Исследования in vitro - особенности, преимущества и недостатки

Исследования in vitro проводятся с микроорганизмами, клетками или биологическими молекулами за пределами их нормального биологического контекста. В разговорной речи их называют экспериментами в пробирке. Эти исследования по биологии и ее субдисциплинам традиционно проводились в пробирках, колбах, чашках Петри и т.д., и с начала молекулярной биологии включают методы, так называемые омики. Исследования, в которых используются компоненты организма, выделенные из их обычного биологического окружения, подробнее и удобнее анализа с целыми организмами. В отличие от этого, исследования in vivo проводятся на животных, включая людей и целые растения.

Содержание

1. Примеры
   
2. Видео об исследованиях in vitro
   
3. Преимущества in vitro
   
4. Недостатки
   
5. Экстраполяция in vitro в in vivo (IVIVE)
   

Примеры

Примеры исследований in vitro: выделение, рост и идентификация клеток, полученных из многоклеточных организмов (культура клеток или культура тканей); субклеточных компонентов (митохондрии или рибосомы); клеточных или субклеточных экстрактов (например, зародыши пшеницы или экстракты ретикулоцита); очищенные молекулы, такие как белки, ДНК или РНК); и промышленное производство антибиотиков и фармацевтических препаратов. Вирусы, которые реплицируются только в живых клетках, изучаются в лаборатории в культуре клетки или ткани, и многие зоовирусологи называют такую работу in vitro, чтобы отличить ее от работы in vivo на целых животных.

• Полимеразная цепная реакция – это способ селективной репликации специфических последовательностей ДНК и РНК в пробирке.
  
• Очистка белка представляет собой выделение определенного белка из сложной смеси, которую во многих случаях получают из гомогенизированных клеток или тканей.
  
• Экстракорпоральное оплодотворение проводится в чашке с использованием сперматозоидов и яйцеклетки. Оплодотворенный(е) эмбрион(ы) затем имплантируют в матку будущей матери.
  
• Диагностика in vitro - это обширный спектр медицинских и ветеринарных лабораторных тестов. Они необходимы для диагностики болезней и мониторинга клинического состояния пациентов, а материалом служат образцы крови, клеток или других тканей пациента.
  

Тестирование in vitro используется, чтобы охарактеризовать специфическую адсорбцию, распределение, метаболизм и экскрецию (АРМЭ) лекарств или общих химических веществ внутри живого организма. Например, эксперименты с клетками Сасо-2 помогут оценить поглощение соединений через слизистую оболочку желудочно-кишечного тракта. Можно определить разделение соединений между органами для изучения механизмов распределения. Суспензия или культура в чашке первичных гепатоцитов или гепатоцит-подобных клеточных линий (HepG2, HepaRG) может быть использована для изучения и количественного определения метаболизма химических веществ. Эти параметры процессов АРМЭ затем можно интегрировать в так называемые «фармакокинетические модели на физиологической основе» или ФМФО.

Видео об исследованиях in vitro

Преимущества in vitro

Исследования in vitro позволяют проводить видоспецифичный, более простой, удобный и подробный анализ, по сравнению с анализом всего организма. Подобно тому, как исследования на целых животных все больше заменяют испытания на людях, исследования in vitro замещают исследования на целых животных.

Простота

Живые организмы представляются чрезвычайно сложными функциональными системами, образованными десятками тысяч генов, молекул белков и РНК, неорганических ионов малых органических соединений и комплексов. Среда, в которой они находятся, пространственно организована мембранами, а в многоклеточных организмах за это отвечают органы и системы. Эти мириады компоненты взаимодействуют между собой и со средой для обработки пищи, удаления отходов, перемещения компонентов в нужное место и реакции на сигнальные молекулы, свет, другие организмы, тепло, звук, вкус, баланс и осязание.

Эта сложность затрудняет определение взаимосвязей между отдельными компонентами, а также изучение основных биологических функций. Работы в пробирке упрощают исследуемую систему, поэтому исследователь может сосредоточиться на небольшом числе компонентов.

Например, идентификация белков иммунной системы (таких как антитела) и механизма, с помощью которого они распознают и связываются с чужеродными антигенами, оставалась бы неясной. Однако расширенное использование работ в пробирке позволило выделить белки, идентифицировать производящие их клетки и гены, исследовать физические особенности взаимодействия с антигенами. К тому же, так удалось определить, каким образом это взаимодействие приводит к клеточным сигналам, активирующим прочие компоненты иммунной системы.

Специфичность видов

Еще одним преимуществом методов in vitro является то, что клетки человека могут быть изучены без «экстраполяции» от клеточной реакции экспериментального животного.

Удобство, автоматизация

Методы in vitro могут быть миниатюрными и автоматизированными, что дает методы скрининга с высокой пропускной способностью для тестирования молекул в токсикологии или фармакологии.

Недостатки

Основным отрицательным моментом экспериментальных исследований в пробирке является то, что сложно экстраполировать результаты работы обратно к биологии нетронутого организма. Чтобы избежать чрезмерной интерпретации результатов, исследователи, проводящие работы in vitro, должны быть осторожными. Это может привести к ошибочным выводам о биологии организма и системы.

Например, ученые, занятые разработкой нового вирусного препарата для лечения инфекции патогенным вирусом (например, ВИЧ-1), могут прийти к заключению, что потенциальное лекарственное средство служит для предупреждения репликации вируса в пробирке (обычно в клеточной культуре). Однако перед использованием препарата в клинических условиях ему предстоит пройти серию испытаний in vivo, чтобы определить степень безопасности и эффективности у нетронутых организмов (как правило, последовательно на мелких животных, приматах и человеке). Как правило, большинство препаратов-кандидатов, эффективных в пробирке, не эффективны в естественных условиях из-за проблем с доставкой лекарственного средства в пораженные ткани, токсичности по отношению к важным частям организма, которые не были отражены в первоначальных исследованиях in vitro , или других проблем.

Экстраполяция in vitro в in vivo (IVIVE)

Результаты, полученные в экспериментах в пробирке, обычно нельзя трансформировать, чтобы прогнозировать реакцию всего организма в естественных условиях. Поэтому чрезвычайно важна разработка последовательной и надежной процедуры экстраполяции из результатов in vitro в in vivo. В целом были приняты два решения:

• Увеличение сложности систем in vitro для воспроизводства тканей и взаимодействия между ними (как в системах «человек на чипе»).
  
• Использование математического моделирования для численного моделирования поведения сложной системы, где данные в пробирке обеспечивают значения параметров модели.
  

Эти два подхода не являются несовместимыми: улучшенные системы in vitro обеспечат более точные данные для математических моделей. С другой стороны, все более изощренные эксперименты в пробирке собирают все более многочисленные, сложные и перспективные данные для интеграции. Здесь нужны математические модели, такие как в системной биологии.

Экстраполяция в фармакологии

В фармакологии исследования IVIVE могут быть использованы для аппроксимации фармакокинетики (ФК) или фармакодинамики (ФД). Поскольку время и интенсивность воздействия на данную цель зависят от времени концентрации курса потенциального лекарственного средства (родственная молекула или метаболиты) в участок-мишень, чувствительность тканей и органов в естественных условиях может быть совершенно другой или даже обратной той, что наблюдается на культивируемых клетках in vitro. Это указывает на то, что эффекты экстраполяции, наблюдаемые в пробирке, нуждаются в количественной модели ФК в естественных условиях. Принято считать, что ФК модели на физиологической основе (ФМФО) играют центральную роль в экстраполяции.

В случае ранних эффектов или эффектов без межклеточных связей предполагается, что та же самая концентрация клеточной экспозиции вызывает такие же эффекты в качественном и количественном выражении, в пробирке и в естественных условиях. В этой ситуации достаточно разработать простую ФД-модель взаимосвязи дозы-реакции, наблюдаемой в пробирке, и транспонировать без изменения, чтобы предсказать эффекты в естественных условиях.

© Авторы и рецензенты: редакционный коллектив оздоровительного портала "На здоровье!". Все права защищены.