Использование культуры клеток человека для оценки токсичности воды (обзор литературы)

Проблема загрязнения водных объектов, связанная с растущей антропогенной нагрузкой, привлекает особое внимание. Большинство алгоритмов изучения физико-химических характеристик образцов воды для оценки гигиенического состояния водоисточников не позволяют определить весь спектр загрязняющих соединений. Однако санитарно-химический анализ водных объектов становится более информативным при его сочетании с биотестированием. Одним из перспективных направлений является использование в качестве тест-объектов клеточных линий человека. Для подготовки литературного обзора использовали источники, опубликованные за последние 10 лет и размещённые в следующих базах данных: Scopus, Web of Science, PubMed, РИНЦ. Информация, полученная в результате проведённого анализа литературных данных, свидетельствует о высокой чувствительности клеточных линий, полученных из пищеварительной (Caco-2, HepG2) и выделительной (HEK-293) систем человека, к содержащимся в образцах воды поллютантам. Данные указывают не только на цитопатическое действие находящихся в воде загрязняющих соединений, но и на изменения цитохимических и цитоморфологических характеристик культур клеток под воздействием определённого поллютанта.

Использование культуры клеток человека в качестве тест-объекта для проведения биотестирования имеет особую актуальность при исследовании без процедуры предварительной пробоподготовки воды источников, которые являются единственными для водоснабжения населения в хозяйственно-питьевых целях. Применение культуры клеток человека в процедуре биотестирования позволит дать токсикологическую характеристику проб воды и оценить возможность развития нежелательного эффекта, связанного с попаданием поллютантов во внутреннюю среду организма.

Участие авторов:
Мамонова И.А. — концепция и дизайн исследования, написание текста, ответственность за целостность всех частей статьи;
Кошелева И.С. — сбор и обработка материала, написание текста, редактирование;
Широков А.А. — написание текста, редактирование,
Гусев Ю.С. — концепция и дизайн исследования;
Микеров А.Н. — утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи.

Благодарность. Выражаем благодарность сотрудникам центра коллективного пользования «Симбиоз» и лаборатории иммунохимии ИБФРМ РАН, выполняющим исследования в рамках проекта ГЗ № 121031100266-3, за оказание консультативной помощи при подборе и анализе литературных данных.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов в связи с публикацией данной статьи.

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки. 

Поступила: 22.03.2023 / Принята к печати: 31.05.2023 / Опубликована: 20.06.2023

1. Sommaggio L.R.D., Mazzeo D.E.C., Pamplona-Silva M.T., Marin-Morales M.A. Evaluation of the potential agricultural use of biostimulated sewage sludge using mammalian cell culture assays. Chemosphere. 2014; 199: 10–5. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2018.01.144

2. Heritier L., Duval D., Galinier R., Meistertzheim A.L., Verneas O. Oxidative stress induced by glyphosate-based herbicide on freshwater turtles. Environ. Toxicol. Chem. 2017, 36(12): 3343–50. https://doi.org/10.1002/etc.3916

3. Trintinaglia L., Bianchi E., Silva L., Nascimento C., Spilki F., Ziulkoski A. Cytotoxicity assays as tools to assess water quality in the Sinos River basin. Braz. J. Biol. 2015; 75(2 Suppl.): 75–80. https://doi.org/10.1590/1519-6984.0113

4. Miège C., Choubert J.M., Ribeiro L., Eusèbe M., Coquery M. Fate of pharmaceuticals and personal care products in wastewater treatment plants – conception of a database and first results. Environ. Pollut. 2009; 157(5): 1721–6. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2008.11.045

5. Зайцева Н.В., Сбоев А.С., Клейн С.В., Вековшинина С.А. Качество питьевой воды: факторы риска для здоровья населения и эффективность контрольно-надзорной деятельности Роспотребнадзора. Анализ риска здоровью. 2019; (2): 44–55. https://doi.org/10.21668/health.risk/2019.2.05 https://elibrary.ru/ebsbcs

6. Косарев А.В., Иванов Д.Е., Микеров А.Н., Савина К.А. Оценка канцерогенного и неканцерогенного рисков здоровью, обусловленных качеством питьевой воды родников аридной зоны. Гигиена и санитария. 2020; 99(11): 1294–300. https://doi.org/10.47470/0016-9900-2020-99-11-1294-1300 https://elibrary.ru/hvdgpu

7. Новикова Ю.А., Маркова О.Л., Фридман К.Б. Основные направления минимизации рисков здоровью населения, обусловленных загрязнением поверхностных источников питьевого водоснабжения лекарственными средствами. Гигиена и санитария. 2018; 97(12): 1166–70. https://doi.org/10.18821/0016-9900-2018-97-12-1166-1170 https://elibrary.ru/vqbsob

8. Русских Я.В., Чернова Е.Н., Некрасова Л.В., Воякина Е.Ю., Никифоров В.А., Жаковская З.А. Первые результаты определения новых экотоксикантов в водоёмах Северо-Запада РФ. Региональная экология. 2011; (1–2): 82–7. https://elibrary.ru/twhukv

9. Некрасова Л., Русских Я., Чернова Е., Жаковская З., Никифоров В., Рыжов М. Одновременное определение ряда лекарственных соединений методом жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии высокого разрешения. Аналитика. 2012; 2(3): 38–45. https://elibrary.ru/piespt

10. Баренбойм Г.М., Чиганова М.А. Загрязнение поверхностных и сточных вод лекарственными препаратами. Вода: Химия и экология. 2012; (10): 40–6. https://elibrary.ru/pdhjyv

11. Продоус О.А., Шлычков Д.И. Прогнозирование возможности продолжения эксплуатации самотечных сетей водоотведения с отложениями в лотковой части труб. Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2021; 11(4): 646–53. https://doi.org/10.21285/2227-2917-2021-4-646-653 https://elibrary.ru/oofpre

12. Niss F., Rosenmai А.K., Mandava G., Örn S., Oskarsson A., Lundqvist J. Toxicity bioassays with concentrated cell culture media – a methodology to overcome the chemical loss by conventional preparation of water samples. Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2018; 25(12): 12183–8. https://doi.org/10.1007/s11356-018-1656-4

13. Иванов Д.Е., Сулейманов Р.А., Косарев А.В., Микеров А.Н., Кошелева И.С., Валеев Т.К. Возможности применения методов биотестирования в интегральной оценке качества поверхностных источников водоснабжения населения. Медицина труда и экология человека. 2022; (1): 159–76. https://doi.org/10.24411/2411-3794-2022-10111 https://elibrary.ru/fkevqr

14. Донерьян Л.Г., Водянова М.А. Обоснование места альтернативных биологических методов в гигиенических исследованиях. Гигиена и санитария. 2018; 97(11): 1093–7. https://doi.org/10.18821/0016-9900-2018-97-11-1093-97 https://elibrary.ru/ypxhxv

15. Маячкина Н.В., Чугунова М.В. Особенности биотестирования почв с целью их экотоксикологической оценки. Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2009; (1): 84–93. https://elibrary.ru/jwyeuf

16. Jaeger N., Moraes J.P., Klauck C.R., Gehlen G., Rodrigues M.A., Ziulkoski A.L. Cytotoxicity assays to evaluate tannery effluents treated by photoelectrooxidation. Braz. J. Biol. 2015; 75(4 Suppl. 2): 53–61. https://doi.org/10.1590/1519-6984.01713suppl

17. Burden N., Benstead R., Clook M., Doyle I., Edwards P., Maynard S.K., et al. Advancing the 3Rs in regulatory ecotoxicology: A pragmatic cross‐sector approach. Integr. Environ. Assess. Management. 2016; 12(3): 417–21. https://doi.org/10.1002/ieam.1703

18. Bianchi E., Goldoni A., Trintinaglia L., Lessing G., Silva C.E.M., Nascimento C.A., et al. Evaluation of genotoxicity and cytotoxicity of water samples from the Sinos River Basin, southern Brazil. Braz. J. Biol. 2015; 75(2 Suppl.): 68–74. https://doi.org/10.1590/1519-6984.1913

19. Poteser M. Cell-based in vitro models in environmental toxicology: a review. Biomonitoring. 2017; 4(1): 11–26. https://doi.org/10.1515/bimo-2017-0002

20. Orescanin V., Kopjar N., Durgo K., Elez L., Gustek S.F., Colic J.F. Citotoxicity status of electroplating wastewater prior/after neutralization/purification with alkaline solid residue of electric arc furnace dust. J. Environ. Sci. Health A Tox. Hazard. Subst. Environ. Eng. 2009; 44(3): 273–8. https://doi.org/10.1080/10934520802597945

21. Masood M.I., Hauke N.T., Nasim M.J., Sarfraz M., Naseem M., Schäfer K.H. Neural stem cell-based in vitro bioassay for the assessment of neurotoxic potential of water samples. J. Environ. Sci. (China). 2021; 101: 72–86. https://doi.org/10.1016/j.jes.2020.07.028

22. Haber A.L., Biton M., Rogel N., Herbst R.H., Shekhar K., Smillie C., et al. A single-cell survey of the small intestinal epithelium. Nature. 2015; 551(7680): 333–9. https://doi.org/10.1038/nature24489

23. Ma J.Y., Bao X.C., Tian W., Cui D.L., Zhang M.Y., Yang J. Effects of soil-extractable metals Cd and Ni from an e-waste dismantling site on human colonic epithelial cells Caco-2: Mechanisms and implications. Chemosphere. 2022; 292: 133361. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.133361

24. Rapa S.F., Di Paola R., Cordaro M., Siracusa R., D’Amico R., Fusco R. Plumericin protects against experimental inflammatory bowel disease by restoring intestinal barrier function and reducing apoptosis. Biomedicines. 2021; 9(1): 67. https://doi.org/10.3390/biomedicines9010067

25. Тарасова Е.Ю., Семенов Э.И., Матросова Л.Е., Мишина Н.Н., Мухарлямова А.З. Изучение сорбционной активности потенциальных средств профилактики микотоксикозов в отношении афлатоксинов. Ветеринарный врач. 2020; (2): 51–8. https://doi.org/10.33632/1998-698x.2020-2-51-58 https://elibrary.ru/eljdki

26. Самсонов А.И. Культура клеток как объект для оценки токсичности микотоксинов и средств защиты in vitro (обзор). Вестник Марийского государственного университета. Серия: Сельскохозяйственные науки. Экономические науки. 2021; 7(3): 242–50. https://doi.org/10.30914/2411-9687-2021-7-3-242-250 https://elibrary.ru/nxighc

27. Vila L., Marcos R., Hernández A. Long-term effects of silver nanoparticles in caco-2 cells. Nanotoxicology. 2017; 11(6): 771–80. https://doi.org/10.1080/17435390.2017.1355997

28. Keemink J., Bergström C.A.S. Caco-2 cell conditions enabling studies of drug absorption from digestible lipid-based formulations. Pharm. Res. 2018; 35(4): 74. https://doi.org/10.1007/s11095-017-2327-8

29. Шохин И.Е., Раменская Г.В., Кулинич Ю.И., Савченко А.Ю. Изучение кишечной проницаемости в условиях in vitro на монослое эпителиальных клеток Caco-2 (обзор). Сеченовский вестник. 2012; (3): 31–5. https://elibrary.ru/smhfar

30. Husejnovic M.S., Bergant M., Jankovic S., Zizek S., Smajlovic A., Softic A., et al. Assessment of Pb, Cd and Hg soil contamination and its potential to cause cytotoxic and genotoxic effects in human cell lines (CaCo-2 and HaCaT). Environ. Geochem. Health. 2018: 40(4): 1557–72. https://doi.org/10.1007/s10653-018-0071-6

31. Friha I., Bradai M., Johnson D., Hilal N., Loukil S., Amor F.B., et al. Treatment of textile wastewater by submerged membrane bioreactor: In vitro bioassays for the assessment of stress response elicited by raw and reclaimed wastewater. J. Environ. Manage. 2015; 160: 184–92. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2015.06.008.

32. Orescanin V., Durgo K., Mikelic I.L., Halkijevic I., Kuspilic M. Toxicity assessment of untreated/treated electroplating sludge using human and plant bioassay. J. Environ. Sci. Health A Tox. Hazard. Subst. Environ. Eng. 2018; 53(10): 925–30. https://doi.org/10.1080/10934529.2018.1462911

33. Fotakis G., Timbrell J.A. In vitro cytotoxicity assays: comparison of LDH, neutral red, MTT and protein assay in hepatoma cell lines following exposure to cadmium chloride. Toxicol. Letters. 2006; 160(2): 171–7. https://doi.org/10.1016/j.toxlet.2005.07.001

34. Sussman J.L., Waltershied M., Butler T., Cali J.J., Riss T., Kelly J.H. The predictive nature of high-throughput toxicity screening using a human hepatocytes cell line. Cell Notes. 2002; 3: 7–10.

35. Целоусова О.С., Вахитова Ю.В., Вахитов В.А. Механизмы и методы оценки цитотоксичности. Уфа; 2012.

36. Knasmüller S., Mersch-Sundermann V., Kevekordes S., Darroudi F., Huber W.W., Hoelzl C. Use of human-derived liver cell lines for the detection of environmental and dietary genotoxicants; current state of knowledge. Toxicology. 2004; 198(1–3): 315–28. https://doi.org/10.1016/j.tox.2004.02.008

37. Uhl M., Helma C., Knasmüller S. Evaluation of the single cell gel electrophoresis assay with human hepatoma (Hep G2) cells. Mutat. Res. 2000; 468(2): 213–25. https://doi.org/10.1016/S1383-5718(00)00051

38. Leme D.M., Primo F.L., Gobo G.G., Vieira da Costa C.R., Palma de Oliveira A.C.T.D. Genotoxicity assessment of reactive and disperse textile dyes using human dermal equivalent (3D cell culture system). J. Toxicol. Environ. Health. A. 2015; 78(7): 466–80. https://doi.org/10.1080/15287394.2014.999296

39. Liu J., Song E., Liu L., Ma X., Tian X., Dong H., et al. Polychlorinated biphenyl quinone metabolites lead to oxidative stress in HepG2 cells and the protective role of dihydrolipoic acid. Toxicol. In Vitro. 2012; 26(6): 841–8. https://doi.org/10.1016/j.tiv.2012.04.028

40. Mazzeo D.E.C., Fernandes T.C.C., Marin-Morales M.A. Attesting the efficiency of monitored natural attenuation in the detoxification of sewage sludge by means of genotoxic and mutagenic bioassays. Chemosphere. 2016; 163: 508–15. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2016.08.060

41. Sommaggio L.R.D., Mazzeo D.E.C., Pamplona-Silva M.T., Marin-Morales M.A. Evaluation of the potential agricultural use of biostimulated sewage sludge using mammalian cell culture assays. Chemosphere. 2018; 199: 10–5. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2018.01.144

42. Zulkarnain N.N., Anuar N., Johari N.A., Abdullah S.R.S., Othman A.R. Cytotoxicity evaluation of ketoprofen found in pharmaceutical wastewater on HEK 293 cell growth and metabolism. Environ. Toxicol. Pharmacol. 2020; 80: 103498. https://doi.org/10.1016/j.etap.2020.103498

43. Acevedo-Barrios R., Sabater-Marco C., Olivero-Verbel J. Ecotoxicological assessment of perchlorate using in vitro and in vivo assays. Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2018; 25(14): 13697–708. https://doi.org/10.1007/s11356-018-1565-6

44. Зарицкая Е.В., Полозова Е.В., Богачева А.С. Современные альтернативные токсикологические методы исследования и перспективы их использования в практической деятельности. Гигиена и санитария. 2017; 96(7): 671–4. https://doi.org/10.18821/0016-9900-2017-96-7-671-674 https://elibrary.ru/zfbyyf

45. Афанасьева А.Н., Сапарова В.Б., Сельменских Т.А., Макаренко И.Е. Выбор оптимального метода детекции жизнеспособности клеточных культур для тестов на пролиферативную активность и цитотоксичность. Лабораторные животные для научных исследований. 2021; (2): 16–24. https://doi.org/10.29296/2618723X-2021-02-03 https://elibrary.ru/oiaanc