Nieuwe organoïdekweekmethode kan de menselijke toxiciteit van nanomaterialen verifiëren

Het Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) heeft ’s werelds eerste organoïdekweekmethode ontwikkeld die in staat is de menselijke toxiciteit van nanomaterialen nauwkeurig te beoordelen. Deze nieuwe technologie overwint de beperkingen van de conventionele kweekmethode en zal naar verwachting de commercialisering van op organoïden gebaseerde veiligheidsbeoordeling van nanomaterialen en nanogeneeskunde bevorderen.

Het papier is gepubliceerd in het journaal Nano-brieven.

Een organoïde is een miniatuurversie van een orgaan dat wordt geproduceerd door in vitro menselijke stamcellen te kweken. Omdat een organoïde het menselijk lichaam effectief simuleert, trekken organoïden veel aandacht als middel voor de volgende generatie toxiciteitsbeoordeling, ter vervanging van dierproeven; ze hebben echter een nadeel: de standaardisatie is moeilijk vanwege beperkingen in de kweekmethode.

Bij de conventionele organoïdekweekmethode worden cellen ingebed in de extracellulaire matrix en gestold in de vorm van een koepel om een ​​driedimensionale structuur te vormen; vervolgens wordt een kweekmedium toegevoegd om de cellen te kweken. Bij deze methode varieert de dikte van de extracellulaire matrixkoepel in het midden en aan de rand, waardoor een onbalans in de zuurstoftoevoer ontstaat.

Als gevolg hiervan slagen de organoïden er niet in om uniform te groeien; in plaats daarvan verzamelen ze zich als bellen in de koepel en zijn ze dus moeilijk te verdelen. Het grootste probleem is dat nanomaterialen niet in de koepel kunnen doordringen, waardoor hun impact op de organoïden niet nauwkeurig kan worden bevestigd.

Bij de nieuw ontwikkelde organoïdenkweekmethode wordt de extracellulaire matrix direct gemengd met de kweekoplossing om organoïden zwevend te kweken.

Deze methode is geschikt voor commercialisering omdat organoïden in relatief uniforme grootte kunnen worden geproduceerd en gemakkelijk in identieke aantallen kunnen worden verdeeld. Een uniforme voorbereiding en verdeling zijn essentieel omdat screening met hoge doorvoer wordt uitgevoerd op daadwerkelijke industriële locaties door maximaal 1.000 organoïden in elke container te plaatsen om tegelijkertijd hun reacties op nanomaterialen te testen.

Een ander groot voordeel van de nieuwe methode is dat, in tegenstelling tot de conventionele kweekmethode, de afwezigheid van de extracellulaire matrixkoepel ervoor zorgt dat elk nanomateriaal de organoïden kan bereiken. De penetratiegraad van nanomaterialen is dezelfde als die in het tweedimensionale celmodel dat momenteel op industriële locaties wordt gebruikt. De nieuw ontwikkelde kweekmethode is de eerste ter wereld die bevestiging van de penetratie van nanomateriaal in organoïden mogelijk maakt.

De Nanobio Measurement Group van KRISS kweekte aanvankelijk drie dagen lang organoïden volgens de conventionele methode. Na het verwijderen van de extracellulaire matrixkoepel voerden ze een drijvende kweek van de organoïden uit in een kweekoplossing gemengd met de extracellulaire matrix in een concentratie van 5% (v/v) om de toxiciteit van nanomaterialen te testen.

De organoïden werden behandeld met zinkoxide-nanodeeltjes (ZnO NP’s), die een levergiftig materiaal zijn, en niet-giftige gouden nanodeeltjes (AuNP’s). Uit de vergelijking bleek dat de toxiciteit van elk materiaal nauwkeurig kon worden waargenomen, in tegenstelling tot de conventionele methode.

Ahruem Baek, een senior onderzoeker bij KRISS, zei: “Op basis van onze resultaten zullen we standaardprocedures voor de veiligheidsbeoordeling van nanomaterialen en nanogeneeskunde opstellen met behulp van organoïden, wat bijdraagt ​​aan de vooruitgang van de Koreaanse nano-industrie.”

De resultaten van dit onderzoek kunnen een snelle en nauwkeurige veiligheidsbeoordeling van nanomaterialen en nanogeneeskunde met behulp van organoïden mogelijk maken, waardoor wordt bijgedragen aan het veilige gebruik van nanomaterialen op verschillende strategische technische gebieden.

Tae Geol Lee, hoofd van het Nanosafety Metrology Center bij KRISS, zei: “Aangezien de behoefte aan diervervangende tests, vereist door het Ministerie van Voedsel- en Geneesmiddelenveiligheid en de Amerikaanse FDA, voortdurend groeit, is het zeer betekenisvol dat we ontwikkelde ’s werelds eerste op organoïden gebaseerde technologie voor de beoordeling van de veiligheid van nanomaterialen door middel van convergent en samenwerkend onderzoek met een ziekenhuis.”