マルチオミクスアプローチにより、肺胞マクロファージにおけるナノ材料の毒性と構造活性の関係を明らかにした

A multi-omics approach reveals mechanisms of nanomaterial toxicity and structure-activity relationships in alveolar macrophages.

• Anne Bannuscher
• Isabel Karkossa
• Sophia Buhs
• Peter Nollau
• Katja Kettler
• Mihaela Balas
• Anca Dinischiotu
• Bryan Hellack
• Martin Wiemann
• Andreas Luch
• Martin von Bergen
• Andrea Haase
• Kristin Schubert

抄録

放出されるナノ材料の数が多く、その特性が非常に変化しやすいことから、ナノ材料の効果に基づいた新しいグルーピングアプローチが必要とされている。適切なグルーピングを行うためには、より多くの構造的に類似したナノ材料を用いた実験装置と、作用機序を特定するための統合的なオミックスアプローチの組み合わせが必要となる。ここでは、異なる化学組成、サイズ、および化学的表面修飾からなる 7 種類のナノ材料のラット歯槽マクロファージ細胞株 NR8383 への影響を解析した。24時間培養後に2.5～10μg/cmの3種類のNMを2.5～10μg/cmの用量で、アンターゲットプロテオミクス、ターゲットメタボロミクス、およびSH2プロファイリングを含む統合マルチオミクスアプローチを用いて調査した。重み付け遺伝子相関ネットワーク解析(WGCNA)を用いて、分子経路と物理化学的特性及び毒性評価項目との相関関係を明らかにした。その結果、3種類のSiO2バリアントは、3つのオミックスアプローチ全てにおいて強い変化を示し、"活性"に分類されることがわかった。2種類の有機フタロシアニンは軽度の応答を示し、Mn2O3は他のNMとは異なる分子応答パターンを誘導した。WGCNAにより、凝集体の大きさや表面積、LDH放出がナノ毒性と相関する最も重要なパラメータの一つであることが明らかになった。さらに、代表的なバイオマーカー候補となりうる重要なドライバーを同定し、試験と評価のための統合的アプローチ（IATA）を確立するためのマルチオミクスアプローチの価値を支持した。

In respect to the high number of released nanomaterials and their highly variable properties, novel grouping approaches are required based on the effects of nanomaterials. Proper grouping calls for a combination of an experimental setup with a higher number of structurally similar nanomaterials and for employing integrated omics approaches to identify the mode of action. Here, we analyzed the effects of seven well-characterized NMs comprising different chemical compositions, sizes and chemical surface modifications on the rat alveolar macrophage cell line NR8383. The NMs were investigated at three doses ranging from 2.5 to 10 µg/cm after 24 h incubation using an integrated multi-omics approach involving untargeted proteomics, targeted metabolomics, and src homology 2 (SH2) profiling. By using Weighted Gene Correlation Network Analysis (WGCNA) for the integrative data, we identified correlations of molecular pathways with physico-chemical properties and toxicological endpoints. The three investigated SiO2 variants induced strong alterations in all three omics approaches and were, therefore, be classified as "active." Two organic phthalocyanines showed minor responses and Mn2O3 induced a different molecular response pattern than the other NMs. WGCNA revealed that agglomerate size and surface area as well as LDH release are among the most important parameters correlating with nanotoxicology. Moreover, we identified key drivers that can serve as representative biomarker candidates, supporting the value of multi-omics approaches to establish integrated approaches to testing and assessment (IATAs).