Cl3CNO2, numer CAS 76-06-2) był pierwotnie używany jako gaz łzawiący w klasie WWI15. Obecnie jest używany jako fumigant rolniczy i działa jako nematocyd, fungicyd i insektycyd16. Fluorowodór (HF) jest stosowany w procesach takich jak alkilowanie w rafineriach ropy naftowej i elektrochemiczne fluorowanie związków organicznych17. HF (wzór chemiczny HF, numer CAS 62778-11-4) jest gazem, ale w postaci wodnej jest kwasem fluorowodorowym (HFA, numer CAS 7664-39-3). Dlatego zdecydowaliśmy się na użycie HFA w naszych modelach ekspozycji w komórkach. Do badania wybrano dużą linię komórkową nabłonka rogówki SV40 z dużym antygenem T unieśmiertelnionym ludzkim nabłonkiem rogówki SV40-HCEC. Żywotność komórek i marker stanu zapalnego IL-8 zostały wybrane jako punkty końcowe, ponieważ cele, które są zaangażowane w uszkodzenie komórki, powinny być odzwierciedlone w śmierci komórki i odpowiedzi zapalnej. W szczególności, jeśli cel miałby odgrywać rolę ochronną w ekspozycji na toksyny, śmierć komórki i/lub produkcja cytokin zapalnych powinna wzrosnąć, gdy ekspresja docelowa jest hamowana przez siRNA. Odwrotnie byłoby w przypadku celów, które odgrywają negatywną rolę. Ponadto przewlekły stan zapalny wydaje się odgrywać rolę w patologii rogówki po ekspozycji, a interwencja w szlaki śmierci komórki może poprawić wyniki kliniczne2,18.