Введение

Латинский термин, означающий вне естественной биологической среды, – это тип научного эксперимента. Исследования in vitro (что означает «в стекле») проводятся с микроорганизмами, клетками или биологическими молекулами вне их нормальной биологической среды. Эти исследования в биологии и ее поддисциплинах, часто называемые «экспериментами в пробирке», традиционно проводятся в лабораторной посуде, такой как пробирки, колбы, чашки Петри и планшеты для микротитрования. Исследования, использующие компоненты организма, выделенные из их обычной биологической среды, позволяют проводить более детальный или удобный анализ, чем при работе с целыми организмами; однако результаты, полученные в экспериментах in vitro, могут не полностью или точно предсказывать эффект на целый организм. В отличие от экспериментов in vitro, исследования in vivo проводятся на живых организмах, включая людей (в виде клинических испытаний) и целые растения.

Определение

Исследования in vitro (лат. "в стекле"; часто не курсируются в английском языке) проводятся с использованием компонентов организма, выделенных из их естественной биологической среды, таких как микроорганизмы, клетки или биологические молекулы. Например, микроорганизмы или клетки могут изучаться в искусственных питательных средах, а белки – в растворах. Эти исследования в биологии, медицине и смежных дисциплинах, часто называемые "экспериментами в пробирке", традиционно проводятся в пробирках, колбах, чашках Петри и т.п. В настоящее время они включают в себя весь спектр методов, используемых в молекулярной биологии, включая омиксные технологии. В отличие от этого, исследования, проводимые на живых организмах (микроорганизмах, животных, людях или целых растениях), называются in vivo.

Примеры

Примеры исследований in vitro включают: изоляцию, культивирование и идентификацию клеток, полученных из многоклеточных организмов (в клеточной или тканевой культуре); субклеточные компоненты (например, митохондрии или рибосомы); клеточные или субклеточные экстракты (например, экстракты зародышевых зерен пшеницы или ретикулоцитов); очищенные молекулы (такие как белки, ДНК или РНК); и коммерческое производство антибиотиков и других фармацевтических продуктов. Вирусы, которые реплицируются только в живых клетках, изучаются в лаборатории в клеточной или тканевой культуре, и многие вирусологи животных называют такую работу in vitro, чтобы отличить ее от работы in vivo на цельных животных. Полимеразная цепная реакция – это метод селективной репликации специфических последовательностей ДНК и РНК в пробирке. Очистка белка включает изоляцию конкретного белка из сложной смеси белков, часто получаемой из гомогенизированных клеток или тканей. Экстракорпоральное оплодотворение (ЭКО) используется для обеспечения оплодотворения яйцеклеток сперматозоидами в чашке Петри перед имплантацией полученного эмбриона или эмбрионов в матку будущей матери. Диагностика in vitro охватывает широкий спектр медицинских и ветеринарных лабораторных тестов, используемых для диагностики заболеваний и мониторинга клинического состояния пациентов с использованием образцов крови, клеток или других тканей, полученных от пациента. Исследования in vitro использовались для характеристики специфических процессов адсорбции, распределения, метаболизма и выведения лекарственных средств или общих химических веществ внутри живого организма; например, эксперименты с клетками Caco-2 могут быть проведены для оценки абсорбции соединений через слизистую оболочку желудочно-кишечного тракта; распределение соединений между органами может быть определено для изучения механизмов распределения; суспензионные или иммобилизованные культуры первичных гепатоцитов или гепатоцитоподобных клеточных линий (HepG2, HepaRG) могут использоваться для изучения и количественной оценки метаболизма химических веществ. Эти параметры процессов ADME затем могут быть интегрированы в так называемые «физиологически обоснованные фармакокинетические модели» или PBPK.

Преимущества

Исследования in vitro позволяют проводить видоспецифический, более простой, удобный и детальный анализ, чем это возможно при изучении целого организма. Подобно тому, как исследования на цельных животных все чаще заменяют испытания на людях, исследования in vitro также заменяют исследования на цельных животных.

Простота

Живые организмы – это чрезвычайно сложные функциональные системы, состоящие как минимум из десятков тысяч генов, белковых молекул, молекул РНК, небольших органических соединений, неорганических ионов и комплексов, находящихся в среде, пространственно организованной мембранами, а в случае многоклеточных организмов – системами органов. Все эти многочисленные компоненты взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой, обеспечивая переработку пищи, удаление отходов, транспортировку компонентов в нужные места и реакцию на сигнальные молекулы, другие организмы, свет, звук, тепло, вкус, прикосновение и ощущение равновесия. Эта сложность затрудняет определение взаимодействий между отдельными компонентами и изучение их фундаментальных биологических функций. Работа in vitro упрощает изучаемую систему, позволяя исследователю сосредоточиться на ограниченном числе компонентов. Например, природа белков иммунной системы (таких как антитела) и механизм их распознавания и связывания с чужеродными антигенами оставались бы неясными без широкого применения in vitro методов для выделения этих белков, идентификации клеток и генов, ответственных за их производство, изучения физических свойств их взаимодействия с антигенами и выяснения того, как эти взаимодействия приводят к клеточным сигналам, активирующим другие компоненты иммунной системы.

Специфика вида

Еще одним преимуществом методов in vitro является возможность изучения клеток человека без необходимости экстраполяции данных, полученных на клеточных ответах экспериментальных животных.

Удобство, автоматизация

Методы in vitro могут быть миниатюризированы и автоматизированы, позволяя создавать высокопроизводительные методы скрининга для тестирования молекул в фармакологии или токсикологии.

Недостатки

Основным недостатком экспериментальных исследований in vitro является то, что может быть сложно экстраполировать результаты, полученные in vitro, на биологию цельного организма. Исследователи, проводящие исследования in vitro, должны проявлять осторожность, чтобы не переоценивать свои результаты, что может привести к ошибочным выводам о биологии организма и системной биологии. Например, ученые, разрабатывающие новый противовирусный препарат для лечения инфекции, вызванной патогенным вирусом (например, ВИЧ-1), могут обнаружить, что кандидат-препарат подавляет репликацию вируса в условиях in vitro (обычно в клеточной культуре). Однако, прежде чем этот препарат будет применяться в клинической практике, он должен пройти серию исследований in vivo для определения его безопасности и эффективности в цельных организмах (обычно последовательно на мелких животных, приматах и людях). Как правило, большинство кандидатов в лекарственные препараты, эффективных in vitro, оказываются неэффективными in vivo из-за проблем, связанных с доставкой препарата к пораженным тканям, токсичностью для жизненно важных органов и систем, которые не были учтены в первоначальных исследованиях in vitro, или других факторов.

Батареи для испытаний in vitro

Метод, который может помочь сократить число испытаний на животных, – это использование батарей in vitro, когда несколько анализов in vitro объединяются для оценки множества конечных точек. В области нейротоксичности развития и репродуктивной токсичности есть надежда, что батареи тестов станут простыми методами скрининга для определения приоритетности химических веществ при оценке риска и очередности ее проведения. В экотоксикологии батареи in vitro тестов уже используются в регуляторных целях и для токсикологической оценки химических веществ. Тесты in vitro также могут комбинироваться с in vivo тестами для создания батареи in vitro/in vivo тестов, например, при тестировании фармацевтических препаратов.

Экстраполяция в фармакологии

В фармакологии IVIVE может использоваться для аппроксимации фармакокинетики (ФК) или фармакодинамики (ФД). Поскольку сроки и интенсивность эффектов на заданную мишень зависят от временного профиля концентрации лекарственного кандидата (родительской молекулы или метаболитов) в этой мишени, чувствительность тканей и органов *in vivo* может существенно отличаться или даже быть обратной той, что наблюдается на клетках, культивированных и подвергнутых воздействию *in vitro*. Это указывает на то, что для экстраполяции эффектов, наблюдаемых *in vitro*, необходима количественная модель *in vivo* ФК. Физиологически обоснованные фармакокинетические (ФОФК) модели общепризнанно являются ключевыми для таких экстраполяций. В случае ранних эффектов или эффектов, не связанных с межклеточными взаимодействиями, предполагается, что одна и та же концентрация воздействия на клетки вызывает одинаковые эффекты, как качественно, так и количественно, *in vitro* и *in vivo*. Однако в этих условиях недостаточно разработать простую модель ФД зависимости доза-реакция, наблюдаемой *in vitro*, и напрямую перенести ее для прогнозирования эффектов *in vivo*.