In vitro -In vitro

Klonowane rośliny in vitro

W warunkach in vitro (to znaczy w szkle lub w szybie ) Badania przeprowadza się z mikroorganizmów , komórek lub cząsteczek biologicznych, poza normalnymi kontekście biologicznym. Potocznie nazywane „eksperymentami probówkowymi ”, te badania w biologii i jej poddyscyplinach są tradycyjnie wykonywane w sprzęcie laboratoryjnym, takim jak probówki, kolby, szalki Petriego i płytki do mikromiareczkowania . Badania prowadzone przy użyciu składników organizmu , które zostały wyizolowane ze swojego zwykłego biologicznego otoczenia, pozwalają na bardziej szczegółową lub wygodniejszą analizę niż można przeprowadzić z całymi organizmami; jednak wyniki uzyskane w eksperymentach in vitro mogą nie w pełni lub dokładnie przewidzieć wpływ na cały organizm. W przeciwieństwie doeksperymentów in vitro ,badania in vivo to te prowadzone na żywych organizmach, w tym na ludziach i całych roślinach.

Definicja

Badania in vitro ( łac . w szkle ; często nie pisane kursywą w języku angielskim) są prowadzone przy użyciu składników organizmu, które zostały wyizolowane ze zwykłego otoczenia biologicznego, takie jak mikroorganizmy, komórki lub cząsteczki biologiczne. Na przykład mikroorganizmy lub komórki można badać w sztucznych podłożach hodowlanych , a białka w roztworach . Potocznie nazywane „eksperymentami probówkowymi”, te badania w biologii, medycynie i ich poddyscyplinach są tradycyjnie wykonywane w probówkach, kolbach, szalkach Petriego itp. Obecnie obejmują pełen zakres technik stosowanych w biologii molekularnej, takich jak omika .

Natomiast badania prowadzone na żywych istotach (mikroorganizmy, zwierzęta, ludzie lub całe rośliny) nazywane są in vivo .

Przykłady

Przykłady badań in vitro obejmują: izolację, wzrost i identyfikację komórek pochodzących z organizmów wielokomórkowych (w hodowli komórkowej lub tkankowej ); składniki subkomórkowe (np. mitochondria lub rybosomy ); ekstrakty komórkowe lub subkomórkowe (np. ekstrakty z kiełków pszenicy lub retikulocytów ); oczyszczone cząsteczki (takie jak białka , DNA lub RNA ); oraz komercyjnej produkcji antybiotyków i innych produktów farmaceutycznych. Wirusy, które replikują się tylko w żywych komórkach, są badane w laboratorium w hodowli komórkowej lub tkankowej, a wielu wirusologów zwierząt określa takie prace jako prace in vitro, aby odróżnić je od pracy in vivo na całych zwierzętach.

Reakcja łańcuchowa polimerazy to metoda selektywnej replikacji określonych sekwencji DNA i RNA w probówce.
Oczyszczanie białek obejmuje izolację konkretnego białka będącego przedmiotem zainteresowania ze złożonej mieszaniny białek, często otrzymywanej z homogenizowanych komórek lub tkanek.
Zapłodnienie in vitro służy do zapłodnienia jaj przez plemniki w szalce hodowlanej przed implantacją powstałego zarodka lub zarodków do macicy przyszłej matki.
Diagnostyka in vitro odnosi się do szerokiego zakresu medycznych i weterynaryjnych badań laboratoryjnych, które służą do diagnozowania chorób i monitorowania stanu klinicznego pacjentów przy użyciu próbek krwi, komórek lub innych tkanek pobranych od pacjenta.
Testy in vitro zostały wykorzystane do scharakteryzowania specyficznych procesów adsorpcji, dystrybucji, metabolizmu i wydalania leków lub ogólnych substancji chemicznych w żywym organizmie; na przykład eksperymenty z komórkami Caco-2 można przeprowadzić w celu oszacowania wchłaniania związków przez wyściółkę przewodu żołądkowo-jelitowego; Podział związków między narządami można określić w celu zbadania mechanizmów dystrybucji; Do badania i ilościowej oceny metabolizmu substancji chemicznych można stosować zawiesiny lub hodowle wysiane pierwotnych hepatocytów lub hepatocytopodobnych linii komórkowych (HepG2, HepaRG). Te parametry procesu ADME można następnie zintegrować z tak zwanymi „modelami farmakokinetycznymi opartymi na fizjologicznie” lub PBPK .

Zalety

Badania in vitro pozwalają na swoistą dla gatunku, prostszą, wygodniejszą i bardziej szczegółową analizę, której nie można przeprowadzić na całym organizmie. Tak jak badania na całych zwierzętach coraz częściej zastępują próby na ludziach, tak badania in vitro zastępują badania na całych zwierzętach.

Prostota

Żywe organizmy to niezwykle złożone układy funkcjonalne, które składają się co najmniej z wielu dziesiątek tysięcy genów, cząsteczek białek, cząsteczek RNA, małych związków organicznych, jonów nieorganicznych i kompleksów w środowisku zorganizowanym przestrzennie przez błony i w przypadku organizmów wielokomórkowych układy narządów. Te niezliczone składniki oddziałują ze sobą i ze swoim środowiskiem w sposób, który przetwarza żywność, usuwa odpady, przenosi składniki we właściwe miejsce i reaguje na cząsteczki sygnalizacyjne, inne organizmy, światło, dźwięk, ciepło, smak, dotyk i równowagę .

Widok z góry modułu narażenia ssaków Vitrocell „robot do palenia”, (pokrywka zdjęta) widok czterech oddzielonych studzienek na wkładki do hodowli komórkowych, które mają być wystawione na działanie dymu tytoniowego lub aerozolu do badania skutków in vitro

Ta złożoność utrudnia identyfikację interakcji między poszczególnymi składnikami i badanie ich podstawowych funkcji biologicznych. Praca in vitro upraszcza badany system, dzięki czemu badacz może skupić się na niewielkiej liczbie składników.

Na przykład tożsamość białek układu odpornościowego (np. przeciwciał) oraz mechanizm, dzięki któremu rozpoznają i wiążą się z obcymi antygenami, pozostałyby bardzo niejasne, gdyby nie szerokie zastosowanie prac in vitro do izolacji białek, identyfikacja komórek i geny, które je produkują, badają fizyczne właściwości ich interakcji z antygenami i identyfikują, w jaki sposób te interakcje prowadzą do sygnałów komórkowych, które aktywują inne elementy układu odpornościowego.

Specyfika gatunkowa

Inną zaletą metod in vitro jest to, że komórki ludzkie można badać bez „ekstrapolacji” z odpowiedzi komórkowej zwierzęcia doświadczalnego.

Wygoda, automatyzacja

Metody in vitro można zminiaturyzować i zautomatyzować, uzyskując wysokowydajne metody przesiewowe do testowania cząsteczek w farmakologii lub toksykologii.

Niedogodności

Podstawową wadą badań eksperymentalnych in vitro jest to, że ekstrapolacja wyników badań in vitro z powrotem na biologię nienaruszonego organizmu może być trudna . Badacze wykonujący prace in vitro muszą uważać, aby uniknąć nadinterpretacji ich wyników, co może prowadzić do błędnych wniosków dotyczących biologii organizmu i systemów.

Na przykład naukowcy opracowujący nowy lek wirusowy do leczenia infekcji wirusem chorobotwórczym (np. HIV-1) mogą odkryć, że potencjalny lek działa w celu zapobiegania replikacji wirusa w warunkach in vitro (zazwyczaj w hodowli komórkowej). Jednak zanim lek ten zostanie zastosowany w klinice, musi przejść serię prób in vivo, aby określić, czy jest bezpieczny i skuteczny w organizmach nienaruszonych (zazwyczaj kolejno małe zwierzęta, naczelne i ludzie). Zazwyczaj większość leków-kandydatów, które są skuteczne in vitro, okazuje się nieskuteczne in vivo z powodu problemów związanych z dostarczaniem leku do dotkniętych tkanek, toksycznością wobec istotnych części organizmu, które nie były reprezentowane we wstępnych badaniach in vitro lub innych zagadnienia.

Ekstrapolacja in vitro na in vivo

Wyniki uzyskane w doświadczeniach in vitro zazwyczaj nie mogą być transponowane, tak jak w celu przewidzenia reakcji całego organizmu in vivo . Zbudowanie spójnej i niezawodnej procedury ekstrapolacji z wyników in vitro na wyniki in vivo jest zatem niezwykle ważne. Rozwiązania obejmują:

Zwiększenie złożoności systemów in vitro do reprodukcji tkanek i interakcji między nimi (jak w systemach „człowiek na chipie”)
Wykorzystanie modelowania matematycznego do numerycznej symulacji zachowania złożonego układu, w którym dane in vitro dostarczają wartości parametrów modelu

Te dwa podejścia nie są sprzeczne; lepsze systemy in vitro dostarczają lepszych danych do modeli matematycznych. Jednak coraz bardziej wyrafinowane eksperymenty in vitro gromadzą coraz liczniejsze, złożone i wymagające danych do integracji. Modele matematyczne, takie jak modele biologii systemów , są tutaj bardzo potrzebne.

Ekstrapolacja w farmakologii

W farmakologii IVIVE można stosować do przybliżania farmakokinetyki (PK) lub farmakodynamiki (PD). Ponieważ czas i intensywność wpływu na dany cel zależy od przebiegu stężenia w czasie leku kandydującego (cząsteczki macierzystej lub metabolitów) w tym miejscu docelowym, wrażliwość tkanek i narządów in vivo może być zupełnie inna lub nawet odwrotna od obserwowanej na komórkach hodowanych i eksponowane in vitro . To wskazuje, że ekstrapolacja efektów obserwowanych in vitro wymaga ilościowego modelu PK in vivo . Modele PK ( PBPK ) oparte na fizjologii są ogólnie akceptowane jako kluczowe dla ekstrapolacji.

W przypadku wczesnych efektów lub tych, które nie mają komunikacji międzykomórkowej, zakłada się, że to samo komórkowe stężenie ekspozycji powoduje te same skutki, zarówno jakościowe, jak i ilościowe, in vitro i in vivo . W tych warunkach opracowanie prostego modelu PD zależności dawka-odpowiedź obserwowanego in vitro i przeniesienie go bez zmian w celu przewidzenia efektów in vivo nie wystarczy.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki

Multimedia związane z in vitro na Wikimedia Commons

Languages

In other projects