$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Cd — это природный тяжёлый металл, классифицируемый как канцероген первой группы и ставший глобальной экологическойпроблемой 1. Воздействие CD происходит преимущественно через вдыхание и питание. Хотя хроническое воздействие низких доз связано с рядом негативных последствий для здоровья, существенное сокращение его использования и выбросов окружающей среды остаётсясложным 2,3. Традиционные двумерные культуры растут на плоских субстратах и не имеют тканевой архитектуры, полярности клеток и микросреды опухоли. Следовательно, они обладают ограниченной способностью воспроизводить гетерогенность in vivo и подлинные токсикологические реакции на воздействие кадмия4. Такие системы не могут адекватно моделировать взаимодействие между клетками и клетками, матрикс-зависимый рост или биологические процессы, лежащие в основе развития лекарственнойустойчивости 5. Трёхмерные органоидные системы, полученные из тканей пациента, предлагают более физиологически значимую платформу по сравнению с традиционными двумерными клетковымилиниями 6. Органоиды сохраняют геномные особенности, гистологическую организацию и функциональные состояния первичной ткани. Это позволяет более точно моделировать рост, эволюцию опухолей и чувствительность к токсичности кадмия, обеспечивая явные преимущества для моделирования заболеваний и токсикологическихисследований 7. СО обладают сложной трёхмерной архитектурой, клеточной гетерогенностью и внутренними способностями к самообновлению и самоорганизации 8,9. Трансплантация COs в принимающих мышей может способствовать самообновлению стволовых клеток кишечника и модулировать иммунную микросреду хозяина, создавая защитныйэффект 4. В 2009 году Сато и др. впервые продемонстрировали, что одна взрослая кишечная стволовая клетка Lgr5⁺ может спонтанно самоорганизовываться и дифференцироваться, образуя структуры крипты–ворсинки, охватывающие все линии кишечныхклеток 10.
Кишечный эпителий является первой линией защиты от токсичности Cd после проглатывания. Фактически, пероральная биодоступность Cd обычно составляет менее 5%. Токсичность кишечника, вызванная CD, характеризуется нарушением межклеточных соединений, увеличением параклеточной проницаемости и индуцированием воспалительных реакций. Кроме того, Cd нарушает иммунную работу кишечника и изменяет состав и гомеостаз микробиотыкишечника 11. В зависимости от дозы и продолжительности воздействия Cd может вызывать дисрегуляцию клеточного цикла, способствуя онкогенным фенотипам в одних случаях и вызывая апоптоз в других. CD может косвенно стимулировать выработку ROS (реактивных видов кислорода), вызывая окислительный стресс и редокс-дисбаланс. Функция рецепторов, киназ, фосфатаз, протеаз, адгезионных молекул и транскрипционных факторов может модулироваться с помощью редокс-сигнализации. Cd также нарушает сигнальные каскады, изменяя статус активации ERK1/2, JNK (c-Jun N-терминальная киназа) и p38 MAPK (p38-митоген-активированная протеинкиназа) на нескольких клеткахтипа 12. Активируя ERK1/2 в каскаде MAPK, Cd способствует пролиферации и выживанию клеток, подавляет запрограммированную гибель клеток и способствует аномальной гиперпролиферации13. Cd может прямо или косвенно регулировать экспрессию и активность ключевых эффекторных белков. Например, он понижает уровень опухолесупрессора p53 и усиливает антиапоптотические белки, такие как Bcl-2 и Bcl-xL, что в конечном итоге нарушает апоптоз и гомеостазклеточного цикла 14.
В моделях CO, используемых для оценки цитотоксических эффектов Cd, измерение содержания АТФ широко применяется для оценки жизнеспособности органоидов. АТФ, центральная молекула энергетического метаболизма, напрямую отражает общее метаболическое состояние и жизнеспособность органоидов. При воздействии кадмия в COs Cd в первую очередь вызывает дисфункцию митохондрий, усугубляет окислительный стресс и нарушает гомеостаз органоидной энергии. Эти события в совокупности ухудшают выработку АТФ и в конечном итоге снижают жизнеспособность органоидов. Поэтому изменения уровней АТФ служат надёжным функциональным показанием цитотоксичности, вызванной кадмием. Традиционные анализы цитотоксичности включают колориметрические анализы MTT/CCK-8, окрашивание Live/Dead и анализы на основе проточной цитометрии. По сравнению с этими методами, анализы на основе АТФ обладают явными преимуществами в трёхмерных органоидных системах. Из-за структурной сложности и выраженной пространственной гетерогенности органоидов традиционные методы окрашивания и визуализации часто ограничены недостаточным проникновением тканей и сниженной количественной точностью. В отличие от этого, анализы АТФ основаны на биолюминесцентной реакции, опосредованной люциферазой, что позволяет напрямую количественную оценку без нарушения структуры органоидов. Измерение АТФ демонстрирует высокую чувствительность и широкий динамический диапазон. Это позволяет обнаруживать непрерывные биологические реакции — от раннего подавления метаболизма до гибели органоидов, обеспечивая точный анализ дозы и ответа при различных концентрациях кадмия. Уровни АТФ всесторонне отражают общее функциональное состояние органоидов, превосходя подходы, основанные на морфологической оценке или отдельных молекулярных маркерах. Следовательно, этот анализ особенно подходит для высокопроизводительного скрининга токсичности, обеспечивая повышенную стабильность и воспроизводимость.
Основной принцип, лежащий в основе использования биолюминесценции АТФ для оценки чувствительности COs к воздействию Cd, заключается в том, что люцифераза светлячков катализирует окисление D-люциферина в присутствии АТФ,Mg 2⁺ и O₂ для образования оксилюциферина и испускания фотонов. Интенсивность излучаемого света пропорциональна измеряемому содержанию АТФ в образце в определённом линейном диапазоне. Таким образом, люминесценция служит косвенным количественным суррогатом клеточной метаболической активности или жизнеспособности. Органоиды встроены в внеклеточную матрицу и обладают многослойной трёхмерной структурой. Для этого реагенты для анализа АТФ оснащены оптимизированными составами и процедурами лизис-буфера. Эти оптимизации улучшают разрушение внутренних органоидных клеток, способствуют высвобождению АТФ и стабилизируют биолюминесцентныйсигнал 15. Важно, что биолюминесценция АТФ сообщает о метаболической активности, а не о точном количестве клеток. Например, ингибиторы митохондрий могут значительно снижать уровень АТФ в клетках за короткие промежутки, даже когда клетки остаются жизнеспособными. Напротив, некоторые ранние формы клеточной гибели могут временно сохранять относительно высокий уровень АТФ.
Несмотря на демонстрацию превосходной физиологической значимости при оценке токсичности кадмия (Cd), колоректальные органоидные модели имеют ряд практических ограничений. По сравнению с традиционными двумерными (2D) клеточными линиями, культивация органоидов занимает больше времени и требует больших затрат. Кроме того, их зависимость от матриц животного происхождения вводит вариабельность от партии к партии, что ограничивает их полезность в крупномасштабном и высокопроизводительном скрининге токсичности. Хотя эти модели весьма подходят для оценки прямого токсикологического воздействия тяжёлых металлов на кишечный эпителий, они пока не могут полностью заменить in vivo модели для оценки системной токсичности или сложных токсикокинетических процессов.
В этом исследовании человеческая колоректальная ткань использовалась в качестве исходного материала для выделения колоректальных стволовых клеток и создания СО in vitro. Органоиды подвергались воздействию Cd в различных концентрациях и с разной продолжительностью воздействия. Затем люминесценция измерялась с помощью многомодового считывателя микропластин в режиме обнаружения люминесценции. Жизнеспособность ячеек или значения IC50 были рассчитаны и визуализированы с помощью операционного программного обеспечения для конкретного считывателя микропластин.