toxreviewТоксикологический вестникToxicological Review0869-79223034-4611Federal Scientific Center of Hygiene named after F.F. Erisman10.47470/0869-7922-2023-31-6-352-362izuidktoxreview-782Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESНовые трёхмерные модели in vitro для оценки токсичности углеродных нанотрубокNew 3D in vitro models for assessing the toxicity of carbon nanotubeshttps://orcid.org/0000-0003-2616-5017ГабидиноваГульназ ФаезовнаGabidinovaGulnaz Faezovna

Ассистент кафедры гигиены, медицины труда ФГБОУ ВО Казанский ГМУ Минздрава России, г. Казань

e-mail: gulnaz.gabidinova@kazangmu.ru

Assistant of the Department of Hygiene and Occupational Medicine, Kazan State Medical University of the Ministry of Health of Russia, Kazan

e-mail: gabidinova26@yandex.ru

 

gulnaz.gabidinova@kazangmu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2479-2474ТимербулатоваГюзель АбдулхалимовнаTimerbulatovaGyuzel A.

Старший преподаватель кафедры гигиены, медицины труда ФГБОУ ВО Казанский ГМУ МЗ РФ; врач по общей гигиене отдела коммунальной гигиены и гигиены труда ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Республике Татарстан», 420012, г. Казань, Россия

e-mail: guzel.timerbulatova@kazangmu.ru

Senior Lecturer at the Department of Hygiene and Occupational Medicine, Kazan State Medical University of the Ministry of Health of the Russian Federation, general hygiene doctor of the Department of Municipal Hygiene and Occupational Hygiene, FBHI «The Center of Hygiene and Epidemiology in the Republic of Tatarstan», 420012, г. Kazan, Russian Federation

e-mail: guzel.timerbulatova@kazangmu.ru

guzel.timerbulatova@kazangmu.ruhttps://orcid.org/0009-0003-1715-4655УбейкинаЕкатерина ВладимировнаUbeykinaEkaterina V.

Студент медико-профилактического факультета, ФГБОУ ВО «Казанский ГМУ» МЗ РФ, 420012, г. Казань, Россия

e-mail: kate.ubeykina.0240@gmail.com

Student of the Faculty of Preventive Medicine, Kazan State Medical University of the Ministry of Health of the Russian Federation, 420012, Kazan, Russian Federation

e-mail: kate.ubeykina.0240@gmail.com

kate.ubeykina.0240@gmail.comhttps://orcid.org/0009-0001-1655-306XСаягфароваАлсу АйратовнаSayagfarovaAlsou A.

Студент медико-профилактического факультета, ФГБОУ ВО «Казанский ГМУ» МЗ РФ, 420012, г. Казань, Россия

e-mail: sayagfarova.alsou@mail.ru

Student of the Faculty of Preventive Medicine, Kazan State Medical University of the Ministry of Health of the Russian Federation, 420012, Kazan, Russian Federation

e-mail: sayagfarova.alsou@mail.ru

sayagfarova.alsou@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9506-563XФатхутдиноваЛилия МинвагизовнаFatkhutdinovaLiliya M.

Доктор мед. наук, профессор, заведующий кафедрой гигиены, медицины труда ФГБОУ ВО «Казанский ГМУ» МЗ РФ, 420012, г. Казань, Россия

e-mail: liliya.fatkhutdinova@kazangmu.ru

MD, professor, Head of the Department of Hygiene and Occupational Medicine, Kazan State Medical University of the Ministry of Health of the Russian Federation, 420012, Kazan, Russian Federation

e-mail: liliya.fatkhutdinova@kazangmu.ru

liliya.fatkhutdinova@kazangmu.ruФГБОУ ВО «Казанский государственный медицинский университет» Минздрава РоссииРоссияKazan State Medical UniversityRussian FederationФГБОУ ВО «Казанский государственный медицинский университет» Минздрава России; ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Республике Татарстан (Татарстан)»РоссияKazan State Medical University; FBHI «The Center of Hygiene and Epidemiology in the Republic of Tatarstan (Tatarstan)»Russian Federation202315012024316352362Copyright © Габидинова Г.Ф., Тимербулатова Г.А., Убейкина Е.В., Саягфарова А.А., Фатхутдинова Л.М., 20242024Габидинова Г.Ф., Тимербулатова Г.А., Убейкина Е.В., Саягфарова А.А., Фатхутдинова Л.М.Gabidinova G.F., Timerbulatova G.A., Ubeykina E.V., Sayagfarova A.A., Fatkhutdinova L.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.toxreview.ru/jour/article/view/782Введение

Введение. В последние годы проявляется интерес к трёхмерным клеточным моделям, которые более точно отражают условия in vivo и могут стать альтернативой экспериментам на животных при оценке токсичности наноматериалов. Существует необходимость в разработке 3D-моделей дыхательных путей человека, которые смогут заполнить пробел между традиционными клеточными культурами in vitro и лабораторными животными.

Материал и методы

Материал и методы. Разработаны моно- и совместные 3D-модели на основе клеток бронхиального эпителия BEAS-2B и фибробластов легких MRC5-SV40. В качестве материалов для исследования использовали очищенные и неочищенные от металлических примесей углеродные нанотрубки (УНТ) российского производства: ОУНТ TUBALL™ и МУНТ Таунит-М. Диапазон исследуемых концентраций включал концентрации, соответствующие реальным производственным экспозициям (0,0006–100 мкг/мл). Для оценки цитотоксичности УНТ в клеточных моделях определяли уровень активности лактатдегидрогеназы (ЛДГ) через 72 ч экспозиции.

Результаты

Результаты. Цитотоксические эффекты УНТ в 2D- и 3D-клеточных моделях проявились в разных диапазонах концентраций: трехмерная модель клеток бронхиального эпителия оказалась более чувствительной к воздействию УНТ по сравнению с монослойной, тогда как в сфероидной модели фибробластов был отмечен более высокий порог цитотоксичности для многостенных углеродных нанотрубок, по сравнению с традиционной клеточной культурой. В трёхмерной совместной культуре клеток значимое повышение ЛДГ наблюдалось, начиная с более высоких концентраций, по сравнению с монокультурами.

Ограничения исследования

Ограничения исследования. Настоящее исследование было ограничено использованием одного типа теста на цитотоксичность при изучении влияния УНТ на клетки дыхательной системы.

Заключение

Заключение. Разработан способ трехмерного культивирования клеток дыхательной системы человека для моделирования взаимодействия эпителиальных и стромальных клеток нижних дыхательных путей. Традиционные 2D-клеточные модели могут демонстрировать заниженные или завышенные оценки токсичности материалов. Усовершенствованные 3D- модели in vitro, приближенные по своим свойствам и морфологии к нативной ткани, обладают большей надёжностью при определении токсических доз и мишеней.

Соблюдение этических стандартов. Исследование не требует представления заключения комитета по биомедицинской этике или иных документов.

Участие авторов

Участие авторов:Габидинова Г.Ф. — разработка подходов культивирования трёхмерных моделей, проведение тестов на клетках, обзор литературы, статистическая обработка данных, обобщение полученных результатов, написание текста;Тимербулатова Г.А. — культивирование клеток, проведение тестов на клетках, обобщение полученных результатов, редактирование;Убейкина Е.В. — обзор литературы, культивирование клеток, обработка данных;Саягфарова А.А. — обзор литературы, проведение тестов на клетках, обработка данных;Фатхутдинова Л.М. — дизайн исследования, анализ материала, редактирование.Все соавторы — утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи.

Конфликт интересов

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Финансирование

Финансирование. Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда № 22-25-00512. https://rscf.ru/project/22-25-00512/

Дата поступления

Дата поступления: 09 сентября 2023 / Дата принятия в печать: 03 декабря 2023 / Дата публикации: 29 декабря 2023

 

 

Introduction

Introduction. In recent years, there has been interest in 3D cellular models that more accurately reflect in vivo conditions and can become an alternative to animal experiments in assessing the toxicity of nanomaterials. There is a need to develop 3D models of the human respiratory tract that can bridge the gap between traditional in vitro cell cultures and laboratory animals.

Material and methods

Material and methods. Mono- and co-culture 3D-models based on bronchial epithelial cells BEAS-2B and lung fibroblasts MRC5-SV40 have been developed. Pristine and purified from metal impurities TUBALL™ SWCNTs and Taunit-M MWCNTs were used as materials for the study. The range of concentrations studied included concentrations corresponding to actual occupational exposures (0.0006–100 µg/ml). To assess the cytotoxicity of CNTs in cell models, the level of lactate dehydrogenase (LDH) activity was determined after 72 hours of exposure.

Results

Results. The cytotoxic effects of CNTs in 2D and 3D cell models manifested themselves in different concentration ranges: a three-dimensional model of bronchial epithelial cells turned out to be more sensitive to the effects of CNTs compared to a monolayer one, while in a spheroid model of fibroblasts a higher cytotoxicity threshold was noted for multi-walled carbon nanotubes compared to traditional cell culture. In three-dimensional cell co-cultures, a significant increase in LDH was observed starting at higher concentrations compared to monocultures.

Limitations

Limitations. The present study was limited to the use of one type of cytotoxicity test when examining the effects of CNTs on cells of the respiratory system.

Conclusion

Conclusion. A method has been developed for three-dimensional cultivation of cells of the human respiratory system to simulate the interaction of epithelial and stromal cells of the lower respiratory tract. Traditional 2D cell models may underestimate or overestimate the toxicity of materials. Improved 3D in vitro models, closer in their properties and morphology to native tissue, are more reliable in determining toxic doses and targets.

Compliance with ethical standards. The study does not require the submission of a biomedical ethics committee opinion or other documents.

Author contribution

Author contribution:Gabidinova G.F. — literature review, development of approaches for cultivating 3D-models, conducting tests on cells, statistical data processing, summarizing the results obtained, writing text;Timerbulatova G.A. — cell culturing, conducting tests on cells, summarizing the results obtained, editing;Ubeikina E.V. — literature review, cell culturing, data processing;Sayagfarova A.A. — literature review, conducting tests on cells, data processing;Fatkhutdinova L.M. — research design, analysis of the results, editing.All co-authors — approval of the final version of the article, responsibility for the integrity of all parts of the article.

Conflict of interests

Conflict of interests. The authors declare no conflict of interest.

Acknowledgment

Acknowledgment. The study was supported by the Russian Science Foundation grant No. 22-25-00512. https://rscf.ru/project/22-25-00512/

Date of receipt

Date of receipt: September 9, 2023 / Date of acceptance for printing: December 3, 2023 / Date of publication: December 29, 2023

 

 

3D-модельнаноматериалыуглеродные нанотрубкиin vitroцитотоксичность3D-modelnanomaterialscarbon nanotubesin vitrocytotoxicityReferencesEatemadi A., Daraee H., Karimkhanloo H., et al. Carbon nanotubes: properties, synthesis, purification, and medical applications. Nanoscale Research Letters. 2014; 9(1): 393. https://doi.org/10.1186/1556-276X-9-393Eatemadi A., Daraee H., Karimkhanloo H., et al. Carbon nanotubes: properties, synthesis, purification, and medical applications. Nanoscale Research Letters. 2014; 9(1): 393. https://doi.org/10.1186/1556-276X-9-393Nurazzi N.M., Asyraf M.R.M., Khalina A., et al. Fabrication, Functionalization, and Application of Carbon Nanotube-Reinforced Polymer Composite. An Overview. Polymers (Basel). 2021; 13(7): 1047. https://doi.org/10.3390/polym13071047Nurazzi N.M., Asyraf M.R.M., Khalina A., et al. Fabrication, Functionalization, and Application of Carbon Nanotube-Reinforced Polymer Composite. An Overview. Polymers (Basel). 2021; 13(7): 1047. https://doi.org/10.3390/polym13071047Liu Z., Tabakman S., Welsher K., Dai H. Carbon nanotubes in biology and medicine: In vitro and in vivo detection, imaging and drug delivery. Nano Res. 2009; 2(2): 85–120. https://doi.org/10.1007/s12274-009-9009-8Liu Z., Tabakman S., Welsher K., Dai H. Carbon nanotubes in biology and medicine: In vitro and in vivo detection, imaging and drug delivery. Nano Res. 2009; 2(2): 85–120. https://doi.org/10.1007/s12274-009-9009-8NANoREG. Grant Agreement Number 310584. Deliverable D 2.06. Validated protocols for test item preparation for key in vitro and ecotoxicity studies. Due date of deliverable: 2016/01/31 (approved postponement). Actual submission date: 2016/03/24.NANoREG. Grant Agreement Number 310584. Deliverable D 2.06. Validated protocols for test item preparation for key in vitro and ecotoxicity studies. Due date of deliverable: 2016/01/31 (approved postponement). Actual submission date: 2016/03/24.Pfuhler S., van Benthem J., Curren R., et al. Use of in vitro 3D tissue models in genotoxicity testing: Strategic fit, validation status and way forward. Report of the working group from the 7th International Workshop on Genotoxicity Testing (IWGT). Mutat Res Genet Toxicol Environ Mutagen. 2020; 850–1. 503135. https://doi.org/10.1016/j.mrgentox.2020.503135Pfuhler S., van Benthem J., Curren R., et al. Use of in vitro 3D tissue models in genotoxicity testing: Strategic fit, validation status and way forward. Report of the working group from the 7th International Workshop on Genotoxicity Testing (IWGT). Mutat Res Genet Toxicol Environ Mutagen. 2020; 850–1. 503135. https://doi.org/10.1016/j.mrgentox.2020.503135de Dios-Figueroa G.T., Aguilera-Marquez Jd.R., Camacho-Villegas T.A., Lugo-Fabres P.H. 3D Cell Culture Models in COVID-19 Times: A Review of 3D Technologies to Understand and Accelerate Therapeutic Drug Discovery. Biomedicines. 2021; 9(6): 602. https://doi.org/10.3390/biomedicines9060602de Dios-Figueroa G.T., Aguilera-Marquez Jd.R., Camacho-Villegas T.A., Lugo-Fabres P.H. 3D Cell Culture Models in COVID-19 Times: A Review of 3D Technologies to Understand and Accelerate Therapeutic Drug Discovery. Biomedicines. 2021; 9(6): 602. https://doi.org/10.3390/biomedicines9060602Kronemberger G.S., Carneiro F.A., Rezende D.F., Baptista L.S. Spheroids and organoids as humanized 3D scaffold-free engineered tissues for SARS-CoV-2 viral infection and drug screening. Artif Organs. 2021; 45(6): 548–58. https://doi.org/10.1111/aor.13880Kronemberger G.S., Carneiro F.A., Rezende D.F., Baptista L.S. Spheroids and organoids as humanized 3D scaffold-free engineered tissues for SARS-CoV-2 viral infection and drug screening. Artif Organs. 2021; 45(6): 548–58. https://doi.org/10.1111/aor.13880Juarez-Moreno K., Chávez-García D., Hirata G., Vazquez-Duhalt R. Monolayer (2D) or spheroids (3D) cell cultures for nanotoxicological studies? Comparison of cytotoxicity and cell internalization of nanoparticles. Toxicol In Vitro. 2022; 85: 105461. https://doi.org/10.1016/j.tiv.2022.105461Juarez-Moreno K., Chávez-García D., Hirata G., Vazquez-Duhalt R. Monolayer (2D) or spheroids (3D) cell cultures for nanotoxicological studies? Comparison of cytotoxicity and cell internalization of nanoparticles. Toxicol In Vitro. 2022; 85: 105461. https://doi.org/10.1016/j.tiv.2022.105461Li J., Diamante G., Ahn I.S., et al. Determination of the nanoparticle- and cell-specific toxicological mechanisms in 3D liver spheroids using scRNAseq analysis. Nano Today. 2022; 47: 101652. https://doi.org/10.1016/j.nantod.2022.101652Li J., Diamante G., Ahn I.S., et al. Determination of the nanoparticle- and cell-specific toxicological mechanisms in 3D liver spheroids using scRNAseq analysis. Nano Today. 2022; 47: 101652. https://doi.org/10.1016/j.nantod.2022.101652Movia D., Prina-Mello A., Bazou D., Volkov Y., Giordani, S. Screening the Cytotoxicity of Single-Walled Carbon Nanotubes Using Novel 3D Tissue-Mimetic Models. ACS Nano. 2011; 5(11): 9278–90. https://doi.org/10.1021/nn203659mMovia D., Prina-Mello A., Bazou D., Volkov Y., Giordani, S. Screening the Cytotoxicity of Single-Walled Carbon Nanotubes Using Novel 3D Tissue-Mimetic Models. ACS Nano. 2011; 5(11): 9278–90. https://doi.org/10.1021/nn203659mHindman B., Ma Q. Carbon nanotubes and crystalline silica induce matrix remodeling and contraction by stimulating myofibroblast transformation in a three-dimensional culture of human pulmonary fibroblasts: role of dimension and rigidity. Arch Toxicol. 2018; 92(11): 3291–305. https://doi.org/10.1007/s00204-018-2306-9Hindman B., Ma Q. Carbon nanotubes and crystalline silica induce matrix remodeling and contraction by stimulating myofibroblast transformation in a three-dimensional culture of human pulmonary fibroblasts: role of dimension and rigidity. Arch Toxicol. 2018; 92(11): 3291–305. https://doi.org/10.1007/s00204-018-2306-9Kabadi P.K., Rodd A.L., Simmons A.E., Messier N.J., Hurt R.H., Kane A.B. A novel human 3D lung microtissue model for nanoparticle-induced cell-matrix alterations. Part Fibre Toxicol. 2019; 16(1): 15. https://doi.org/10.1186/s12989-019-0298-0Kabadi P.K., Rodd A.L., Simmons A.E., Messier N.J., Hurt R.H., Kane A.B. A novel human 3D lung microtissue model for nanoparticle-induced cell-matrix alterations. Part Fibre Toxicol. 2019; 16(1): 15. https://doi.org/10.1186/s12989-019-0298-0Barosova H., Karakocak B.B., Septiadi D., Petri-Fink A., Stone V., Rothen-Rutishauser B. An In Vitro Lung System to Assess the Proinflammatory Hazard of Carbon Nanotube Aerosols. Int J Mol Sci. 2020; 21(15): 5335. https://doi.org/10.3390/ijms21155335Barosova H., Karakocak B.B., Septiadi D., Petri-Fink A., Stone V., Rothen-Rutishauser B. An In Vitro Lung System to Assess the Proinflammatory Hazard of Carbon Nanotube Aerosols. Int J Mol Sci. 2020; 21(15): 5335. https://doi.org/10.3390/ijms21155335Wang Y., Bahng J.H., Che Q., Han J., Kotov N.A. Anomalously Fast Diffusion of Targeted Carbon Nanotubes in Cellular Spheroids. ACS Nano. 2015; 9(8): 8231–8. https://doi.org/10.1021/acsnano.5b02595Wang Y., Bahng J.H., Che Q., Han J., Kotov N.A. Anomalously Fast Diffusion of Targeted Carbon Nanotubes in Cellular Spheroids. ACS Nano. 2015; 9(8): 8231–8. https://doi.org/10.1021/acsnano.5b02595Anisimov R.A., Gorin D.A., Abalymov A.A. 3D Cell Spheroids as a Tool for Evaluating the Effectiveness of Carbon Nanotubes as a Drug Delivery and Photothermal. Therapy Agents. C. 2022; 8(4): 56. https://doi.org/10.3390/c8040056Anisimov R.A., Gorin D.A., Abalymov A.A. 3D Cell Spheroids as a Tool for Evaluating the Effectiveness of Carbon Nanotubes as a Drug Delivery and Photothermal. Therapy Agents. C. 2022; 8(4): 56. https://doi.org/10.3390/c8040056Тимербулатова Г.А., Дунаев П.Д., Димиев А.М., Габидинова Г.Ф., Хаертдинов Н.Н., Фахруллин Р.Ф., Бойчук С.В., Фатхутдинова Л.М. Сравнительная характеристика различных волокнистых материалов в экспериментах in vitro. Казанский медицинский журнал. 2021; 102(4): 501–9. https://doi.org/10.17816/KMJ2021-501Timerbulatova G.A., Dunaev P.D., Dimiev A.M., Gabidinova G.F., Khaertdinov N.N., Fakhrullin R.F., Boichuk S.V., Fatkhutdinova L.M. Comparative characteristics of various fibrous materials in in vitro experiments. Kazanskij medicinskij zhurnal. 2021; 102(4): 501–9. https://doi.org/10.17816/KMJ2021-501 (in Russian)The R Project for Statistical Computing. URL: https://www.R-project.org/ (accessed: 13.09.2023).The R Project for Statistical Computing. URL: https://www.R-project.org/ (accessed: 13.09.2023).Габидинова Г.Ф., Тимербулатова Г.А., Даминова А.Г., Галялтдинов Ш.Ф., Димиев А.М., Крючкова М.А., Фахруллин Р.Ф., Фатхутдинова Л.М. Оценка воздействия промышленных одностенных и многостенных углеродных нанотрубок на культуры эпителиальных клеток дыхательных путей человека. Гигиена и санитария. 2022; 101(12): 1509–20. https://doi.org/10.47470/0016-9900-2022-101-12-1509-1520Gabidinova G.F., Timerbulatova G.A., Daminova A.G., Galyaltdinov Sh.F., Dimiev A.M., Kryuchkova M.A., Fakhrullin R.F., Fatkhutdinova L.M. Assessment of the impact of industrial single-walled and multi-walled carbon nanotubes on cultures of epithelial cells of the human respiratory tract. Gigiena i sanitariya. 2022; 101(12): 1509–20. https://doi.org/10.47470/0016-9900-2022-101-12-1509-1520 (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.