Wissenschaftler züchten kleine menschliche Lungen als tierische Alternative für Sicherheitstests von Nanomaterialien

Von Wissenschaftlern der Universität Manchester gezüchtete menschliche Mini-Lungen können die Reaktion von Tieren nachahmen, wenn sie bestimmten Nanomaterialien ausgesetzt werden. Die Studie ist veröffentlicht in Nano heute.

Obwohl nicht erwartet wird, dass sie Tiermodelle vollständig ersetzen werden, könnten menschliche Organoide bald zu einer deutlichen Reduzierung der Zahl der Versuchstiere führen, sagt das Team um die Zellbiologin und Nanotoxikologin Dr. Sandra Vranic.

Lungenorganoide, die in einer Platte aus menschlichen Stammzellen gezüchtet werden, sind dreidimensionale mehrzellige Strukturen, die darauf abzielen, Schlüsselmerkmale menschlicher Gewebe wie zelluläre Komplexität und Architektur nachzubilden. Sie werden zunehmend eingesetzt, um verschiedene Lungenerkrankungen besser zu verstehen, von Mukoviszidose bis hin zu Lungenkrebs, einschließlich Infektionskrankheiten wie SARS-CoV-2.

Ihre Fähigkeit, Gewebereaktionen auf die Exposition gegenüber Nanomaterialien zu erfassen, wurde jedoch bisher nicht nachgewiesen. Um das Organoidmodell kohlenstoffbasierten Nanomaterialien auszusetzen, entwickelte Dr. Rahaf Issa, leitender Wissenschaftler in Dr. Vranics Gruppe, eine Methode zur präzisen Dosierung und Mikroinjektion von Nanomaterialien in das Lumen des Organoids. Es simulierte die tatsächliche Freilegung des apikalen Lungenepithels, der äußersten Zellschicht, die die Atemwege der Lunge auskleidet.

Vorhandene Tierversuchsdaten haben gezeigt, dass eine Art langer, steifer mehrwandiger Kohlenstoffnanoröhren (MWCNTs) schädliche Auswirkungen auf die Lunge haben und zu anhaltender Entzündung und Fibrose führen kann, einer schwerwiegenden Form irreversibler Narbenbildung in der Lunge.

Unter Verwendung derselben biologischen Parameter zeigten die menschlichen Lungenorganoide des Teams eine ähnliche biologische Reaktion, was sie als Werkzeuge zur Vorhersage nanomaterialinduzierter Reaktionen im Lungengewebe validierte. Menschliche Organoide haben zu einem besseren Verständnis der Wechselwirkungen von Nanomaterialien mit dem Modellgewebe geführt, allerdings auf zellulärer Ebene.

Es wurde festgestellt, dass Graphenoxid (GO), eine flache, dünne, flexible Form von Kohlenstoff-Nanomaterial, vorübergehend und vor Gefahren geschützt in einer vom Atmungssystem produzierten Substanz namens sekretorischem Mucin eingeschlossen ist. Im Gegensatz dazu induzierten MWCNTs eine anhaltendere Interaktion mit Alveolarzellen, was zu einer geringeren Mucinsekretion und dem Wachstum von fibrösem Gewebe führte.

Als weitere Entwicklung entwickeln und untersuchen Dr. Issa und Vranic vom Zentrum für Nanotechnologie in der Medizin der Universität derzeit ein revolutionäres menschliches Lungenorganoid, das auch eine integrierte Immunzellkomponente enthält.

Dr. Vranic sagte: „Mit weiterer Validierung, längerer Exposition und dem Einbau einer Immunkomponente könnten menschliche Lungenorganoide den Bedarf an Tieren, die in der nanotoxikologischen Forschung eingesetzt werden, deutlich reduzieren.“

„Die 3R-Prinzipien Ersatz, Reduzierung und Verfeinerung wurden entwickelt, um humane Tierversuche zu fördern und sind mittlerweile in Großbritannien und vielen anderen Ländern gesetzlich verankert.

„Die öffentliche Meinung zeigt immer wieder, dass die Unterstützung der Tierversuche von der Umsetzung der 3Rs in die Praxis abhängt.“

Professor Kostas Kostarelos, Lehrstuhlinhaber für Nanomedizin an der Universität, sagte: „Die aktuellen ‚2D-Tests‘ von Nanomaterialien mithilfe zweidimensionaler Zellkulturmodelle ermöglichen ein gewisses Verständnis der zellulären Effekte, sie sind jedoch so simpel, dass sie die komplexe Art und Weise nur teilweise beschreiben können.“ welche Zellen kommunizieren. Dies spiegelt sicherlich nicht die Komplexität des menschlichen Lungenepithels wider und kann das toxische Potenzial von Nanomaterialien im Guten wie im Schlechten falsch darstellen.

„Auch wenn Tiere in naher Zukunft weiterhin für die Forschung notwendig sein werden, stellen „3D“-Organoide dennoch eine spannende Perspektive in unserem Forschungsgebiet und in der Forschung allgemeiner als menschliches Äquivalent und tierische Alternative dar.“