Comparison of human primary lung and 3D co-culture with respect to adaptive response towards Bariumsulphate nanoparticle aerosol
Final Report Abstract
Aufgrund der großen Oberfläche der Lunge, stellt diese während der Inhalation den Hauptaufnahmeweg für luftgetragene Partikel dar. Daher besteht die Notwendigkeit zur Entwicklung entsprechender Inhalationsmodelle, welche die Erforschung der Auswirkungen von Nanopartikeln auf die Blut-Luft-Schranke ermöglichen. Des Weiteren wächst unter der Berücksichtigung des 3R-Prinzips das Bestreben nach geeigneten tierversuchsfreien Alternativmodellen. Ein wichtiger Punkt bei der Entwicklung entsprechender Systeme ist die Wahl des Zellsystems. Im vorliegenden Projektbericht wurden die Experimente aus diesem Grund an Zelllinien, primären Zellen sowie an Miniorgankulturen durchgeführt. An der TU Ilmenau wurde ein Expositionsaufsatz entwickelt, welcher die Nanopartikelzufuhr auf die Zellkultur im Aerosol ermöglichte. Durch eine Strömungsanalyse konnte eine gleichmäßige Verteilung der Nanopartikel im TAS und somit auch auf dem MatriGrid® gezeigt werden. Dieser Aufsatz wurde während der Experimente für die Exposition mit BaSO 4- und TiO2-Nanopartikeln im Aerosol verwendet. Zur Synchronisation wurde an beiden Standorten die Tumorzelllinie A549 verwendet. An der TU Ilmenau wurde für die weiterführenden Experimente ein Kokultursystem bestehend aus der Tumorzelllinie A549 und der Endothel-Hybridomzelllinie EA.hy926 (Zelllinienmodell) eingesetzt, während an der MLU Halle ein Kokultursystem mit primären Lungenzellen aus Lungenteilresktaten und EA.hy926 (PLZ-Kokultursystem) zurückgegriffen wurde. Des Weiteren fanden Miniorgankulturen beim Projektpartner in Halle Anwendung. Die Synchronisationsexperimente zeigten lediglich eine sehr leichte und reversible Reaktion der A549-Zellen auf die Nanopartikelexposition. Die Nanopartikel-Aerosole wiesen im Zelllinienmodell sowie im PLZ-Kokultursystem nach akuter Exposition ebenfalls nur eine leichte bis moderate Toxizität auf, welche sich allerdings lediglich bei dem A549/EA.hy926-System als reversibel herausstellte. Die mehrfache Exposition der Zellen mit Nanopartikeln im Rahmen des chronischen Versuchsaufbaus zeigte ein deutlich ausgeprägteres Antwortverhalten des PLZ- Kokultursystems im Vergleich zum Zelllinienmodell. Bei beiden Kokultursystemen wiesen die zwischen den Expositionen gespülten Kulturen deutlichere Effekte auf als die nicht gespülten Kulturen. Dies lässt auf eine Barriere schließen, die durch den Spülvorgang beeinträchtigt wird. Sowohl akut als auch chronisch konnte lediglich im PLZ-Kokultursystem eine spenderabhängige Induktion inflammatorischer Zytokine beobachtet werden. In den Kokulturen der primären Lungenzellen wird in den akuten und chronischen Experimenten deutlich, dass die hohe BaSO4- und die niedrigere TiO2-Konzentration die stärkste Reaktion bei den Zellen auslöst. Bei der Arbeit mit primärem Material sollte allerdings die Vorexposition (Raucherstatus, Arbeitsumfeld usw.) des Spenders stets berücksichtigt werden. Im Vergleich zu den 3D-Kokulturen sind die Miniorgankulturen sehr viel robuster. Aufgrund der natürlichen 3D- Zellanordnung reagieren die L-MOC nur sehr geringfügig auf die Nanopartikel-Aerosol-Exposition. Die in der Zellkultur beobachteten Trends deuten sich jedoch auch bei den generierten Daten der durchgeführten MOC Experimente an. Alle drei Kultursysteme stellen für die Bewertung der Toxizität von Nanopartikel-Aerosolen geeignete Systeme dar. Für erste Experimente und Abschätzungen zur Wirkung von Nanopartikeln auf Lungenzellen sind Zelllinien aufgrund ihrer hohen Verfügbarkeit empfehlenswert. Bei weiterführenden Experimenten sollten 3D-Kokulturen mit primären Lungenzellen hinzugezogen werden. Besonders für Langzeitexperimente sind Miniorgankulturen ein sehr gutes Modell.
Publications
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Mai, Patrick; Hampl, Jörg; Baca, Martin; Brauer, Dana; Singh, Sukhdeep; Weise, Frank; Borowiec, Justyna; Schmidt, André; Küstner, Johanna Merle; Klett, Maren; Gebinoga, Michael; Schroeder, Insa S.; Markert, Udo R.; Glahn, Felix; Schumann, Berit; Eckstein, Diana & Schober, Andreas
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