高通量2D細胞與3D皮膚模型篩選局部外用化合物之皮膚刺激性



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更新日期:2021-02-08

       潛在皮膚刺激性(skin irritation)對於局部性外用藥和其他消費產品(例如化妝品)是非常重要的安全性評估之一。針對消費產品和原料的安全性評估,歐盟和部分國家(地區)已經立法強制要求使用先進的細胞模型取代動物實驗的進行。但是,目前尚未針對局部外用化合物在不同皮膚細胞模型中的評估結果進行大規模比較。

       美國國家衛生研究院(National Institutes of Health, NIH)的研究團隊,包含國家推進轉化科學中心(National Center for Advancing Translational Sciences, NCATS)、國家毒理學計畫部門(Division of the National Toxicology Program, NTP),以及國家眼科研究所(National Eye Institute, NEI)等,利用建立於(96孔盤)高通量篩選(high throughput screening, HTS)平台的不同皮膚細胞模型,針對局部外用化合物評估其潛在皮膚刺激性。


 辨識潛在皮膚刺激物之流程圖 (原文圖1A)

       第一階段,先利用初代新生兒角質形成細胞和永生化人類角質形成細胞(primary / immortalized human keratinocytes)培養的二維(two-dimensional, 2D)單層(monolayer)細胞模型測試了451種局部外用的化合物,這些測試化合物分別選自TOX21 10K化學資料庫與OECD相關測試規範的參考物質。藉由偵測化合物引起的細胞毒性(cytotoxicity),從中篩選出的46種有毒化合物。第二階段,再進一步利用重建人類表皮(reconstructed human epidermis, RhE)與全厚度皮膚(full thickness skin, FTS)等兩種三維(three-dimensional, 3D)組織模型,藉由偵測組織存活性(tissue viability)、跨上皮電阻(Transepithelial electrical resistance, TEER),以及細胞激素1α(IL-1α)和18(IL-18)的分泌等來評估這些化合物的潛在皮膚刺激性。例如,在已知的刺激物中,高濃度的甲基紫(methyl violet) and和甲基玫瑰苯胺(methylrosaniline)均會降低RhE和FTS模型中組織存活性與TEER,但會增加IL-1α的分泌,這與皮膚刺激物特性相符。但是,這兩種化合物在低濃度下均可增加RhE或FTS模型中的IL-18分泌,卻不會影響分泌的IL-1α的產生,也不會降低組織存活性和TEER。這樣代表低濃度的甲基紫和甲基玫瑰苯胺具有潛在皮膚致敏性(skin sensitisation),而不會引發皮膚刺激。


高通量2D細胞與3D皮膚模型之培養流程圖 (原文圖1C&D)

       同時使用可兼容於高通量篩選平台的2D細胞與3D組織皮膚模型,並配合與皮膚刺激性相關的活性終點(activity endpoints),可獲得數據協助評估局部外用化合物造成的刺激效應,並確認其潛在皮膚危害性。

原文連結:Two-Dimensional Cellular and Three-Dimensional Bio-Printed Skin Models to Screen Topical-Use Compounds for Irritation Potential, Front. Bioeng. Biotechnol., 2020

編譯:鄭獻仁 博士/兼任助理教授
校稿:林嬪嬪 研究員