stringtranslate.com

В пробирке

Клонированные растения in vitro

Исследования in vitro (то есть в стекле или в стекле )проводятся с микроорганизмами , клетками или биологическими молекулами вне их обычного биологического контекста. В разговорной речи эти исследования в биологии и ее субдисциплинах, называемые « экспериментами в пробирке », традиционно проводятся в лабораторном оборудовании, таком как пробирки, колбы, чашки Петри и микротитровальные планшеты . Исследования, проводимые с использованием компонентов организма , которые были изолированы от их обычного биологического окружения, позволяют проводить более подробный или более удобный анализ, чем это можно сделать с целыми организмами; однако результаты, полученные в экспериментах in vitro, могут не полностью или точно предсказать воздействие на весь организм. В отличие от экспериментов in vitro , исследования in vivo проводятся на живых организмах, включая людей, известные как клинические испытания, и на целых растениях. [1] [2]

Определение

Исследования in vitro ( лат . «in glass»; часто не выделяются курсивом в английском языке [3] [4] [5] ) проводятся с использованием компонентов организма, которые были изолированы от их обычного биологического окружения, такого как микроорганизмы, клетки или биологические молекулы. Например, микроорганизмы или клетки можно изучать в искусственных питательных средах , а белки можно изучать в растворах . Эти исследования в биологии, медицине и их субдисциплинах, которые в просторечии называют «экспериментами в пробирках», традиционно проводятся в пробирках, колбах, чашках Петри и т. д. [6] [7] Теперь они включают в себя весь спектр методов, используемых в молекулярной биологии, таких как омика . [8]

Напротив, исследования, проводимые на живых существах (микроорганизмах, животных, людях или целых растениях), называются in vivo . [9]

Примеры

Примерами исследований in vitro являются: изоляция, рост и идентификация клеток, полученных из многоклеточных организмов (в клеточной или тканевой культуре ); субклеточные компоненты (например, митохондрии или рибосомы ); клеточные или субклеточные экстракты (например, экстракты зародышей пшеницы или ретикулоцитов ); очищенные молекулы (такие как белки , ДНК или РНК ); и коммерческое производство антибиотиков и других фармацевтических продуктов. [10] [11] [12] [13] Вирусы, которые размножаются только в живых клетках, изучаются в лабораторных условиях в клеточной или тканевой культуре, и многие вирусологи, работающие с животными, называют такую ​​работу in vitro, чтобы отличать ее от работы in vivo на целых животных. [14] [15]

Преимущества

Исследования in vitro позволяют проводить более специфичный для вида, более простой, более удобный и более подробный анализ, чем можно было бы сделать с целым организмом. Так же, как исследования на целых животных все больше заменяют испытания на людях, так и исследования in vitro заменяют исследования на целых животных.

Простота

Живые организмы представляют собой чрезвычайно сложные функциональные системы, состоящие, как минимум, из многих десятков тысяч генов, молекул белков, молекул РНК, небольших органических соединений, неорганических ионов и комплексов в среде, которая пространственно организована мембранами, а в случае многоклеточных организмов — системами органов. [23] [24] Эти бесчисленные компоненты взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой таким образом, что перерабатывают пищу, удаляют отходы, перемещают компоненты в правильное место и реагируют на сигнальные молекулы, другие организмы, свет, звук, тепло, вкус, прикосновение и равновесие.

Вид сверху на модуль воздействия на млекопитающих Vitrocell «курящий робот» (крышка снята), вид четырех отдельных лунок для вставок с клеточной культурой, которые будут подвергаться воздействию табачного дыма или аэрозоля для исследования эффектов in vitro

Эта сложность затрудняет выявление взаимодействий между отдельными компонентами и изучение их основных биологических функций. Работа in vitro упрощает изучаемую систему, поэтому исследователь может сосредоточиться на небольшом количестве компонентов. [25] [26]

Например, идентичность белков иммунной системы (например, антител) и механизм, с помощью которого они распознают и связываются с чужеродными антигенами, оставались бы совершенно неясными, если бы не широкое использование исследований in vitro для выделения белков, идентификации клеток и генов, которые их производят, изучения физических свойств их взаимодействия с антигенами и определения того, как эти взаимодействия приводят к клеточным сигналам, активирующим другие компоненты иммунной системы.

Видовая специфичность

Еще одним преимуществом методов in vitro является то, что человеческие клетки можно изучать без «экстраполяции» клеточного ответа экспериментального животного. [27] [28] [29]

Удобство, автоматизация

Методы in vitro можно миниатюризировать и автоматизировать, что позволит получить высокопроизводительные методы скрининга для тестирования молекул в фармакологии или токсикологии. [30]

Недостатки

Основным недостатком экспериментальных исследований in vitro является то, что может быть сложно экстраполировать результаты работы in vitro обратно на биологию интактного организма. Исследователи, проводящие работу in vitro, должны быть осторожны, чтобы избежать чрезмерной интерпретации своих результатов, что может привести к ошибочным выводам об организменной и системной биологии. [31] [32]

Например, ученые, разрабатывающие новый вирусный препарат для лечения инфекции патогенным вирусом (например, ВИЧ-1), могут обнаружить, что потенциальный препарат предотвращает репликацию вируса в условиях in vitro (обычно в клеточной культуре). Однако, прежде чем этот препарат будет использован в клинике, он должен пройти ряд испытаний in vivo , чтобы определить, безопасен ли он и эффективен ли он в интактных организмах (обычно на мелких животных, приматах и ​​людях по очереди). Как правило, большинство потенциальных препаратов, которые эффективны in vitro, оказываются неэффективными in vivo из-за проблем, связанных с доставкой препарата в пораженные ткани, токсичностью по отношению к важным частям организма, которые не были представлены в первоначальных исследованиях in vitro , или других проблем. [33]

В пробиркетестовые батареи

Метод, который может помочь сократить испытания на животных, — это использование батарей in vitro , где несколько анализов in vitro собираются для охвата нескольких конечных точек. В рамках нейротоксичности развития и репродуктивной токсичности есть надежда, что батареи тестов станут простыми методами скрининга для определения приоритетов, для каких химических веществ следует оценивать риск и в каком порядке. [34] [35] [36] [37] В экотоксикологии батареи тестов in vitro уже используются для нормативных целей и для токсикологической оценки химических веществ. [38] Тесты in vitro также можно комбинировать с тестированием in vivo для создания батареи тестов in vitro in vivo , например, для фармацевтических испытаний. [39]

В пробиркекв естественных условияхэкстраполяция

Результаты, полученные в экспериментах in vitro , обычно не могут быть транспонированы, как это есть, для прогнозирования реакции целого организма in vivo . Поэтому чрезвычайно важно разработать последовательную и надежную процедуру экстраполяции результатов in vitro на in vivo . Решения включают:

Эти два подхода не являются несовместимыми; лучшие системы in vitro предоставляют лучшие данные для математических моделей. Однако все более сложные эксперименты in vitro собирают все более многочисленные, сложные и сложные данные для интеграции. Математические модели, такие как модели системной биологии , здесь очень нужны. [42]

Экстраполяция в фармакологии

В фармакологии IVIVE может использоваться для аппроксимации фармакокинетики (ФК) или фармакодинамики (ПД). [ требуется ссылка ] Поскольку время и интенсивность эффектов на заданную цель зависят от временного хода концентрации препарата-кандидата (исходной молекулы или метаболитов) в этом целевом месте, чувствительность тканей и органов in vivo может быть совершенно иной или даже обратной той, которая наблюдается на клетках, культивируемых и подвергаемых воздействию in vitro . Это указывает на то, что экстраполяция эффектов, наблюдаемых in vitro, требует количественной модели ФК in vivo . Физиологически обоснованные модели ФК ( PBPK ) обычно считаются центральными для экстраполяций. [43]

В случае ранних эффектов или эффектов без межклеточных коммуникаций предполагается, что одна и та же концентрация клеточного воздействия вызывает одни и те же эффекты, как качественно, так и количественно, in vitro и in vivo . В этих условиях разработка простой модели PD зависимости доза-реакция, наблюдаемой in vitro , и ее транспонирование без изменений для прогнозирования эффектов in vivo недостаточны. [44]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Методы in vitro - ECHA". echa.europa.eu . Получено 2023-04-11 .
  2. ^ Токсичность, Национальный исследовательский совет (США), Подкомитет по репродуктивности и развитию (2001). Проекты экспериментальных исследований на животных и in vitro. National Academies Press (США).
  3. ↑ Merriam-Webster , Merriam-Webster's Collegiate Dictionary, Merriam-Webster, заархивировано из оригинала 10.10.2020 , извлечено 20.04.2014 .
  4. ^ Айверсон, Шерил и др., ред. (2007). "12.1.1 Использование курсива". AMA Manual of Style (10-е изд.). Оксфорд, Оксфордшир: Oxford University Press . ISBN 978-0-19-517633-9.
  5. ^ Американская психологическая ассоциация (2010), «4.21 Использование курсива», Руководство по публикациям Американской психологической ассоциации (6-е изд.), Вашингтон, округ Колумбия, США: APA, ISBN 978-1-4338-0562-2.
  6. ^ "Методы in vitro - ECHA". echa.europa.eu . Получено 2023-04-11 .
  7. ^ Токсичность, Национальный исследовательский совет (США), Подкомитет по репродуктивности и развитию (2001). Проекты экспериментальных исследований на животных и in vitro. National Academies Press (США).
  8. ^ "Омикс-технологии в химических испытаниях - ОЭСР". www.oecd.org . Получено 2023-04-11 .
  9. ^ Токсичность, Национальный исследовательский совет (США), Подкомитет по репродуктивности и развитию (2001). Проекты экспериментальных исследований на животных и in vitro. National Academies Press (США).
  10. ^ Шпильманн, Хорст; Голдберг, Алан М. (1999-01-01), Марквардт, Ганс; Шефер, Зигфрид Г.; Макклеллан, Роджер; Уэлш, Франк (ред.), «Глава 49 — Методы in vitro», токсикология , Сан-Диего: Academic Press, стр. 1131–1138, doi :10.1016/b978-012473270-4/50108-5, ISBN 978-0-12-473270-4, получено 2023-04-11
  11. ^ Коннолли, Ниам MC; Тюри, Пьер; Адам-Визи, Вера; Базан, Николя Г.; Бернарди, Паоло; Боланьос, Хуан П.; Калмси, Карстен; Доусон, Валина Л.; Дешмукх, Моханиш; Дюшен, Майкл Р.; Дюссманн, Хайко; Фискум, Гэри; Галиндо, Мария Ф.; Хардингем, Джайлз Э.; Хардвик, Дж. Мари (март 2018 г.). «Руководство по экспериментальным методам оценки митохондриальной дисфункции в клеточных моделях нейродегенеративных заболеваний». Смерть клеток и дифференциация . 25 (3): 542–572. дои : 10.1038/s41418-017-0020-4. ISSN  1476-5403. PMC 5864235. PMID  29229998 . 
  12. ^ Хаммерлинг, Майкл Дж.; Фриц, Брайан Р.; Йосеп, Даниэль Дж.; Ким, До Сун; Карлсон, Эрик Д.; Джуэтт, Майкл К. (28.02.2020). «Синтез рибосом in vitro и эволюция через отображение рибосом». Nature Communications . 11 (1): 1108. Bibcode :2020NatCo..11.1108H. doi :10.1038/s41467-020-14705-2. ISSN  2041-1723. PMC 7048773 . PMID  32111839. 
  13. ^ Боканегра, Ребека; Исмаэль Плаза, Джорджия; Пулидо, Карлос Р.; Ибарра, Борха (2021-01-01). «Машины репликации ДНК: выводы из подходов in vitro с использованием одной молекулы». Computational and Structural Biotechnology Journal . 19 : 2057–2069. doi : 10.1016/j.csbj.2021.04.013. ISSN  2001-0370. PMC 8085672. PMID 33995902  . 
  14. ^ Бруххаген, Кристин; ван Крухтен, Андре; Клемм, Кэролин; Людвиг, Стефан; Эрхардт, Кристина (2018), Ямаути, Йохей (редактор), «Модели in vitro для изучения суперинфекции вируса гриппа и золотистого стафилококка на молекулярном уровне», Вирус гриппа: методы и протоколы , том. 1836, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer, стр. 375–386, номер документа : 10.1007/978-1-4939-8678-1_18, ISBN. 978-1-4939-8678-1, PMID  30151583 , получено 2023-04-11
  15. ^ Xie, Xuping; Lokugamage, Kumari G.; Zhang, Xianwen; Vu, Michelle N.; Muruato, Antonio E.; Menachery, Vineet D.; Shi, Pei-Yong (март 2021 г.). «Инженерия SARS-CoV-2 с использованием обратной генетической системы». Nature Protocols . 16 (3): 1761–1784. doi :10.1038/s41596-021-00491-8. ISSN  1750-2799. PMC 8168523 . PMID  33514944. 
  16. ^ "Полимеразная цепная реакция (ПЦР) (статья)". Khan Academy . Получено 2023-04-11 .
  17. ^ Лабру, Николаос Э. (2014), Лабру, Николаос Э. (ред.), «Очистка белка: обзор», Обработка белков по нисходящей: проектирование, разработка и применение методов высокого и низкого разрешения , Методы в молекулярной биологии, т. 1129, Тотова, Нью-Джерси: Humana Press, стр. 3–10, doi : 10.1007/978-1-62703-977-2_1, ISBN 978-1-62703-977-2, PMID  24648062 , получено 2023-04-11
  18. ^ Джонсон, МХ (2013-01-01), «Экстракорпоральное оплодотворение», в Maloy, Stanley; Хьюз, Келли (ред.), Brenner's Encyclopedia of Genetics (второе издание) , Сан-Диего: Academic Press, стр. 44–45, doi :10.1016/b978-0-12-374984-0.00777-4, ISBN 978-0-08-096156-9, получено 2023-04-11
  19. ^ "In vitro диагностика - Глобальная". www.who.int . Получено 2023-04-11 .
  20. ^ Artursson P.; Palm K.; Luthman K. (2001). «Caco-2 монослои в экспериментальных и теоретических предсказаниях транспорта лекарств». Advanced Drug Delivery Reviews . 46 (1–3): 27–43. doi :10.1016/s0169-409x(00)00128-9. PMID  11259831.
  21. ^ Гаргас ML; Берджесс RL; Вуазар DE; Кейсон GH; Андерсен ME (1989). «Коэффициенты распределения низкомолекулярных летучих химических веществ в различных жидкостях и тканях». Токсикология и прикладная фармакология . 98 (1): 87–99. doi :10.1016/0041-008x(89)90137-3. PMID  2929023. S2CID  6928235.
  22. ^ Pelkonen O.; Turpeinen M. (2007). «Экстраполяция печеночного клиренса in vitro-in vivo: биологические инструменты, масштабирующие факторы, модельные предположения и правильные концентрации». Xenobiotica . 37 (10–11): 1066–1089. doi :10.1080/00498250701620726. PMID  17968737. S2CID  3043750.
  23. ^ Альбертс, Брюс (2008). Молекулярная биология клетки . Нью-Йорк: Garland Science. ISBN 978-0-8153-4105-5.
  24. ^ «Биологическая сложность и интегративные уровни организации | Изучайте науку на Scitable». www.nature.com . Получено 11 апреля 2023 г.
  25. ^ Винье, Полетт М.; Пьер Винье (2010). Открытие жизни, производство жизни: как экспериментальный метод сформировал науки о жизни . Берлин: Springer. ISBN 978-90-481-3766-4.
  26. ^ Жаклин Нэрн; Прайс, Николас К. (2009). Исследование белков: руководство для студентов по экспериментальным навыкам и методам . Оксфорд [Оксфордшир]: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-920570-7.
  27. ^ «Существующие альтернативы без использования животных». AltTox.org. 20 ноября 2016 г. Архивировано из оригинала 13 марта 2020 г.
  28. ^ Паунд, Пандора; Ритскес-Хойтинга, Мерел (2018-11-07). «Возможно ли преодолеть проблемы внешней валидности в доклинических исследованиях на животных? Почему большинство моделей животных обречены на неудачу». Журнал трансляционной медицины . 16 (1): 304. doi : 10.1186/s12967-018-1678-1 . ISSN  1479-5876. PMC 6223056. PMID 30404629  . 
  29. ^ Цейсс, Кэролайн Дж. (декабрь 2021 г.). «Сравнительные этапы развития центральной нервной системы грызунов и человека в постнатальном периоде». Toxicologic Pathology . 49 (8): 1368–1373. doi : 10.1177/01926233211046933. ISSN  0192-6233. PMID  34569375. S2CID  237944066.
  30. ^ Quignot N.; Hamon J.; Bois F. (2014). Экстраполяция результатов in vitro для прогнозирования токсичности для человека, в In Vitro Toxicology Systems, Bal-Price A., Jennings P., Eds, Methods in Pharmacology and Toxicology series . Нью-Йорк, США: Springer Science. стр. 531–550.
  31. ^ Ротман, СС (2002). Уроки живой клетки: культура науки и пределы редукционизма. Нью-Йорк: McGraw-Hill. ISBN 0-07-137820-0.
  32. ^ Шпильманн, Хорст; Голдберг, Алан М. (1999-01-01), Марквардт, Ганс; Шефер, Зигфрид Г.; Макклеллан, Роджер; Уэлш, Франк (ред.), «Глава 49 — Методы in vitro», токсикология , Сан-Диего: Academic Press, стр. 1131–1138, doi :10.1016/b978-012473270-4/50108-5, ISBN 978-0-12-473270-4, получено 2023-04-11
  33. ^ De Clercq E (октябрь 2005 г.). «Последние достижения в разработке новых противовирусных препаратов». Curr. Opin. Microbiol . 8 (5): 552–60. doi :10.1016/j.mib.2005.08.010. PMC 7108330. PMID  16125443 . 
  34. ^ Блюм, Джонатан; Масйостхусманн, Стефан; Бартманн, Кристина; Бендт, Фарина; Дольде, Ксения; Донмез, Ариф; Фёрстер, Нильс; Хольцер, Анна-Катарина; Хюбенталь, Ульрике; Кессель, Хаген Эйке; Килич, Садие; Клозе, Йордис; Пал, Мелани; Штюрцль, Линн-Кристин; Мангас, Ирис (1 января 2023 г.). «Создание in vitro батареи на основе клеток человека для оценки опасности нейротоксичности химических веществ для развития». Хемосфера . 311 (Часть 2): 137035. Бибкод : 2023Chmsp.311m7035B. doi : 10.1016/j.chemosphere.2022.137035 . ISSN  0045-6535. PMID  36328314.
  35. ^ OECD (2023-04-14). "Работа OECD по in vitro анализам на нейротоксичность развития" . Получено 2023-07-04 .
  36. ^ Пирсма, АХ; Босгра, С.; ван Дюрсен, МБМ; Хермсен, САБ; Джонкер, ЛРА; Крозе, Эд; ван дер Линден, Южная Каролина; Ман, Х.; Рулофс, MJE; Шульпен, SHW; Шварц, М.; Уйбель, Ф.; ван Вугт-Люссенбург, BMA; Вестерхаут, Дж.; Вольтербек, APM (1 июля 2013 г.). «Оценка альтернативной батареи тестов in vitro для выявления репродуктивных токсикантов». Репродуктивная токсикология . 38 : 53–64. doi :10.1016/j.reprotox.2013.03.002. ISSN  0890-6238. ПМИД  23511061.
  37. ^ Мартин, Мелисса М.; Бейкер, Нэнси К.; Бойес, Уильям К.; Карстенс, Келли Э.; Калбрет, Меган Э.; Гилберт, Мэри Э.; Харрилл, Джошуа А.; Ниффелер, Джоанна; Падилла, Стефани; Фридман, Кэти Пол; Шафер, Тимоти Дж. (01.09.2022). «Экспертный обзор литературы по «отрицательным» химическим веществам для оценки in vitro нейротоксичности развития (DNT)». Нейротоксикология и тератология . 93 : 107117. doi : 10.1016/j.ntt.2022.107117. ISSN  0892-0362. OSTI  1981723. PMID  35908584. S2CID  251187782.
  38. ^ Репетто, Гильермо (2013), «Тестовые батареи в экотоксикологии», в Ферар, Жан-Франсуа; Блез, Кристиан (ред.), Энциклопедия водной экотоксикологии , Дордрехт: Springer Netherlands, стр. 1105–1128, doi :10.1007/978-94-007-5704-2_100, ISBN 978-94-007-5704-2, получено 2023-07-04
  39. ^ Европейское агентство по лекарственным средствам (EMA) (2013-02-11). "ICH S2 (R1) Тестирование генотоксичности и интерпретация данных для фармацевтических препаратов, предназначенных для использования человеком - Научное руководство" (PDF) . Европейское агентство по лекарственным средствам - Наука Медицина Здоровье .
  40. ^ Sung, JH; Esch, MB; Shuler, ML (2010). «Интеграция платформ in silico и in vitro для фармакокинетического-фармакодинамического моделирования». Мнение эксперта по метаболизму лекарств и токсикологии . 6 (9): 1063–1081. doi :10.1517/17425255.2010.496251. PMID  20540627. S2CID  30583735.
  41. ^ Quignot, Nadia; Bois, Frédéric Yves (2013). «Вычислительная модель для прогнозирования секреции стероидов в яичниках крыс в экспериментах in vitro с эндокринными разрушителями». PLOS ONE . 8 (1): e53891. Bibcode : 2013PLoSO ...853891Q. doi : 10.1371/journal.pone.0053891 . PMC 3543310. PMID  23326527. 
  42. ^ Proença, Susana; Escher, Beate I.; Fischer, Fabian C.; Fisher, Ciarán; Grégoire, Sébastien; Hewitt, Nicky J.; Nicol, Beate; Paini, Alicia; Kramer, Nynke I. (2021-06-01). "Эффективное воздействие химических веществ в клеточных системах in vitro: обзор моделей распределения химических веществ". Toxicology in Vitro . 73 : 105133. doi : 10.1016/j.tiv.2021.105133 . ISSN  0887-2333. PMID  33662518. S2CID  232122825.
  43. ^ Yoon M, Campbell JL, Andersen ME, Clewell HJ (2012). «Количественная экстраполяция результатов клеточного анализа токсичности in vitro на in vivo». Critical Reviews in Toxicology . 42 (8): 633–652. doi :10.3109/10408444.2012.692115. PMID  22667820. S2CID  3083574.
  44. ^ Louise J, de Jong E, van de Sandt JJ, Blaauboer BJ, Woutersen RA, Piersma AH, Rietjens IM, Verwei M (2010). «Использование данных о токсичности in vitro и физиологически обоснованного кинетического моделирования для прогнозирования кривых доза-реакция для токсичности гликолевых эфиров in vivo для развития у крыс и людей». Toxicological Sciences . 118 (2): 470–484. doi : 10.1093/toxsci/kfq270 . PMID  20833708.

Внешние ссылки

Найдите информацию о in vitro в Викисловаре, бесплатном словаре.