A Modern Genotoxicity Testing Paradigm: Integration of the High-Throughput CometChip® and the TGx-DDI Transcriptomic Biomarker in Human HepaRG™ Cell Cultures

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dc.contributor.author

Buick, Julie K.

Williams, Andrew

Meier, Matthew J.

Swartz, Carol D.

Recio, Leslie

Gagné, Rémi

Ferguson, Stephen S.

Engelward, Bevin P.

Yauk, Carole L.

dc.date.accessioned

2023-10-13T18:57:23Z

dc.date.available

2023-10-13T18:57:23Z

dc.date.issued

2021-08-18

dc.description - en

Health Canada is responsible for the evaluation of health risks caused by chemical exposure. Genotoxic chemicals can damage DNA, which can result in inherited genetic diseases and cancer. Thus, genotoxicity testing is a critical component of chemical testing. Current genotoxicity testing approaches seek to apply cells in culture that are relevant to humans and to integrate data from multiple assays to accurately identify genotoxic chemicals. The present study evaluated the applicability of an integrated approach including a high-throughput comet assay that enables measurement of levels of DNA breaks and the TGx-DDI biomarker to classify DNA damage-inducing (DDI) chemicals in human HepaRG™ cell cultures. The biomarker, developed previously in a different human cell line (i.e., TK6 cells), measures changes in 64 specific genes indicative of DNA damage. Further objectives of this study included additional validation of the performance of the biomarker in HepaRG™ cells using RNA sequencing (a technique used to measure changes in gene expression). HepaRG™ cells were exposed to increasing concentrations of 12 test chemicals (9 DDI and 3 non-DDI). Cell survival, DNA damage (by comet assay) and DDI chemical classification using the TGx-DDI biomarker were measured in exposed and control cells. The comet assay correctly identified 10/12 test chemicals, missing a DDI call for aflatoxin B1 and propyl gallate; whereas, the TGx-DDI accurately classified 10/12 chemicals, missing a positive call for zidovudine, and misclassifying eugenol as DDI at the highest test concentration. All non-DDI chemicals were correctly classified. When both assays were used in combination, 100% accuracy was reached in identifying chemicals that induce DNA damage, supporting their integration for genotoxicity assessment. This testing strategy provides information on how a chemical is damaging DNA in human cells in culture and enables accurate and rapid identification of DNA damaging chemicals, thereby supporting the human health risk assessment of chemicals that are potentially genotoxic.

dc.description.abstract - en

Higher-throughput, mode-of-action-based assays provide a valuable approach to expedite chemical evaluation for human health risk assessment. In this study, we combined the high-throughput alkaline DNA damage-sensing CometChip® assay with the TGx-DDI transcriptomic biomarker (DDI = DNA damage-inducing) using high-throughput TempO-Seq®, as an integrated genotoxicity testing approach. We used metabolically competent differentiated human HepaRG™ cell cultures to enable the identification of chemicals that require bioactivation to cause genotoxicity. We studied 12 chemicals (nine DDI, three non-DDI) in increasing concentrations to measure and classify chemicals based on their ability to damage DNA. The CometChip® classified 10/12 test chemicals correctly, missing a positive DDI call for aflatoxin B1 and propyl gallate. The poor detection of aflatoxin B1 adducts is consistent with the insensitivity of the standard alkaline comet assay to bulky lesions (a shortcoming that can be overcome by trapping repair intermediates). The TGx-DDI biomarker accurately classified 10/12 agents. TGx-DDI correctly identified aflatoxin B1 as DDI, demonstrating efficacy for combined used of these complementary methodologies. Zidovudine, a known DDI chemical, was misclassified as it inhibits transcription, which prevents measurable changes in gene expression. Eugenol, a non-DDI chemical known to render misleading positive results at high concentrations, was classified as DDI at the highest concentration tested. When combined, the CometChip® assay and the TGx-DDI biomarker were 100% accurate in identifying chemicals that induce DNA damage. Quantitative benchmark concentration (BMC) modeling was applied to evaluate chemical potencies for both assays. The BMCs for the CometChip® assay and the TGx-DDI biomarker were highly concordant (within 4-fold) and resulted in identical potency rankings. These results demonstrate that these two assays can be integrated for efficient identification and potency ranking of DNA damaging agents in HepaRG™ cell cultures.

dc.description.abstract-fosrctranslation - fr

Les essais à haut débit basés sur le mode d'action constituent une approche précieuse pour accélérer l'évaluation des produits chimiques dans le cadre de l'évaluation des risques pour la santé humaine. Dans cette étude, nous avons combiné le test CometChip® à haut débit de détection des dommages à l'ADN alcalin avec le biomarqueur transcriptomique TGx-DDI (DDI = induisant des dommages à l'ADN) en utilisant TempO-Seq® à haut débit, en tant qu'approche intégrée de test de génotoxicité. Nous avons utilisé des cultures de cellules humaines HepaRG™ différenciées et compétentes sur le plan métabolique pour permettre l'identification des produits chimiques qui nécessitent une bioactivation pour provoquer une génotoxicité. Nous avons étudié 12 produits chimiques (neuf DDI, trois non-DDI) à des concentrations croissantes pour mesurer et classer les produits chimiques en fonction de leur capacité à endommager l'ADN. La puce CometChip® a classé correctement 10/12 produits chimiques testés, mais n'a pas détecté de DDI positive pour l'aflatoxine B1 et le gallate de propyle. La faible détection des adduits de l'aflatoxine B1 est cohérente avec l'insensibilité du test des comètes alcalines standard aux lésions volumineuses (une lacune qui peut être surmontée en piégeant les intermédiaires de réparation). Le biomarqueur TGx-DDI a classé avec précision 10/12 agents. TGx-DDI a correctement identifié l'aflatoxine B1 comme DDI, démontrant l'efficacité de l'utilisation combinée de ces méthodologies complémentaires. La zidovudine, une substance chimique DDI connue, a été mal classée car elle inhibe la transcription, ce qui empêche les changements mesurables dans l'expression des gènes. L'eugénol, un produit chimique non DDI connu pour donner des résultats positifs trompeurs à des concentrations élevées, a été classé comme DDI à la plus forte concentration testée. Combinés, le test CometChip® et le biomarqueur TGx-DDI ont permis d'identifier avec une précision de 100 % les substances chimiques qui provoquent des lésions de l'ADN. La modélisation quantitative de la concentration de référence (BMC) a été appliquée pour évaluer la puissance des produits chimiques pour les deux tests. Les BMC pour l'essai CometChip® et le biomarqueur TGx-DDI étaient très concordants (dans une fourchette de 4 fois) et ont donné lieu à des classements de puissance identiques. Ces résultats démontrent que ces deux tests peuvent être intégrés pour une identification efficace et un classement de l'activité des agents endommageant l'ADN dans les cultures cellulaires HepaRG™.

dc.description.fosrctranslation - fr

Santé Canada est responsable de l'évaluation des risques pour la santé causés par l'exposition aux produits chimiques. Les produits chimiques génotoxiques peuvent endommager l'ADN, ce qui peut entraîner des maladies génétiques héréditaires et des cancers. Les tests de génotoxicité sont donc un élément essentiel des essais de produits chimiques. Les approches actuelles des tests de génotoxicité cherchent à appliquer des cellules en culture qui sont pertinentes pour les humains et à intégrer les données de plusieurs essais pour identifier avec précision les produits chimiques génotoxiques. La présente étude a évalué l'applicabilité d'une approche intégrée comprenant un test des comètes à haut débit qui permet de mesurer les niveaux de cassures de l'ADN et le biomarqueur TGx-DDI pour classer les produits chimiques induisant des dommages à l'ADN (DDI) dans les cultures de cellules humaines HepaRG™. Le biomarqueur, développé précédemment dans une lignée cellulaire humaine différente (c'est-à-dire les cellules TK6), mesure les changements dans 64 gènes spécifiques indiquant des dommages à l'ADN. Les autres objectifs de cette étude comprenaient une validation supplémentaire de la performance du biomarqueur dans les cellules HepaRG™ à l'aide du séquençage de l'ARN (une technique utilisée pour mesurer les changements dans l'expression des gènes). Les cellules HepaRG™ ont été exposées à des concentrations croissantes de 12 produits chimiques testés (9 DDI et 3 non DDI). La survie cellulaire, les dommages à l'ADN (par le test des comètes) et la classification des produits chimiques DDI à l'aide du biomarqueur TGx-DDI ont été mesurés dans les cellules exposées et les cellules de contrôle. Le test des comètes a correctement identifié 10/12 produits chimiques testés, manquant un appel DDI pour l'aflatoxine B1 et le gallate de propyle ; tandis que le TGx-DDI a classé avec précision 10/12 produits chimiques, manquant un appel positif pour la zidovudine, et classant à tort l'eugénol comme DDI à la plus forte concentration de test. Tous les produits chimiques non DDI ont été correctement classés. Lorsque les deux tests ont été utilisés en combinaison, une précision de 100 % a été atteinte dans l'identification des produits chimiques qui induisent des dommages à l'ADN, ce qui justifie leur intégration pour l'évaluation de la génotoxicité. Cette stratégie d'essai fournit des informations sur la manière dont un produit chimique endommage l'ADN dans les cellules humaines en culture et permet une identification précise et rapide des produits chimiques endommageant l'ADN, ce qui facilite l'évaluation des risques pour la santé humaine des produits chimiques potentiellement génotoxiques.

dc.identifier.doi

https://doi.org/10.3389/fpubh.2021.694834

dc.identifier.uri

https://open-science.canada.ca/handle/123456789/1211

dc.language.iso

en

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Frontiers Media

dc.subject - en

Health

Health and safety

dc.subject - fr

Santé

Santé et sécurité

dc.subject.en - en

Health

Health and safety

dc.subject.fr - fr

Santé

Santé et sécurité

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A Modern Genotoxicity Testing Paradigm: Integration of the High-Throughput CometChip® and the TGx-DDI Transcriptomic Biomarker in Human HepaRG™ Cell Cultures

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