3D HUMAN iPSC-DERIVED BRAIN MODEL FOR NEUROTOXICOLOGY

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Serval ID
serval:BIB_DDA62CE75EC0
Type
PhD thesis: a PhD thesis.
Collection
Publications
Institution
Title
3D HUMAN iPSC-DERIVED BRAIN MODEL FOR NEUROTOXICOLOGY
Author(s)
Nunes Carolina Martins Resende Alves
Director(s)
Thomas Aurélien
Codirector(s)
Zurich Marie-Gabrielle
Institution details
Université de Lausanne, Faculté de biologie et médecine
Publication state
Accepted
Issued date
2021
Language
english
Abstract
Chemicals need to be tested for their potential to harm humans. Most of the guidelines for chemical risk assessment from the Organisation for Economic Co-operation and Development (OECD) include tests performed on animals, raising not only financial and ethical concerns but also scientific ones. Thus, the development and use of human-based models for toxicity testing is highly encouraged. Due to their few ethical constraints and ability to differentiate into all cell types, human induced pluripotent stem cells (hiPSC) have gained increasing scientific interest, and several hiPSC-derived neural and glial models have been proposed for neurotoxicity testing.
BrainSpheres (BS) is a hiPSC-derived 3D cell culture system containing various brain cell types, allowing cell-to-cell interactions and recapitulating the main neurodevelopmental processes. Here, the ability of BS to respond to chemical exposure has been characterized. Within the Marie Curie international training network in3, BS were exposed to various compounds, such as valproic acid, paraquat, amiodarone, cadmium, lead and doxorubicin. Cytotoxicity concentration-response curves were established to determine sub-lethal concentrations for further testing. The toxicogenomics tool TempO-Seq with a list of curated genes covering known stress pathways and cell-type specific markers showed to be a valuable tool to detect the biological processes disturbed by the tested chemicals. Data revealed that BS replicate the described mechanisms of action of the chemicals, such as oxidative stress and unfolded protein response for paraquat and metal response for cadmium, but also showed for the first time in brain cells, the perturbation of lipid metabolism after amiodarone exposure.
Since the nominal concentration of a chemical may not reflect its bioavailable concentration, distribution kinetics studies were performed. Results indicate a cellular accumulation of amiodarone with time, supporting the stronger adverse effects on neurons and astrocytes detected after repeated exposure, and an inefficient cellular uptake of Valproic acid, corroborating the few adverse effects observed.
Finally, to improve the ability of BS to mimic brain reactions to chemicals and therefore to better detect potential neurotoxicants, the possibility to reproduce the neuroinflammatory response was tested by adding hiPSC-derived microglia progenitors. In BS, the microglia progenitors gained microglia-like cells characteristics and, upon exposure to LPS and IFNγ, became reactive and had deleterious effects on oligodendrocytes.
Overall, the work presented here emphasizes the interest of using BS for neurotoxicity testing and adds precious information on the way this system can be used for mechanistic neurotoxicity assessment. Furthermore, it shows the importance of associating toxicokinetics to toxicodynamics in order to make BS a useful tool for quantitative in vitro to in vivo extrapolations (QIVIVE).
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Le potentiel toxique des produits chimiques présents dans l’environnement doit être évalué. Pour ce faire, la plupart des directives de l’Organisation de coopération et de développement économique (OCDE) incluent des tests à exécuter sur des animaux, ce qui soulève non seulement des questions financières et éthiques, mais aussi scientifiques. Le développement et l’utilisation de modèles basés sur des cellules humaines est donc fortement encouragé. Les cellules souches pluripotentes humaines induites (CSPhi) ont gagné un intérêt scientifique croissant étant donné le peu de contraintes éthiques qui leur sont liées, et leur capacité à se différencier dans tous les types de cellules de l’organisme. Ainsi, de nombreux modèles dérivés de CSPhis ont été proposés pour tester la neurotoxicité.
Le terme BrainSpheres (BS) désigne un modèle de cultures de cellules dérivées de CSPhis, contenant divers types cellulaires du cerveau, permettant de nombreuses interactions cellulaires et récapitulant les principaux processus du développement cérébral. Ici, la capacité des BS à répondre à une exposition aux produits chimiques a été caractérisée. Au sein du projet “in3” financé par le réseau international Marie Curie, les BS ont été exposées à différents composés, tels que paraquat, amiodarone, acide valproïque, cadmium, plomb et doxorubicine. Leur cytotoxicité a été établie pour sélectionner les concentrations à la limite de la toxicité. L’outil toxicogénomique TempO-Seq, comprenant une liste de gènes recouvrant les voies de signalisation de stress et des marqueurs spécifiques pour les différents types cellulaires, s’est révélé être très bon pour détecter les processus biologiques modifiés par les composés chimiques. Les résultats montrent que les BS répliquent les mécanismes d’action des produits chimiques, comme le stress oxydatif et la réponse aux protéines non repliées pour le paraquat, et la réponse aux métaux pour le cadmium. Mais ils montrent aussi, pour la première fois dans les cellules cérébrales, la perturbation du métabolisme lipidique après exposition à l’amiodarone.
Puisque la concentration nominale d’un composé chimique ne représente pas forcément sa concentration bio-disponible, la cinétique de distribution des composés a été déterminée. Les résultats indiquent une accumulation intracellulaire d’amiodarone qui supporte les effets délétères plus marqués détectés sur les neurones et les astrocytes après une exposition répétée, et une capture inefficace de l’acide valproïque corroborant l’observation de peu d’effets toxiques.
Finalement, pour améliorer la capacité des BS à mimer les réactions des cellules cérébrales aux produits chimiques, et donc affiner sa détection des neurotoxines, la possibilité de reproduire la réponse neuro-inflammatoire a été testée en ajoutant des progéniteurs de microglies dérivés de CSPhi. Dans les BS, ces cellules ont développé des caractéristiques de microglies et, après activation, sont devenues délétères pour les oligodendrocytes.
Dans l’ensemble, ce travail montre l’importance des BS pour la neurotoxicologie et ajoute de précieuses informations sur la manière d’utiliser ce système pour l’évaluation des mécanismes de neurotoxicité. De plus, il montre l’importance d’associer la toxicocinétique à la toxicodynamique dans le but de faire des BS un outil utile pour l’extrapolation in vitro-in vivo.
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We are constantly exposed to chemicals in our daily life. Determining the harmful effects of chemicals is thus important for human safety. Safety assessment is currently performed mainly through expensive, time consuming, scientifically and ethically questionable tests in animals. Human induced pluripotent stem cells (hiPSC) have less ethical problems associated and can be differentiated into many different cell types. Thus, hiPSC-derived models have gained increasing interest for neurotoxicology testing.
BrainSpheres (BS) is a hiPSC-derived 3D cell culture system containing various brain cell types, allowing cell-to-cell interactions and recapitulating the main developmental processes occurring in the brain. To be use for neurotoxicity testing, the ability of BS to replicate expected effects of chemical exposure should be evaluated. Within the Marie Curie training network in3, BS were exposed to very well-known chemicals, such as the herbicide paraquat, the heavy metals lead and cadmium and the drugs doxorubicin, amiodarone and valproic acid. Gene and protein expression techniques showed that BS can reproduce the previously described effects of these 6 different chemicals, suggesting that they can be used to assess the potentially toxic effects of unknown chemicals. Furthermore, in order to link the toxic effects detected in BS to the effects these chemicals could trigger in humans, the concentration of chemical that is available to interact with its targets should be defined. Therefore, tests were made to understand how the chemicals distribute in the BS system, between the medium, the cell fraction and the binding to plastic ware.
Finally, to improve the ability of BS to mimic the reaction of brain cells to chemicals, and thus to refine its detection of neurotoxins, the possibility to reproduce the neuroinflammatory response was evaluated by adding microglia, the brain resident macrophages and key players of the neuroinflammatory process, lacking in BS. These cells proved to be able to reproduce neuroinflammation traits and to cause detrimental effects on oligodendrocytes upon activation.
Overall, BS showed the possibility of being used to detect potentially detrimental chemicals and to be modified to evaluate the activation of neuroinflammation, in order to make the system even more powerful. Information on the effects of a given chemical together with its distribution in BS can be used to better associate the exposure to chemicals and its effects on human.
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Nous sommes constamment exposés à des produits chimiques dans notre vie de tous les jours. Il est donc très important d’en déterminer les effets nocifs pour notre santé. L’évaluation de la toxicité des produits chimiques est actuellement réalisée sur des animaux, ce qui soulève non seulement des questions financières et éthiques, mais aussi scientifiques. Les cellules souches pluripotentes humaines induites (CSPhi) présentent moins de contraintes éthiques, et sont capables de se différencier dans tous les types de cellules de l’organisme. Elles sont ainsi devenues très intéressantes pour tester la neurotoxicité.
Le terme BrainSpheres (BS) désigne un modèle de cultures de cellules dérivées de CSPhis, contenant divers types cellulaires du cerveau, permettant de nombreuses interactions cellulaires et récapitulant les principaux processus du développement cérébral. Ici, la capacité des BS à répondre à une exposition aux produits chimiques a été caractérisée. Au sein du projet
«in3» financé par le réseau international Marie Curie, les BS ont été exposées à différents composés connus, tels que l’herbicide paraquat, les métaux lourds cadmium et plomb, ainsi que les médicaments doxorubicine et acide valproïque. Différentes techniques, telles que l’expression de gènes et de protéines, ont montré que les BS sont capables de reproduire les effets toxiques précédemment reportés pour ces 6 composés, suggérant que les BS pourraient être utilisées pour détecter le potentiel neurotoxique de produits encore non testés. De plus, afin de pouvoir relier les effets toxiques détectés dans les BS aux effets que pourraient déclencher ces composés chez l’homme, la concentration de composé ayant effectivement pénétré dans les cellules a été déterminée.
Finalement, pour améliorer la capacité des BS à mimer les réactions des cellules cérébrales aux produits chimiques, et donc affiner sa détection des neurotoxines, la possibilité de reproduire la réponse neuro-inflammatoire a été testée en ajoutant des microglies, les macrophages résidents du cerveau et cellules clés du processus neuro-inflammatoire, manquant dans les BS. Ces cellules se sont montrées capables de reproduire certaines caractéristiques de la neuro-inflammation et de causer des effets délétères sur les oligodendrocytes.
Dans l’ensemble, ce travail montre la possibilité d’utiliser les BS pour détecter des produits potentiellement neurotoxiques et décrit certaines améliorations qui pourraient être apportées à ce système afin de le rendre encore plus performant. De plus, il montre l’importance de combiner la distribution d’un produit chimique dans les BS aux effets toxiques qu’il y provoque, afin de rendre l’utilisation de ce système in vitro possible pour la prédiction des effets délétères des produits chimiques sur la santé humaine dans le futur.
Create date
31/05/2022 11:44
Last modification date
14/06/2022 14:02
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