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

Chemicaliën in onze omgeving kunnen het lichaam soms op manieren beschadigen die moeilijk te zien zijn totdat de schade al is aangericht. Om de volksgezondheid te beschermen, hebben wetenschappers betere manieren nodig om te voorspellen welke stoffen gevaarlijk zijn voordat ze de mens bereiken. Decennialang vertrouwde dit werk zwaar op het testen van chemicaliën op dieren, maar een nieuwe generatie methoden verschuift de focus naar menselijke cellen die in laboratoria worden gekweekt. Deze "nieuwe benaderingsmethoden" (new approach methods) beogen sneller, goedkoper en relevanter te zijn voor de menselijke biologie. Een cruciaal onderdeel van deze verschuiving is het kijken naar hoe chemicaliën de activiteit van genen veranderen. Genen zijn de instructies in onze cellen, en wanneer een giftige chemische stof het lichaam binnendringt, verstoort deze vaak deze instructies door sommige aan en andere uit te zetten. Door deze veranderingen te lezen, kunnen wetenschappers het specifieke type schade identificeren dat een chemische stof veroorzaakt, zoals of het DNA beschadigt of de manier waarop cellen hun interne machinerie beheren, verstoort. Eén dergelijke verstoring betreft histon-deacetylaseremmers, of HDAC-remmers. Dit zijn chemicaliën die een natuurlijk proces genaamd deacetylatie verstoren, wat helpt om ons DNA compact en georganiseerd te houden. Wanneer dit proces wordt geblokkeerd, wordt het DNA te los, waardoor genen op de verkeerde momenten afgaan, wat potentieel kan leiden tot celsterfte of kanker. Het identificeren van deze specifieke verstoorders is cruciaal voor veiligheidstesten, maar de instrumenten die gebruikt worden om hen te vinden, waren historisch gezien beperkt tot celtypen die niet volledig representatief zijn voor de manier waarop de menselijke lever medicijnen verwerkt.

Onderzoekers bij Health Canada en hun internationale partners zetten zich in om dit gat te dichten door een nieuw detectie-instrument te creëren dat specifiek gericht is op menselijke levercellen. De lever is de belangrijkste chemische verwerkingscentrale van het lichaam, en het is de plek waar veel stoffen worden afgebroken voordat ze schade kunnen aanrichten. Het team gebruikte een geavanceerde menselijke levercellijn genaamd HepaRG, die bekend staat om haar vermogen om de natuurlijke metabole functies van de lever na te bootsen. Ze exposeerden deze cellen aan een zorgvuldig gekozen set van tweeëntwintig verschillende chemicaliën: acht bekende HDAC-remmers en veertien chemicaliën die dit effect niet hebben. Het doel was om een computersysteem te leren de unieke "vingerafdruk" te herkennen die door HDAC-remmers wordt achtergelaten. De onderzoekers behandelden de cellen met variërende hoeveelheden van elke chemische stof over een periode van drie dagen, een duur die lang genoeg is om de volledige biologische respons vast te leggen zonder de cellen onmiddellijk te doden. Vervolgens maten ze de activiteit van elk gen in de cellen met behulp van een geavanceerde sequencingtechnologie genaamd TempO-Seq, die werkt als een snelle scanner om de chemische instructies binnen de cel te lezen.

Vanuit deze enorme hoeveelheid data identificeerden de wetenschappers een specifieke set van eenhonderdtwee genen die consequent van activiteit veranderden telkens wanneer een HDAC-remmer aanwezig was. Ze noemden deze collectie genen TGx-HDACi-HepaRG. Om te testen of dit nieuwe instrument werkte, gebruikten ze het om de cellen opnieuw te analyseren, ditmaal kijkend naar alle verschillende concentraties van de chemicaliën die ze hadden getest. De resultaten waren opvallend accuraat. De nieuwe genensignatuur identificeerde elke HDAC-remmer correct als een bedreiging en identificeerde elke niet-remmer correct als veilig, met één opmerkelijke uitzondering: bij de laagste geteste concentratie slaagde het instrument er niet in om de HDAC-remmer Panobinostat correct te classificeren. Het werkte over een breed scala aan chemische sterktes, van zeer lage doses tot hoge doses, wat aantoont dat het instrument gevoelig genoeg is om deze verstoorders te vangen nog voordat ze voor duidelijke celsterfte zorgen. Dit niveau van precisie is essentieel omdat het betekent dat toezichthouders potentieel duizenden chemicaliën snel en betrouwbaar kunnen screenen zonder dat zij afhankelijk hoeven te zijn van dierproeven.

De studie onthulde ook iets belangrijks over hoe verschillende cellen reageren op dezelfde chemische stress. De onderzoekers vergeleken hun nieuwe levergebaseerde instrument met een oudere versie die was ontwikkeld met een ander type menselijke cel, dat niet over dezelfde metabole capaciteiten beschikt als de lever. Ze ontdekten dat de twee instrumenten bijna geen genen gemeen hadden; slechts vier genen waren hetzelfde in beide lijsten. Dit was geen falen, maar een ontdekking. Het toonde aan dat hoewel de uiteindelijke biologische uitkomst — de verstoring van de interne orde van de cel — hetzelfde is, het pad dat de cellen bewandelen om daar te komen sterk afhangt van het type cel betrokken is. De levercellen gebruikten een andere set genen om stress te signaleren dan de andere cellen deden. Deze bevinding versterkt het idee dat veiligheidstesten moeten worden afgestemd op het specifieke orgaan of celtype dat wordt bestudeerd om werkelijk nauwkeurig te zijn. Een instrument ontworpen voor de lever moet worden gebouwd met behulp van levercellen om de unieke manier waarop dat orgaan met chemicaliën omgaat, te kunnen vangen.

Naast het identificeren van de chemicaliën, keken de onderzoekers dieper naar wat deze eenhonderdtwee genen de cellen daadwerkelijk lieten doen. De analyse toonde aan dat de HDAC-remmers een gecoördineerde respons triggerden die betrokken is bij celcycluscontrole, stressbeheer en de verwijdering van beschadigde cellen. De genen wezen naar specifieke biologische paden, zoals die welke reguleren hoe cellen zich delen en hoe ze reageren op oxidatieve stress. Dit bevestigt dat het instrument niet alleen willekeurige ruis oppikt, maar een echte, complexe biologische mechanismen vastlegt die deze chemicaliën gevaarlijk maken. De onderzoekers merkten op dat hoewel het instrument perfect presteerde op de chemicaliën die werden gebruikt om het mee op te bouwen, het nog steeds getest moet worden tegen een breder scala aan substanties om te bewijzen dat het werkt in alle real-world scenario's. De successen van deze studie bieden echter een sterk fundament voor de toekomst. Het demonstreert dat het mogelijk is om hoogwaardige, menselijke instrumenten voor chemische veiligheid te bouwen die de unieke biologie van de menselijke lever respecteren, wat de weg vrijmaakt voor een moderner en effectiever systeem voor de bescherming van de volksgezondheid.