9 maja 2018
Z punktu widzenia zasady 3R, modele oddechowe jako alternatywa dla badań na zwierzętach ewoluują. Zwłaszcza w odniesieniu do oceny ryzyka związanego z substancjami oddechowymi brakuje odpowiednich testów. W tym miejscu opisujemy zastosowanie precyzyjnie wyciętych ludzkich wycinków płuc do oceny substancji unoszących się w powietrzu.
Ogólnym celem tego trójwymiarowego modelu precyzyjnie wyciętych ludzkich wycinków płuc jest ocena cytotoksyczności i efektów immunomodulacyjnych w modelu ex vivo z wykorzystaniem tkanki ludzkiej. Metody te mogą pomóc w znalezieniu odpowiedzi na kluczowe pytania z zakresu farmakologii i toksykologii w celu oceny bezpieczeństwa i oceny reakcji fizjologicznej na substancje w rodzimym środowisku człowieka. Główną zaletą tej techniki jest to, że jesteśmy w stanie naśladować choroby układu oddechowego człowieka pod względem cytotoksyczności lub działania immunomodulującego, dzięki zastosowaniu świeżej, żywotnej tkanki ludzkiej.
Chociaż metoda ta może zapewnić wgląd w interakcje komórka-komórka ludzka, fizjologię i patomechanizm, w chorobach układu oddechowego może być również stosowana do innych zastosowań, a także do innych gatunków. Ogólnie rzecz biorąc, osoby, które są nowe w tej metodzie, będą miały trudności z organizacją oceny tkanki ludzkiej i ustanowieniem niezawodnej infrastruktury. Co więcej, proces napełniania wymaga wielu szkoleń i doświadczenia, ze względu na niejednorodność płuc.
Aby rozpocząć tę procedurę, należy kaniulować tchawicę, wkładając silikonową rurkę i mocując ją zaciskiem równoległym do rurki, tak aby zacisk ściskał tkankę razem wzdłuż silikonowej rurki bez jej ściskania. Zamknij wszystkie inne oskrzela, naczynia krwionośne i urazy zaciskami, aby agaroza nie mogła wyciekać podczas procedury napełniania. Dobre umiejętności anatomiczne są potrzebne do kaniulacji głównego oskrzela.
Płuca nie powinny być zbyt mocno rozszerzone, w przeciwnym razie tkanka będzie rozpraszać, a jeśli tkanka nie zostanie wystarczająco wypełniona, niemożliwe będzie wykonanie PCLS, ponieważ tkanka jest zbyt miękka. Następnie wymieszać w zlewce równoważną objętość 3% agarozy o niskiej żelowości z pożywką hodowlaną. Wkraplać mieszaninę do płuc za pomocą 15-mililitrowej strzykawki.
Przed ponownym napełnieniem strzykawki pożywką należy zacisnąć cewnik palcami lub zaciskiem, aby uniknąć pęcherzyków powietrza i refluksu agarozowego. Pokrój tkankę płucną na trzy- do pięciu centymetrowych płyt. Napełnij krajalnicę do chusteczek higienicznych 400 mililitrami lodowatego EBSS.
Natychmiast wytnij cylindryczne rdzenie tkanek z płyt płuc za pomocą półautomatycznego śrubokręta z narzędziem do wiercenia. Następnie przenieś rdzenie tkanek do uchwytu na tkanki krajalnicy do tkanek. Umieść ciężarek na rdzeniu tkanki i zacznij kroić rdzeń tkanki na PCLS.
Pożywkę należy odsączyć z krajalnicy do tkanek do zlewki, otwierając zacisk szklanego cylindra. Następnie przenieś plastry ze zlewki na szalkę Petriego z pożywką hodowlaną. Następnie umieść szalkę Petriego w inkubatorze i pozwól pożywce się rozgrzać przed etapami mycia.
Następnie ostrożnie przenieś wycinki płuc na 24-dołkową płytkę hodowlaną z co najmniej 500 mikrolitrami pożywki hodowlanej na dwa plastry na dołek. Aby przygotować mieszankę wzorcową roztworu roboczego, rozcieńczyć 25 mikrolitrów odczynnika WST-1 i 225 mikrolitrów pożywki dla każdej studzienki. Następnie odpipetować 250 mikrolitrów roztworu roboczego mieszanki głównej WST-1 do każdej studzienki i inkubować płytkę w temperaturze 37 stopni Celsjusza przez godzinę.
Upewnij się, że PCLS są całkowicie pokryte odczynnikiem WST-1 podczas inkubacji. Następnie umieść płytkę na wytrząsarce orbitalnej z prędkością 200 obr./min i ostrożnie potrząsaj przez 30 sekund, aby zapewnić dokładne wymieszanie odczynnika WST-1. Następnie odpipetować 100 mikrolitrów supernatantu z każdego dołka płytki 24-dołkowej na nową, płaskodenną, 96-dołkową płytkę w dwóch egzemplarzach.
Zmierz absorpcję każdej studzienki przy 450 nanometrach za pomocą czytnika mikropłytek i odejmij absorpcję przy 630 nanometrach odniesienia od absorpcji przy 450 nanometrach. Po inkubacji PCLS z czynnikami testowymi lub bez nich, przenieść 50 mikrolitrów supernatantu w dwóch egzemplarzach na nową, 96-dołkową płytkę. W ten sposób generowane są duplikaty z każdej poddanej działaniu dołka płytki 24-dołkowej.
Bezpośrednio przed badaniem należy przygotować mieszankę wzorcową roztworu roboczego środka wolnego od LDH, dokładnie mieszając 125 mikrolitrów roztworu katalizatora z 6,25 mililitrami roztworu barwnika na płytkę 96-dołkową. Następnie odpipetować 50 mikrolitrów roztworu roboczego mieszanki głównej do każdej studzienki zawierającej już 50 mikrolitrów supernatantu. Inkubować płytkę przez 20 minut w temperaturze pokojowej w ciemności.
Następnie zmierz absorpcję każdej studzienki przy 492 nanometrach za pomocą czytnika mikropłytek i odejmij absorpcję przy 630 nanometrach odniesienia od absorpcji przy 492 nanometrach. Aby uzyskać ocenę mikroskopową, wykonaj co najmniej dwa losowo rozmieszczone stosy Z za pomocą cLSM. Kliknij zakładkę Okular, aby wybrać obiektyw z 10-krotnym kątem.
Kliknij Online, aby użyć cLSM jako standardowego mikroskopu świetlnego w celu znalezienia powierzchni PCLS. Następnie kliknij Offline, aby wyjść z ustawień okularu. Następnie kliknij zakładkę Akwizycja i włącz odpowiednie lasery dla fluoroforów.
Kliknij Ścieżka światła w zakładce Akwizycja i ustaw niezbędne filtry i lustra do eksperymentu. Naciśnij przycisk na żywo, aby wyświetlić na ekranie podgląd na żywo odpowiedniej warstwy. Przesuń ostrość w górę lub w dół, aby znaleźć powierzchnię PCLS z ostrym sygnałem.
Następnie ustaw otwór dla kanału czerwonego homodimeru etydyny-1 na jedną jednostkę powietrzną, aby uzyskać najlepszy kompromis między wydajnością zbierania światła a sekcją optyczną, i odpowiednio wyreguluj kanał kalceiny. Zwiększ wykrywany sygnał wzmocnienia. Zwiększ lub zmniejsz przesunięcie cyfrowe, aby dostosować tło tak, aby pojawiło się na niebiesko na obrazie na żywo z aktywowaną tabelą blokowania kolorów kanałów.
Zaznacz pole Z-stacks, aby ustawić górną i dolną granicę objętości mikroskopijnej. Powoli przesuwaj ostrość w górę lub w dół, aż zostanie osiągnięty zakres 30 mikrometrów i naciśnij Ustaw ostatni, aby zapisać. Następnie kliknij ponownie na Na żywo, aby dezaktywować obraz na żywo, i naciśnij Rozpocznij eksperyment, aby rozpocząć obrazowanie.
Pokazano tutaj mikroskopijne obrazy żywotności PCLS, które pokazują reakcję tkanki ludzkiej na detergent jako skuteczną substancję toksyczną. Skutki toksyczne są oceniane wizualnie przez ocenę tkanki dodatniej kalceiny w porównaniu z jądrami komórkowymi dodatnimi homodimeru etydu-1. Mimo że żywotność ludzkiej tkanki płucnej różni się w zależności od dawcy, liczba martwych jąder komórkowych w porównaniu z tkankami żywotnymi nie powinna przekraczać 15% tkanki kontrolnej.
Rysunek ten przedstawia reprezentatywne dane dotyczące immunomodulacyjnego działania heksachloroplatynianu amonu, SLS na ludzką tkankę płucną. Zewnątrzkomórkowe i wewnątrzkomórkowe IL-1 alfa i TNF-alfa oznaczono metodą ELISA i znormalizowano do całkowitej zawartości białka. Po opracowaniu technika ta utorowała drogę naukowcom z dziedziny farmakologii i nauk podstawowych do badania reakcji fizjologicznych w żywej tkance płucnej człowieka.
Po tej procedurze można wykonać inne punkty końcowe, takie jak zwężenie dróg oddechowych, w celu uzyskania odpowiedzi na dodatkowe pytania, takie jak skuteczność leku rozszerzającego oskrzela. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś mieć dobrą ogólną wiedzę na temat tego, jak generować i przetwarzać precyzyjnie wycięte ludzkie plastry płuc. Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w ciągu sześciu do ośmiu godzin, a pierwsze wyniki są dostępne w ciągu pierwszych 24 godzin, jeśli zostaną wykonane prawidłowo.
Nie zapominaj jednak, że praca z nieutrwalonym materiałem ludzkim może być zaraźliwa, a podczas wykonywania tej procedury należy zawsze nosić środki ostrożności, takie jak odzież ochronna. Dodatkowo należy pamiętać o tym, aby w jak największym stopniu pracować w sterylnych warunkach.
Niniejsze badanie przedstawia trójwymiarowy model z wykorzystaniem precyzyjnie ciętych plastrów płuc ludzkich (PCLS) do oceny cytotoksyczności oraz efektów immunomodulujących w środowisku ex vivo. Model ma na celu ocenę bezpieczeństwa substancji przenoszonych drogą powietrzną przy jednoczesnym naśladowaniu ludzkich chorób układu oddechowego.
Ludzkie precyzyjnie cięte plastry płuc (PCLS) stanowią model ex vivo do oceny cytotoksyczności i efektów immunomodulacyjnych substancji przenikających drogą oddechową z wykorzystaniem żywej ludzkiej tkanki, co wspiera ocenę ryzyka zgodnie z zasadami 3R w badaniach nad bezpieczeństwem farmaceutycznym i zawodowym. Model ten umożliwia ocenę uwalniania cytokin prozapalnych, takich jak TNF-α i IL-1α, dostarczając mechanistycznych informacji na temat reakcji tkanek oddechowych istotnych dla walidacji celu oraz profilowania bezpieczeństwa. Podejście to niweluje ograniczenia metod in vitro oraz zmienność in vivo, zwiększając pewność prognostyczną we wczesnej fazie poszukiwania terapeutyków inhalacyjnych oraz w przesiewowym badaniu toksykantów.
PCLS służą jako platforma oparta na ludzkich tkankach we wczesnej fazie odkrywania leków, umożliwiając badanie mechanizmów działania oraz przesiewy bezpieczeństwa, co pozwala na podejmowanie decyzji dotyczących identyfikacji związków wiodących przed przejściem do etapu badań przedklinicznych.