3D in vitro-based alternative approaches to ecotoxicity assessment

Abstract

Given bioethics and the 3Rs (replacement, reduction, and refinement) principle, reliable test platforms are required due to the increased presence of endocrine-disrupting chemicals (EDCs) in the ecosystem. However, typical fish cell cultures show numerous limitations compared to primary cells. Therefore, there is a demand to develop novel systems for reproductive toxicity assessments as alternatives to animal testing. In this thesis, a zebrafish liver (ZFL) cell line was applied to three-dimensional (3D) cell culture techniques including in silico systems. The 3D structure of the zebrafish estrogen receptor was generated to evaluate modes of action upon estrogenic chemical exposure. The integration of the in silico model and in vitro platforms provided valuable tools for screening EDCs. Besides, 3D ZFL spheroids exhibited increased gene expressions in liver functions and vitellogenin levels compared to monolayer cells. The use of hydrogels and nanofibers regulated intercellular organization and physiological function and compensated for the shortcomings in the spheroid culture. These findings suggest the engineering of novel 3D platforms shows promise as alternative tools that are useful for further eco-environmental assessment. Therefore, the current studies have yielded robust alternative platforms to animal and primary cells for identifying potential EDCs. These approaches can contribute to reducing the experimental use of animals under the 3Rs principle.

Angesichts der Bioethik, dem 3R-Prinzip (Replacement, Reduction, und Refinement) und des Bestehens endokrin aktive Substanzen (EASs) im Ökosystem sind Testplattformen notwendig. Typische Fischzellkulturen weisen im Vergleich zu Primärzellen Limitierungen auf. Daher besteht Bedarf an der Entwicklung neuartiger Systeme für Reproduktionstoxizitätsbewertungen als Alternative zu Tierversuchen. In dieser Doktorarbeit wurde eine Zebrafischleber-Zelllinie auf 3D-Zellkulturtechniken, samt in-silico Systeme eingesetzt. Die 3D-Struktur des Zebrafisch-Östrogenrezeptors wurde generiert, um Wirkungsweisen unter dem Einfluß von östrogenen Chemikalien auszuwerten. Die Integration des in silico Modells und in vitro Plattformen ergaben wertvolle Werkzeuge für das Screening von EASs. 3D Sphäroide zeigten im Vergleich zu Monoschichtzellen eine erhöhte leberspezifische Genexpression und Vtg Konzentrationen. Die Nutzung von Hydrogelen und Nanofasern regulierte die interzelluläre Organisation und physiologische Funktion und kompensierte die Mängel in der Sphäroidkultur. Diese Resultate deuten darauf hin, dass die Entwicklung neuartiger 3D-Plattformen ein vielversprechender Ansatz ist und für weitere Öko-Umweltbewertungen lohnend sind. Die vorgelegte Arbeit zeigt, dass die erzeugte, robuste, alternative Plattformen zu tierischen und primären Zellen es ermöglicht EASs zu identifizieren. Diese Ansätze können dazu beitragen die experimentelle Nutzung von Tieren nach dem 3R-Prinzip zu reduzieren.