Organoid bewertet Toxizität von Nanomaterialien
Das Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) hat die weltweit erste Organoid-Kulturmethode entwickelt, mit der die menschliche Toxizität von Nanomaterialien genau beurteilt werden kann. Diese neue Technologie überwindet die Einschränkungen der herkömmlichen Kulturmethode und dürfte die Kommerzialisierung organoidbasierter Sicherheitsbewertungen von Nanomaterialien und Nanomedizin vorantreiben.
Ein Organoid ist eine miniaturisierte Version eines Organs, das durch die Kultivierung menschlicher Stammzellen in vitro hergestellt wird. Da ein Organoid den menschlichen Körper effektiv simuliert, erregen Organoide als Mittel der nächsten Generation zur Toxizitätsbewertung große Aufmerksamkeit und ersetzen Tierversuche. Allerdings haben sie einen Nachteil: Die Standardisierung ist aufgrund von Einschränkungen der Kultivierungsmethode schwierig.
Bei der herkömmlichen Organoid-Kulturmethode werden Zellen in die extrazelluläre Matrix eingebettet und in Form einer Kuppel verfestigt, um eine dreidimensionale Struktur zu bilden; dann wird ein Kulturmedium hinzugefügt, um die Zellen zu kultivieren. Bei dieser Methode variiert die Dicke der Kuppel der extrazellulären Matrix in der Mitte und am Rand, was zu einem Ungleichgewicht der Sauerstoffversorgung führt. Infolgedessen wachsen die Organoide nicht gleichmäßig; stattdessen aggregieren sie in der Kuppel wie Blasen und sind daher schwer zu teilen. Das größte Problem besteht darin, dass Nanomaterialien nicht in die Kuppel eindringen können, sodass ihre Auswirkungen auf die Organoide nicht genau bestätigt werden können.
Bei der neu entwickelten Organoid-Kulturmethode wird die extrazelluläre Matrix direkt mit der Kulturlösung vermischt, um Organoide schwimmend zu kultivieren. Diese Methode eignet sich für die Kommerzialisierung, da Organoide in relativ einheitlicher Größe hergestellt und leicht in identische Zahlen aufgeteilt werden können. Eine einheitliche Vorbereitung und Aufteilung ist unerlässlich, da in tatsächlichen Industrieanlagen ein Hochdurchsatz-Screening durchgeführt wird, indem maximal 1.000 Organoide in jeden Behälter gegeben werden, um gleichzeitig ihre Reaktionen auf Nanomaterialien zu testen.
Ein weiterer großer Vorteil der neuen Methode ist, dass im Gegensatz zur herkömmlichen Kulturmethode jedes Nanomaterial die Organoide erreichen kann, da keine Kuppel der extrazellulären Matrix vorhanden ist. Die Penetrationsrate des Nanomaterials ist die gleiche wie bei dem derzeit in Industrieanlagen verwendeten zweidimensionalen Zellmodell. Die neu entwickelte Kulturmethode ist weltweit die erste, mit der das Eindringen von Nanomaterial in Organoide bestätigt werden kann.
Die Nanobio Measurement Group von KRISS kultivierte Organoide zunächst drei Tage lang mit der herkömmlichen Methode. Nach dem Entfernen der Kuppel der extrazellulären Matrix führten sie eine schwimmende Kultur der Organoide in einer Kulturlösung durch, die mit der extrazellulären Matrix in einer Konzentration von 5 % (v/v) gemischt war, um die Toxizität von Nanomaterialien zu testen. Die Organoide wurden mit Zinkoxid-Nanopartikeln (ZnO NPs), einem lebertoxischen Material, und ungiftigen Gold-Nanopartikeln (AuNPs) behandelt. Der Vergleich zeigte, dass die Toxizität jedes Materials im Gegensatz zur herkömmlichen Methode genau beobachtet werden konnte.
