Введение

Цитотоксичность – это способность оказывать токсическое воздействие на клетки. Примерами токсических агентов являются токсичные металлы, токсичные химические вещества, микробные нейротоксины, частицы излучения и даже специфические нейротрансмиттеры при нарушении баланса в системе. Кроме того, некоторые виды яда, например, от гадюки (Bitis arietans) или коричневого паука-отшельника (Loxosceles reclusa), оказывают токсическое действие на клетки.

Физиология клеток

Лечение клеток цитотоксическим соединением может приводить к различным исходам для клеток. Клетки могут подвергаться некрозу, при котором они теряют целостность мембраны и быстро погибают в результате клеточного лизиса. Клетки могут прекратить активный рост и деление (снижение жизнеспособности клеток), либо клетки могут активировать генетическую программу контролируемой клеточной гибели (апоптоз). Клетки, подвергающиеся некрозу, обычно быстро набухают, теряют целостность мембраны, прекращают метаболизм и высвобождают свое содержимое во внешнюю среду. Клетки, подвергающиеся быстрому некрозу in vitro, не имеют достаточного времени или энергии для активации апоптотического механизма и не будут экспрессировать апоптотические маркеры. Апоптоз характеризуется четко определенными цитологическими и молекулярными событиями, включая изменение показателя преломления клетки, сокращение цитоплазмы, конденсацию ядра и расщепление ДНК на фрагменты правильного размера. Клетки в культуре, подвергающиеся апоптозу, в конечном итоге подвергаются вторичному некрозу. Они прекратят метаболизм, потеряют целостность мембраны и лизируются.

Измерение

Анализы цитотоксичности широко используются фармацевтической промышленностью для скрининга на цитотоксичность в библиотеках соединений. Исследователи могут либо искать цитотоксические соединения, если они заинтересованы в разработке терапевтического средства, нацеленного, например, на быстро делящиеся раковые клетки, либо они могут отслеживать "попадания" из первоначальных высокопроизводительных скринингов лекарственных средств на предмет нежелательных цитотоксических эффектов, прежде чем инвестировать в их разработку в качестве фармацевтического препарата. Оценка целостности клеточной мембраны – один из наиболее распространенных способов измерения жизнеспособности клеток и цитотоксических эффектов. Соединения, обладающие цитотоксическим действием, часто нарушают целостность клеточной мембраны. Витальные красители, такие как трипан синий или пропидиум-йодид, обычно не проникают внутрь здоровых клеток; однако, если клеточная мембрана повреждена, они свободно пересекают ее и окрашивают внутриклеточные компоненты. Были идентифицированы протеазные биомаркеры, позволяющие исследователям измерять относительное количество живых и мертвых клеток в одной и той же клеточной популяции. Протеаза живых клеток активна только в клетках с неповрежденной клеточной мембраной и теряет активность при повреждении клетки и контакте протеазы с внешней средой. Протеаза мертвых клеток не может проникать через клеточную мембрану и может быть измерена только в культуральной среде после потери клетками целостности мембраны. Цитотоксичность также можно контролировать с помощью 3-(4,5-диметил-2-тиазолил)-2,5-дифенил-2H-тетразолия бромида (MTT) или 2,3-бис(2-метокси-4-нитро-5-сульфофенил)-2H-тетразолия-5-карбоксанилида (XTT), который образует водорастворимый продукт, или с помощью MTS-анализа. Этот анализ измеряет восстановительный потенциал клетки с помощью колориметрической реакции. Жизнеспособные клетки восстанавливают реагент MTS до окрашенного формазана. Аналогичный анализ на основе окислительно-восстановительных реакций также разработан с использованием флуоресцентного красителя резазурина. Помимо использования красителей для определения окислительно-восстановительного потенциала клеток с целью мониторинга их жизнеспособности, исследователи разработали анализы, использующие содержание АТФ в качестве маркера жизнеспособности. Цитотоксичность также может быть измерена с помощью анализа сульфорходамина B (SRB), WST-анализа и клоногенного анализа. Для снижения количества ложноположительных или ложноотрицательных результатов, специфичных для каждого анализа, подходящие анализы можно комбинировать и последовательно проводить на одних и тех же клетках. Возможная комбинация – LDH XTT NR (анализ нейтральным красным) SRB, которая также доступна в виде набора. Подход без использования меток для отслеживания цитотоксического ответа адгерентных клеток животных в реальном времени основан на измерениях электрического импеданса при культивировании клеток на золотых пленочных электродах. Эта технология называется электрическим импедансным датчиком клеточного субстрата (ECIS). Методы, не требующие мечения, предоставляют кинетику цитотоксического ответа, а не просто "снимок", как во многих колориметрических анализах, определяющих конечную точку.

Прогноз

Очень важной темой является прогнозирование цитотоксичности химических соединений на основе предыдущих измерений, то есть in silico-тестирование. Для этой цели было предложено множество методов QSAR и виртуального скрининга. Независимое сравнение этих методов было проведено в рамках проекта "Токсикология в XXI веке".

Раковые заболевания

Некоторые химиотерапии содержат цитотоксические препараты, предназначенные для вмешательства в процесс деления клеток. Эти препараты не способны различать нормальные и злокачественные клетки, но подавляют общий процесс деления клеток с целью уничтожить раковые клетки до того, как они нанесут вред организму.