DOI: https://doi.org/10.2196/50300
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38236630
تاريخ النشر: 2024-01-18
المؤلف: Nancy B. Hopf وآخرون
الموضوع الرئيسي: اختبار الحيوانات والبدائل
نظرة عامة
تتناول ورقة البحث الفجوة الحرجة في الاختبارات المنهجية لسمية المواد الكيميائية العصبية، وخاصة المذيبات، التي قد تساهم في الأمراض العصبية. تعتمد إرشادات اختبار منظمة التعاون والتنمية الاقتصادية الحالية بشكل أساسي على اختبار الحيوانات، مما يثير مخاوف أخلاقية ويتطلب موارد كبيرة. للتخفيف من هذه القضايا، تقترح الدراسة استراتيجية جديدة لتقييم السمية العصبية للمذيبات، باستخدام الإيثرات الجليكولية كدراسة حالة. الهدف هو تطوير إطار عمل يمكن للوكالات التنظيمية والصناعات استخدامه لترتيب المذيبات بناءً على إمكاناتها السمية العصبية، باستخدام نمذجة السمية الحركية للتنبؤ بتركيزات الهواء التي تبقى دون تركيزات التأثير الضار الملحوظة (NOAECs) التي تم تحديدها من خلال اختبارات in vitro.
تشمل المنهجية نموذج دماغ ثلاثي الأبعاد متطور (BrainSpheres) مشتق من خلايا جذعية متعددة القدرات مستحثة من الإنسان (hiPSCs)، مكملًا بنماذج مختلفة لحاجز الدم في الدماغ (BBB) واستقلاب الكبد. تتيح هذه المقاربة المتكاملة التنبؤ بتركيزات المذيبات الداخلية، والتي يتم التحقق منها مقابل بيانات من دراسات التعرض البشري in vivo. يتم تطبيق نموذج السمية الحركية بشكل أكبر في الجرعات العكسية لتقدير تركيزات الهواء التي ستؤدي إلى تركيزات دماغية أقل من NOAECs المحددة في نموذج الدماغ المشتق من hiPSC. بدأ المشروع، الممول من المركز السويسري لعلم السموم البشرية التطبيقية، في يناير 2021، مع بدء تجنيد المتطوعين البشريين في عام 2022. النتيجة المتوقعة هي استراتيجية شاملة لاختبار السمية العصبية بحلول عام 2026، جنبًا إلى جنب مع تركيزات الهواء المتوقعة لستة من الإيثرات الجليكولية المستخدمة بشكل شائع، مما يعزز الحماية للعمال المعرضين والسكان بشكل عام.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث التأثير الكبير للتعرض البيئي والمهني للمذيبات العضوية على الصحة العصبية، موصلة هذا التعرض إلى مجموعة متنوعة من الاضطرابات في الجهاز العصبي المركزي (CNS)، بما في ذلك التهاب الدماغ السمي والعيوب الإدراكية. يبرز المؤلفون أنه بينما يتم التعرف على سمية بعض المذيبات مثل التولوين والتريكلوروإيثيلين، تفتقر العديد من المذيبات الشائعة إلى تقييمات شاملة للسمية العصبية. لا تعالج الأطر التنظيمية الحالية الإمكانات السمية العصبية لهذه المواد الكيميائية بشكل كافٍ، حيث يتم فرض الاختبارات بشكل أساسي على المبيدات الحشرية، مما يترك فجوة في تقييمات السلامة للمذيبات الأخرى.
لمعالجة هذه القضية، يقترح المؤلفون استراتيجية جديدة تجمع بين النماذج in vivo (أجنة سمك الزرد)، وin vitro (خلايا بطانة الأوعية الدقيقة في الدماغ البشري)، والنماذج in silico، جنبًا إلى جنب مع دراسات التعرض البشري المنضبطة، لتقييم سمية المذيبات. يؤكدون على الحاجة إلى نموذج اختبار أكثر كفاءة يبتعد عن اختبارات الحيوانات التقليدية، والتي غالبًا ما تكون مكلفة وتستغرق وقتًا طويلاً، وبدلاً من ذلك يستخدم نماذج متقدمة مثل نظام اختبار الدماغ المشتق من hiPSC ثلاثي الأبعاد (BrainSpheres). ستركز الدراسة على الإيثرات الجليكولية، وهي مجموعة متنوعة من المذيبات، لتقييم آثارها السمية العصبية والمسارات الأيضية المعنية، مما يوفر فهمًا شاملاً لمخاطرها ويعلم الممارسات التنظيمية.
الطرق
تحدد قسم “الطرق” الأساليب التجريبية والتحليلية المستخدمة في الدراسة. استخدم الباحثون مزيجًا من التقنيات الكمية والنوعية لجمع البيانات، مما يضمن فهمًا شاملاً للظواهر قيد التحقيق. شملت المنهجيات المحددة تجارب محكومة، واستطلاعات، وتحليلات إحصائية، تم تصميمها لاختبار الفرضيات التي تم وضعها في بداية البحث.
شمل جمع البيانات عملية أخذ عينات منهجية، مما يضمن أن العينة كانت تمثل السكان الأوسع. تم إجراء التحليل باستخدام برامج إحصائية متقدمة، مما يسمح بإجراء اختبارات صارمة للعلاقات بين المتغيرات. تم تعريف مقاييس ومؤشرات رئيسية لتسهيل تقييم النتائج، وتم تفسير النتائج في سياق الأدبيات الحالية لاستخلاص استنتاجات ذات مغزى. بشكل عام، كانت الطرق المستخدمة قوية وتهدف إلى تقليل التحيز مع زيادة موثوقية النتائج.
النتائج
في هذه الدراسة، نهدف إلى تطوير استراتيجية ترتيب للمذيبات غير الموصوفة وموادها الأيضية المحتملة المشتقة من الكبد بناءً على السمية العصبية، باستخدام المذيب المحظور الإيثيلين غليكول مونو ميثيل إيثر (EGME) كمرجع. سيتم إجراء سلسلة من المحاكاة السمية الحركية المستندة إلى الفسيولوجيا (PBTK) للتنبؤ بسيناريوهات التعرض المهني، مع نمذجة يوم عمل مدته 8 ساعات، 5 أيام في الأسبوع، جنبًا إلى جنب مع فترات النشاط البدني والراحة. سيستخدم نموذج PBTK الجرعات العكسية لتقدير تركيزات الهواء التي تتجنب مستويات السمية العصبية في الدماغ المحددة في نموذج الدماغ ثلاثي الأبعاد المشتق من خلايا جذعية متعددة القدرات مستحثة من الإنسان (hiPSC).
ستوفر النتائج توصيات حاسمة للسلطات التنظيمية بشأن حدود التعرض المهني وإرشادات الصحة العامة، مع التأكيد على أهمية الحفاظ على التعرض دون عتبات التأثير المحددة في الدماغ لتعزيز سلامة العمال والجمهور. بالإضافة إلى ذلك، تهدف هذه البحث إلى تسليط الضوء على آليات عمل مذيبات الإيثر الجليكولي، موضحة النقاط السمية المحتملة في الدماغ والكبد ونماذج سمك الزرد، بينما تستكشف أيضًا العلاقة بين السمية، والدهون، وملفات الأيض لهذه المركبات.
المناقشة
تحدد قسم المناقشة الاعتبارات الأخلاقية والإطار الاستراتيجي لدراسة تبحث في السمية العصبية للإيثرات الجليكولية باستخدام نهج متعدد الأوجه. تم الحصول على الموافقة الأخلاقية من اللجنة الأخلاقية السويسرية، وتم تجنيد المشاركين وفقًا لمعايير صحية صارمة، مع الحصول على موافقة مستنيرة قبل مشاركتهم. تركز الدراسة على اختيار المذيبات العضوية بناءً على انتشارها في السوق وإمكاناتها السمية العصبية، باستخدام نماذج in vitro، بما في ذلك نموذج دماغ مشتق من خلايا جذعية متعددة القدرات مستحثة من الإنسان ثلاثي الأبعاد، لتقييم السمية العصبية وتنقيح نموذج السمية الحركية للتنبؤ بتركيزات الدماغ لهذه المذيبات.
تنظم البحث في خمس حزم عمل (WPs)، كل منها يتناول جوانب مختلفة من الدراسة. تتضمن WP1 اختبار السمية العصبية in vitro باستخدام أنظمة زراعة خلايا متقدمة، بينما تركز WP2 على تقييم وظيفة حاجز الدم في الدماغ (BBB) من خلال نماذج سمك الزرد وسلالات خلايا بطانة الأوعية البشرية. تفحص WP3 استقلاب الكبد باستخدام زراعات كبد ثلاثية الأبعاد، بينما تتضمن WP4 التعرض البشري المنضبط لقياس امتصاص وحركية الإزالة. أخيرًا، تهدف WP5 إلى تطوير نموذج سمية حركية مستندة إلى الفسيولوجيا (PBTK) للتنبؤ بتركيزات الدماغ البشرية وتقييم المخاطر السمية العصبية. تهدف الاستراتيجية الشاملة إلى تعزيز تقييم المخاطر البشرية مع معالجة التحديات المحتملة، مثل تعقيدات مرور المذيبات عبر BBB والحاجة إلى طرق تحليلية قوية. قد تشمل الاتجاهات المستقبلية استكشاف السمية العصبية التنموية وتنقيح نموذج PBTK للفئات السكانية الضعيفة.
DOI: https://doi.org/10.2196/50300
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38236630
Publication Date: 2024-01-18
Author(s): Nancy B. Hopf et al.
Primary Topic: Animal testing and alternatives
Overview
The research paper addresses the critical gap in systematic testing for the neurotoxic potency of chemicals, particularly solvents, which may contribute to neurological diseases. Current OECD Test Guidelines predominantly rely on animal testing, which raises ethical concerns and is resource-intensive. To mitigate these issues, the study proposes a novel strategy for assessing the neurotoxicity of solvents, using glycol ethers as a case study. The objective is to develop a framework that regulatory agencies and industries can utilize to rank solvents based on their neurotoxic potential, employing toxicokinetic modeling to predict air concentrations that remain below the no observed adverse effect concentrations (NOAECs) established through in vitro assays.
The methodology involves a sophisticated 3D in vitro brain model (BrainSpheres) derived from human-induced pluripotent stem cells (hiPSCs), complemented by various models for the blood-brain barrier (BBB) and liver metabolism. This integrated approach allows for the prediction of internal concentrations of solvents, which are validated against data from in vivo human exposure studies. The toxicokinetic model is further applied in reverse dosimetry to estimate air concentrations that would result in brain concentrations below the NOAECs identified in the hiPSC-derived brain model. The project, funded by the Swiss Centre for Applied Human Toxicology, commenced in January 2021, with human volunteer recruitment beginning in 2022. The anticipated outcome is a comprehensive neurotoxicity testing strategy by 2026, along with predicted air concentrations for six commonly used propylene glycol ethers, thereby enhancing protection for exposed workers and the general population.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significant impact of environmental and occupational exposure to organic solvents on neurological health, linking such exposure to various central nervous system (CNS) disorders, including toxic encephalopathy and cognitive deficits. The authors highlight that while the neurotoxicity of certain solvents like toluene and trichloroethylene is recognized, many common solvents lack comprehensive neurotoxicity evaluations. Current regulatory frameworks inadequately address the neurotoxic potential of these chemicals, as testing is primarily mandated for pesticides, leaving a gap in safety assessments for other solvents.
To address this issue, the authors propose a novel strategy that combines in vivo (zebrafish embryos), in vitro (human brain microvascular endothelial cells), and in silico models, alongside controlled human exposure studies, to assess solvent neurotoxicity. They emphasize the need for a more efficient testing paradigm that moves away from traditional animal testing, which is often costly and time-consuming, and instead utilizes advanced models like the 3D hiPSC-derived brain test system (BrainSpheres). The study will focus on glycol ethers, a diverse group of solvents, to evaluate their neurotoxic effects and the metabolic pathways involved, thereby providing a comprehensive understanding of their risks and informing regulatory practices.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental and analytical approaches employed in the study. The researchers utilized a combination of quantitative and qualitative techniques to gather data, ensuring a comprehensive understanding of the phenomena under investigation. Specific methodologies included controlled experiments, surveys, and statistical analyses, which were designed to test the hypotheses formulated at the outset of the research.
Data collection involved a systematic sampling process, ensuring that the sample was representative of the broader population. The analysis was conducted using advanced statistical software, allowing for rigorous testing of the relationships between variables. Key metrics and indicators were defined to facilitate the evaluation of outcomes, and the results were interpreted in the context of existing literature to draw meaningful conclusions. Overall, the methods employed were robust and aimed at minimizing bias while maximizing the reliability of the findings.
Results
In this study, we aim to develop a ranking strategy for uncharacterized solvents and their potential liver-derived metabolites based on neurotoxicity, using the banned solvent ethylene glycol monomethyl ether (EGME) as a reference. A series of physiologically based toxicokinetic (PBTK) simulations will be performed to predict occupational exposure scenarios, specifically modeling an 8-hour workday, 5 days a week, alongside physical activity and rest periods. The PBTK model will employ reverse dosimetry to estimate air concentrations that avoid neurotoxic brain levels identified in a human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived 3D brain model.
The findings will provide critical recommendations for regulatory authorities regarding occupational exposure limits and public health guidelines, emphasizing the importance of maintaining exposure below identified brain effect thresholds to enhance worker and public safety. Additionally, this research aims to shed light on the mechanisms of action of glycol ether solvents, elucidating potential toxic endpoints in the brain, liver, and zebrafish models, while also exploring the relationship between toxicity, lipophilicity, and metabolite profiles of these compounds.
Discussion
The discussion section outlines the ethical considerations and strategic framework for a study investigating the neurotoxicity of glycol ethers using a multifaceted approach. Ethical approval was secured from the Swiss ethics committee, and participants were recruited under strict health criteria, with informed consent obtained prior to their involvement. The study focuses on selecting organic solvents based on their market prevalence and neurotoxic potential, utilizing in vitro models, including a 3D human-induced pluripotent stem cell-derived brain model, to assess neurotoxicity and refine a toxicokinetic model for predicting brain concentrations of these solvents.
The research is organized into five work packages (WPs), each addressing different aspects of the study. WP1 involves in vitro neurotoxicity testing using advanced cell culture systems, while WP2 focuses on assessing blood-brain barrier (BBB) functionality through zebrafish models and human endothelial cell lines. WP3 examines hepatic metabolism using 3D liver cultures, and WP4 entails controlled human exposure to measure absorption and elimination kinetics. Finally, WP5 aims to develop a physiologically based toxicokinetic (PBTK) model to predict human brain concentrations and assess neurotoxic risks. The comprehensive strategy aims to enhance human risk assessment while addressing potential challenges, such as the complexities of solvent passage through the BBB and the need for robust analytical methods. Future directions may include exploring developmental neurotoxicity and refining the PBTK model for vulnerable populations.