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 нормального биологического контекста.Эти исследования в области биологии и ее разделов, в просторечии называемые « экспериментами в пробирке », традиционно проводятся в лабораторном оборудовании, таком как пробирки, колбы, чашки Петри и планшеты для микротитрования . Исследования, проводимые с использованием компонентов организма , изолированных от их обычного биологического окружения, позволяют провести более детальный и более удобный анализ, чем это можно сделать с целыми организмами; однако результаты, полученные в экспериментах in vitro , не могут полностью или точно предсказать воздействие на весь организм. В отличие отэкспериментов in vitro , исследования in vivo проводятся на живых организмах, включая людей (так называемые клинические испытания), и на целых растениях. [1] [2]

Определение

In vitro ( лат . «в стекле»; в английском языке часто не выделяется курсивом [3] [4] [5] ) исследования проводятся с использованием компонентов организма, изолированных от их обычного биологического окружения, таких как микроорганизмы, клетки, или биологические молекулы. Например, микроорганизмы или клетки можно изучать в искусственных культуральных средах , а белки — в растворах . Эти исследования в биологии, медицине и смежных дисциплинах, которые в просторечии называются «экспериментами в пробирке», традиционно проводятся в пробирках, колбах, чашках Петри и т. д. [6] [7] Теперь они включают в себя весь спектр методов, используемых в молекулярных исследованиях. биология, такая как омикс . [8]

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

Примеры

Примеры исследований in vitro включают: выделение, рост и идентификация клеток, полученных из многоклеточных организмов (в культуре клеток или тканей ); 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 реплицируются только в живых клетках, изучаются в лаборатории в культурах клеток или тканей, и многие вирусологи животных называют такую ​​работу « in vitro» , чтобы отличить ее от in vivo. работать на целых животных. [14] [15]

Преимущества

Исследования in vitro позволяют провести видоспецифичный, более простой, удобный и детальный анализ, чем анализ всего организма. Точно так же, как исследования на целых животных все больше и 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, белковых молекул, молекул РНК, небольших органических соединений, неорганических ионов и комплексов в среде, пространственно организованной мембранами и в случае многоклеточных организмов – системы органов. [23] [24] Эти бесчисленные компоненты взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой таким образом, что перерабатывают пищу, удаляют отходы, перемещают компоненты в нужное место и реагируют на сигнальные молекулы, другие организмы, свет, звук, тепло, вкус, осязание и баланс.

Вид сверху на модуль воздействия на млекопитающих Vitrocell «курящий робот», (крышка снята) вид четырех отдельных лунок для вставок клеточных культур, 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 чужеродные антигены и связываются с ними, оставались бы очень неясными, если бы не широкое использование исследований in vitro для выделения белков и идентификации клеток. и гены, которые их производят, изучают физические свойства их взаимодействия с антигенами и определяют, как эти взаимодействия приводят к клеточным сигналам, которые активируют другие компоненты иммунной системы.

Видовая специфика

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

Удобство, автоматизация

Методы in vitro могут быть миниатюризированы и автоматизированы, что обеспечивает 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 на биологию интактного организма. Исследователи, проводящие работу in vitro, должны быть осторожны, чтобы избежать чрезмерной интерпретации своих результатов, которая может привести к ошибочным выводам об организменной и системной биологии. [31] [32]

Например, ученые, разрабатывающие новый вирусный препарат для лечения инфекции, вызванной патогенным вирусом (например, ВИЧ-1), могут обнаружить, что препарат-кандидат предотвращает репликацию вируса в условиях in vitro (обычно в культуре клеток). Однако, прежде чем этот препарат будет использоваться в клинике, он должен пройти серию испытаний in vivo , чтобы определить, безопасен ли он и эффективен на интактных организмах (обычно последовательно на мелких животных, приматах и ​​людях). Как правило, большинство препаратов-кандидатов, эффективных in vitro, оказываются неэффективными in vivo из-за проблем, связанных с доставкой препарата к пораженным тканям, токсичности по отношению к важным частям организма, которые не были представлены в первоначальных исследованиях in vitro , или других причин. проблемы. [33]

Батареи для испытаний in vitro

Метод, который может помочь уменьшить количество испытаний на животных, — это использование батарей in vitro , при которых объединяются несколько анализов in vitro для охвата нескольких конечных точек. Что касается нейротоксичности развития и репродуктивной токсичности, есть надежда, что наборы тестов станут простыми методами скрининга для определения приоритетности того, какие химические вещества подлежат оценке риска и в каком порядке. [34] [35] [36] [37] В экотоксикологии батареи тестов in vitro уже используются в целях регулирования и для токсикологической оценки химических веществ. [38] Тесты in vitro также можно комбинировать с тестированием in vivo , чтобы создать батарею тестов in vitro in vivo , например, для фармацевтических испытаний. [39]

Экстраполяция in vitro в in vivo

Результаты, полученные в экспериментах in vitro , обычно не могут быть транспонированы для прогнозирования реакции всего организма in vivo . Поэтому создание последовательной и надежной процедуры экстраполяции результатов in vitro на in vivo чрезвычайно важно. Решения включают в себя:

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

Экстраполяция в фармакологии

В фармакологии IVIVE можно использовать для аппроксимации фармакокинетики (ФК) или фармакодинамики (ФД). [ нужна ссылка ] Поскольку время и интенсивность воздействия на данную мишень зависят от временного хода концентрации лекарственного средства-кандидата (исходной молекулы или метаболитов) в этом целевом участке, чувствительность тканей и органов in vivo может быть совершенно разной или даже обратной по сравнению с таковой. наблюдается на клетках, культивируемых и экспонированных in vitro . Это указывает на то, что для экстраполяции эффектов, наблюдаемых in vitro, необходима количественная модель ФК in vivo . Физиологически обоснованные модели ФК ( PBPK ) обычно считаются центральными для экстраполяции. [43]

В случае ранних эффектов или эффектов без межклеточных связей предполагается, что одна и та же концентрация воздействия на клетки вызывает одинаковые эффекты, как качественные, так и количественные, in vitro и in vivo . В этих условиях недостаточно разработать простую модель ФД зависимости «доза-реакция» , наблюдаемую in vitro , и перенести ее без изменений для прогнозирования эффектов in vivo . [44]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Методы in vitro - ECHA». echa.europa.eu . Проверено 11 апреля 2023 г.
  2. ^ Токсичность, Подкомитет Национального исследовательского совета (США) по репродуктивности и развитию (2001). Дизайн экспериментальных исследований на животных и in vitro. Издательство национальных академий (США).
  3. ^ Merriam-Webster , Университетский словарь Merriam-Webster, Merriam-Webster, заархивировано из оригинала 10 октября 2020 г. , получено 20 апреля 2014 г.
  4. ^ Айверсон, Шерил; и др., ред. (2007). «12.1.1 Использование курсива». Руководство по стилю АМА (10-е изд.). Оксфорд, Оксфордшир: Издательство Оксфордского университета . ISBN 978-0-19-517633-9.
  5. ^ Американская психологическая ассоциация (2010), «4.21 Использование курсива», Руководство по публикации 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 . Проверено 11 апреля 2023 г.
  7. ^ Токсичность, Подкомитет Национального исследовательского совета (США) по репродуктивности и развитию (2001). Дизайн экспериментальных исследований на животных и in vitro. Издательство национальных академий (США).
  8. ^ «Технологии Omics в химических испытаниях - ОЭСР» . www.oecd.org . Проверено 11 апреля 2023 г.
  9. ^ Токсичность, Подкомитет Национального исследовательского совета (США) по репродуктивности и развитию (2001). Дизайн экспериментальных исследований на животных и in vitro. Издательство национальных академий (США).
  10. ^ Шпильманн, Хорст; Голдберг, Алан М. (1 января 1999 г.), Марквардт, Ганс; Шефер, Зигфрид Г.; Макклеллан, Роджер; Уэлш, Фрэнк (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 11 апреля 2023 г.
  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. ПМЦ 5864235 . ПМИД  29229998. 
  12. ^ Хаммерлинг, Майкл Дж.; Фриц, Брайан Р.; Йосеп, Даниэль Дж.; Ким, До Сун; Карлсон, Эрик Д.; Джуэтт, Майкл К. (28 февраля 2020 г.). «Синтез рибосом in vitro и эволюция посредством отображения рибосом». Природные коммуникации . 11 (1): 1108. Бибкод : 2020NatCo..11.1108H. дои : 10.1038/s41467-020-14705-2. ISSN  2041-1723. ПМК 7048773 . ПМИД  32111839. 
  13. ^ Боканегра, Ребека; Исмаэль Плаза, Джорджия; Пулидо, Карлос Р.; Ибарра, Борха (01 января 2021 г.). «Механизм репликации ДНК: результаты применения одномолекулярных подходов in vitro». Журнал вычислительной и структурной биотехнологии . 19 : 2057–2069. дои : 10.1016/j.csbj.2021.04.013. ISSN  2001-0370. ПМЦ 8085672 . ПМИД  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 , Нью-Йорк, Нью-Йорк: Springer, том . 1836, стр. 375–386, doi : 10.1007/978-1-4939-8678-1_18, ISBN. 978-1-4939-8678-1, PMID  30151583 , получено 11 апреля 2023 г.
  15. ^ Се, Сюпин; Локугамаге, Кумари Г.; Чжан, Сяньвэнь; Ву, Мишель Н.; Муруато, Антонио Э.; Менахери, Винет Д.; Ши, Пей-Ён (март 2021 г.). «Разработка SARS-CoV-2 с использованием обратной генетической системы». Протоколы природы . 16 (3): 1761–1784. дои : 10.1038/s41596-021-00491-8. ISSN  1750-2799. ПМЦ 8168523 . ПМИД  33514944. 
  16. ^ «Полимеразная цепная реакция (ПЦР) (статья)» . Ханская академия . Проверено 11 апреля 2023 г.
  17. ^ Лабру, Николаос Э. (2014), Лабру, Николаос Э. (ред.), «Очистка белков: обзор», Последующая обработка белков: проектирование, разработка и применение методов высокого и низкого разрешения , методы молекулярной биологии, Тотова, Нью-Джерси: Humana Press, vol. 1129, стр. 3–10, номер документа : 10.1007/978-1-62703-977-2_1, ISBN. 978-1-62703-977-2, PMID  24648062 , получено 11 апреля 2023 г.
  18. ^ Джонсон, MH (01 января 2013 г.), «Экстракорпоральное оплодотворение», в Малой, Стэнли; Хьюз, Келли (ред.), Энциклопедия генетики Бреннера (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 11 апреля 2023 г.
  19. ^ «Диагностика in vitro - Глобально» . www.who.int . Проверено 11 апреля 2023 г.
  20. ^ Артурссон П.; Палм К.; Лутман К. (2001). «Монослои Caco-2 в экспериментальных и теоретических предсказаниях транспорта лекарств». Обзоры расширенной доставки лекарств . 46 (1–3): 27–43. дои : 10.1016/s0169-409x(00)00128-9. ПМИД  11259831.
  21. ^ Гаргас МЛ; Берджесс Р.Л.; Войсар DE; Кейсон Г.Х.; Андерсен М.Е. (1989). «Коэффициенты распределения низкомолекулярных летучих химических веществ в различных жидкостях и тканях». Токсикология и прикладная фармакология . 98 (1): 87–99. дои : 10.1016/0041-008x(89)90137-3. ПМИД  2929023.
  22. ^ Пелконен О.; Турпейнен М. (2007). «Экстраполяция печеночного клиренса in vitro-in vivo: биологические инструменты, коэффициенты масштабирования, модельные предположения и правильные концентрации». Ксенобиотика . 37 (10–11): 1066–1089. дои : 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 в Scitable» . www.nature.com . Проверено 11 апреля 2023 г.
  25. ^ Винье, Полетт М.; Пьер Винье (2010). Открытие жизни, производство жизни: как экспериментальный метод повлиял на науки о жизни . Берлин: Шпрингер. ISBN 978-90-481-3766-4.
  26. ^ Жаклин Нэрн; Прайс, Николас К. (2009). Изучение белков: руководство для студентов по экспериментальным навыкам и методам . Оксфорд [Оксфордшир]: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-920570-7.
  27. ^ «Существующие альтернативы, не связанные с животными». AltTox.org. 20 ноября 2016 г. Архивировано из оригинала 13 марта 2020 г.
  28. ^ Паунд, Пандора; Рицкес-Хойтинга, Мерель (07.11.2018). «Можно ли преодолеть проблемы внешней достоверности в доклинических исследованиях на животных? Почему большинство моделей на животных обречены на провал». Журнал трансляционной медицины . 16 (1): 304. дои : 10.1186/s12967-018-1678-1 . ISSN  1479-5876. ПМК 6223056 . ПМИД  30404629. 
  29. ^ Цейсс, Кэролайн Дж. (декабрь 2021 г.). «Сравнительные этапы постнатального развития центральной нервной системы грызунов и человека». Токсикологическая патология . 49 (8): 1368–1373. дои : 10.1177/01926233211046933. ISSN  0192-6233. PMID  34569375. S2CID  237944066.
  30. ^ Киньо Н.; Хамон Дж.; Буа Ф. (2014). Экстраполяция результатов in vitro для прогнозирования токсичности для человека, в серии In Vitro Toxicology Systems, Бал-Прайс А., Дженнингс П., ред., «Методы в фармакологии и токсикологии» . Нью-Йорк, США: Springer Science. стр. 531–550.
  31. ^ Ротман, СС (2002). Уроки живой клетки: культура науки и пределы редукционизма. Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. ISBN 0-07-137820-0.
  32. ^ Шпильманн, Хорст; Голдберг, Алан М. (1 января 1999 г.), Марквардт, Ганс; Шефер, Зигфрид Г.; Макклеллан, Роджер; Уэлш, Фрэнк (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 11 апреля 2023 г.
  33. ^ Де Клерк Э (октябрь 2005 г.). «Последние события в разработке новых противовирусных препаратов». Курс. Мнение. Микробиол . 8 (5): 552–60. дои : 10.1016/j.mib.2005.08.010. ПМК 7108330 . ПМИД  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.chemSphere.2022.137035 . ISSN  0045-6535. ПМИД  36328314.
  35. ^ ОЭСР (14 апреля 2023 г.). «Работа ОЭСР над анализами in vitro на нейротоксичность развития» . Проверено 4 июля 2023 г.
  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.; Бойс, Уильям К.; Карстенс, Келли Э.; Калбрет, Меган Э.; Гилберт, Мэри Э.; Харрилл, Джошуа А.; Ниффелер, Джоанна; Падилья, Стефани; Фридман, Кэти Пол; Шафер, Тимоти Дж. (01 сентября 2022 г.). «Экспертный обзор литературы по «негативным» химическим веществам для оценки нейротоксичности развития (DNT) in vitro». Нейротоксикология и тератология . 93 : 107117. doi : 10.1016/j.ntt.2022.107117. ISSN  0892-0362. PMID  35908584. S2CID  251187782.
  38. ^ Репетто, Гильермо (2013), «Испытательные батареи в экотоксикологии», Ферар, Жан-Франсуа; Блез, Кристиан (ред.), Энциклопедия водной экотоксикологии , Дордрехт: Springer Нидерланды, стр. 1105–1128, doi : 10.1007/978-94-007-5704-2_100, ISBN 978-94-007-5704-2, получено 4 июля 2023 г.
  39. ^ Европейское агентство лекарственных средств (EMA) (11 февраля 2013 г.). «ICH S2 (R1) Испытание генотоксичности и интерпретация данных фармацевтических препаратов, предназначенных для использования человеком - Научное руководство» (PDF) . Европейское агентство по лекарственным средствам - Наука, лекарства, здоровье .
  40. ^ Сунг, Дж. Х.; Эш, МБ; Шулер, МЛ (2010). «Интеграция платформ in silico и in vitro для фармакокинетико-фармакодинамического моделирования». Экспертное заключение по метаболизму и токсикологии лекарственных средств . 6 (9): 1063–1081. дои : 10.1517/17425255.2010.496251. PMID  20540627. S2CID  30583735.
  41. ^ Киньо, Надя; Буа, Фредерик Ив (2013). «Вычислительная модель для прогнозирования секреции стероидов яичниками крыс в результате экспериментов in vitro с эндокринными разрушителями». ПЛОС ОДИН . 8 (1): e53891. Бибкод : 2013PLoSO...853891Q. дои : 10.1371/journal.pone.0053891 . ПМЦ 3543310 . ПМИД  23326527. 
  42. ^ Проэнса, Сусана; Эшер, Беате И.; Фишер, Фабиан К.; Фишер, Чиаран; Грегуар, Себастьен; Хьюитт, Ники Дж.; Никол, Беате; Пайни, Алисия; Крамер, Нинка И. (01 июня 2021 г.). «Эффективное воздействие химических веществ на клеточные системы in vitro: обзор моделей распределения химических веществ». Токсикология in vitro . 73 : 105133. doi : 10.1016/j.tiv.2021.105133 . ISSN  0887-2333. PMID  33662518. S2CID  232122825.
  43. ^ Юн М., Кэмпбелл Дж.Л., Андерсен М.Э., Клюэлл Х.Дж. (2012). «Количественная экстраполяция результатов клеточного анализа токсичности in vitro на in vivo». Критические обзоры по токсикологии . 42 (8): 633–652. дои : 10.3109/10408444.2012.692115. PMID  22667820. S2CID  3083574.
  44. ^ Луиза Дж., де Йонг Э., ван де Сандт Дж.Дж., Блааубоер Б.Дж., Воутерсен Р.А., Пирсма А.Х., Ритдженс ИМ, Вервей М (2010). «Использование данных о токсичности in vitro и физиологически обоснованного кинетического моделирования для прогнозирования кривых доза-реакция токсичности эфиров гликоля для развития in vivo у крыс и человека». Токсикологические науки . 118 (2): 470–484. дои : 10.1093/toxsci/kfq270 . ПМИД  20833708.

Внешние ссылки

Поищите in vitro в Викисловаре, бесплатном словаре.