Towards the assessment of human-relevant repeated dose toxicity using an in vitro systems toxicological approach

Abstract

The aim of this thesis was to investigate the applicability of the human liver cell line HepaRG in toxicological long-term studies. For this purpose, cells were 1) characterized on metabolic level 2) optimized for long-term cultivation and 3) applied in relevant scenarios. Metabolic characterization allows for comprehensive and meaningful phenotyping of cells. The HepaRG cell line was characterized in an untreated state, as well as upon treatment with drugs. Several commonalities with primary reference cells supported application of the cells in further toxicological studies. Next, optimization of HepaRG cells was investigated, using three-dimensional cultivation systems and adapting the composition of the culture medium. Increased activities in pivotal parameters and a 30-day duration were ensured with the tested approaches. In two concluding and comprehensive long-term studies, the potential hazard of drugs upon oral administration was estimated, and effects of drugs on the different cellular layers were assessed. The latter allowed for a holistic view and deep understanding of processes underlying drug-induced toxicity. Taken together, in this thesis, important steps and generally applicable techniques were illustrated that may help in reducing the number of animal testing in toxicological studies.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand darin die Anwendbarkeit der humanen Leberzelllinie HepaRG in toxikologischen Langzeitstudien zu untersuchen. Für diesen Zweck wurden die Zellen 1) auf metabolischer Ebene charakterisiert 2) für die Langzeitkultivierung optimiert und 3) in praxisrelevanten Studien eingesetzt. Die metabolische Charakterisierung erlaubt eine aussagekräftige Phänotypisierung von Zellen. Die HepaRG Zellen wurden hierfür sowohl unbehandelt, als auch unter Zugabe von Medikamenten untersucht. Zahlreiche Gemeinsamkeiten zu primären Referenzzellen unterstützten die Verwendung in weiteren toxikologischen Studien. Daraufhin wurde untersucht, inwieweit sich die Eigenschaften von HepaRG Zellen in 3D-Kultivierungssystemen und durch Anpassungen des Kulturmediums optimieren lassen. Mit den getesteten Verfahren konnten erhöhte Aktivitäten in zentralen Parametern sowie eine 30-tägige Studiendauer erzielt werden. In zwei abschließenden Langzeitstudien wurde die Gefährlichkeit von Medikamenten bei oraler Applikation abgeschätzt, und die Auswirkungen von Medikamenten auf den verschiedenen zellulären Ebenen untersucht. Letzteres ermöglichte eine ganzheitliche Abbildung und damit ein tiefgreifendes Verständnis der Prozesse die wirkstoffinduzierten toxischen Effekten zugrunde liegen. Insgesamt konnten in dieser Arbeit wichtige Schritte und generell anwendbare Techniken aufgezeigt werden, die mittelfristig zu einer Reduktion von Tierversuchen in Toxizitätsstudien führen können.