薬物薬物動態および毒物学的評価のための腸/肝臓微生理学的システム
Summary
腸と肝オルガノイドを有する微小生理学的システム(MPS)をアセトアミノフェン(APAP)に曝露した。本稿では、MPSにおけるオルガノイド産生法およびAPAP薬物動態学的および毒性学的特性評価法について説明する。また、結果を検証するために必要な組織機能分析についても説明します。
Abstract
ヒトオルガノイドを栽培する最近導入された微小生理学的システム(MPS)は、遺伝的にヒトであり、組織間の相互作用を再現するため、薬物開発プロセスの前臨床試験段階で動物よりも優れたパフォーマンスが期待されています。本研究では、ヒト腸バリア(Caco-2およびHT-29細胞の共培養によってエミュレートされる)と肝臓等価物(分化されたHepaRG細胞およびヒト肝星状細胞で作られたスフェロイドによってエミュレートされる)を、2臓器チップ(2-OC)微小流体装置に統合し、アセトアミノフェン(APAP)薬能的反応薬基性(PK)および毒性特性を評価した。MPSには、腸のみ2-OC、肝臓のみ2-OC、腸/肝臓2-OCの3つのアセンブリがあり、両方のオルガノイドを介する同じ培地が付いていました。PK評価では、腸の障壁(経口経路をエミュレートする)または媒体(静脈内経路をエミュレートする)をそれぞれ12μMおよび2μMで投与した後、事前設定された時点でメディアにAPAPを投与した。培地サンプルを、逆相高圧液体クロマトグラフィー(HPLC)で分析した。オルガノイドは、遺伝子発現、TEER値、タンパク質発現および活性について分析し、次いで収集、固定、および形態学的評価のセットに提出した。MTT技術はオルガノイドの生存率を評価する上で良好な成績を発揮したが、高含量分析(HCA)はAPAP治療に応答して非常に初期の毒性事象を検出することができた。我々は、培地流量がAPAP吸収に有意に影響を及ぼさないのに対し、肝臓と同等の機能を有意に改善することを検証した。APAPヒト腸管吸収および肝代謝は、MPSでエミュレートすることができる。MPSデータとインシリコモデリングとの関連は、インビトロ法の予測可能性を向上させ、薬物動態および毒物学的研究における動物モデルよりも優れた精度を提供する大きな可能性を秘めています。
Introduction
ゲノムとプロテオミクスの違いにより、動物モデルはいくつかの人間の結果に対して予測値が限られています。さらに、彼らは時間がかかり、高価で倫理的に疑わしい1です。MPSは、予測力の向上を目的とし、前臨床試験に費やされるコストと時間を削減することを目的とした比較的新しい技術です。オルガノイド(臓器の人工模倣機能単位)を、オルガノイドとオルガノイドのコミュニケーションを促進する媒体流れの下で育成する微小流体デバイスです。ヒト細胞から作られたオルガノイドは、翻訳関連性を2、3、4に増加させる。MPSは、遺伝的にヒトであり、組織間の相互作用を再現するため、動物実験よりも優れたパフォーマンスを発揮することが期待されています。完全に機能すると、MPSはより高い速度と低コストとリスク4で、より有意義な結果を提供します。多くのグループは、いくつかの目的のためにMPSを開発しています, 特に薬物の有効性をテストするための疾患モデル.
暴露レベルは、薬効と毒性5、6、7、8、9、10、11、12を評価するための最も重要なパラメータの1つです。MPSは全身暴露をエミュレートするオルガノイド統合を可能にし、従来の2Dヒト組織培養よりも優れたパフォーマンスを発揮することが期待される。この技術は、化合物腸吸収と肝臓代謝の予測を大幅に改善することができます4.
腸と肝臓のヒト等価モデルを統合するMPSは、薬物生物学的利用能および全身暴露におけるこれら2つの器官の中心的な役割を考慮して、良い出発点である13、14、15。APAPは、その代謝が主に肝臓16、17によって行われるので、腎臓と同等のMPSを研究するための魅力的な薬です。
2-OCは、マイクロチャネル16によって相互接続された2つの異なるヒト等価組織/オルガノイドの培養に適した2チャンバーマイクロ流体装置である。インビトロヒトの経口/静脈内投与をエミュレートし、腸と肝臓の同等物がAPAP薬物動態に及ぼすクロストークの影響を評価するために、 オルガノイドの機能性と生存率に加えて、3つの異なるMPSアセンブリが行われました:(1)2-OCデバイスに統合されたCaco-2 + HT-29細胞の共培養を含む培養インサートに基づく腸と同等の腸で構成される「腸2-OC MPS」。(2)2-OCデバイスに組み込まれたヘパRG+HHSteC(ヒト肝星状細胞)から成る肝スフェロイドで構成される「肝臓2-OC MPS」。そして(3)マイクロ流体チャネルを通る媒体流によって他方の肝臓と同等の肝臓と通信する一つの装置コンパートメントの腸と同等の腸で構成される「腸/肝臓2-OC MPS」。
全てのアッセイは、細胞の生存率及び機能性18、19、20に対する機械的刺激(圧縮、伸張、および剪断)の影響による静的(流れなし)および動的(流れ)条件下で行われた。本稿では、APAP経口/静脈内投与エミュレーションのプロトコルと、ヒト腸および肝臓等価モデルを含む2-OC MPSにおけるそれぞれの吸収/代謝および毒物学的分析について説明する。
Protocol
1. 2-OCでの栽培に使用する組織等価物の製造 小腸バリア同等生産 腸に相当する培地を使用してCaco-2およびHT-29細胞を維持する:DMEMは10S、1%ペニシリンおよびストレプトマイシン、および1%非必須アミノ酸を補充し、この原稿では「DMEM S」と名付けられました。 培地を取り出し、1x DPBSで2回洗浄し、0.25%トリプシン/EDTAの8 mLを加えて、細胞培養フラスコで増殖させたCaco-2細?…
Representative Results
2-OC MPSでPKAPAP検査を行うために、第一のステップは、ヒトの腸および肝臓等価物(オルガノイド)を製造することです。それらはPK APAPのアッセイを開始する前に2-OCのマイクロ流体装置(図1A)24時間に統合される。翌日、メディアが変更され、モデルが APAP に公開されます。図1は、2-OC装置内に配置された腸および肝臓等価物(図1B)?…
Discussion
次の開発ステップでリスクを低減するためには、調査用新薬の薬理学的特性の正確かつ信頼性の高い評価が不可欠です。MPSは比較的新しい技術であり、予測力を向上させ、前臨床試験に費やすコストと時間を削減することを目的としています。私たちのグループは、主に鉛最適化に必要な薬物動態および毒物学的特性の評価を進めています。私たちは、2つの部屋を持つ2-OCマイクロ流体デバ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
クリスティ・グゲン=ギロウゾ博士、522号機INSERMのフィリップ・グリポン博士、インセルム271号機271 INSERMのクリスチャン・トレポ博士に感謝します。
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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Cite This Article
Marin, T. M., Indolfo, N. d. C., Rocco, S. A., de Carvalho, M., Dias, M. M., Vasconcelos Bento, G. I., Bortot, L. O., Schuck, D. C., Lorencini, M., Pagani, E. An Intestine/Liver Microphysiological System for Drug Pharmacokinetic and Toxicological Assessment. J. Vis. Exp. (166), e60184, doi:10.3791/60184 (2020).