动物肝脏

背景介绍 药物性肝损伤（DILI）会影响肝脏代谢和解毒能力，但其根本机制仍有很多未知。为了准确和可再现地预测人的DILI，非常需要体外肝脏模型来替代昂贵和低通量的2D细胞培养系统、动物研究和芯片实验室模型。我们提出了一种新的“droplet in droplet”（DID）生物打印方法，该方法可以产生用于肝毒性研究的生理相关肝脏模型。这些模型，或称微型肝脏，是用BIO X微滴打印包裹在ⅰ型胶原中的肝(HepG2和LX2 肝星状细胞)和非肝(HUVEC 人脐静脉血管内皮细胞)细胞制成的。培养7天后，将微型肝脏暴露于急性和高剂量的对乙酰氨基酚或氟他胺，然后评估细胞活力、白蛋白分泌、丙氨酸氨基转移酶（ALT）活性和脂质积累的变化。微型肝脏ALT活性增加，白蛋白和脂质生成减少，表面这两种药物均有细胞毒性反应。这项研究的结果进一步验证了3D生物打印是一种可行的、可用于模拟肝组织和筛选特异性药物反应的中到高通量的解决方案。 材料和方法 细胞准备根据建议的方案培养两种肝细胞（HepG2和LX2）和一种非肝细胞（HUVEC）细胞系，并每3-4天传代一次。HepG2在含有谷氨酰胺的MEMα中生长，并补充1%丙酮酸钠(Gibco，Cat#11360070)和1%MEM非必需氨基酸溶液(Gibco，Cat-#11140050)。LX2细胞在IMDM(Gibco，Cat#12440053)中生长，HUVEC在EGM-2生长培养基(Lonza，Cat#CC-3156)中培养，并添加单体补充剂(Lonza，Cat#CC-4176)。所有培养基均添加10%的FBS(Gibco，16000044类)和1%的青霉素链霉素(Gibco，参考文献1509-70-063)。.生物墨水的制备和DID生物打印中和并制备3mg/mL浓度的Coll I bioink(CELLINK，SKU#IK4000002001)用于生物打印。以1:1:2（LX2:HUVEC:HepG2）的比例将5x106个细胞/毫升装入冷冻墨盒。在未经处理的96孔板(Thermo Fisher Scientific)中，使用BIO X(CELLINK，SKU#0000000 2222)上的液滴打印功能对微型肝脏进行生物打印。使用设置为8°C的温控打印头(TCPH，SKU#0000000 20346)将胶原液滴分配到设置为8°C–10°C的冷却打印床上。在第一轮液滴打印后，样品在37°C下培养3分钟，然后返回BIO X，使用相同参数进行第二轮液滴打印。在37°C条件下，将得到的封装液滴热交联20分钟，并为每个孔提供200微升混合培养基（25%IMDM+25%DMEM+50%MEM）。培养液每2-3天更新一次。药物处理和分析培养7天后，用不同浓度的APAP[0.1,0.5,1,5,10,25,50 mM]（Abcam）或FLU[10,25,50,75,100,150,200µM]（Selleckchem）处理微型肝脏72小时。采用比色溴甲酚绿（BCG）测定法（Sigma-Aldrich）、ALT活性测定法（BioVision）和活/死染色试剂盒（Invitrogen）分别检测白蛋白产生、肝损伤和细胞活力。所有分析均按照制造商的说明进行。 结论 胶原I中的细胞生长和球体形成胶原I中的细胞生长和球体形成在这项研究中，我们评估了Coll I bioink中的细胞生长、球体形成和迁移模式。到第2天，HepG2和LX2已紧密组装成小簇，HUVEC已拉长，形成同心网络（图1）。使用胶原蛋白作为支架可以在整个培养过程中进行细胞重组、球体极化和细胞增殖（数据未显示）。此外，根据图1，很明显，细胞在整个培养过程中渗透DILI模型，并可能在内部和外部液滴层之间迁移。生物打印微型肝脏的药物治疗和细胞毒性第10天的毒性评估结果表明，生物打印微型肝脏对APAP（图2A）和FLU（图2B）具有细胞毒性和剂量依赖性反应。这种肝功能下降表现为白蛋白分泌和脂质生成减少，ALT活性上调。同样明显的是，基于ALT活性的增加，两种药物的毒性剂量都会对细胞活力产生破坏性影响。后者在图3中尤为明显，其中活/死图像表明，在较高浓度的APAP或流感病毒下，细胞活力显著降低。药物治疗的动态细胞内反应研究了APAP和FLU如何调节细胞内脂肪含量。肝组织的ORO染色通常用于识别脂肪酸或药物引起的不同阶段纤维化或脂肪变性（Pingitore，2019）。在我们的研究中，经处理的微型肝脏的ORO染色显示，在高剂量药物处理的样本中，脂肪积累最小，而在未经处理或低剂量药物治疗的样本中，脂肪积累显著（图4A）。一种解释是APAP和FLU与脂质过氧化有关，其中毒性药物水平引起的氧化应激可能引发脂质降解和膜损伤（Behrends，2019）。图4B中未处理样品的详细观察提供了液滴模型中液滴的横截面图。这张图片显示了大量细胞向液滴外壳迁移并产生脂肪，可能表明存在营养和氧气梯度，并验证了细胞重组模式和胶原内的球体极化。▶ 作为2D细胞培养系统、动物研究和芯片实验室原型的可靠替代品，BIO X可作为中高通量工具，用于制作功能性3D生物打印肝脏模型，实现药物筛选和分析，并减轻药物消耗的成本。▶ CELLINK Coll I作为DID模型的支架，为模型提供了一个稳定、可调和高度相容的环境，且具有丰富的肝细胞重排和球体形成的结合位点。▶ 基于脂质过氧化、白蛋白分泌减少和ALT活性上调的证据，我们的研究结果表明，DID微型肝脏具有功能性，并且对APAP和FLU具有剂量依赖性和细胞毒性反应。▶ DID模型允许组织层之间的细胞间相互作用，并为研究不同硬度层之间的迁移模式提供了独特的机会。未来的毒性研究可以采用该模型复制纤维化的各个阶段，或研究药物治疗后肝脏组织的再生能力。参考文献：1.Behrends, V., Giskeødegård, G. F., Bravo-Santano, N., Letek, M., & Keun, H. C. Acetaminophen cytotoxicity in HepG2 cells isassociated with a decoupling of glycolysis from the TCA cycle, loss of NADPH production, and suppression of anabolism. Archivesof Toxicology. 2019 93(2): 341–353. DOI: 10.1007/s00204-018-2371-0.2.Chen, M., Suzuki, A., Borlak, J., Andrade, R. J., & Lucena, M. I. Drug-induced liver injury: Interactions between drug properties andhost factors. Journal of Hepatology. 2015 63: 503–514. DOI: 10.1016/j.jhep.2015.04.016.3.Pingitore, P., Sasidharan, K., Ekstrand, M., Prill, S., Lindén, D., & Romeo, S. Human multilineage 3D spheroids as a model of liversteatosis and fibrosis. International Journal of Molecular Sciences. 2019 20(7): 1629.

2013年5月，湖南攸县生产的大米在广东省被检测出镉超标，随后又发现了9批次攸县产的大米镉超标。5月19日，湖南组织相关部门对攸县产的大米进行调查，发现了大量的镉大米，大多已销往广东省。广东省食品安全委员会公布了2013年抽检发现的126批次镉超标大米，其中确定由湖南厂家生产的多达68批次(多批次散装米产地不明)，涉事厂家来自湖南14个市州中的8个。镉（Cd）被列为人类致癌物，是一种广泛存在于工业场所、植物土壤和吸烟环境中的有毒污染物。即使在发现微量镉的情况下，人们也可能发生过度接触，造成严重的健康问题。另外镉可能对肾脏、肝脏、肺、心血管、免疫系统和生殖系统等器官产生负面影响。肝脏和肾脏是参与清除这种金属元素的主要器官，对其毒性反应特别敏感。拉曼光谱是一种无损检测生物组织的方法，它为研究组织和细胞等生化成分提供了高度特异性的分子指纹图谱，并且无需使用内源性标签或外源性染色。奥谱天成全自动对焦显微激光拉曼成像光谱仪集成了两个激光器，并结合了显微镜及拉曼光谱仪两者的优点，显微拉曼检测平台使得“所见即所测”成为可能，可视化的精确定位拉曼检测平台，使得观测者可以检测样品上不同表面状态的拉曼信号，并可在计算机上同步显示所检测位置的微区形态，极大便了拉曼微区检测，可以在亚细胞水平上研究详细的组织部分甚至单个细胞。根据拉曼光谱，人们可以定性甚至定量的了解生化信息，分析各种不同的恶性肿瘤，包括乳腺癌，脑癌，宫颈癌，胃肠癌，肺癌，口腔癌和皮肤癌等等。拉曼光谱相对简单，对待测样品无损伤，并且对样品要求小，使得样品的获取变得简单方便。实验中，我们对两组样品：正常肝脏组织（Ctrl）和镉侵染的实验组（Cd）肝脏组织进行扫描并进行拉曼成像。实验组小鼠肝脏组织的拉曼光谱信号明显较弱，信号的多样性较差。我们可以通过观察两组拉曼光谱的主要区别从而得到一些组织内部生化成分的变化。值得我们注意的主要变化是在实验肝组织的拉曼光谱中代表蛋白质条带（748cm-1，1125cm-1，1585cm-1）的拉曼峰强明显低于正常组，此外，我们也可以观察到代表胶原带（1082cm-1）的拉曼峰强显著高于正常组。蓝色为对照组，红色为实验组正常肝脏组织和镉侵染实验肝脏组织100μm×100μm区域拉曼成像（ctrl 代表正常对照组和 cd 代表实验组）当大量的镉元素进入细胞时，细胞器会受到影响，对细胞的正常功能产生很大的影响。此外，细胞中的一些含有巯基蛋白质，它们与镉具有很高的亲和力。如果这些蛋白质与镉结合，它们也会对细胞造成一定的损害。例如，微管蛋白是细胞内微管的重要组成部分，但它含有巯基，容易与镉结合，破坏原有的细胞结构。但这不是绝 对的，也有一种可能性：因为镉导致一些细胞器损伤细胞，导致蛋白质含量的下降甚至是失活，其中一些可能会影响细胞氧化还原反应，进而影响一系列的连锁反应，包括 DNA、RNA 合成和细胞周期紊乱。研究结果表明，利用拉曼成像技术我们可以观察到 RNA 的调控合成、蛋白质转化和肝细胞周期紊乱。重金属污染已经成为威胁人类健康的一个重要问题，肝脏是一个非常重要的代谢器官。显微拉曼成像来研究镉污染后肝脏组织的变化，可以发现镉中毒引起的肝脏组织成分的改变与生物医学方法所观察到的变化是一致的。这说明拉曼光谱在医学实验中具有良好的准确性和可靠性，在分析镉等重金属中毒方面具有很大的潜力。

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