Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья про научный эксперимент. Для использования в других целях, см In vitro (значения) .
Клонированные растения in vitro

В пробирке (значение в стекле или в стекле ) исследования проводятся с микроорганизмами , клетками или биологическими молекулами за пределами их обычного биологического контекста.Эти исследования в биологии и ее разделах, в просторечииназываемые « экспериментами в пробирках »,традиционно проводятся в лабораторных условиях, таких как пробирки, колбы, чашки Петри и планшеты для микротитрования . Исследования, проведенные с использованием компонентов организмакоторые были изолированы от своего 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 человека, и целых растениях.

Определение [ править ]

In vitro ( латинское : in glass ; часто не выделено курсивом в английском использовании [1] [2] [3] ) исследования проводятся с использованием компонентов организма, которые были изолированы от их обычного биологического окружения, таких как микроорганизмы, клетки или биологические молекулы. Например, микроорганизмы или клетки можно изучать в искусственных питательных средах , а белки можно исследовать в растворах . Эти исследования в биологии, медицине и их дисциплинах, в просторечии называемые «экспериментами в пробирках», традиционно проводятся в пробирках, колбах, чашках Петри и т. Д. В настоящее время они включают весь спектр методов, используемых в молекулярной биологии, например омики .

Напротив, исследования, проводимые на живых существах (микроорганизмы, животные, люди или целые растения), называются in vivo .

Примеры [ править ]

Примеры исследований in vitro включают: выделение, рост и идентификацию 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 (например, белки , ДНК или РНК); и коммерческое производство антибиотиков и других фармацевтических продуктов. Вирусы, которые размножаются только в живых клетках, изучаются в лаборатории на клеточной или тканевой культуре, и многие вирусологи животных называют такую ​​работу in vitro, чтобы отличить ее от работы in vivo на целых животных.

  • Полимеразная цепная реакция - это метод избирательной репликации определенных последовательностей ДНК и РНК в пробирке.
  • Очистка белка включает выделение конкретного интересующего белка из сложной смеси белков, часто получаемой из гомогенизированных клеток или тканей.
  • Оплодотворение in vitro используется, чтобы позволить сперматозоидам оплодотворить яйцеклетки в культуральной чашке перед имплантацией полученного эмбриона или эмбрионов в матку будущей матери.
  • Под диагностикой in vitro понимается широкий спектр медицинских и ветеринарных лабораторных тестов, которые используются для диагностики заболеваний и мониторинга клинического статуса пациентов с использованием образцов крови, клеток или других тканей, полученных от пациента.
  • Тестирование in vitro использовалось для характеристики конкретных процессов адсорбции, распределения, метаболизма и выведения лекарственных или общих химических веществ внутри живого организма; например, эксперименты с клетками Caco-2 могут быть выполнены для оценки абсорбции соединений через слизистую оболочку желудочно-кишечного тракта; [4] Распределение соединений между органами может быть определено для изучения механизмов распределения; [5] Суспензии или посевные культуры первичных гепатоцитов или гепатоцитоподобных клеточных линий (HepG2, HepaRG) можно использовать для изучения и количественной оценки метаболизма химических веществ. [6] Эти параметры процесса ADME затем могут быть интегрированы в так называемые «физиологические фармакокинетические модели» или PBPK .

Преимущества [ править ]

Исследования in vitro позволяют проводить видоспецифичный, более простой, удобный и более подробный анализ, чем невозможно сделать для всего организма. Так же, как исследования на целых животных все больше заменяют исследования на людях, исследования in vitro заменяют исследования на целых животных.

Простота [ править ]

Живые организмы представляют собой чрезвычайно сложные функциональные системы, которые состоят как минимум из многих десятков тысяч генов, белковых молекул, молекул РНК, небольших органических соединений, неорганических ионов и комплексов в среде, которая пространственно организована мембранами, и в случае многоклеточных организмов - систем органов. [7] Эти бесчисленные компоненты взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой таким образом, чтобы обрабатывать пищу, удалять отходы, перемещать компоненты в правильное место и реагировать на сигнальные молекулы, другие организмы, свет, звук, тепло, вкус, прикосновение. , и баланс.

Вид сверху модуля воздействия на млекопитающих Vitrocell «курительный робот» (крышка снята), вид четырех отдельных лунок для вкладышей клеточных культур, подвергающихся 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 исследуемую систему, поэтому исследователь может сосредоточиться на небольшом количестве компонентов. [8] [9]

Например, идентичность белков иммунной системы (например, антител) и механизм, с помощью которого они распознают и связываются с чужеродными антигенами, остались бы очень неясными, если бы не широкое использование работы in vitro для выделения белков, идентификации клеток. и гены, которые их продуцируют, изучают физические свойства их взаимодействия с антигенами и определяют, как эти взаимодействия приводят к клеточным сигналам, активирующим другие компоненты иммунной системы.

Видовая специфика [ править ]

Еще одно преимущество методов in vitro состоит в том, что клетки человека можно изучать без «экстраполяции» клеточного ответа экспериментального животного. [10]

Удобство, автоматизация [ править ]

Методы in vitro могут быть миниатюризированы и автоматизированы, что дает высокопроизводительные методы скрининга для тестирования молекул в фармакологии или токсикологии [11]

Недостатки [ править ]

Основным недостатком экспериментальных исследований in vitro является то, что может быть сложно экстраполировать результаты работы in vitro обратно на биологию интактного организма. Исследователи, выполняющие работы in vitro, должны проявлять осторожность, чтобы избежать чрезмерной интерпретации своих результатов, которая может привести к ошибочным выводам об организменной и системной биологии. [12]

Например, ученые, разрабатывающие новое вирусное лекарство для лечения инфекции, вызванной патогенным вирусом (например, ВИЧ-1), могут обнаружить, что лекарство-кандидат действует для предотвращения репликации вируса в условиях in vitro (обычно в культуре клеток). Однако до того, как это лекарство будет использовано в клинике, его необходимо пройти через серию испытаний in vivo, чтобы определить, является ли он безопасным и эффективным для интактных организмов (обычно мелких животных, приматов и людей последовательно). Как правило, большинство лекарственных препаратов-кандидатов, которые эффективны in vitro, оказываются неэффективными in vivo из-за проблем, связанных с доставкой лекарственного средства в пораженные ткани, токсичностью по отношению к основным частям организма, которые не были представлены в первоначальном исследовании in vitro.учеба или другие вопросы. [13]

Экстраполяция in vitro на in vivo [ править ]

Основная статья: Экстраполяция in vitro на in vivo

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

  • Повышение сложности систем in vitro для воспроизведения тканей и взаимодействия между ними (как в системах «человек на чипе») [14]
  • Использование математического моделирования для численного моделирования поведения сложной системы, где данные in vitro предоставляют значения параметров модели [15]

Эти два подхода не являются несовместимыми; более совершенные системы in vitro предоставляют более точные 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 . [ необходима цитата ]

Экстраполяция в фармакологии [ править ]

В фармакологии IVIVE можно использовать для оценки фармакокинетики (PK) или фармакодинамики (PD). [ необходима цитата ] Поскольку время и интенсивность воздействия на заданную мишень зависят от зависимости от времени концентрации лекарственного средства-кандидата (исходной молекулы или метаболитов) в этом целевом участке, чувствительность тканей и органов in vivo может быть совершенно иной или даже обратной наблюдается на клетках, культивируемых и экспонированных in vitro . Это указывает на то, что экстраполяционные эффекты, наблюдаемые in vitro, нуждаются в количественной модели PK in vivo . ПК на физиологической основе ( ПБПК) модели обычно считаются центральными для экстраполяций. [16]

В случае ранних эффектов или эффектов без межклеточной коммуникации предполагается, что одна и та же концентрация воздействия на клетки вызывает одни и те же эффекты, как качественно, так и количественно, in vitro и in vivo . В этих условиях недостаточно разработать простую PD-модель зависимости доза-ответ, наблюдаемую in vitro , и перенести ее без изменений для прогнозирования эффектов in vivo . [17]

См. Также [ править ]

  • Тестирование животных
  • Ex vivo
  • На месте
  • В утробе
  • В естественных условиях
  • In silico
  • В папиру
  • В природе
  • Клеточная биология и биология развития животных in vitro
  • Клеточная биология и биология развития растений in vitro
  • Токсикология in vitro
  • Экстраполяция in vitro на in vivo
  • Подготовка ломтиков

Ссылки [ править ]

  1. ^ Merriam-Webster , Merriam-Webster Энциклопедический словарь , Merriam-Webster.
  2. ^ Айверсон, Шерил и др. (ред.) (2007). «12.1.1 Использование курсива». AMA Руководство стиля (10-е изд.). Оксфорд, Оксфордшир: Издательство Оксфордского университета . ISBN 978-0-19-517633-9.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )
  3. ^ 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.
  4. ^ Artursson P .; Palm K .; Лутман К. (2001). «Монослои Caco-2 в экспериментальных и теоретических предсказаниях транспорта лекарств». Расширенные обзоры доставки лекарств . 46 (1–3): 27–43. DOI : 10.1016 / s0169-409x (00) 00128-9 . PMID 11259831 . 
  5. ^ Гаргас ML; Burgess RL; Voisard DE; Cason GH; Андерсен ME (1989). «Коэффициенты распределения низкомолекулярных летучих химикатов в различных жидкостях и тканях». Токсикология и прикладная фармакология . 98 : 87–99. DOI : 10.1016 / 0041-008x (89) 90137-3 .
  6. ^ Пелконен O .; Турпейнен М. (2007). «Экстраполяция печеночного клиренса in vitro-in vivo: биологические инструменты, масштабные коэффициенты, допущения модели и правильные концентрации». Xenobiotica . 37 (10–11): 1066–1089. DOI : 10.1080 / 00498250701620726 .
  7. ^ Альбертс, Брюс (2008). Молекулярная биология клетки . Нью-Йорк: Наука Гарланд. ISBN 0-8153-4105-9.
  8. ^ Vignais, Paulette M .; Пьер Винье (2010). Открытие жизни, производство жизни: как экспериментальный метод сформировал науки о жизни . Берлин: Springer. ISBN 90-481-3766-7.
  9. ^ Жаклин Нэрн; Прайс, Николас С. (2009). Изучение белков: руководство для студентов по экспериментальным навыкам и методам . Оксфорд [Оксфордшир]: Издательство Оксфордского университета. ISBN 0-19-920570-1.
  10. ^ «Существующие альтернативы, не относящиеся к животным» . AltTox.org. 20 ноября 2016 года Архивировано из оригинала 13 марта 2020 года.
  11. ^ Quignot N .; Hamon J .; Буа Ф. (2014). Экстраполяция результатов in vitro для прогнозирования токсичности для человека, In vitro Toxicology Systems, Bal-Price A., Jennings P., Eds, Methods in Pharmacology and Toxicology series . Нью-Йорк, США: Springer Science. С. 531–550.
  12. Перейти ↑ Rothman, SS (2002). Уроки живой клетки: культура науки и пределы редукционизма . Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. ISBN 0-07-137820-0.
  13. ↑ De Clercq E (октябрь 2005 г.). «Последние достижения в разработке новых противовирусных препаратов» . Curr. Мнение. Microbiol . 8 (5): 552–60. DOI : 10.1016 / j.mib.2005.08.010 . PMC 7108330 . PMID 16125443 .  
  14. ^ Сун, JH; Эш, МБ; Шулер, ML (2010). «Интеграция платформ in silico и in vitro для фармакокинетико-фармакодинамического моделирования». Экспертное заключение по метаболизму и токсикологии лекарств . 6 : 1063–1081. DOI : 10.1517 / 17425255.2010.496251 .
  15. ^ Киньо, Надя; Буа, Фредерик Ив (2013). «Вычислительная модель для прогнозирования секреции стероидов яичниками крыс в экспериментах in vitro с эндокринными разрушителями» . PLoS ONE . 8 (1): e53891. DOI : 10.1371 / journal.pone.0053891 . PMC 3543310 . PMID 23326527 .  
  16. ^ Юн М., Кэмпбелл JL, Андерсен ME, Кливелл HJ (2012). «Количественная экстраполяция in vitro на in vivo результатов клеточного анализа токсичности». Критические обзоры в токсикологии . 42 : 633–652. DOI : 10.3109 / 10408444.2012.692115 .
  17. ^ Louisse J, де Йонг Е, ван де Санд JJ, Blaauboer BJ, Woutersen RA, Piersma AH, Rietjens И.М., Verwei M (2010). «Использование данных о токсичности in vitro и физиологически обоснованного кинетического моделирования для прогнозирования кривых доза-ответ для токсичности эфиров гликоля in vivo для развития у крыс и человека» . Токсикологические науки . 118 : 470–484. DOI : 10.1093 / toxsci / kfq270 .

Внешние ссылки [ править ]

  • СМИ, связанные с in vitro на Викискладе?