Mänskliga minilungor som odlats av forskare vid University of Manchester kan efterlikna djurens reaktion när de utsätts för vissa nanomaterial. Studien publiceras i Nano Today .
Även om det inte förväntas ersätta djurmodeller helt, kan mänskliga organoider snart leda till betydande minskningar av antalet forskningsdjur, hävdar teamet ledd av cellbiologen och nanotoxikologen Dr. Sandra Vranic.
Lungorganoider är odlade i en maträtt från mänskliga stamceller och är flercelliga, tredimensionella strukturer som syftar till att återskapa nyckelegenskaper hos mänskliga vävnader som cellulär komplexitet och arkitektur. De används allt mer för att bättre förstå olika lungsjukdomar, från cystisk fibros till lungcancer och infektionssjukdomar inklusive SARS-CoV-2.
Däremot har deras förmåga att fånga vävnadssvar på exponering av nanomaterial hittills inte visats. För att exponera organoidmodellen för kolbaserade nanomaterial, utvecklade Dr. Rahaf Issa, ledande forskare i Dr. Vranics grupp, en metod för att exakt dosera och mikroinjicera nanomaterial i organoidens lumen. Den simulerade den verkliga exponeringen av det apikala pulmonella epitelet, det yttersta lagret av celler som täcker andningsvägarna i lungorna.
Befintlig djurforskningsdata har visat att en typ av långa och styva flerväggiga kolnanorör (MWCNT) kan orsaka negativa effekter i lungorna, vilket leder till ihållande inflammation och fibros – en allvarlig typ av irreversibel ärrbildning i lungan.
Med hjälp av samma biologiska endpoints visade teamets mänskliga lungorganoider ett liknande biologiskt svar, vilket validerar dem som verktyg för att förutsäga nanomaterialdrivna svar i lungvävnad. De mänskliga organoiderna möjliggjorde bättre förståelse av interaktioner mellan nanomaterial och modellvävnaden, men på cellnivå.
Grafenoxid (GO), en platt, tunn och flexibel form av kolnanomaterial, visade sig vara tillfälligt instängd ur vägen i ett ämne som produceras av andningssystemet som kallas sekretoriskt mucin. Däremot inducerade MWCNT en mer ihållande interaktion med de alveolära cellerna, med mer begränsad mucinutsöndring och leder till tillväxt av fibrös vävnad.
I en vidareutveckling utvecklar och studerar nu Dr. Issa och Vranic baserade vid universitetets centrum för nanoteknologi i medicin en banbrytande mänsklig lungorganoid som också innehåller en integrerad immuncellskomponent.
Dr. Vranic sa:"Med ytterligare validering, långvarig exponering och inkorporering av en immunkomponent kan mänskliga lungorganoider avsevärt minska behovet av djur som används i nanotoxikologisk forskning.
"Utvecklad för att uppmuntra human djurforskning, de 3R:erna för ersättning, minskning och förfining är nu inbäddade i brittisk lagstiftning och i många andra länder.
"Allmänhetens attityder visar genomgående att stöd till djurforskning är villkorat av att 3R:erna omsätts i praktiken."
Professor Kostas Kostarelos, ordförande för nanomedicin vid universitetet sa:"Nuvarande '2D-testning' av nanomaterial med tvådimensionella cellodlingsmodeller ger viss förståelse för cellulära effekter, men de är så förenklade eftersom de bara delvis kan skildra det komplexa sättet celler kommunicerar på. Det representerar verkligen inte komplexiteten hos det mänskliga lungepitelet och kan felaktigt representera nanomaterialens toxiska potential, på gott och ont.
"Även om djur fortfarande kommer att behövas i forskning under överskådlig framtid, är "3D"-organoider ändå ett spännande perspektiv inom vårt forskningsfält och i forskning mer generellt som en mänsklig motsvarighet och ett djuralternativ."
Mer information: Rahaf Issa et al, Functioning human lung organoids modellerar lungvävnadsrespons från kolnanomaterialexponeringar, Nano Today (2024). DOI:10.1016/j.nantod.2024.102254
Journalinformation: Nano idag
Tillhandahålls av University of Manchester
