A cell line-based co-culture model of the inflamed intestinal mucosa and its application for safety and efficacy testing of nanomaterials

Abstract

In vitro cell culture models are an important alternative for animal testing, as they are less ethically questionable and avoid the problem of non-representative results due to species differences. A previously established 3D co-culture model of the inflamed intestinal mucosa consisting of human epithelial and primary immune cells was further developed by replacing primary cells by two human monocytic cell lines in order to have a stable and more reproducible system, which shows a well preserved ultrastructure and good barrier properties. With this model the safety of different nanoparticles (NPs) was investigated and it was shown that Ag NPs show a high cytotoxicity. Co-culture models incubated with Au NPs showed an inflammatory response although no toxic effects were measurable. Furthermore, differences between inflamed and non-inflamed co-cultures and Caco 2 monocultures were shown with the result that Caco 2 cells are more sensitive to toxic Ag NPs than the co-culture models. For the treatment of inflammatory bowel disease (IBD) nano- and microparticulate drug delivery systems (DDS) were developed, containing anti-inflammatory compounds budesonide and cyclosporine A. The anti-inflammatory effect of the formulations on the inflamed co-culture was shown by TEER and IL-8 measurement. In summary, the further developed co-culture model is a useful tool for safety testing of nanomaterials and can be used to test anti-inflammatory effects of DDS for the treatment of IBD.

In vitro Modelle sind eine wichtige Alternative zu Tierversuchen, da sie ethisch weniger fragwürdig sind und nicht-repräsentative Ergebnisse aufgrund von Spezies-Unterschieden vermeiden. Ein 3D Co-Kultur Modell der entzündeten Darmmukosa, bestehend aus menschlichen Epithel- und primären Immunzellen wurde entworfen, welches in der vorliegenden Arbeit weiterentwickelt wurde, indem die Primärzellen durch Zelllinien ersetzt wurden, um ein reproduzierbareres Modell zu erhalten. Mit diesem Modell wurde die Sicherheit verschiedener Nanomaterialen untersucht und es wurde gezeigt, dass Ag NP zytotoxisch wirken. Zell-Modelle, inkubiert mit Au NP, zeigten eine entzündliche Antwort, obwohl keine Toxizität gemessen werden konnte. Zusätzlich wurde gezeigt, dass Caco-2 Monokulturen empfindlicher gegenüber toxischen Ag NP sind als die Co-Kultur Modelle. Für die Behandlung entzündlicher Darmerkrankungen wurden nano- und mikropartikuläre Arzneistoffträgersysteme entwickelt, die die anti-entzündlichen Verbindungen Budesonide und Ciclosporin A enthalten. Der anti-entzündliche Effekt dieser Partikel wurde im entzündeten Co-Kultur Modell des Darms durch TEER und Zytokin Messungen gezeigt. Dies zeigt: Das weiterentwickelte Co-Kultur Modell ist ein nützliches Werkzeug für Sicherheitstests von Nanomaterialien. Darüber hinaus kann es genutzt werden, um anti-entzündliche Effekte von Arzneistoffträgersystemen für die Behandlung entzündlicher Darmerkrankungen zu testen.