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Miniorgankulturen humaner nasaler Mukosa

Ein Modell für ökogenotoxikologische Untersuchungen

Genotoxicity studies in mini-organ cultures of human nasal mucosa

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Zusammenfassung

Hintergrund

Für inhalative und ingestive Umwelt- und Arbeitsstoffe ist das Epithel des oberen Aerodigestivtrakts das primäre Kontaktorgan. In diesem Zielgewebe entstehen durch Xenobiotika induzierte Karzinome. Über ein Modell epithelialer Miniorgankulturen zur Untersuchung genotoxischer Effekte wird hier berichtet.

Methode

Humane Mukosafragmente der unteren Nasenmuschel wurden als Miniorgane kultiviert und ein-, zwei- und dreifach gegenüber den potenziell mutagenen Substanzen N-Nitrosodiethylamin (NDEA), Benzo[a]pyren-7,8-dihydrodiol-9,10-epoxid (BPDE) und Natriumdichromat (Na2Cr2O7) mit anschließenden Reparaturphasen exponiert. Untersucht wurde die strukturelle Integrität der Miniorgankulturen (inverse Mikroskopie, Histologie), das Auftreten von DNA-Strangbrüchen und Reparaturaktivitäten mittels Einzelzellmikrogelelektrophorese (Comet Assay), die Apoptoseinduktion über Phosphatidylserinverlagerung (Annexin V Assay) sowie die Bildung der Entzündungsparameter Interleukin 8 und Granulozyten-Makrophagen-Kolonie-stimulierender-Faktor (ELISA).

Ergebnisse

Während einer zweiwöchigen Kultivierung blieben die Miniorgane strukturell intakt. Mehrfache Expositionen gegenüber NDEA und BPDE waren mit gesteigerter DNA-Migration verbunden. Na2Cr2O7 verursachte mit jeder weiteren Exposition höhere DNA-Fragmentierungen. Eine Reduzierung der DNA-Schäden im Sinne einer Reparatur war lediglich nach Exposition mit Na2Cr2O7 zu beobachten. Nach NDEA-Exposition zeigte sich keine, nach dreifacher BPDE- und Na2Cr2O7-Belastung jedoch eine signifikante Apoptoseinduktion. Entzündungsreaktionen über Veränderungen der Zytokinfreisetzung von Miniorgankulturen wurden nach NDEA-Belastung nicht nachgewiesen. Mehrfache BPDE- und Na2Cr2O7-Expositionen verursachten aber einen Rückgang der GM-CSF-Produktion, Na2Cr2O7 zusätzlich eine Reduzierung der IL-8-Freisetzung von Miniorganen.

Schlussfolgerung

Das dreidimensionale Miniorgankulturmodell humaner nasaler Mukosazellen konnte potenzielle Gefahrenstoffe in einer in-vivo-nahen Situation charakterisieren. Es erwies sich nicht nur für genotoxikologische, sondern auch für zytologische und immunologische Untersuchungen als geeignet und erlaubte mehrfache Expositionen mit anschließenden Reparaturphasen. Die metabolische Kompetenz dieser Organkulturen konnte durch die Produktion von Entzündungsparametern gezeigt werden.

Abstract

Background

Volatile and ingestive xenobiotics may induce cancer in the mucosa of the upper aerodigestive tract. A new model is presented combining mini-organ cultures of human mucosa and the Comet assay that allows investigation of tumor initiation steps in vitro.

Method

Specimens of human mucosa of the inferior nasal turbinates were cultured as mini-organs and exposed to xenobiotics once, twice or three times with consecutive repair intervals. The cultures were monitored for structural integrity (inverse microscopy, histology), DNA fragmentation and repair activity (Comet assay), induction of apoptosis (annexin V assay), and production of IL-8 and GM-CSF (ELISA).

Results

Mini-organ cultures showed a good structural integrity during the whole culture period. Exposure to N-nitrosodiethylamine (NDEA) and benzo[a]pyrene-7,8-dihydrodiol-9,10-epoxide (BPDE) induced significant DNA fragmentation. Sodium dichromate (Na2Cr2O7) had an additive DNA fragmentation effect with repetitive exposure. Significant DNA repair was seen after strand break induction by Na2Cr2O7, only. Apoptosis was seen after three exposures to BPDE und Na2Cr2O7, but not NDEA. Inflammatory cytokine release was unaltered by NDEA. However, BPDE and Na2Cr2O7 reduced GM-CSF and Na2Cr2O7 reduced IL-8 excretion.

Conclusion

This three dimensional mini-organ culture system proved to be very helpful in characterizing volatile and ingestive xenobiotics potentially hazardous to humans. Beside the information concerning genotoxicity, it allows cytological and immunological studies. In contrast to investigations with fresh specimens, repetitive or chronic exposure to xenobiotics is possible in mucosal cells with their epithelial structural integrity. Therefore, mini-organ cultures of human upper aerodigestive tract epithelia represent a model closely resembling the in vivo situation.

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  1. GenPharmTox BioTech AG, Martinsried

    B. C. Wallner

  2. Klinisch experimentelle Onkologie der Klinik und Poliklinik für Hals-, Nasen- und Ohrenkranke, Ludwig-Maximilians-Universität München

    U. A. Harréus

  3. Medizinische Klinik Innenstadt, Ludwig-Maximilians-Universität München

    F. Gamarra

  4. Ökogenotoxikologie der Klinik und Poliklinik für Hals-, Nasen- und Ohrenheilkunde, Universität Regensburg

    A. Sassen &  N. H. Kleinsasser

  5. Klinik und Poliklinik für Hals-, Nasen- und Ohrenheilkunde, Universität Regensburg, Franz-Josef-Strauß-Allee 11, 93042, Regensburg

    N. H. Kleinsasser

Authors
  1. B. C. Wallner
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  2. U. A. Harréus
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  3. F. Gamarra
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  4. A. Sassen
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  5. N. H. Kleinsasser
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Wallner, B.C., Harréus, U.A., Gamarra, F. et al. Miniorgankulturen humaner nasaler Mukosa. HNO 53, 1037–1046 (2005). https://doi.org/10.1007/s00106-005-1243-0

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