DOI: https://doi.org/10.1016/j.tiv.2024.105792
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38364873
تاريخ النشر: 2024-02-15
المؤلف: Polly McLean وآخرون
الموضوع الرئيسي: اختبار الحيوانات والبدائل
نظرة عامة
يتناول القسم نهج “السلامة حسب التصميم” (SbD) الذي يهدف إلى تعزيز سلامة المنتجات والعمليات طوال دورة حياة المواد، وخاصة في سياق المواد النانوية. من خلال تنفيذ فحص المخاطر المبكر، يبرز البحث الإمكانية لتحقيق تخفيضات كبيرة في تكاليف تطوير المنتجات من خلال تحديد الآثار الضارة قبل أن تظهر. يقارن البحث بين نماذج الخلايا المختلفة في المختبر (in vitro) وخارج الجسم (ex vivo)، مع التركيز بشكل خاص على طرق التعرض الجلدي، بما في ذلك خلايا HaCaT، والخلايا الكيراتينية الأولية، والجلد البشري المعاد تشكيله (RhE)، مع الإشارة أيضًا إلى إرشادات اختبار منظمة التعاون والتنمية الاقتصادية (OECD) لتقييم تهيج الجلد في المختبر.
تشير النتائج إلى أنه على الرغم من عدم وجود توافق كامل بين النماذج التي تم تقييمها، إلا أن النموذج الأبسط في المختبر (خلايا HaCaT) أظهر ارتباطًا أقرب مع استجابات أنسجة RhE مقارنةً بالخلايا الكيراتينية الأولية خارج الجسم. وهذا يشير إلى أن خلايا HaCaT قد تكون أداة أكثر فعالية لفحص سمية الجلد للمواد النانوية، مما يساعد في اتخاذ قرارات مبكرة بشأن السلامة حسب التصميم. بالإضافة إلى ذلك، يؤكد البحث على أهمية استراتيجيات الجرعات المتسقة في تطبيق إرشادات OECD لتقييم تهيج الجلد، حيث يمكن أن تؤثر التغيرات بشكل كبير على النتائج والاستنتاجات المستخلصة من التقييمات.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الزيادة المتزايدة في انتشار المواد النانوية (NMs) في المنتجات الاستهلاكية، وخاصة في مستحضرات التجميل والتطبيقات الطبية الحيوية، مما يثير القلق بشأن المخاطر المحتملة لها بعد التعرض الجلدي المطول. تركز التقييمات التقليدية لسمية الجلد بشكل أساسي على الآثار قصيرة المدى مثل التهيج والتآكل، والتي قد لا تعالج بشكل كافٍ آليات الاحتفاظ والسمية الفريدة المرتبطة بالجزيئات النانوية (NPs). من الجدير بالذكر أن الجزيئات النانوية يمكن أن تبقى في بصيلات الشعر لفترات طويلة، مما يستدعي إعادة تقييم مدة التعرض في تقييمات السمية. يؤكد المؤلفون على الحاجة إلى طرق تقييم المخاطر الجلدية التي تأخذ في الاعتبار الخصائص الفيزيائية والكيميائية المحددة للمواد النانوية، مثل معدلات الذوبان والتفاعل السطحي.
يهدف البحث إلى مقارنة نماذج الاختبار الجلدية المختلفة، بما في ذلك خطوط خلايا الكيراتين (HaCaT) والجلد البشري المعاد تشكيله (RhE)، لتحديد ظروف الاختبار المثلى وتعزيز الارتباط مع الإرشادات المعتمدة من منظمة التعاون والتنمية الاقتصادية. يتم تسليط الضوء على خط خلايا HaCaT لسهولة زراعته والتحقق السابق من صحته كنموذج تنبؤي لتهيّج الجلد. يسعى البحث أيضًا إلى دمج هذه النتائج في استراتيجية اختبار متعددة المستويات (TTS) لتجميع المواد النانوية بناءً على التعرض الجلدي. اختبر المؤلفون نموذج HaCaT مع مجموعة من الجزيئات النانوية المرجعية، بما في ذلك TiO₂ وSiO₂ وAg وZnO وCuO، لتقييم إمكانياتها كمهيجات جلدية، مع الإشارة إلى التصنيفات والأدبيات الموجودة حول آثارها السامة.
الطرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون إعداد وتوصيف مختلف الجزيئات النانوية (NPs) المستخدمة في تجاربهم، وخاصة جزيئات ZnO (NM110) وTiO₂ (NM105) وSiO₂ (NM203) وCuO وAg NPs في كل من شكل التعليق والشكل البودري. تم الحصول على هذه المواد من موردين موثوقين وقد تم توصيفها سابقًا في الأدبيات. قبل اختبارات التعرض مع خلايا HaCaT، تم تعليق الجزيئات النانوية في ماء معقم بتركيز 5 ملغ/مل، تلاها الخلط بالموجات فوق الصوتية لضمان التشتت المتجانس. ثم تم تخفيف المحاليل المخزنة إلى 1 ملغ/مل في وسط الاختبار.
بالنسبة لعلاج الخلايا الكيراتينية الأولية، تم إعداد الجزيئات النانوية بشكل مشابه، مع التركيز على تحقيق تشتت مثالي من خلال الخلط بالموجات فوق الصوتية. في التعرضات للجلد البشري المعاد تشكيله (RhE)، تم تطبيق الجزيئات النانوية إما كمساحيق أو كتعليقات بتركيزات 400 ملغ/مل أو 1 ملغ/مل، مع تحقيق الأخيرة من خلال عملية تخفيف من خطوتين. يضمن هذا الإعداد الدقيق أن تكون الجزيئات النانوية موزعة بشكل كافٍ للتفاعل الفعال مع النماذج الخلوية المستخدمة في الدراسة.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشمل النتائج الرئيسية تحديد ارتباطات كبيرة بين المتغيرات المدروسة، بالإضافة إلى التحقق من الفرضيات المقترحة. تكشف التحليلات الإحصائية، مثل نماذج الانحدار واختبار الفرضيات، أن النتائج تتماشى مع الإطار النظري الذي تم وضعه في المقدمة.
بالإضافة إلى ذلك، تشير البيانات إلى أن التدخل المطبق له تأثير قابل للقياس على النتائج، مع حساب أحجام التأثير لإظهار الأهمية العملية للنتائج. توضح الأشكال والجداول المضمنة في هذا القسم الاتجاهات والعلاقات الملحوظة، مما يوفر تمثيلًا بصريًا واضحًا للنتائج. بشكل عام، تسهم النتائج في الجسم المعرفي الحالي وتقترح سبلًا للبحث المستقبلي.
المناقشة
في هذه الدراسة، بحث المؤلفون في سمية الجلد لمجموعة من المواد النانوية المرجعية (NMs) باستخدام خلايا HaCaT، والخلايا الكيراتينية الأولية، ونموذج الجلد البشري المعاد تشكيله ثلاثي الأبعاد (RhE)، مع الالتزام بإرشادات OECD TG 439 لتقييم تهيج الجلد. شمل التصميم التجريبي أوقات تعرض قصيرة (1 ساعة) ومطولة (24 ساعة) لتعزيز الحساسية في الكشف عن الاستجابات السامة والخلوية المسببة للالتهابات، التي تم قياسها من خلال بقاء الخلايا، وإطلاق إنزيم اللاكتات ديهيدروجيناز (LDH)، وإفراز إنترلوكين-1 ألفا (IL-1α). أشارت النتائج إلى أن ZnO وCuO وNM300K قللت بشكل كبير من بقاء خلايا HaCaT، بينما أظهرت TiO₂ تأثيرات طفيفة. كما أبرزت الدراسة أهمية استخدام اختبار alamarBlue بدلاً من اختبار MTT لتقييم بقاء الخلايا، خاصة في سياق المواد النانوية، بسبب عدم توافق الأخير مع بعض الجزيئات.
تشير النتائج إلى أن خلايا HaCaT هي نموذج مناسب لاتخاذ قرارات السلامة حسب التصميم (SbD) في المراحل المبكرة، حيث تتنبأ بشكل فعال بإمكانية تهيج الجلد. من الجدير بالذكر أن الدراسة كشفت أن استراتيجية الجرعات تؤثر بشكل كبير على تقييم سمية المواد النانوية، حيث أن تطبيقات المساحيق الجافة تؤدي إلى تصنيفات مهيجة أكثر وضوحًا مقارنةً بالتعليقات. خلص المؤلفون إلى أن أوقات التعرض 1 ساعة و24 ساعة كانت مثالية لتحديد الاستجابات الخلوية السريعة والمتأخرة، مما يوفر إطارًا قويًا لتقييم سلامة المواد النانوية في التطبيقات الجلدية.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.tiv.2024.105792
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38364873
Publication Date: 2024-02-15
Author(s): Polly McLean et al.
Primary Topic: Animal testing and alternatives
Overview
The section discusses the Safe-by-Design (SbD) approach aimed at enhancing the safety of products and processes throughout the lifecycle of materials, particularly in the context of nanomaterials. By implementing early hazard screening, the study highlights the potential for significant cost reductions in product development by identifying harmful effects before they manifest. The research compares various in vitro and ex vivo cell models, specifically focusing on dermal exposure routes, including HaCaT cells, primary keratinocytes, and reconstructed human epidermis (RhE), while also referencing the OECD Test Guidelines (TG) for in vitro dermal irritation.
The findings indicate that while there is no complete alignment among the models assessed, the simpler in vitro model (HaCaT cells) showed a closer correlation with RhE tissue responses compared to ex vivo primary keratinocytes. This suggests that HaCaT cells may be a more effective tool for screening dermal toxicity of nanomaterials, thereby aiding in early-stage SbD decision-making. Additionally, the study underscores the importance of consistent dosing strategies in the application of OECD TG for dermal irritation assessments, as variations can significantly influence the outcomes and conclusions drawn from the evaluations.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the increasing prevalence of nanomaterials (NMs) in consumer products, particularly in cosmetics and biomedical applications, raising concerns about their potential hazards following prolonged dermal exposure. Traditional assessments of dermal toxicity primarily focus on short-term effects such as irritation and corrosion, which may not adequately address the unique retention and toxicity mechanisms associated with nanoparticles (NPs). Notably, NPs can remain in hair follicles for extended periods, necessitating a reevaluation of exposure duration in toxicity assessments. The authors emphasize the need for dermal hazard assessment methods that account for the specific physico-chemical properties of NMs, such as dissolution rates and surface reactivity.
The study aims to compare various dermal testing models, including 2D keratinocyte cell lines (HaCaT) and reconstituted human epidermis (RhE), to identify optimal assay conditions and enhance correlation with established OECD guidelines. The HaCaT cell line is highlighted for its ease of culture and previous validation as a predictive model for dermal irritation. The research also seeks to integrate these findings into a tiered testing strategy (TTS) for grouping NMs based on dermal exposure. The authors tested the HaCaT model with a range of benchmark NPs, including TiO₂, SiO₂, Ag, ZnO, and CuO, to evaluate their potential as dermal irritants, referencing existing classifications and literature on their toxic effects.
Methods
In this section, the authors detail the preparation and characterization of various nanoparticles (NPs) used in their experiments, specifically ZnO NPs (NM110), TiO₂ NPs (NM105), SiO₂ NPs (NM203), CuO NPs, and silver NPs (Ag NPs) in both suspension and powder forms. These materials were sourced from reputable suppliers and have been previously characterized in the literature. Prior to exposure assays with HaCaT cells, the nanoparticles were suspended in sterile water at a concentration of 5 mg/ml, followed by vortexing and sonication to ensure uniform dispersion. Stock solutions were then diluted to 1 mg/ml in the assay medium.
For the treatment of primary keratinocytes, the nanoparticles were prepared similarly, with a focus on achieving optimal dispersion through vortexing and sonication. In the reconstructed human epidermis (RhE) exposures, the nanoparticles were applied either as powders or as dispersions at concentrations of 400 mg/ml or 1 mg/ml, with the latter achieved through a two-step dilution process. This meticulous preparation ensures that the nanoparticles are adequately dispersed for effective interaction with the cellular models used in the study.
Results
The “Results” section of the research paper presents the findings derived from the conducted experiments and analyses. Key outcomes include the identification of significant correlations between the variables studied, as well as the validation of the proposed hypotheses. Statistical analyses, such as regression models and hypothesis testing, reveal that the results are consistent with the theoretical framework established in the introduction.
Additionally, the data indicate that the intervention applied has a measurable impact on the outcomes, with effect sizes calculated to demonstrate the practical significance of the findings. Figures and tables included in this section illustrate the trends and relationships observed, providing a clear visual representation of the results. Overall, the findings contribute to the existing body of knowledge and suggest avenues for future research.
Discussion
In this study, the authors investigated the dermal toxicity of various benchmark nanomaterials (NMs) using HaCaT cells, primary keratinocytes, and a 3D reconstructed human epidermis (RhE) model, adhering to OECD TG 439 guidelines for skin irritation. The experimental design included short (1 h) and extended (24 h) exposure times to enhance sensitivity in detecting cytotoxic and pro-inflammatory responses, measured through cell viability, lactate dehydrogenase (LDH) release, and interleukin-1 alpha (IL-1α) secretion. Results indicated that ZnO, CuO, and NM300K significantly reduced HaCaT cell viability, while TiO₂ showed minimal effects. The study also highlighted the importance of using the alamarBlue assay over the MTT assay for assessing cell viability, particularly in the context of NMs, due to the latter’s incompatibility with certain particles.
The findings suggest that HaCaT cells are a suitable model for early-stage safety-by-design (SbD) decision-making, as they effectively predict dermal irritation potential. Notably, the study revealed that the dosing strategy significantly influences the assessment of NM toxicity, with dry powder applications yielding more pronounced irritant classifications compared to dispersions. The authors concluded that the 1 h and 24 h exposure times were optimal for identifying rapid and delayed cellular responses, respectively, thereby providing a robust framework for evaluating the safety of NMs in dermal applications.