3D Airway Epithelial–Fibroblast Biomimetic Microfluidic Platform to Unravel Engineered Nanoparticle-Induced Acute Stress Responses as Exposome Determinants

暴露的 纳米毒理学 细胞生物学 生物 上皮 纳米技术 表观遗传学 化学 材料科学 纳米颗粒 基因 遗传学
作者
Melissa Kao Hui Lee,Hong Kit Lim,Chengxun Su,Jie Yan Cheryl Koh,Magdiel Inggrid Setyawati,Kee Woei Ng,Han Wei Hou,Chor Yong Tay
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:57 (48): 19223-19235 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acs.est.3c03678
摘要

Insights into how biological systems respond to high- and low-dose acute environmental stressors are a fundamental aspect of exposome research. However, studying the impact of low-level environmental exposure in conventional in vitro settings is challenging. This study employed a three-dimensional (3D) biomimetic microfluidic lung-on-chip (μLOC) platform and RNA-sequencing to examine the effects of two model anthropogenic engineered nanoparticles (NPs): zinc oxide nanoparticles (Nano-ZnO) and copier center nanoparticles (Nano-CCP). The airway epithelium exposed to these NPs exhibited dose-dependent increases in cytotoxicity and barrier dysregulation (dominance of the external exposome). Interestingly, even nontoxic and low-level exposure (10 μg/mL) of the epithelium compartment to Nano-ZnO triggered chemotaxis of lung fibroblasts toward the epithelium. An increase in α smooth muscle actin (α-SMA) expression and contractile activity was also observed in these cells, indicating a bystander-like adaptive response (dominance of internal exposome). Further bioinformatics and network analysis showed that a low-dose Nano-ZnO significantly induced a robust transcriptomic response and upregulated several hub genes associated with the development of lung fibrosis. We propose that Nano-ZnO, even at a no observable effect level (NOEL) dose according to conventional standards, can function as a potent nanostressor to disrupt airway epithelium homeostasis. This leads to a cascade of profibrotic events in a cross-tissue compartment fashion. Our findings offer new insights into the early acute events of respiratory harm associated with environmental NPs exposure, paving the way for better exposomic understanding of this emerging class of anthropogenic nanopollutants.
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