$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Cd is een van nature voorkomend zwaar metaal dat wordt geclassificeerd als een Groep 1 kankerverwekkend stof en is een wereldwijd milieuconcerngeworden. Menselijke blootstelling aan Cd vindt voornamelijk plaats via inademing en voedingsinname. Hoewel chronische blootstelling aan lage doses geassocieerd wordt met een reeks nadelige gezondheidsuitkomsten, blijft het aanzienlijk verminderen van het gebruik en de uitstoot in de omgeving een uitdaging 2,3. Traditionele tweedimensionale culturen groeien op vlakke substraten en missen weefselarchitectuur, celpolariteit en de tumormicro-omgeving. Daardoor beschikken ze over een beperkt vermogen om in vivo heterogeniteit en authentieke toxicologische reacties op cadmiumblootstelling te recapituleren4. Dergelijke systemen kunnen cel-cel interacties, matrixafhankelijke groei of de biologische processen die ten grondslag liggen aan de ontwikkeling van geneesmiddelresistentieniet adequaat modelleren. Driedimensionale organoïde systemen afkomstig van patiëntweefsels bieden een fysiologisch relevanter platform in vergelijking met conventionele tweedimensionale cellijnen6. Organoïden behouden de genomische kenmerken, histologische organisatie en functionele toestanden van het primaire weefsel. Dit maakt nauwkeurigere modellering mogelijk van tumorgroei, evolutie en gevoeligheid voor cadmiumtoxiciteit, wat duidelijke voordelen biedt voor ziektemodellering en toxicologisch onderzoek7. CO's beschikken over een complexe driedimensionale architectuur, cellulaire heterogeniteit en intrinsieke capaciteiten voor zelfvernieuwing en zelforganisatie 8,9. Transplantatie van CO's in ontvangende muizen kan de zelfvernieuwing van intestinale stamcellen bevorderen en het immuunmicro-milieu van de gastheer moduleren, wat beschermende effecten oplevert4. In 2009 toonden Sato et al. voor het eerst aan dat een enkele Lgr5⁺ volwassen darmstamcel spontaan kan organiseren en differentiëren om crypt–villus-structuren te vormen die alle intestinale cellijnenomvatten.
Het darmepitheel vormt de eerste verdedigingslinie tegen CD-toxiciteit na inname. In feite is de orale biobeschikbaarheid van Cd doorgaans onder de 5%. Cd-geïnduceerde darmtoxiciteit wordt gekenmerkt door de verstoring van intercellulaire verbindingen, verhoogde paracellulaire permeabiliteit en de inductie van ontstekingsreacties. Bovendien verstoort Cd de darm-immuunfunctie en verandert het de samenstelling en homeostase van de darmmicrobiota. Afhankelijk van de blootstellingsdosis en duur kan Cd een celcyclusdisregulatie veroorzaken, wat in sommige contexten oncogene fenotypes bevordert en in andere apoptose induceert. Cd kan indirect de productie van ROS (reactieve zuurstofsoorten) stimuleren, wat oxidatieve stress en een disbalans van redox veroorzaakt. De functie van receptoren, kinasen, fosfatasen, proteasen, adhesiemoleculen en transcriptiefactoren kan worden gemoduleerd via redoxsignaal. Cd verstoort ook signaalcascades, waardoor de activatiestatus van ERK1/2, JNK (c-Jun N-terminale kinase) en p38 MAPK (p38 mitogeengeactiveerde protenekinase) over meerdere celtypenverandert. Door ERK1/2 binnen de MAPK-cascade te activeren, kan Cd celproliferatie en overleving bevorderen, geprogrammeerde celdood onderdrukken en bijdragen aan abnormale hyperproliferatie13. Cd kan direct of indirect de expressie en activiteit van belangrijke effectoreiwitten reguleren. Zo downreguleert het de tumorsuppressor p53 en upreguleert het anti-apoptotische eiwitten zoals Bcl-2 en Bcl-xL, waardoor uiteindelijk apoptose en celcyclushomeostase14 worden verstoord.
In CO-modellen die worden gebruikt om de cytotoxische effecten van CD te evalueren, wordt ATP-inhoudmeting veel gebruikt om de levensvatbaarheid van organoïden te beoordelen. ATP, het centrale molecuul van het energiemetabolisme, weerspiegelt direct de algehele metabole toestand en levensvatbaarheid van organoïden. Bij blootstelling aan cadmium bij COs induceert Cd voornamelijk mitochondriale disfunctie, verergert het oxidatieve stress en verstoort het de homeostase van organoïde energie. Deze gebeurtenissen verzwakken gezamenlijk de ATP-productie en verminderen uiteindelijk de levensvatbaarheid van organoïden. Daarom dienen veranderingen in ATP-niveaus als een robuuste functionele meting van door cadmium geïnduceerde cytotoxiciteit. Conventionele cytotoxiciteitsassays omvatten colorimetrische MTT/CCK-8 assays, Live/Dead-kleuring en flowcytometrie-gebaseerde analyses. In vergelijking met deze methoden bieden ATP-gebaseerde assays duidelijke voordelen in driedimensionale organoïde systemen. Door de structurele complexiteit en uitgesproken ruimtelijke heterogeniteit van organoïden worden traditionele kleurings- en beeldvormingsmethoden vaak beperkt door onvoldoende weefselpenetratie en verminderde kwantitatieve nauwkeurigheid. ATP-assays daarentegen vertrouwen op een luciferase-gemedieerde bioluminescente reactie, waardoor directe kwantificatie mogelijk is zonder de organoïdestructuur te verstoren. ATP-meting vertoont een hoge gevoeligheid en een breed dynamisch bereik. Dit maakt het mogelijk om continue biologische reacties te detecteren, variërend van vroege metabole onderdrukking tot organoïde dood, wat nauwkeurige dosis-responsanalyses over verschillende cadmiumconcentraties mogelijk maakt. ATP-niveaus weerspiegelen volledig de algemene functionele status van organoïden en presteren beter dan benaderingen die afhankelijk zijn van morfologische beoordeling of enkele moleculaire markers. Daarom is deze assay bijzonder geschikt voor high-throughput toxiciteitsscreening, met verbeterde stabiliteit en reproduceerbaarheid.
Het kernprincipe achter het gebruik van ATP-bioluminescentie om de gevoeligheid van CO's voor CD-blootstelling te evalueren, is dat vuurvlieg-luciferase de oxidatie van D-luciferine katalyseert in aanwezigheid van ATP, Mg2⁺ en O₂ om oxyluciferine te produceren en fotonen uit te zenden. De intensiteit van het uitgezonden licht is evenredig met het meetbare ATP-gehalte in het monster binnen een gedefinieerd lineair bereik. Daarom dient luminescentie als een indirecte kwantitatieve surrogaat voor cellulaire metabole activiteit of levensvatbaarheid. Organoïden zijn ingebed in een extracellulaire matrix en bezitten een meerlaagse driedimensionale structuur. Om dit te accommoderen, beschikken ATP-assayreagentia over geoptimaliseerde samenstellingen en procedures voor lysisbuffers. Deze optimalisaties verbeteren de verstoring van interne organoïde cellen, bevorderen de afgifte van ATP en stabiliseren het bioluminescente signaal15. Belangrijk is dat ATP-bioluminescentie metabole activiteit rapporteert in plaats van een exact aantal cellen. Mitochondriale remmers kunnen bijvoorbeeld de cellulaire ATP-niveaus over korte intervallen aanzienlijk verlagen, zelfs terwijl cellen levensvatbaar blijven. Omgekeerd kunnen sommige vroege vormen van celdood relatief hoge ATP-niveaus tijdelijk behouden.
Ondanks het aantonen van superieure fysiologische relevantie bij cadmium (Cd) toxiciteitsbeoordelingen, vertonen colorectale organoïde modellen verschillende praktische beperkingen. In vergelijking met traditionele tweedimensionale (2D) cellijnen is de teelt van organoïden tijdrovender en kostenintensiver. Bovendien introduceert hun afhankelijkheid van dierlijke matrices batch-tot-batch variabiliteit, wat hun nut beperkt bij grootschalige, hoogdoorlopende toxiciteitsscreening. Hoewel deze modellen zeer geschikt zijn voor het evalueren van de directe toxicologische effecten van zware metalen op het darmepitheel, kunnen ze nog niet volledig in vivo modellen vervangen voor het beoordelen van systemische toxiciteit of complexe toxicokinetische processen.
In deze studie werd menselijk colorectaal weefsel gebruikt als bronmateriaal om colorectale stamcellen te isoleren en COs in vitro vast te stellen. Organoïden werden blootgesteld aan Cd bij verschillende concentraties en voor verschillende blootstellingsduur. De luminescentie werd vervolgens gemeten met de multimode microplaatlezer in luminescentiedetectiemodus. Cellevensvatbaarheid of IC50-waarden werden berekend en gevisualiseerd met operationele software voor een specifieke microplaatlezer.