Preparation and characterization of 3D reconstructed human skin

Three-dimensional (3D, 3 Dimensional) reconstructed human skin equivalents (HSEs, Human Skin Equivalents), (i.e. epidermal models, 3D reconstructed full-thickness skin) are extremely valuable tools for in vitrο research, as they are scientifically valid alternatives to animal experimentation. Conse...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Ευαγγελάτου, Κυριακή
Άλλοι συγγραφείς: Evangelatou, Kyriaki
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2021
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/14903
id nemertes-10889-14903
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic 3D reconstructed human skin
Histology
Ιmmunohistochemistry
Microemulsions
Nanoemulsions
Essential oils
Cytotoxicity
Neutral red uptake assay
MTT
Τρισδιάστατο (3D) υποκατάστατο δέρματος
Ιστολογία
Ανισοϊστοχημεία
Μικρογαλακτώματα
Νανογαλακτώματα
Αιθέρια έλαια
Κυτταροτοξικότητα
Πρόσληψη χρωστικής ουδέτερου ερυθρού
spellingShingle 3D reconstructed human skin
Histology
Ιmmunohistochemistry
Microemulsions
Nanoemulsions
Essential oils
Cytotoxicity
Neutral red uptake assay
MTT
Τρισδιάστατο (3D) υποκατάστατο δέρματος
Ιστολογία
Ανισοϊστοχημεία
Μικρογαλακτώματα
Νανογαλακτώματα
Αιθέρια έλαια
Κυτταροτοξικότητα
Πρόσληψη χρωστικής ουδέτερου ερυθρού
Ευαγγελάτου, Κυριακή
Preparation and characterization of 3D reconstructed human skin
description Three-dimensional (3D, 3 Dimensional) reconstructed human skin equivalents (HSEs, Human Skin Equivalents), (i.e. epidermal models, 3D reconstructed full-thickness skin) are extremely valuable tools for in vitrο research, as they are scientifically valid alternatives to animal experimentation. Consequently, in 2013, testing cosmetic products and ingredients in animals was banned by the European Commission (Niehues et al., 2018). HSEs mimic the native skin, structurally and biochemically, with comparable cellular heterogeneity and structural complexity (Niehues et al., 2018). Thus, they play a key role in preclinical research for drug development (Mathes et al., 2014), while they are also absolutely essential to the cosmetics industries (Gabbanini et al., 2009). Importantly, 3D reconstructed human skin equivalents (RHS, Reconstructed Human Skin) are very useful in studying rare skin diseases, such as the recessive dystrophic epidermolysis bullosa (RDEB, Recessive Dystrophic Epidermolysis Bullosa) (Mittapalli et al., 2016) but also common skin diseases like psoriasis (Tjabringa and Bergers, 2008; Chiricozzi et al., 2014). The present study aims to develop and characterize a 3D RHS model by use of immortalized normal human dermal fibroblasts (iNHFs, immortalized Normal Human Fibroblasts) and immortalized normal human epidermal keratinocytes (iNHKs, immortalized Normal Human Keratinocytes) and, subsequently, characterize the developed RHS, structurally and biochemically, by parallel comparison with native skin tissue. Furthermore, the generated RHS was exploited for testing cosmetic micro- and nano-emulsion formulations, as well as their constituent essential oils (EOs) and surfactants. These were initially tested here in two dimensional (2D, 2 Dimensional) cultures for potential cytotoxicity and will be subsequently evaluated in our “in-house” 3D RHS. For generation of the 3D RHS, iNHFs were mixed with collagen and placed into a 6-well plate that allowed the intake of growth factors, hormones and nutrients suitable for the development of the 3D RHS, then, iNHKs were seeded on the reconstructed dermis. After four weeks in culture, the 3D RHS was ready to be characterized using established microscopic, histological and molecular assays. Staining of the prepared 3D RHS with hematoxylin and eosin (H&E) showed that its microstructure mimics that of the native skin, and it had a physiological epidermal architecture containing the characteristic distinct epidermal layers, i.e. the stratum corneum (SC), stratum granulosum (SG), stratum spinosum (SS) and stratum basale (SB). Consistently, normal expression of key skin proteins was confirmed by immunohistochemistry (IHC) using specific antibodies. In particular, structural proteins of desmosomes, such as desmoglein1 (DSG1), desmocolin1 (DSC1), and corneodesmosin (CDSN), as well as the characteristic cell adhesion molecule E-cadherin displayed similar expression profiles in the 3D RHS and native skin. Furthermore, proteins related to the regulation of skin’s exfoliation/desquamation, such as the epidermal proteases KLK5, KLK6, and KLK7, as well as proteins related to the skin differentiation process, such as the involucrin, loricrin and keratin 5, were similarly expressed in both 3D RHS and native skin. Elevated expression of Ki67 in 3D RHS indicated increased proliferation compared to native skin as also observed by others. Cumulatively, the developed 3D RHS mimics native skin, thus, it can be used for the evaluation of cytotoxicity and moisturizing action of cosmetic oil in water (o/w, oil in water) micro- and nano-emulsion formulations (ΕΥΔΕ ΕΤΑΚ-ΕΥΔ ΕΠΑνΕΚ ΕΣΠΑ 2014-2020/ QFytoTera-Τ1ΕΔΚ-00996). The neutral red uptake (ΝRU, Neutral Red Uptake) assay and colorimetric MTT (3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide) assay were applied for testing the cytotoxicity of EOs, surfactants and micro- and nano-emulsions on 2D cultures of iNHKs. The majority of EOs and cosmetic micro-emulsion formulations tested were found non-cytotoxic, with values of iNHKs viability higher than 95% at the lower EOs concentration range. Therefore, their cosmetic properties, such as their moisturizing action, will be evaluated by application on the 3D RHS but also to test whether they may cause undesired skin irritation and corrosion, as part of their integrated assessment in vitro.
author2 Evangelatou, Kyriaki
author_facet Evangelatou, Kyriaki
Ευαγγελάτου, Κυριακή
author Ευαγγελάτου, Κυριακή
author_sort Ευαγγελάτου, Κυριακή
title Preparation and characterization of 3D reconstructed human skin
title_short Preparation and characterization of 3D reconstructed human skin
title_full Preparation and characterization of 3D reconstructed human skin
title_fullStr Preparation and characterization of 3D reconstructed human skin
title_full_unstemmed Preparation and characterization of 3D reconstructed human skin
title_sort preparation and characterization of 3d reconstructed human skin
publishDate 2021
url http://hdl.handle.net/10889/14903
work_keys_str_mv AT euangelatoukyriakē preparationandcharacterizationof3dreconstructedhumanskin
AT euangelatoukyriakē paraskeuēsekalliergeiakaicharaktērismostrisdiastatouypokatastatoudermatosanthrōpou
_version_ 1799945006169980928
spelling nemertes-10889-149032022-09-06T05:13:41Z Preparation and characterization of 3D reconstructed human skin Παρασκευή σε καλλιέργεια και χαρακτηρισμός τρισδιάστατου υποκατάστατου δέρματος ανθρώπου Ευαγγελάτου, Κυριακή Evangelatou, Kyriaki 3D reconstructed human skin Histology Ιmmunohistochemistry Microemulsions Nanoemulsions Essential oils Cytotoxicity Neutral red uptake assay MTT Τρισδιάστατο (3D) υποκατάστατο δέρματος Ιστολογία Ανισοϊστοχημεία Μικρογαλακτώματα Νανογαλακτώματα Αιθέρια έλαια Κυτταροτοξικότητα Πρόσληψη χρωστικής ουδέτερου ερυθρού Three-dimensional (3D, 3 Dimensional) reconstructed human skin equivalents (HSEs, Human Skin Equivalents), (i.e. epidermal models, 3D reconstructed full-thickness skin) are extremely valuable tools for in vitrο research, as they are scientifically valid alternatives to animal experimentation. Consequently, in 2013, testing cosmetic products and ingredients in animals was banned by the European Commission (Niehues et al., 2018). HSEs mimic the native skin, structurally and biochemically, with comparable cellular heterogeneity and structural complexity (Niehues et al., 2018). Thus, they play a key role in preclinical research for drug development (Mathes et al., 2014), while they are also absolutely essential to the cosmetics industries (Gabbanini et al., 2009). Importantly, 3D reconstructed human skin equivalents (RHS, Reconstructed Human Skin) are very useful in studying rare skin diseases, such as the recessive dystrophic epidermolysis bullosa (RDEB, Recessive Dystrophic Epidermolysis Bullosa) (Mittapalli et al., 2016) but also common skin diseases like psoriasis (Tjabringa and Bergers, 2008; Chiricozzi et al., 2014). The present study aims to develop and characterize a 3D RHS model by use of immortalized normal human dermal fibroblasts (iNHFs, immortalized Normal Human Fibroblasts) and immortalized normal human epidermal keratinocytes (iNHKs, immortalized Normal Human Keratinocytes) and, subsequently, characterize the developed RHS, structurally and biochemically, by parallel comparison with native skin tissue. Furthermore, the generated RHS was exploited for testing cosmetic micro- and nano-emulsion formulations, as well as their constituent essential oils (EOs) and surfactants. These were initially tested here in two dimensional (2D, 2 Dimensional) cultures for potential cytotoxicity and will be subsequently evaluated in our “in-house” 3D RHS. For generation of the 3D RHS, iNHFs were mixed with collagen and placed into a 6-well plate that allowed the intake of growth factors, hormones and nutrients suitable for the development of the 3D RHS, then, iNHKs were seeded on the reconstructed dermis. After four weeks in culture, the 3D RHS was ready to be characterized using established microscopic, histological and molecular assays. Staining of the prepared 3D RHS with hematoxylin and eosin (H&E) showed that its microstructure mimics that of the native skin, and it had a physiological epidermal architecture containing the characteristic distinct epidermal layers, i.e. the stratum corneum (SC), stratum granulosum (SG), stratum spinosum (SS) and stratum basale (SB). Consistently, normal expression of key skin proteins was confirmed by immunohistochemistry (IHC) using specific antibodies. In particular, structural proteins of desmosomes, such as desmoglein1 (DSG1), desmocolin1 (DSC1), and corneodesmosin (CDSN), as well as the characteristic cell adhesion molecule E-cadherin displayed similar expression profiles in the 3D RHS and native skin. Furthermore, proteins related to the regulation of skin’s exfoliation/desquamation, such as the epidermal proteases KLK5, KLK6, and KLK7, as well as proteins related to the skin differentiation process, such as the involucrin, loricrin and keratin 5, were similarly expressed in both 3D RHS and native skin. Elevated expression of Ki67 in 3D RHS indicated increased proliferation compared to native skin as also observed by others. Cumulatively, the developed 3D RHS mimics native skin, thus, it can be used for the evaluation of cytotoxicity and moisturizing action of cosmetic oil in water (o/w, oil in water) micro- and nano-emulsion formulations (ΕΥΔΕ ΕΤΑΚ-ΕΥΔ ΕΠΑνΕΚ ΕΣΠΑ 2014-2020/ QFytoTera-Τ1ΕΔΚ-00996). The neutral red uptake (ΝRU, Neutral Red Uptake) assay and colorimetric MTT (3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide) assay were applied for testing the cytotoxicity of EOs, surfactants and micro- and nano-emulsions on 2D cultures of iNHKs. The majority of EOs and cosmetic micro-emulsion formulations tested were found non-cytotoxic, with values of iNHKs viability higher than 95% at the lower EOs concentration range. Therefore, their cosmetic properties, such as their moisturizing action, will be evaluated by application on the 3D RHS but also to test whether they may cause undesired skin irritation and corrosion, as part of their integrated assessment in vitro. Η καθιέρωση της χρήσης νέων, αλλά επιστημονικά τεκμηριωμένων και αξιόπιστων in vitro πειραματικών προτύπων που προσομοιάζουν καλύτερα και με ακρίβεια τους ανθρώπινους ιστούς είναι μεγάλης σημασίας. Τα τρισδιάστατα (3D, 3 Dimensional) υποκατάστατα ανθρωπίνου δέρματος (HSEs, Human Skin Equivalents), τα οποία είναι υποκατάστατα ολοκλήρου ιστού δέρματος ή μόνον της επιδερμίδας, αποτελούν πρότυπα, τα οποία προσομοιάζουν το ανθρώπινο δέρμα, δομικά και βιοχημικά, δεδομένου ότι διαθέτουν κυτταρική ετερογένεια και μιμούνται τις κυτταρικές αλληλεπιδράσεις που υφίστανται στο φυσιολογικό δέρμα (Niehues et al., 2018). Παράλληλα, ένα πολύ σημαντικό πλεονέκτημα που αποφέρουν είναι ο περιορισμός της χρήσης πειραματόζωων, των οποίων η χρήση, ειδικά στον τομέα των καλλυντικών, έχει απαγορευτεί από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή από το έτος 2013. Συνεπώς, η ανάπτυξη τέτοιου είδους προτύπων είναι καθοριστική για τις εταιρείες καλλυντικών. Ωστόσο, τα υποκατάστατα ανθρωπίνου 3D δέρματος (RHS, Reconstructed Human Skin) συμβάλλουν, επίσης, στην προκλινική αξιολόγηση διαδερμικά χορηγούμενων φαρμακευτικών ουσιών (Mathes et al., 2014) και συνεισφέρουν παράλληλα στην μελέτη κοινών αλλά και σπανίων δερματικών ασθενειών, όπως η ψωρίαση (Tjabringa and Bergers 2008; Chiricozzi et al., 2014) και η πομφoλυγώδης επιδερμόλυση (RDEB, Recessive Dystrophic Epidermolysis Bullosa) (Mittapalli et al., 2016). Η παρούσα μελέτη στοχεύει στην δημιουργία προτύπου 3D RHS, το οποίο προσομοιάζει το φυσιολογικό δέρμα ανθρώπου, βιοχημικά και δομικά, συγκεκριμένα εκφράζει χαρακτηριστικές πρωτεΐνες του δέρματος σε συγκρίσιμα επίπεδα, και ιστολογικά διαθέτει χορίο και διαφοροποιημένη επιδερμίδα, αντίστοιχα. Επιπλέον, σκοπός της μελέτης είναι η αξιολόγηση της κυτταροτοξικότητας μικρο- και νάνο-γαλακτωμάτων ως υποψήφιων καλλυντικών, μεμονωμένων συστατικών τους, αλλά και των διαφόρων αιθέριων ελαίων, σε δυσδιάστατες (2D, 2 Dimensional) καλλιέργειες φυσιολογικών κερατινοκυττάρων ανθρώπου που έχουν αθανατοποιηθεί (iNHKs, immortalized Normal Human Keratinocytes), ως πρόδρομο βήμα, προκειμένου να αξιολογηθούν στη συνέχεια στο σύστημα 3D RHS, οι καλλυντικές ιδιότητες, όπως η ενυδάτωση, αλλά και να ελεγχθεί κατά πόσον προκαλούν ανεπιθύμητη ερεθιστικότητα ή διάβρωση στο δέρμα. Για την παρασκευή του συστήματος 3D RHS, χρησιμοποιήθηκαν κερατινοκύτταρα και ινοβλάστες που απομονώθηκαν από βιοψία φυσιολογικού δέρματος ανθρώπου, καθιερώθηκαν σε καλλιέργεια και αθανατοποιήθηκαν (βλ. Παράρτημα), προκειμένου να διαιρούνται χωρίς περιορισμό στον αριθμό των κυτταρικών διαιρέσεων. Αρχικά, οι αθανατοποιημένοι ινοβλάστες (iNHFs, immortalized Normal Human Fibroblasts) ενσωματώθηκαν σε κολλαγόνο σε κατάλληλο ικρίωμα που επιτρέπει την πρόσληψη αυξητικών παραγόντων, ορμονών και θρεπτικών συστατικών και, στη συνέχεια, επιστρώθηκαν με iNHKs. Μετά από περίπου 4 εβδομάδες σε καλλιέργεια λήφθηκε το RHS, το οποίο αξιολογήθηκε με καθιερωμένες μικροσκοπικές, ιστολογικές και μοριακές μεθόδους συγκρινόμενο παράλληλα με φυσιολογικό ιστό δέρματος ανθρώπου. Παρατηρήθηκε σημαντική δομική ομοιότητα του 3D RHS με το φυσιολογικό ανθρώπινο δέρμα, η οποία επιβεβαιώθηκε μικροσκοπικά με χρώση βιοψιών με ηωσίνη και αιματοξυλίνη (H&E) και διαπιστώθηκε φυσιολογική δομή δέρματος με διακριτές στιβάδες της επιδερμίδας από το υποκείμενο χόριο. Ανοσοϊστοχημική ανάλυση της έκφρασης βασικών δομικών πρωτεϊνών των δεσμοσωμάτων, όπως η δεσμογλεΐνη 1 (DSG1), η δεσμοκολλίνη 1 (DSC1), και η κορνεοδεσμοσίνη (CDSN), έδειξε ότι το 3D στο RHS παρουσιάζει φυσιολογικά επίπεδα έκφρασης των πρωτεϊνών αυτών, χωροταξικά κατανεμημένη όπως στον φυσιολογικό ιστό δέρματος. Εν συνεχεία, προσδιορίσθηκε η χωροταξιήά έκφραση σερινοπρωτεασών της οικογένειας των καλλικρεϊνών, όπως η KLK5, η KLK6, και η KLK7, σε βιοψίες 3D RHS και σε ανθρώπινο φυσιολογικό δέρμα. Οι πρωτεάσες αυτές αποτελούν κεντρικούς ρυθμιστές της φυσιολογικής αποφολίδωσης (απολέπισης) του δέρματος. Επιπλέον, στο σύστημα 3D RHS παρατηρήθηκε φυσιολογικό προφίλ έκφρασης δεικτών διαφοροποίησης, όπως η ινβολουκρίνη, η λορικρίνη, και η κερατίνη 5 υποδεικνύοντας ότι τα κερατινοκύτταρα στο 3D RHS έχουν φυσιολογική διαφοροποίηση. Επιπλέον, διαπιστώθηκε ότι τα επίπεδα της πρωτεΐνης Ki67 είναι υψηλότερα στο 3D RHS σε σχέση με την έκφραση της Ki67 σε βιοψία φυσιολογικού δέρματος, υποδεικνύοντας αυξημένο πολλαπλασιασμό των κερατινοκυττάρων, κάτι που έχει παρατηρηθεί και από άλλους ερευνητές. Συνοπτικά, το 3D RHS που παρασκευάσθηκε προσομοιάζει το ανθρώπινο δέρμα με βάση την δομή, την διαφοροποίηση και την έκφραση λειτουργικών μορίων, και ως εκ τούτου μπορεί να αξιοποιηθεί σε τρέχουσες μελέτες κυτταροτοξικότητας και μελέτες των ενυδατικών ιδιοτήτων μικρο- και νανο-γαλακτωμάτων ελαίου σε νερό (o/w, oil in water) φυτικών αιθέριων ελαίων (ΕΥΔΕ ΕΤΑΚ-ΕΥΔ ΕΠΑνΕΚ ΕΣΠΑ 2014-2020 / QFytoTera-Τ1ΕΔΚ-00996). Στη συνέχεια, υπό ανάπτυξη καλλυντικά προϊόντα εφαρμόσθηκαν σε δυσδιάστατες καλλιέργειες iNHKs και η κυτταροτοξικότητα αυτών προσδιορίσθηκε με τη μέθοδο «πρόσληψης της χρωστικής ουδέτερου ερυθρού» (ΝRU, Neutral Red Uptake), καθώς και με τη χρωματομετρική μέθοδο MTT (βρωμιούχο 3-(4,5-διμεθυλοθειαζολ-2-υλο) -2,5-διφαινυλοτετραζολίο). Στην πλειοψηφία τους, τα υπό ανάπτυξη καλλυντικά προϊόντα και τα συστατικά τους, βρέθηκαν μη τοξικά. Συγκεκριμένα, η βιωσιμότητα των iNHKs, έπειτα από έκθεση σε αιθέρια έλαια χαμηλών συγκεντρώσεων, ήταν 95% κατ’ ελάχιστον. Συνεπώς, η αξιολόγηση της ευερεθιστικότητας και των καλλυντικών ιδιοτήτων των προϊόντων στο σύστημα 3D RHS είναι το επόμενο βήμα στη διαδικασία ανάπτυξης και αξιολόγησης των προϊόντων αυτών. 2021-07-05T07:06:43Z 2021-07-05T07:06:43Z 2020-06-19 http://hdl.handle.net/10889/14903 en application/pdf