Der Transport von Quecksilberionen durch intestinale Epithelzellen kann für toxikologische Bewertungen unter Verwendung von Tiermodellen und statischen Zellkulturen untersucht werden. Die Konzepte replizieren jedoch nicht zuverlässig die Bedingungen der Mikroumgebung des menschlichen Darms, um die Zellphysiologie in situ zu überwachen. Daher ist der Mechanismus des Quecksilbertransports im menschlichen Darm noch unbekannt.
In einem neuen Bericht, der jetzt in veröffentlicht wurde Naturmikrosysteme und NanoengineeringLi Wang und ein Forschungsteam aus Maschinenbau und regenerativer Medizin in China entwickelten ein integriertes Darm-auf-einem-Chip-Instrument transepithelialer elektrischer Widerstand (TEER)-Sensoren und elektrochemische Sensoren.
Sie schlugen vor, das dynamische Konzept zu untersuchen, um die physikalische Darmbarriere zu simulieren und biologische Transport- und Adsorptionsmechanismen von Quecksilberionen widerzuspiegeln. Die Wissenschaftler stellten die zelluläre Mikroumgebung durch Auftragen nach flüssige Scherbeanspruchung und zyklischer mechanischer Beanspruchung.
Wang und das Team untersuchten die Quecksilberadsorption und die physikalischen Schäden, die durch das toxische Element an Epithelzellen über die Leistung elektrochemischer Sensoren verursacht wurden, nachdem sie Darmzellen ausgesetzt wurden, die unter verschiedenen Quecksilberkonzentrationen wuchsen, die in das Zellkulturmedium gemischt wurden. Das Team bemerkte die entsprechende Expression und Hochregulierung von Piezo1 und DMT1 (zweiwertiger Metalltransporter), sowohl mechanosensorische Ionenkanäle als auch Eisentransporter auf der Zelloberfläche.
Entwicklung eines Darmmodells
Quecksilberionen sind biologisch nicht abbaubar und können sich im Körper anreichern bei niedrigen Konzentrationen zu verursachen Schäden an wichtigen Organen. Giftige Quecksilberionen können mit antioxidativen Komponenten, DNA-Reparaturenzymen und Proteinen interagieren auf subzellulärer Ebene um die Zellhomöostase zu stören und eine gestörte Zellstruktur und -funktion zu erzeugen.
Während die Quecksilberadsorption hauptsächlich im Dünndarm stattfindet, kann eine hohe Aufnahme von Quecksilber in kurzer Zeit zu inneren Blutungen und Perforationen führen. Auch die langfristige Aufnahme niedriger Konzentrationen von Quecksilberionen kann zu chronischen Darmerkrankungen führen. Da das Darmepithel eine anfängliche Barriere darstellt, um das Eindringen von aufgenommenem Quecksilber in den Blutkreislauf zu begrenzen und seine schädlichen Auswirkungen zu verringern; Um Transportmechanismen von Quecksilber im Labor zu erforschen, ist ein vernünftiges Darmmodell von großer Bedeutung. Obwohl Tiermodelle und statische Zellkulturen traditionell verwendet werden, um die Darmadsorption und den Quecksilbertransport zu untersuchen, rekapitulieren diese Modelle die Mikroumgebung des Darms nicht effizient, um den lebenden Darm zu emulieren.
In dieser Arbeit entwickelten die Forscher ein Darm-auf-einem-Chip-Modell, das mit markierungsfreien Sensoren integriert ist, um Änderungen des transepithelialen elektrischen Widerstands (TEER) während des zellulären Verhaltens der Quecksilberabsorption in Echtzeit nicht-invasiv zu überwachen. Das Team identifizierte Schlüsselmerkmale des Darms durch elektrische Messungen und immunhistochemische Studien, um die Wirkung auf mechanosensorische Ionenkanäle zu bewerten.
Numerische Analyse des Geräts
Das Forschungsteam entwickelte einen Chip, der ein ähnliches mechanisches Verhalten wie der lebende Darm zeigte und einen repräsentativen Flüssigkeitsfluss und zyklische mechanische Dehnung einführte. Beispielsweise erzeugte eine Scherspannung von etwa 0,02 dyn/cm² einen Flüssigkeitsstrom, der für die Morphogenese des Darmepithels erforderlich ist. Basierend auf zusätzlichen Berechnungen auf dem Organchip erhielt das Team eine Flussrate von 160 μL/Stunde für die entsprechenden Dimensionen der Scherspannung.
Anschließend simulierten sie die Zugdehnungs-/Spannungsdynamik über Finite-Elemente-Analyse die Auswirkungen der Parameter auf die physikalischen Eigenschaften des Instruments einschließlich seines Porendurchmessers und deren Einfluss auf die zu verstehen Zytodifferenzierung durch Analysieren der katalytischen Aktivität von alkalische Phosphatase; typischerweise als Marker für Knochen- und Leberschäden verwendet. Das Team stellte nach nur sieben Tagen Zellkultur eine größere katalytische Aktivität bei Zellen unter Flüssigkeitsfluss und solchen fest, die auf einem Chip einer mechanischen Belastung ausgesetzt waren.
Die Ergebnisse hoben den biomimetischen Ansatz und die Fähigkeit zum Wachstum und zur Differenzierung der Zellmonoschicht unter mechanischer Stimulation hervor. Das Gut-on-a-Chip-Instrument stellte biomimetische Darmzotten-ähnliche Strukturen bereit, um die Integrität der Gewebebarriere aufrechtzuerhalten, und stellte einen wichtigen physiologisch relevanten menschlichen Darm dar.
Funktionelle Assays
Als nächstes setzte das Forschungsteam die Zellen unter statischen Kulturbedingungen Quecksilber aus, um den Prozess des Zelltods zu verstehen. Und es wurde eine Zunahme des Prozesses festgestellt, wenn die Quecksilberkonzentration und die Kulturzeit erhöht wurden. Sie stellten fest, dass die Aktivität von Laktatdehydrogenase (LDH) stieg mit der Zeit in den Assays an, um gleiche Wirkungen des Toxins in beiden Zellkulturen zu zeigen. Der Grad der Verletzung zwischen den beiden Kulturen war jedoch unterschiedlich. Beispielsweise war die Expression von LDH in der statischen Kultur im Vergleich zu den dynamischen Zellkulturen nach Quecksilberbehandlung größer.
Die Wissenschaftler verwendeten ein elektrochemisches Sensorarray, das in ein Darm-on-a-Chip-Gerät integriert war, um die Interaktionen von Epithelzellen mit Quecksilber zu beobachten. Sie untersuchten den Transportmechanismus des Elements in Bezug auf seine Absorption auf Epithelzellen und untersuchten die Expression von Schlüsselproteinen wie Piezo1 und DMT1 in Bezug auf mechanosensorische Ionenkanäle und aktive Eisentransporter. Sie untersuchten die Auswirkungen unterschiedlicher Zugbelastungen auf die Zellbarriere und stellten fest, dass eine Erhöhung der mechanischen Stimulation zu einer erhöhten Quecksilberadsorption über Darmepithelzellen führte, wobei auch die mechanosensorischen Ionenkanäle eine positive Korrelation zeigten.
Ausblick
Auf diese Weise entwickelten Li Wang und Kollegen ein Darm-auf-einem-Chip-Gerät, das mit transepithelialen elektrischen Widerstandssensoren und mehreren elektrochemischen Sensoren integriert ist, um den Quecksilbertransport im menschlichen Darm in vitro zu stimulieren. Die Chipdynamik emulierte eine physische Darmbarriere und Mikroumgebung, um den Transport von Quecksilber in Echtzeit zu beobachten. Das Team stellte fest, dass sich die Zellmonoschicht auf dem Darm-on-a-Chip durch Bildgebung und Immunhistochemie zu einer vollständigen Zellbarriere differenzierte. Das Team beabsichtigt, zusätzliche Mechanismen, die menschlichen Darmerkrankungen zugrunde liegen, besser zu verstehen, indem es Organchips verwendet, um die personalisierte Arzneimittelentwicklung zu fördern.
Mehr Informationen:
Li Wang et al, Gut-on-a-Chip zur Erforschung des Transportmechanismus von Hg(II), Mikrosysteme & Nanoengineering (2023). DOI: 10.1038/s41378-022-00447-2
Sangeeta N. Bhatia et al., Mikrofluidische Organe auf Chips, Naturbiotechnologie (2014). DOI: 10.1038/nbt.2989
© 2023 Science X Netzwerk