Dokument: Development and application of intestinal in vitro models to investigate the link between plastic particle toxicity, intestinal inflammation, and the NLRP3 inflammasome

Titel:	Development and application of intestinal in vitro models to investigate the link between plastic particle toxicity, intestinal inflammation, and the NLRP3 inflammasome
Weiterer Titel:	Entwicklung und Anwendung von intestinalen in vitro Modellen zur Untersuchung des Zusammenhangs von Plastikpartikeltoxizität, Darmentzündung und dem NLRP3 Inflammasom
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=60044
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20220701-082503-4
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Busch, Mathias [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 10,83 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 29.06.2022 / geändert 29.06.2022
Beitragende:	Prof. Dr. Krutmann, Jean [Gutachter] Prof. Dr. Monzel, Cornelia [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	The global environmental pollution with plastic waste has led to the contamination of entire ecosystems with plastic particles in micro- and nanometer range. As a consequence, drinking water and food has been shown to contain micro- and nanoplastics, leading to oral exposure in the human population. The gastrointestinal tract (GIT) represents the first organ to come into contact with ingested plastic particles and could be a main target organ for particle-induced toxicity. Based on animal studies and in vitro experiments, the induction of pro-inflammatory reactions has been identified as one of the main adverse effects of micro- and nanoplastic particles in the GIT. As the NOD-, LRR- and pyrin domain-containing protein 3 (NLRP3) inflammasome has been shown to be involved in pro-inflammatory reactions after exposure to nanoparticles and fibers, it might also play a role plastic particle-mediated toxicity. Furthermore, NLRP3 is implicated in the pathogenesis of inflammatory bowel disease (IBD). This could imply a particular hazard coming from micro- and nanoplastics towards IBD-patients. To investigate the link between plastic particle toxicity, intestinal inflammation and the NLRP3 inflammasome, advanced in vitro models of the healthy and inflamed intestine were developed, validated and applied to micro- and nanoplastic particles. As a first step of this work, currently available in vitro models of the human intestine were described and strategies of varying complexity to study the intestinal effects of particles were reviewed. Based on the research questions of this thesis, an advanced triple culture model of the healthy and inflamed intestine (Caco-2/HT29-MTX-E12/THP-1) was chosen for the experimental work. In the first experimental study, it was observed that treatment with polyvinyl chloride particles caused increased levels of the pro-inflammatory cytokine IL-1β and a reduced number of epithelial cells in the inflamed model, but not the healthy one. These observations suggest a crucial role of the inflammation status during plastic particle-induced toxicity. In the second study, the triple culture model was spatially inverted in order to allow toxicological testing of buoyant plastic particles like polyethylene. Treatment with polyethylene particles induced cytotoxic effects as well as pro-inflammatory reactions in both healthy and inflamed state. A third study aimed at screening a large panel of different micro- and nanoplastics for NLRP3 activation in the macrophage-like cell line THP-1. It was found that, except for amine-modified polystyrene, none of the tested materials acted as a direct NLRP3 activator. However, polyethylene terephthalate particles induced an NLRP3-independent pro-inflammatory reaction. In the last study, the role of the NLRP3 inflammasome during intestinal inflammation was investigated in modified triple cultures using THP-1 knockout cell lines. The results suggest an important, adverse role of the NLRP3 inflammasome pathway during acute intestinal inflammation. The studies described in this thesis suggest that plastic particle-induced toxicity can depend on both polymer type and intestinal inflammation status. Although plastic particles do not appear to directly activate the NLRP3 inflammasome, the extent of acute intestinal inflammation is dependent upon NLRP3 activation. Since, for some polymer types, toxic effects depend on the inflammation status, their toxicological potential could still be indirectly linked to activation of the NLRP3 inflammasome. These findings contribute to the general understanding of possible adverse effects caused by micro- and nanoplastics and might aid in future risk assessment regarding the oral uptake of plastic particles. Furthermore, the approaches developed and validated in the framework of this thesis present a valuable addition to the existing portfolio of in vitro models used in toxicological, pharmacological, and immunological research. Die globale Umweltverschmutzung mit Plastikmüll hat zur Kontamination ganzer Ökosysteme mit Plastikpartikeln im Mikro- und Nanometerbereich geführt. Als Konsequenz konnte gezeigt werden, dass Trinkwasser und Lebensmittel Mikro- und Nanoplastik enthalten, was zur oralen Exposition der gesamten Bevölkerung führt. Der Gastrointestinaltrakt (GIT) stellt das erste Organ dar, welches mit oral aufgenommenen Plastikpartikeln in Kontakt kommt und könnte eines der Haupt-Zielorgane für partikelinduzierte Toxizität sein. Basierend auf Tierstudien und in vitro Experimenten wurde das Auslösen von entzündlichen Reaktionen als ein wichtiger adverser Effekt durch Mikro- und Nanoplastikpartikel im GIT identifiziert. Da gezeigt werden konnte, dass das NOD-, LRR- and pyrin domain-containing protein 3 (NLRP3)-Inflammasom bei pro-inflammatorischen Effekten, ausgelöst durch Nanopartikel und Fasern, involviert ist, könnte es auch eine Rolle bei Plastik-induzierter Toxizität spielen. Darüberhinaus ist das NLRP3-Inflammasom an der Pathogenese von chronisch-entzündlichen Darmkrankheiten beteiligt, was eine spezielle Gefahr, ausgehend von Mikro- und Nanoplastik, für diese Patienten implizieren könnte. Um die Verbindung zwischen der Toxizität von Plastikpartikeln, intestinaler Entzündung und dem NLRP3 Inflammasom zu untersuchen, wurden fortgeschrittene in vitro Modelle des gesunden und entzündeten Darms entwickelt, validiert und auf Mikro- und Nanoplastikpartikel angewendet. Als erster Schritt dieser Arbeit wurden aktuell verfügbare in vitro Modelle des menschlichen Darms beschrieben und mögliche Teststrategien unterschiedlicher Komplexität zusammengefasst, um intestinale Effekte von Plastikpartikeln zu untersuchen. Basierend auf den Forschungsfragen dieser Dissertation wurde ein fortgeschrittenes Tripel-Kultur Modell des gesunden und entzündeten Darms (Caco-2/HT29-MTX-E12/THP-1) für die experimentellen Arbeiten ausgewählt. In der ersten experimentellen Studie wurde beobachtet, dass eine Behandlung des entzündeten Modells mit Polyvinylchloridpartikeln zu erhöhten Leveln des pro-inflammatorischen Zytokins IL-1β und einer reduzierten Anzahl an Epithelzellen führt. Diese Beobachtung lässt vermuten, dass der Entzündungsstatus eine wichtige Rolle bei plastikpartikelinduzierter Toxizität spielt. In der zweiten Studie wurde die Tripel-Kultur räumlich invertiert, sodass es möglich ist, nicht-sedimentierende Plastikpartikel, wie z.B. Polyethylen, toxikologisch zu untersuchen. Eine Behandlung mit Polyethylen führte zu zytotoxischen Effekten und pro-inflammatorischen Reaktionen sowohl im gesunden, als auch entzündeten Modell. Das Ziel einer dritten Studie war das Screening einer großen Auswahl an verschiedenen Mikro- und Nanoplastikpartikeln, um herauszufinden, ob die Partikel das NLRP3 Inflammasom in der makrophagenähnlichen Zelllinie THP-1 aktivieren. Außer amino modifiziertem Polystyrol agierte keines der getesteten Materialien als direkter NLRP3-Aktivator. Trotzdem zeigten Polyethylen-Terephthalatpartikel NLRP3-unabhängiges, pro-inflammatorisches Potenzial. In der letzten Studie wurde die Rolle des NLRP3 Inflammasoms während intestinaler Entzündung mittels modifizierter Tripel-Kulturen (THP-1 knockout Zelllinien) untersucht. Die Ergebnisse sprechen für eine wichtige, schädliche Rolle des NLRP3 Inflammasom-Signalwegs während der Entzündung. Die Studien in dieser Dissertation suggerieren, dass Plastikpartikelinduzierte Toxizität sowohl von Polymertyp, als auch von Entzündungsstatus abhängig ist. Obwohl Plastikpartikel das NLRP3 Inflammasom anscheinend nicht direkt aktivieren können, ist das Ausmaß der intestinalen Entzündung direkt vom NLRP3-Signalweg abhängig. Da die Toxizität einiger Polymertypen vom Entzündungsstatus abhängig ist, könnte ihr toxikologisches Potenzial indirekt mit dem NLRP3 Inflammasom verknüpft sein. Diese Erkenntnisse tragen zum grundsätzlichen Verständnis von möglichen adversen Effekten bei, die durch Plastikpartikel entstehen und könnten bei zukünftiger Risikobewertung hilfreich sein. Die Ansätze, die im Rahmen dieser Dissertation entwickelt und validiert wurden, präsentieren einen wertvollen Beitrag zur existierenden Auswahl an in vitro Modellen, die in der toxikologischen, pharmakologischen und immunologischen Forschung genutzt werden können.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	01.07.2022
Dateien geändert am:	01.07.2022
Promotionsantrag am:	31.03.2022
Datum der Promotion:	28.06.2022