長期ナノ材料曝露後のin vitro遺伝毒性試験のための高度な3D肝モデル

Advanced 3D Liver Models for In vitro Genotoxicity Testing Following Long-Term Nanomaterial Exposure.

• Samantha V Llewellyn
• Gillian E Conway
• Ume-Kulsoom Shah
• Stephen J Evans
• Gareth J S Jenkins
• Martin J D Clift
• Shareen H Doak

抄録

様々な種類の人工ナノ材料（ENM）が急速に開発され実施されているため、ENMへの曝露は避けられず、堅牢で予測可能なin vitro試験システムの開発が不可欠である。肝臓は、代謝の恒常性と解毒において重要な役割を果たしているだけでなく、暴露後の ENM 蓄積の主要な部位でもあるため、ENM 暴露を考慮する際には肝毒性試験が重要である。このことと、2D肝細胞モデルでは生体内で観察される複雑な多細胞間相互作用や代謝活動を正確に模倣できないことがわかってきたため、in vitroでのENMハザード評価目的に合わせた生理学的に適切な3D肝モデルの開発に重点が置かれるようになってきた。動物実験を代替、削減、改良する 3R の原則に沿って、HepG2 細胞株をベースとした 3D 肝臓モデルが開発された。これらのスフェロイドモデル（直径500μm以上）は、その増殖能力（すなわち分裂細胞モデル）を保持しているため、「ゴールドスタンダード」の小核アッセイと組み合わせることで、インビトロでの遺伝毒性を効果的に評価することができます。肝機能、（プロ）炎症反応、細胞毒性、遺伝子毒性などの様々な毒性評価項目を報告する能力は、急性曝露（24時間）と長期曝露（120時間）の両方のレジームにおいて、複数のENMを用いて特徴づけられている。この 3D in vitro 肝モデルは、より現実的な ENM 暴露を評価するために利用できる能力を有しており、それにより、日常的かつ容易にアクセスできる方法で ENM の危険性評価を支援するための将来の in vitro アプローチを提供することができる。

Due to the rapid development and implementation of a diverse array of engineered nanomaterials (ENM), exposure to ENM is inevitable and the development of robust, predictive in vitro test systems is essential. Hepatic toxicology is key when considering ENM exposure, as the liver serves a vital role in metabolic homeostasis and detoxification as well as being a major site of ENM accumulation post exposure. Based upon this and the accepted understanding that 2D hepatocyte models do not accurately mimic the complexities of intricate multi-cellular interactions and metabolic activity observed in vivo, there is a greater focus on the development of physiologically relevant 3D liver models tailored for ENM hazard assessment purposes in vitro. In line with the principles of the 3Rs to replace, reduce and refine animal experimentation, a 3D HepG2 cell-line based liver model has been developed, which is a user friendly, cost effective system that can support both extended and repeated ENM exposure regimes (≤14 days). These spheroid models (≥500 µm in diameter) retain their proliferative capacity (i.e., dividing cell models) allowing them to be coupled with the 'gold standard' micronucleus assay to effectively assess genotoxicity in vitro. Their ability to report on a range of toxicological endpoints (e.g., liver function, (pro-)inflammatory response, cytotoxicity and genotoxicity) has been characterized using several ENMs across both acute (24 h) and long-term (120 h) exposure regimes. This 3D in vitro hepatic model has the capacity to be utilized for evaluating more realistic ENM exposures, thereby providing a future in vitro approach to better support ENM hazard assessment in a routine and easily accessible manner.