Un sistema microfisiologico intestino/fegato per la valutazione farmacocinetica e tossicologica
Summary
Abbiamo esposto un sistema microfisiologico (MPS) con organoidi intestinali e epatici ad acetaminofene (APAP). Questo articolo descrive i metodi per la produzione di organoidi e le valutazioni della proprietà farmacocinetica e tossicologica APAP nelle MPS. Descrive anche le analisi della funzionalità tissutale necessarie per convalidare i risultati.
Abstract
I sistemi microfisiologici (MPS) recentemente introdotti che coltivano organoidi umani dovrebbero funzionare meglio degli animali nella fase di test preclinici del processo di sviluppo dei farmaci perché sono geneticamente umani e ricapitolano l’interazione tra i tessuti. In questo studio, la barriera intestinale umana (emulata da una co-coltura di cellule Caco-2 e HT-29) e l’equivalente epatico (emulato da sferoidi fatti di cellule EpaRG differenziate e cellule stellate epatiche umane) sono stati integrati in un dispositivo microfluidico a chip a due organi (2-OC) per valutare alcune proprietà farmacocinetiche (APAP) ad acetaminofene (APAP) e tossicologiche. La MPS aveva tre gruppi: intestino solo 2-OC, fegato solo 2-OC, e intestino / fegato 2-OC con lo stesso supporto che permea entrambi gli organoidi. Per le valutazioni della chiave di piattaforma, abbiamo dosato l’APAP nel supporto a punti di tempo preimpostati dopo averli somministrati sopra la barriera intestinale (emulando la via orale) o nel supporto (emulando la via endovenosa), rispettivamente a 12 μM e 2 μM. I campioni di supporto sono stati analizzati mediante cromatografia liquida ad alta pressione in fase invertita (HPLC). Gli organoidi sono stati analizzati per l’espressione genica, per i valori TEER, per l’espressione e l’attività proteica, e quindi raccolti, fissati e sottoposti a una serie di valutazioni morfologiche. La tecnica MTT ha funzionato bene nel valutare la fattibilità organoide, ma le analisi ad alto contenuto (HCA) sono state in grado di rilevare eventi tossici molto presto in risposta al trattamento APAP. Abbiamo verificato che il flusso del supporto non influisce in modo significativo sull’assorbimento apap, mentre migliora significativamente la funzionalità equivalente al fegato. L’assorbimento intestinale umano APAP e il metabolismo epatico potrebbero essere emulati nelle MPS. L’associazione tra i dati delle MPS e la modellazione in silico ha un grande potenziale per migliorare la prevedibilità dei metodi in vitro e fornire una migliore accuratezza rispetto ai modelli animali negli studi farmacocinetici e tossicologici.
Introduction
A causa delle differenze genomiche e proteomiche, i modelli animali hanno un valore predittivo limitato per diversi risultati umani. Inoltre, sono dispendiosi in termini di tempo, costosi ed eticamente discutibili1. Mps è una tecnologia relativamente nuova che mira a migliorare la potenza predittiva e ridurre i costi e il tempo trascorso con i test precli clinici. Sono dispositivi microfluidi che coltivano organoidi (unità funzionali mimetiche artificiali di organi) sotto flusso mediatico che promuovono la comunicazione organoide-organoide. Gli organoidi composti da cellule umane aumentano la rilevanzatraslizionale 2,3,4. Ci si aspetta che le MPS funzionino meglio dei test sugli animali perché sono geneticamente umane e ricapitolano l’interazione tra i tessuti. Quando è pienamente funzionante, l’MPS fornirà risultati più significativi, a velocità più elevata e costi e rischiinferiori 4. Molti gruppi stanno sviluppando MPS per diversi scopi, in particolare modelli di malattia per testare l’efficacia del farmaco.
Il livello di esposizione è uno dei parametri più critici per valutare l’efficacia e la tossicità delfarmaco 5,6,7,8,9,10,11,12. La MPS consente un’integrazione organoide che emula l’esposizione sistemica e si prevede che funzioni meglio della tradizionale coltura di tessuti umani 2D. Questa tecnologia può migliorare significativamente la previsione dell’assorbimento intestinale composto e del metabolismoepatico 4.
Una MPS che integra un modello equivalente umano di intestino e fegato è un buon punto di partenza, considerando il ruolo centrale di questi due organi nella biodisponibilità del farmaco e nell’esposizionesistemica 13,14,15. APAP è un farmaco attraente per studiare una MPS senza un equivalente renale perché la sua metabolizzazione è fatta principalmente dal fegato16,17.
Il 2-OC è un dispositivo microfluidico a due camere adatto alla coltura di due diversi tessuti/organoidi equivalenti umani interconnessi da microcanali16. Al fine di emulare una somministrazione orale/endovenosa umana in vitro di un farmaco e valutare gli effetti del colloquio incrociato tra l’intestino e gli equivalenti epatici sulla farmacocinetica APAP, oltre alla funzionalità e alla vitalità degli organoidi, sono stati eseguiti tre diversi gruppi di MPS: (1) una “MPS intestino 2-OC” composta da un equivalente intestinale basato in un inserto di coltura contenente una cocoltura di cellule Caco-2 + HT-29, integrata nel dispositivo 2-OC; (2) una “MPS epatica a 2 OC” composta da sferoidi epatici costituiti da HepaRG + HHSteC (Cellule Stellate Epatiche Umane) integrati nel dispositivo 2-OC; e (3) una “MPS intestino/fegato 2-OC” composta dall’equivalente intestinale in un compartimento del dispositivo che comunica con l’equivalente epatico nell’altro dal flusso del fluido attraverso i canali microfluidici.
Tutti i saggi sono stati eseguiti in condizioni statiche (senza flusso) e dinamiche (con flusso) a causa dell’impatto degli stimoli meccanici (compressione, stiramento e taglio) sulla vitalità cellulare e sullefunzionalità 18,19,20. Il presente articolo descrive il protocollo per l’emulazione della somministrazione orale/endovenosa APAP e le rispettive analisi di assorbimento/metabolismo e tossicologiche nelle MPS a 2-OC contenenti modelli equivalenti all’intestino umano e al fegato.
Protocol
Representative Results
Discussion
La valutazione accurata e affidabile delle proprietà farmacologiche dei nuovi farmaci investigativi è fondamentale per ridurre il rischio nelle seguenti fasi di sviluppo. L’MPS è una tecnologia relativamente nuova, che mira a migliorare la potenza predittiva e ridurre i costi e il tempo trascorso con i test preclinici. Il nostro gruppo sta avanzando nella valutazione delle proprietà farmacocinetiche e tossicologiche per lo più necessarie per l’ottimizzazione del piombo. Abbiamo lavorato con il dispositivo microfluid…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Grazie alla Dott.ssa Christie Guguen-Guillouzo, al Dott. Philippe Gripon dell’Unità 522 INSERM e al Dott. Christian Trepo dell’Unità 271 INSERM per l’utilizzo del Materiale Biologico (Cellule Hepa RG) e per averci messo a disposizione per svolgere la ricerca accademica.
Materials
| 1x DPBS | Thermo Fisher Scientific | 14190235 | No calcium, no magnesium |
| 2-OC | TissUse GmbH | Two-organ chip | |
| 384-well Spheroid Microplate | Corning | 3830 | Black/Clear, Round Bottom, Ultra-Low Attachment |
| 4% Paraformaldehyde | Use to fix cell | ||
| Acetaminophen | Sigma Aldrich | A7085 | Use to MPS assays |
| Acetonitrile | Tedia | Used to perform HPLC | |
| Alexa Fluor 647 phalloidin | Thermo Fisher Scientific | confocal experiment | |
| Ammonium acetate | Sigma Aldrich | Used to perform HPLC | |
| Caco-2 cells | Sigma Aldrich | 86010202 | |
| Cacodylate buffer | |||
| Cell culture flasks | Sarstedt | ||
| Confocal Fluorescence microscope | Leica | DMI6000 | |
| Cryostat | Leica | CM1950 | |
| DMEM high glucose | Thermo Fisher Scientific | 12800017 | Add supplements: 10% fetal bovine serum, 100 units per mL penicillin, 100 µg/mL streptomycin, and 1% non-essential amino acids |
| DMSO | Sigma Aldrich | D4540 | Add 2% to HepaRG media |
| Ethanol | Synth | ||
| Fetal Bovine Serum | Thermo Fisher Scientific | 12657029 | |
| Freezing medium OCT | Tissue-Tek | Tissue-Tek® O.C.T.™ Compound is a formulation of watersoluble glycols and resins, providing a convenient specimen matrix for cryostat sectioning at temperatures of -10°C and below. | |
| Hematoxylin & Eosin | |||
| HepaRG cells | Biopredic International | HPR101 | Undifferentiated cells |
| HHSTeC | ScienCell Research Laboratories | 5300 | Cells and all culture supplements |
| Hoechst 33342 | HCA experiments | ||
| HT-29 cells | Sigma Aldrich | 85061109 | |
| Human Insulin | Invitrogen – Thermo Fisher Scientific | 12585014 | |
| Hydrocortisone | Sigma Aldrich | H0888 | |
| Isopropanol | Merck | 278475 | |
| Karnovsky’s fixative | |||
| L-glutamine | Thermo Fisher Scientific | A2916801 | |
| Luna C18 guard column SS | Phenomenex | Used to perform HPLC | |
| Microscope | Leica | DMi4000 | |
| Microtome | Leica | RM2245 | |
| Millicell 0.4 µm pore size inserts | Merck | PIHP01250 | |
| Millicell ERS-2 meter | Merck | MERS00002 | Used to TEER measurement |
| MitoTracker Deep Red | HCA experiments | ||
| MTT | Thermo Fisher Scientific | M6494 | |
| MX3000P system | Agilent Technologies | ||
| Neubauer chamber | Counting cells | ||
| Operetta High Content Imaging System | Perkin Elmer | Used to perform HCA | |
| P450-Glo CYP3A4 Assay with Luciferin-IPA | Promega | Cat.# V9001 | |
| Penicillin/Streptomycin | Thermo Fisher Scientific | 15070063 | Cell culture |
| Permount | Thermo Fisher Scientific | Histology | |
| Primers | RT-qPCR | ||
| PVDF membrane | BioRad | ||
| PVDF Syringe filter | 0.22 μm pore size | ||
| Reversed-phase Luna C18 column | Phenomenex | Used to perform HPLC | |
| Shaker (IKA VXR Basic Vibrax) | IKA Works GmbH & Co | 2819000 | Used for spheroids to improve MTT assay |
| Stellate Cell Media (STeC CM) | ScienCell | 5301 | Add STeC CM supplements |
| SuperScriptIITM Reverse Transcriptase | Thermo Fisher Scientific | ||
| SYBR Green PCR Master Mix | Thermo Fisher Scientific | ||
| TRizol TM reagent | Thermo Fisher Scientific | Trizol is a monophasic solution of phenol and guanidine isothiocyanate. | |
| Trypsin/EDTA solution | Thermo Fisher Scientific | R001100 | |
| Ultra-low-attachment plates | Corning | CLS3471-24EA | 6 wells |
| Vectashield plus DAPI mounting media | |||
| White Opaque 96-well Microplate | PerkinHelmer | ||
| Wide-bore tips | |||
| Williams E | Pan Biotech | P04-29510 | Add supplements: 10% fetal bovine serum, 2 mM L-glutamine, 100 units per ml penicillin, 100 µg/mL streptomycin and 5 µg/mL human insulin |
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