Fegato bioartificiale per studi di epatotossicità, metabolismo, rigenerazione di epatociti, epatite virale, induzione enzimatica e trapianto

[Giri S, Braumann UD, Giri P, Acikgöz A, Scheibe P, Nieber K, Bader A. Nanostructured self-assembling peptides as a defined extracellular matrix for long-term functional maintenance of primary hepatocytes in a bioartificial liver modular device. Int J Nanomedicine. 2013;8:1525-39. doi: 10.2147/IJN.S33589. Epub 2013 Apr 18.]

Full Text: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3632584/

Abstract:

Much effort has been directed towards the optimization of the capture of in vivo hepatocytes from their microenvironment. Some methods of capture include an ex vivo cellular model in a bioreactor based liver module, a micropatterned module, a microfluidic 3D chip, coated plates, and other innovative approaches for the functional maintenance of primary hepatocytes. However, none of the above methods meet US Food and Drug Administration (FDA) guidelines, which recommend and encourage that the duration of a toxicity assay of a drug should be a minimum of 14 days, to a maximum of 90 days for a general toxicity assay. Existing innovative reports have used undefined extracellular matrices like matrigel, rigid collagen, or serum supplementations, which are often problematic, unacceptable in preclinical and clinical applications, and can even interfere with experimental outcomes. We have overcome these challenges by using integrated nanostructured self-assembling peptides and a special combination of growth factors and cytokines to establish a proof of concept to mimic the in vivo hepatocyte microenvironment pattern in vitro for predicting the in vivo drug hepatotoxicity in a scalable bioartificial liver module. Hepatocyte functionality (albumin, urea) was measured at days 10, 30, 60, and 90 and we observed stable albumin secretion and urea function throughout the culture period. In parallel, drug metabolizing enzyme biomarkers such as ethoxyresorufin-O-deethylase, the methylthiazol tetrazolium test, and the lactate dehydrogenase test were carried out at days 10, 30, 60, and 90. We noticed excellent mitochondrial status and membrane stability at 90 days of culture. Since alpha glutathione S-transferase (GST) is highly sensitive and a specific marker of hepatocyte injury, we observed significantly low alpha GST levels on all measured days (10, 30, 60, and 90). Finally, we performed the image analysis of mitochondria-cultured hepatocytes at day 90 in different biophysical parameters using confocal microscopy. We applied an automatic algorithm-based method for 3D visualization to show the classic representation of the mitochondrial distribution in double hepatocytes. An automated morphological measurement was conducted on the mitochondrial distribution in the cultured hepatocytes. Our proof of concept of a scalable bioartificial liver modular device meets FDA guidelines and may function as an alternative model of animal experimentation for pharmacological and toxicological studies involving drug metabolism, enzyme induction, transplantation, viral hepatitis, hepatocyte regeneration, and can also be used in other existing bioreactor modules for long-term culture for up to 90 days or more.

Nel testo:

”Dopo 80 anni di dipendenza dalla sperimentazione animale che dà risultati imprevisti ed irrealistici, è il momento di esplorare il dispositivo modulare per sostituire gli animali e fornire risultati rilevanti per farmaci più sicuri […] Questa interazione 3D è molto efficace nel ricapitolare le funzioni fisiologiche degli epatociti in vivo dopo l’isolamento degli epatociti nel fegato in vivo. Le aziende farmaceutiche sono sotto pressione per sviluppare farmaci più sicuri perché un certo numero di farmaci approvati ed arrivati al mercato sono falliti negli ultimi dieci anni. Molte aziende farmaceutiche e biotecnologiche sono ora alla ricerca di strategie efficaci per migliorare la fase preclinica nel riconoscere farmaci candidati non selezionati all’inizio del processo di scoperta di nuovi farmaci. Le industrie farmaceutiche e biotecnologiche sono sempre più alla ricerca di un modello cellulare ex vivo che riproduca lo stato del fegato ad arte che possa sostituire l’uso di animali nei test di screening di farmaci nella fase iniziale di selezione dei candidati farmaci [ … ] Questo dispositivo modulare ottimizzato ha un grande potenziale nel predire la tossicità in vivo ed è molto adatto a misurare il metabolismo e la tossicità dei farmaci con una correlazione molto buona alla situazione in vivo. Esso minimizza il divario tra la situazione in vivo e quella in vitro. Questo studio proof of concept in un dispositivo modulare di fegato bioartificiale potrebbe sostituire milioni di animali che vengono attualmente sacrificati nei test preclinici ed aprire una nuova prospettiva per nuovi, più sicuri prodotti farmaceutici”

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