Wissenschaftler züchten menschliche Mini-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. Der Studie ist veröffentlicht in Nano heute.

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

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

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 genauen Dosierung und Mikroinjektion von Nanomaterialien in das Lumen des Organoids. Es simulierte die reale Exposition des apikalen Lungenepithels, der äußersten Zellschicht, die die Atemwege in der Lunge auskleidet.

Vorhandene Tierversuchsdaten haben gezeigt, dass eine Art langer und starrer mehrwandiger Kohlenstoffnanoröhren (MWCNT) schädliche Auswirkungen auf die Lunge haben und zu anhaltenden Entzündungen und Fibrose führen kann – einer schwerwiegenden Art irreversibler Narbenbildung in der Lunge.

Unter Verwendung derselben biologischen Endpunkte zeigten die menschlichen Lungenorganoide des Teams eine ähnliche biologische Reaktion, was sie als Werkzeuge zur Vorhersage nanomaterialgesteuerter Reaktionen im Lungengewebe validiert. Die menschlichen Organoide ermöglichten ein besseres Verständnis der Wechselwirkungen von Nanomaterialien mit dem Modellgewebe, allerdings auf zellulärer Ebene.

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

In einer weiteren Entwicklung entwickeln und untersuchen Dr. Issa und Vranic vom Zentrum für Nanotechnologie in der Medizin der Universität nun ein bahnbrechendes 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, erheblich reduzieren.“

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

„Die öffentliche Meinung zeigt immer wieder, dass die Unterstützung der Tierversuche davon abhängt, dass die 3R-Prinzipien in die Praxis umgesetzt werden.“

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

„Obwohl Tiere in der Forschung auf absehbare Zeit weiterhin benötigt werden, sind ‚3D‘-Organoide dennoch eine spannende Perspektive in unserem Forschungsbereich und in der Forschung allgemeiner als menschliches Äquivalent und tierische Alternative.“