纳米材料安全性咋评估？Organoids培养系统来帮忙！

《Novel Organoid Culture System for Improved Safety Assessment of Nanomaterials》指出纳米材料应用广泛但安全性存疑，类器官模型虽有潜力但传统培养系统有局限性。本文建立了新型类器官培养系统，通过实验证明该系统能使纳米材料内化于类器官，培养出的类器官大小相对均匀且结构完整，更利于纳米颗粒内化。此外，悬浮培养类器官在纳米颗粒内化效率和细胞毒性评估方面表现更优，为纳米材料安全评估提供了可靠工具。

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一、引言

随着纳米技术的快速发展，纳米材料的应用范围不断扩大，但同时也引发了人们对其安全性和潜在毒性的担忧。传统的二维细胞实验在纳米毒性评估中存在可靠性问题，而动物模型则面临成本高、伦理限制等挑战。类器官作为一种有潜力的模型，可用于评估纳米材料的毒性，但目前的类器官系统存在一些局限性。

二、传统类器官培养系统的局限性  

2.1 缺乏纳米颗粒内化的直接证据

尽管一些研究报道了纳米颗粒在类器官系统中的毒性，但缺乏纳米颗粒在细胞内内化和亚细胞定位的直接证据，这引发了对毒理学结果可靠性和有效性的担忧。

2.2 类器官制备和处理缺乏标准化

细胞外基质（ECM）用于支持类器官的三维形态发生和生长，但类器官在ECM穹顶中培养时会出现大小异质性。

纳米颗粒会在ECM中聚集，并且由于ECM复杂的网络和带电成分，导致细胞对纳米颗粒的内化效率低下。  

三、新型类器官培养系统的建立

3.1 实验设计

为了克服类器官培养系统的局限性，研究人员建立了一种新的系统，通过建立三维漂浮类器官范式来改进纳米材料的安全评估。

3.2 纳米颗粒对ECM穹顶的穿透实验

将ECM穹顶暴露于金纳米颗粒（AuNPs），通过暗场显微镜观察。结果显示，AuNPs位于ECM穹顶表面，未到达内部区域。  

培养在不同浓度ECM穹顶中的类器官实验表明，高浓度ECM（>50%）时形成球形类器官，低浓度ECM（25%）时细胞无法形成三维结构并附着在孔壁上。

通过暗场显微镜观察细胞对纳米颗粒的摄取，发现AuNPs在ECM穹顶表面被捕获和固定，无法穿透到类器官所在的ECM穹顶内部区域。  

四、悬浮培养类器官系统的制备与优化

4.1 系统概述

建立了一种使类器官大小相对均匀且能有效内化纳米颗粒的系统。具体方法是将形成的mLOs从ECM穹顶中分离出来，进行悬浮培养。

4.2 实验步骤

将含有形成的mLOs的ECM穹顶通过温和的移液和使用细胞恢复溶液重熔来解离。  

将裸露的mLOs转移到含有ECM的超低附着平板上，确定维持3D球形类器官结构的最佳条件。

验证从ECM嵌入类器官向悬浮培养过渡的时间对维持其3D结构的重要性。  

分析悬浮培养的mLOs是否保留了肝分化能力，包括分析基因或蛋白质表达水平的特征性肝标志物。

五、悬浮培养与ECM嵌入培养类器官的比较

5.1 类器官大小和分布

悬浮培养的mLOs在第3天过渡并在第6天评估时显示出相对均匀的大小，而ECM嵌入的mLOs在第6天表现出更多的大小变异性。  

5.2 纳米颗粒的内化效率

监测纳米颗粒在细胞内的内化情况，将mLOs暴露于FITC标记的聚苯乙烯纳米颗粒（FITC - PS NPs）。结果显示，悬浮培养类器官的FITC荧光信号明显强于ECM嵌入类器官。

通过暗场显微镜扫描整个类器官观察AuNPs的细胞摄取情况，发现AuNPs在悬浮培养类器官中被细胞内化，而在ECM嵌入类器官中未被内化。  

5.3 纳米颗粒的细胞毒性

选择AuNPs和ZnO NPs进行类器官毒性实验。结果表明，ZnO NPs在悬浮培养类器官中引起细胞毒性，红色荧光信号显著增加，而在ECM嵌入类器官中信号未改变；AuNPs在两种类器官中均未引起明显的细胞毒性。

通过流式细胞术监测细胞凋亡情况，进一步证实了ZnO NPs在悬浮mLOs中导致凋亡细胞数量显著增加，而在ECM嵌入mLOs中则没有。

六、结论

研究人员开发了一种可用于评估纳米材料安全和毒性的类器官培养新方法。悬浮培养的类器官在非粘附容器中生长，具有相对均匀的尺寸和结构完整性，同时保持了与传统基于支架培养的类器官相当的分化指标。此外，悬浮培养方法更有利于纳米颗粒的内化，为评估纳米颗粒的细胞毒性提供了便利。ECM嵌入类器官对ZnO NP暴露不敏感，而悬浮类器官则表现出细胞毒性，这表明悬浮培养类器官系统是评估纳米材料安全性和毒性的有前途的工具，有助于加速纳米材料在各个领域的研究和开发，并确保对其毒性进行监测和安全使用。

参考文献：

Baek A, et al. Novel Organoid Culture System for Improved Safety Assessment of Nanomaterials. Nano Lett. 2024 Jan 24;24(3):805-813.