A Transcriptomic Biomarker to Classify Chemical-Induced Histone Deacetylase Inhibition in Human HepaRG Cells

Chemikalien in unserer Umwelt können den Körper manchmal auf eine Weise schädigen, die schwer zu erkennen ist, bis der Schaden bereits entstanden ist. Um die öffentliche Gesundheit zu schützen, benötigen Wissenschaftler bessere Wege, um vorherzusagen, welche Substanzen gefährlich sind, bevor sie den Menschen erreichen. Jahrzehntelang basierte diese Arbeit stark auf Tests von Chemikalien an Tieren, aber eine neue Generation von Methoden verlagert den Fokus auf menschliche Zellen, die im Labor gezüchtet werden. Diese „neuen Ansatzmethoden“ (New Approach Methods) zielen darauf ab, schneller, kostengünstiger und relevanter für die menschliche Biologie zu sein. Ein wesentlicher Teil dieses Wandels besteht darin, zu untersuchen, wie Chemikalien die Aktivität von Genen verändern. Gene sind die Anweisungen innerhalb unserer Zellen, und wenn eine toxische Chemikalie in den Körper gelangt, bringt sie diese Anweisungen oft durcheinander, indem sie einige einschaltet und andere ausschaltet. Durch das Lesen dieser Veränderungen können Wissenschaftler die spezifische Art des Schadens identifizieren, den eine Chemikalie verursacht, etwa ob sie die DNA beschädigt oder die Art und Weise stört, wie Zellen ihre interne Maschinerie verwalten. Eine solche Störung betrifft Histon-Deacetylase-Inhibitoren, oder HDAC-Inhibitoren. Dies sind Chemikalien, die in einen natürlichen Prozess namens Deacetylierung eingreifen, der hilft, unsere DNA dicht gepackt und organisiert zu halten. Wenn dieser Prozess blockiert wird, wird die DNA zu locker, was dazu führt, dass Gene zum falschen Zeitpunkt feuern und potenziell zu Zelltod oder Krebs führen kann. Das Identifizieren dieser spezifischen Störfaktoren ist entscheidend für die Sicherheitstests, aber die Werkzeuge, die zur Suche nach ihnen verwendet wurden, waren historisch gesehen auf Zelltypen beschränkt, die nicht vollständig repräsentieren, wie die menschliche Leber Medikamente verarbeitet.

Forscher bei Health Canada und ihre internationalen Partner setzten sich zum Ziel, diese Lücke zu schließen, indem sie ein neues Detektionswerkzeug speziell für menschliche Leberzellen entwickelten. Die Leber ist die Hauptverarbeitungsanlage des Körpers für Chemikalien, und dort werden viele Substanzen abgebaut, bevor sie Schaden anrichten können. Das Team verwendete eine hochentwickelte menschliche Leberzelllinie namens HepaRG, die für ihre Fähigkeit bekannt ist, die natürlichen metabolischen Funktionen der Leber nachzuahmen. Sie setzten diese Zellen einer sorgfältig ausgewählten Gruppe von zweiundzwanzig verschiedenen Chemikalien aus: acht bekannten HDAC-Inhibitoren und vierzehn Chemikalien, die diese Wirkung nicht haben. Das Ziel war es, einem Computersystem beizubringen, den einzigartigen „Fingerabdruck“ zu erkennen, den HDAC-Inhibitoren hinterlassen. Die Forscher behandelten die Zellen mit unterschiedlichen Mengen jeder Chemikalie über einen Zeitraum von drei Tagen – eine Dauer, die lang genug ist, um die volle biologische Reaktion zu erfassen, ohne die Zellen sofort abzutöten. Sie maßen dann die Aktivität jedes Gens in den Zellen mit einer Hochgeschwindigkeits-Sequenzierungstechnologie namens TempO-Seq, die wie ein schneller Scanner fungiert, um die chemischen Anweisungen innerhalb der Zelle zu lesen.

Aus dieser gewaltigen Menge an Daten identifizierten die Wissenschaftler einen spezifischen Satz von einhundert zwei Genen, die sich konsistent in ihrer Aktivität änderten, wann immer ein HDAC-Inhibitor vorhanden war. Sie nannten diese Genzusammenstellung TGx-HDACi-HepaRG. Um zu testen, ob dieses neue Werkzeug funktionierte, verwendeten sie es erneut zur Analyse der Zellen, diesmal unter Berücksichtigung aller verschiedenen Konzentrationen der getesteten Chemikalien. Die Ergebnisse waren bemerkenswert genau. Die neue Gen-Signatur identifizierte jeden einzelnen HDAC-Inhibitor korrekt als Bedrohung und identifizierte jede Nicht-Inhibitor korrekt als sicher, mit einer nennenswerten Ausnahme: Bei der niedrigsten getesteten Konzentration klassifizierte das Werkzeug den HDAC-Inhibitor Panobinostat nicht korrekt. Es funktionierte über ein breites Spektrum chemischer Stärken hinweg, von sehr niedrigen bis zu hohen Dosen, was zeigt, dass das Werkzeug empfindlich genug ist, um diese Störfaktoren zu erfassen, noch bevor sie offensichtlichen Zelltod verursachen. Dieses Maß an Präzision ist von entscheidender Bedeutung, da Regulierungsbehörden potenziell tausende von Chemikalien schnell und zuverlässig screenen könnten, ohne sich auf Tierversuche verlassen zu müssen.

Die Studie enthüllte auch etwas Wichtiges darüber, wie verschiedene Zellen auf denselben chemischen Stress reagieren. Die Forscher verglichen ihr neues leberbasiertes Werkzeug mit einer älteren Version, die mit einem anderen Typ menschlicher Zellen entwickelt worden war, der nicht über dieselben metabolischen Fähigkeiten wie die Leber verfügt. Sie fanden heraus, dass die beiden Werkzeuge fast keine gemeinsamen Gene hatten; nur vier Gene waren in beiden Listen identisch. Dies war kein Scheitern, sondern eine Entdeckung. Es zeigte, dass, obwohl das endgültige biologische Ergebnis – die Störung der internen Ordnung der Zelle – dasselbe ist, der Weg, den die Zellen dorthin nehmen, stark vom jeweiligen Zelltyp abhängt. Die Leberzellen nutzten einen anderen Satz von Genen, um Stress zu signalisieren, als die anderen Zellen es taten. Dieser Befund verstärkt die Erkenntnis, dass Sicherheitstests auf den spezifischen Organ- oder Zelltyp zugeschnitten sein müssen, den sie untersuchen, um wirklich genau zu sein. Ein Werkzeug, das für die Leber entwickelt wurde, muss unter Verwendung von Leberzellen gebaut werden, um die einzigartige Art und Weise zu erfassen, wie dieses Organ mit Chemikalien umgeht.

Über die bloße Identifizierung der Chemikalien hinaus untersuchten die Forscher tiefergehend, was diese einhundert zwei Gene den Zellen eigentlich zu sagen pflegen. Die Analyse zeigte, dass die HDAC-Inhibitoren eine koordinierte Reaktion auslösten, die die Zellzykluskontrolle, das Stressmanagement und die Entfernung beschädigter Zellen umfasst. Die Gene deuteten auf spezifische biologische Pfade hin, wie etwa jene, die regulieren, wie Zellen sich teilen und wie sie auf oxidativen Stress reagieren. Dies bestätigt, dass das Werkzeug nicht nur zufälliges Rauschen erfasst, sondern die realen, komplexen biologischen Mechanismen einfängt, die diese Chemikalien gefährlich machen. Die Forscher merkten an, dass das Werkzeug zwar bei den zur Konstruktion verwendeten Chemikalien perfekt funktionierte, aber noch gegen eine größere Vielfalt von Substanzen getestet werden muss, um zu beweisen, dass es in allen realen Szenarien funktioniert. Dennoch bietet der Erfolg dieser Studie ein starkes Fundament für die Zukunft. Er demonstriert, dass es möglich ist, hochpräzise, auf menschlichen Zellen basierende Werkzeuge für die chemische Sicherheit zu entwickeln, welche die einzigartige Biologie der menschlichen Leber respektieren, und ebnet so den Weg für ein moderneres und effektiveres System zum Schutz der öffentlichen Gesundheit.