三次元スフェロイドモデルにおけるUVA照射下での二酸化チタンナノ粒子によるG1細胞周期停止におけるTGF-βと活性酸素の関与の解明

Involvement of TGF-β and ROS in G1 Cell Cycle Arrest Induced by Titanium Dioxide Nanoparticles Under UVA Irradiation in a 3D Spheroid Model.

• Yuanyuan Ren
• Runqing Geng
• Qunwei Lu
• Xi Tan
• Rong Rao
• Hong Zhou
• Xiangliang Yang
• Wei Liu

抄録

背景:

二酸化チタンナノ粒子（nano-TiO）は、最も広く生産されている人工ナノ材料の一つであり、バイオメディシンやヘルスケア製品、インプラント用の足場として使用されているため、ナノTiOの毒性メカニズムが広く研究されています。3次元（3D）スフェロイドモデルは、複雑な生理環境を簡略化し、生体内の組織構造を模倣することができるため、紫外線A（UVA）照射下でのナノチタン酸塩の毒性評価に最適です。

Background: As one of the most widely produced engineered nanomaterials, titanium dioxide nanoparticles (nano-TiO) are used in biomedicine and healthcare products, and as implant scaffolds; therefore, the toxic mechanism of nano-TiO has been extensively investigated with a view to guiding application. Three-dimensional (3D) spheroid models can simplify the complex physiological environment and mimic the in vivo architecture of tissues, which is optimal for the assessment of nano-TiO toxicity under ultraviolet A (UVA) irradiation.

方法と結果:

本研究では、フィブリンゲルで培養した3次元H22スフェロイドを用いて、UVA照射下でのナノTiOの毒性を調べた。100μg/mLのnano-TiOをUVA照射下で100μg/mL処理した場合、7日間培養した後、スフェロイドの直径が約25%減少することが確認された。UVA照射下のナノTiOはTGF-β/Smadシグナル伝達経路の開始を誘発し、TGF-β1, Smad3, Cdkn1a, Cdkn2bの発現レベルをmRNAおよびタンパク質レベルで増加させ、G1期の細胞周期停止をもたらした。また、UVA照射下でのナノTiOは活性酸素種（ROS）の産生を誘発し、細胞周期制御やTGF-β1発現の誘導に関与していることが明らかになった。

Methods and Results: In the present study, the toxicity of nano-TiO under UVA irradiation was investigated in 3D H22 spheroids cultured in fibrin gels. A significant reduction of approximately 25% in spheroid diameter was observed following treatment with 100 μg/mL nano-TiO under UVA irradiation after seven days of culture. Nano-TiO under UVA irradiation triggered the initiation of the TGF-β/Smad signaling pathway, increasing the expression levels of TGF-β1, Smad3, Cdkn1a, and Cdkn2b at both the mRNA and protein level, which resulted in cell cycle arrest in the G1 phase. In addition, nano-TiO under UVA irradiation also triggered the production of reactive oxygen species (ROS), which were shown to be involved in cell cycle regulation and the induction of TGF-β1 expression.

結論:

UVA照射下のナノTiOは、G1期の細胞周期停止とより小さなスフェロイドの形成を誘導し、TGF-β/Smadシグナル伝達経路の活性化と活性酸素の発生と関連していた。これらの結果は、UVA照射下でのナノTiOの毒性メカニズムを明らかにし、ナノ毒性研究に3次元スフェロイドモデルを利用できる可能性を示しています。

Conclusion: Nano-TiO under UVA irradiation induced cell cycle arrest in the G1 phase and the formation of smaller spheroids, which were associated with TGF-β/Smad signaling pathway activation and ROS generation. These results reveal the toxic mechanism of nano-TiO under UVA irradiation, providing the possibility for 3D spheroid models to be used in nanotoxicology studies.

© 2020 Ren et al.