Кіріспе

Латынша термин, табиғи биологиялық ортадан тыс жерде жүргізілетін ғылыми эксперимент түрі. In vitro (мағынасы – «шыны ішінде») зерттеулері микроорганизмдермен, жасушалармен немесе биологиялық молекулалармен олардың қалыпты биологиялық жағдайынан тыс орындалады. Көбінесе «пробиркадағы эксперименттер» деп аталатын биология және оның салаларындағы зерттеулер дәстүрлі түрде зертханалық құралдарда – пробиркалар, колбалар, Петри ыдыстары және микротитрлік тақталарда жүргізіледі. Организмнің әдеттегі биологиялық ортасынан оқшауланған компоненттерін пайдалана отырып жүргізілетін зерттеулер, толық организмдермен салыстырғанда, егжей-тегжейлі немесе ыңғайлы талдау жасауға мүмкіндік береді. Дегенмен, in vitro эксперименттерінен алынған нәтижелер толық организмге тигізетін әсерді толық немесе дәл болжап беруі мүмкін емес. In vitro эксперименттерінен өзгеше, in vivo зерттеулері – тірі организмдерде, оның ішінде адамдарда (клиникалық сынақтар деп аталатын) және толық өсімдіктерде жүргізіледі.

Анықтама

In vitro (лат. "шыныда"; ағылшын тілінде көбінесе курсивпен жазылмайды) зерттеулері организмнің микроорганизмдер, жасушалар немесе биологиялық молекулалар сияқты әдеттегі биологиялық ортасынан оқшауланған компоненттерін пайдалана отырып жүргізіледі. Мысалы, микроорганизмдер мен жасушаларды жасанды ортада өсіріп зерттеуге болады, ал ақуыздарды ерітінділерде қарастыруға болады. Бұл зерттеулер, көбінесе "пробиркадағы тәжірибелер" деп аталады, биология, медицина және олардың тармақтарында дәстүрлі түрде пробиркаларда, колбаларда, Петри ыдыстарында және т.б. жүргізіледі. Қазіргі кезде олар молекулалық биологияда қолданылатын, омика сияқты барлық әдістерді қамтиды. Ал тірі организмдерде (микроорганизмдер, жануарлар, адамдар немесе толық өсімдіктерде) жүргізілетін зерттеулер in vivo деп аталады.

Мысалдар

In vitro зерттеулердің мысалдары: көпжасушалы организмдерден алынған жасушаларды оқшаулау, өсіру және анықтау (жасуша немесе тіндік мәдениетте); жасушалық құрамдастар (мысалы, митохондриялар немесе рибосомалар); жасушалық немесе жасушалық экстракттар (мысалы, бидай түйіршігі немесе ретикулоциттер экстракттары); тазартылған молекулалар (мысалы, ақуыздар, ДНК немесе РНК); антибиотиктер және басқа да фармацевтикалық өнімдердің коммерциялық өндірісі. Тірі жасушаларда ғана көбейетін вирустар зертханада жасуша немесе тіндік мәдениетте зерттеледі, және көптеген жануарлар вирусологтары осындай жұмысты тұтас жануарлардағы in vivo зерттеулерінен ажырату үшін in vitro деп атайды. Полимераза тізбектік реакциясы (ПТР) – сынақ түтігінде белгілі бір ДНК және РНК тізбектерін таңдап көбейту әдісі. Ақуыз тазарту – гомогенделген жасушалардан немесе тіндерден алынған күрделі ақуыз қоспасынан белгілі бір қызығушылық тудыратын ақуызды оқшаулауды қамтиды. In vitro ұрықтандыру – сперматозоидтардың аналық жасушаға енгізілгенге дейін мәдениет табасында жұмыртқаларды ұрықтандыруға мүмкіндік беретін әдіс. In vitro диагностикасы – ауруларды диагностикалау және пациенттердің клиникалық жағдайын бақылау үшін пациенттен алынған қан, жасуша немесе басқа тіндердің үлгілерін пайдаланатын медициналық және ветеринариялық зертханалық тесттердің кең ауқымын білдіреді. In vitro сынақтары тірі организмдегі дәрілік заттардың немесе жалпы химиялық заттардың сіңуі, таралуы, метаболизмі және шығарылуы сияқты процестерді сипаттау үшін қолданылады; мысалы, Caco 2 жасушалық эксперименттері қосылыстардың асқазан-ішек жолының қабырғасы арқылы сіңуін бағалау үшін жүргізілуі мүмкін; қосылыстардың органдар арасындағы таралуын зерттеу үшін таралу механизмдерін анықтауға болады; бастапқы гепатоциттердің немесе гепатоциттерге ұқсас жасушалық штаммдардың (HepG2, HepaRG) суспензиясы немесе тікелей егілген мәдениеттері химиялық заттардың метаболизмін зерттеу және сандық бағалау үшін қолданылуы мүмкін. Бұл ADME процесінің параметрлері содан кейін «физиологиялық негізделген фармакокинетикалық модельдерге» немесе PBPK модельдеріне енгізіледі.

Артықшылықтар

In vitro зерттеулер бүкіл организмде жүргізілетін зерттеулерге қарағанда, түрге қатысты, қарапайым, ыңғайлы және егжей-тегжейлі талдау жасауға мүмкіндік береді. Бүкіл жануарлармен жүргізілетін зерттеулер адамдармен жүргізілетін сынақтарды көбірек алмастырғандай, in vitro зерттеулер де жануарлармен жүргізілетін зерттеулерді алмастырып келеді.

Қарапайымдылық

Тірі организмдер – өте күрделі функционалдық жүйелер, олар кем дегенде он мыңдаған гендерден, ақуыз молекулаларынан, РНК молекулаларынан, кішкентай органикалық қосылыстардан, бейорганикалық иондардан және мембраналармен кеңістікте ұйымдастырылған ортадағы кешендерден тұрады, ал көпжасушалы организмдерде – ағзалар жүйелерінен. Бұл көптеген компоненттер бір-бірімен және қоршаған ортамен өзара әрекеттеседі, соның нәтижесінде тамақ өңделеді, қалдықтар шығарылады, компоненттер қажетті жерге жылжытылады және сигнал молекулаларына, басқа организмдерге, жарыққа, дыбысқа, жылуға, дәмге, сезінуге және тепе-теңдікке жауап береді. Бұл күрделілік жеке компоненттердің өзара әрекеттесуін анықтауды және олардың негізгі биологиялық функцияларын зерттеуді қиындатады. In vitro зерттеулер зерттелетін жүйені қарапайымдайды, осылайша зерттеуші шағын құрамдас бөліктерге назар аударуы мүмкін. Мысалы, иммундық жүйенің ақуыздарының (мысалы, антиденелердің) табиғаты және олардың шетел антигендерін қалай танитыны мен байланыстыратыны, оларды өндіретін жасушалар мен гендерді анықтау, антигендермен өзара әрекеттесуінің физикалық қасиеттерін зерттеу және осы өзара әрекеттесулердің иммундық жүйенің басқа компоненттерін белсендіретін жасушалық сигналдарға қалай әкелетінін анықтау үшін in vitro зерттеулер кеңінен қолданылмаса, түсініксіз болар еді.

Түрге тән ерекшелік

Ин витро әдістерінің тағы бір артықшылығы – адам жасушаларын жануарлардың жасушалық реакцияларынан шегініс жасамай зерттеуге мүмкіндік береді.

Қалайтылық, автоматтандыру

In vitro әдістерін кішірейтуге және автоматтандыруға болады, осы арқылы фармакология немесе токсикология салаларында молекулаларды тестілеу үшін жоғары өнімділіктегі скрининг әдістерін жасауға мүмкіндік туады.

Кемшіліктер

In vitro эксперименттік зерттеулердің басты кемшілігі – in vitro жұмысының нәтижелерін тұтас организмнің биологиясына ауыстыру қиын болуы мүмкін. In vitro зерттеулер жүргізетін ғалымдар нәтижелерін шамадан тыс түсіндіруден сақтануы керек, себебі бұл организмдер мен жүйелер биологиясы туралы бұрыс қорытындыларға алып келуі мүмкін. Мысалы, патогенді вирустық инфекцияны (мысалы, HIV-1) емдеу үшін жаңа вирустық препаратты әзірлейтін ғалымдар, кандидаттық препараттың in vitro жағдайында (көбінесе жасуша мәдениетінде) вирус көбейісін тоқтатуға қабілетті екенін анықтауы мүмкін. Дегенмен, бұл препаратты клиникалық қолдануға жібермес бұрын, оның қауіпсіздігі мен тиімділігін анықтау үшін бірқатар in vivo сынақтардан өтуі қажет. Көбінесе, in vitro тиімді болып табылған кандидаттық препараттардың көпшілігі in vivo тиімсіз болып шығады, себебі препараттың зардап шеккен тіндерге жеткізілуімен, организмнің бастапқы in vitro зерттеулерінде ескерілмеген маңызды бөліктеріне уытты әсер етуімен немесе басқа да мәселелермен байланысты.

In vitro сынақ батареялары

Жануарларға жүргізілетін сынақтарды азайтуға көмектесетін әдіс – бірнеше сынақтарды бірнеше мақсатты көрсеткіштерді қамтитын in vitro сынақтардан құралған in vitro батареяларын пайдалану. Даму нейротоксикалық және репродуктивтік токсикалық сынақ батареялары химиялық заттардың тәуекелді бағалау үшін қайсысына басымдық беру керектігін және қандай ретпен анықтауға арналған оңай скринингтік әдістерге айналуы мүмкін деген үміт бар. Экотоксикология саласында in vitro сынақ батареялары қазірдің өзінде нормативтік мақсаттар үшін және химиялық заттардың токсикологиялық бағалауы үшін қолданылуда. In vitro сынақтары in vivo сынақтарымен біріктіріліп, in vitro-in vivo сынақ батареясын жасауға болады, мысалы, фармацевтикалық сынақтар үшін.

Фармакологияда экстраполяциялау

Фармакологияда IVIVE фармакокинетиканы (ФК) немесе фармакодинамиканы (ФД) жуықтау үшін қолданылуы мүмкін. Белгілі бір нысанаға (мақсатқа) тигізетін әсердің уақыты мен қарқындылығы сол нысандағы кандидаттық препараттың (негізгі молекула немесе метаболиттер) концентрациясының уақытқа қатысты өзгеруіне байланысты болғандықтан, in vivo тіндер мен мүшелердің сезімталдығы in vitro жағдайында өсірілген және әсер еткен жасушаларда байқалғаннан мүлдем өзгеше, тіпті кері болуы мүмкін. Бұл in vitro байқалған әсерлерді экстраполяциялау үшін in vivo ФК-ның сандық моделі қажет екенін көрсетеді. Физиологиялық негізделген ФК (ФНФК) модельдері экстраполяцияның орталық бөлігі болып саналады. Егер әсерлер ерте кезеңде байқалса немесе жасушааралық байланыс болмаса, жасушаға бірдей концентрацияда әсер еткенде, in vitro және in vivo жағдайында сапалық және сандық тұрғыдан бірдей әсерлер туындайды деп есептеледі. Ондай жағдайда, in vitro байқалған доза-әсер қатынасының қарапайым ФД моделін жасап, оны өзгеріссіз in vivo әсерлерін болжау үшін қолдану жеткіліксіз.