同一培养体系分时测量肝细胞分泌功能

体外肝毒性评价除了检测细胞是否存活,还需要观察肝细胞的分泌功能如何随药物暴露改变。哈佛大学(Harvard University)、麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)等美国机构的团队在 Scientific Reports 报道,将自动磁珠电化学免疫传感器接入肝细胞微反应器,重复检测培养液中的蛋白标志物。

系统采用带有捕获抗体的磁珠收集待测蛋白,再把磁珠送入独立的电化学检测区。磁珠在每次测量后更换,电极与微流体通路则可继续使用。可编程微阀控制样品和磁珠移动,让同一个培养模型能够在不同时间接受检测。

研究分两步检验系统。先用 HepG2 肝癌细胞球状体产生的转铁蛋白比较不同检测方式,再接入人原代肝细胞球状体,观察对乙酰氨基酚暴露后的转铁蛋白和白蛋白分泌。细胞系阶段的检测比较,与原代细胞阶段的毒性评价分别解释。

转铁蛋白检测先核对量程和重复使用

转铁蛋白标准样品的测试范围为 0–16,000 ng/mL,片上信号在 10–4,000 ng/mL 区段呈半对数线性关系。根据该研究的背景信号与回归分析,片上检测限为 0.03 ng/mL;离片电化学检测和酶联免疫吸附测定在同一研究中的检测限均为 0.2 ng/mL。

片上转铁蛋白检测限约为另两种方式的 1/6.7。团队还在 6 天内、间隔 2 天完成 4 次重复检测,结果未出现显著变化,支持更换磁珠后继续使用同一检测电极。

HepG2 培养液与常规免疫测定结果接近

在 HepG2 生物反应器中,片上测得第 1、3、5 天的转铁蛋白分泌率分别为 10.34、13.8 和 17.6 微克/天/10⁶ 个细胞;常规酶联免疫吸附测定对应为 9.7、13.4 和 16.8。两种方式都观察到分泌率随培养时间上升。

上述结果按细胞数量与时间计算分泌率。手工离片电化学检测所得平均值较低,作者认为磁珠操作损失及手工处理的干扰可能参与其中。片上程序化处理减少了手工步骤,测量值也更接近常规免疫测定。

原代肝细胞模型比较两种药物浓度

药物评价采用人原代肝细胞球状体构成的微反应器,初始细胞总量为(2.5 ± 0.4)×10⁵。模型在闭环灌流中培养,流量为 200 微升/小时;研究设置无药对照,以及 5 mM 和 10 mM 对乙酰氨基酚条件,观察 5 天。

传感器在第 1、3、5 天测量转铁蛋白和白蛋白。未加药模型的转铁蛋白分泌率从第 1 天的 6.7 增至第 5 天的 19.3 微克/天/10⁶ 个细胞,白蛋白则从 15.1 增至 31.8。两个分泌终点为解释药物组提供了随时间变化的对照。

10 mM 药物组在第 3 和第 5 天的转铁蛋白及白蛋白分泌低于对照。5 mM 组的反应较轻:转铁蛋白在第 1、3 天与对照没有显著差异,第 3 到第 5 天的变化也较小。分泌率不再沿对照组上升,说明仅比较单个时间点,可能遗漏功能变化的过程。

人原代肝细胞微反应器在对乙酰氨基酚处理后的转铁蛋白、白蛋白分泌及细胞存活变化。

窄屏可横向滑动查看完整图表。

人原代肝细胞微反应器在对乙酰氨基酚处理后的转铁蛋白、白蛋白分泌及细胞存活变化。(Reza Riahi et al. / Scientific Reports, 2016, Fig. 6;CC BY 4.0)

分泌变化与细胞存活共同判断

团队在相同观察日进行活死染色,并用图像分析评价存活。无药对照在观察期内保持较高存活水平;5 mM 组至第 5 天约为 80%;10 mM 组在第 3、5 天出现明显下降,与该时间点分泌率下降的方向一致。

论文各项实验采用 3 次独立重复,以均值和均值标准误报告;相关主文未明确原代细胞供者数。转铁蛋白、白蛋白分泌及细胞存活在同一观察日出现相应变化,为解释这次对乙酰氨基酚暴露的功能影响提供了互补指标。

本实验在预定观察日重复检测同一人源肝模型,并通过程序控制样品进入传感器。作者提出,今后还可更换识别不同标志物的磁珠,以拓展多标志物检测;该方向在论文中仍属后续改进计划。

来源与延伸阅读

  1. Automated microfluidic platform of bead-based electrochemical immunosensor integrated with bioreactor for continual monitoring of cell secreted biomarkers. Scientific Reports. 2016. doi:10.1038/srep24598 ↗