In vitro -In vitro

Geklonte Pflanzen in vitro

In-vitro- Studien (d. h. in Glas oder im Glas )werden mit Mikroorganismen , Zellen oder biologischen Molekülen außerhalb ihres normalen biologischen Kontexts durchgeführt. Umgangssprachlich „genannt Retorten Experimente“, diese Untersuchungen in der Biologie sind und ihre Subdisziplinen traditionell in Labware erfolgt wie Teströhrchen, Flaschen, Petrischalen und Mikrotiterplatten . Untersuchungen mitaus ihrer üblichen biologischen Umgebung isoliertenBestandteilen eines Organismus erlauben eine detailliertere oder bequemere Analyse als dies mit ganzen Organismen möglich ist; Ergebnisse aus In-vitro- Experimenten können jedoch die Auswirkungen auf den gesamten Organismus möglicherweise nicht vollständig oder genau vorhersagen. Im Gegensatz zu In-vitro- Experimenten sind In-vivo- Studien solche, die an lebenden Organismen, einschließlich Menschen, und ganzen Pflanzen durchgeführt werden.

Definition

In-vitro- Studien ( lateinisch : in glass ; im englischen Sprachgebrauch oft nicht kursiv geschrieben) werden mit Komponenten eines Organismus durchgeführt, die aus ihrer üblichen biologischen Umgebung isoliert wurden, wie Mikroorganismen, Zellen oder biologische Moleküle. So können beispielsweise Mikroorganismen oder Zellen in künstlichen Kulturmedien untersucht und Proteine ​​in Lösungen untersucht werden . Umgangssprachlich als "Reagenzglasexperimente" bezeichnet, werden diese Studien in Biologie, Medizin und ihren Teildisziplinen traditionell in Reagenzgläsern, Flaschen, Petrischalen usw .

Im Gegensatz dazu werden Studien an Lebewesen (Mikroorganismen, Tiere, Menschen oder ganze Pflanzen) als in vivo bezeichnet .

Beispiele

Beispiele für In-vitro- Studien umfassen: die Isolierung, das Wachstum und die Identifizierung von Zellen, die aus mehrzelligen Organismen stammen (in Zell- oder Gewebekultur ); subzelluläre Komponenten (zB Mitochondrien oder Ribosomen ); zelluläre oder subzelluläre Extrakte (zB Weizenkeim- oder Retikulozytenextrakte ); gereinigte Moleküle (wie Proteine , DNA oder RNA ); und die kommerzielle Produktion von Antibiotika und anderen pharmazeutischen Produkten. Viren, die sich nur in lebenden Zellen vermehren, werden im Labor in Zell- oder Gewebekulturen untersucht, und viele Tiervirologen bezeichnen solche Arbeiten als in vitro , um sie von in vivo- Arbeiten an ganzen Tieren zu unterscheiden.

  • Die Polymerase-Kettenreaktion ist eine Methode zur selektiven Replikation spezifischer DNA- und RNA-Sequenzen im Reagenzglas.
  • Die Proteinreinigung beinhaltet die Isolierung eines spezifischen Proteins von Interesse aus einer komplexen Mischung von Proteinen, die oft aus homogenisierten Zellen oder Geweben erhalten werden.
  • Die In-vitro- Fertilisation wird verwendet, um es Spermatozoen zu ermöglichen, Eier in einer Kulturschale zu befruchten, bevor der resultierende Embryo oder die Embryonen in die Gebärmutter der zukünftigen Mutter implantiert werden.
  • In-vitro- Diagnostik bezieht sich auf eine breite Palette von medizinischen und veterinärmedizinischen Labortests, die verwendet werden, um Krankheiten zu diagnostizieren und den klinischen Zustand von Patienten anhand von Blut-, Zell- oder anderen Gewebeproben eines Patienten zu überwachen.
  • In-vitro- Tests wurden verwendet, um spezifische Adsorptions-, Verteilungs-, Stoffwechsel- und Ausscheidungsprozesse von Arzneimitteln oder allgemeinen Chemikalien in einem lebenden Organismus zu charakterisieren; zum Beispiel können Caco-2-Zellexperimente durchgeführt werden, um die Absorption von Verbindungen durch die Auskleidung des Magen-Darm-Trakts abzuschätzen; Die Verteilung der Verbindungen zwischen den Organen kann bestimmt werden, um Verteilungsmechanismen zu untersuchen; Suspensions- oder Plattenkulturen von primären Hepatozyten oder hepatozytenähnlichen Zelllinien (HepG2, HepaRG) können verwendet werden, um den Stoffwechsel von Chemikalien zu untersuchen und zu quantifizieren. Diese ADME-Prozessparameter können dann in sogenannte "physiologisch basierte pharmakokinetische Modelle" oder PBPK integriert werden .

Vorteile

In-vitro- Studien ermöglichen eine artspezifische, einfachere, bequemere und detailliertere Analyse, als dies mit dem gesamten Organismus nicht möglich ist. So wie Studien an ganzen Tieren immer mehr Versuche am Menschen ersetzen, so ersetzen In-vitro- Studien Studien an ganzen Tieren.

Einfachheit

Lebende Organismen sind äußerst komplexe Funktionssysteme, die aus mindestens vielen zehntausend Genen, Proteinmolekülen, RNA-Molekülen, kleinen organischen Verbindungen, anorganischen Ionen und Komplexen in einer durch Membranen räumlich organisierten Umgebung bestehen, und bei vielzelligen Organismen Organsysteme. Diese unzähligen Komponenten interagieren miteinander und mit ihrer Umgebung auf eine Weise, die Nahrung verarbeitet, Abfall beseitigt, Komponenten an die richtige Stelle transportiert und auf Signalmoleküle, andere Organismen, Licht, Geräusche, Wärme, Geschmack, Berührung und Gleichgewicht reagiert .

Draufsicht auf ein Vitrocell Säuger-Expositionsmodul "Raucherroboter", (Deckel abgenommen) Ansicht von vier getrennten Wells für Zellkultureinsätze, die Tabakrauch oder einem Aerosol für eine in-vitro- Studie der Wirkung ausgesetzt werden sollen

Diese Komplexität macht es schwierig, die Wechselwirkungen zwischen einzelnen Komponenten zu identifizieren und ihre biologischen Grundfunktionen zu erforschen. In-vitro- Arbeiten vereinfachen das zu untersuchende System, sodass sich der Forscher auf eine kleine Anzahl von Komponenten konzentrieren kann.

Zum Beispiel kann die Identität von Proteinen des Immunsystems (zB Antikörper), und der Mechanismus , mit dem sie erkennen und binden an fremde Antigene bleiben würde sehr verdunkeln , wenn nicht für die extensive Nutzung von in - vitro - Arbeit , um die Proteine zu isolieren, identifizieren , die Zellen und Gene, die sie produzieren, untersuchen die physikalischen Eigenschaften ihrer Interaktion mit Antigenen und identifizieren, wie diese Interaktionen zu zellulären Signalen führen, die andere Komponenten des Immunsystems aktivieren.

Speziesspezifität

Ein weiterer Vorteil von In-vitro- Verfahren besteht darin, dass menschliche Zellen ohne "Extrapolation" aus der zellulären Reaktion eines Versuchstiers untersucht werden können.

Komfort, Automatisierung

In-vitro- Methoden können miniaturisiert und automatisiert werden, wodurch sich Hochdurchsatz-Screening-Methoden zum Testen von Molekülen in der Pharmakologie oder Toxikologie ergeben.

Nachteile

Der Hauptnachteil experimenteller In-vitro- Studien besteht darin, dass es schwierig sein kann, aus den Ergebnissen der In-vitro- Arbeiten auf die Biologie des intakten Organismus zu extrapolieren . Forscher, die in vitro arbeiten, müssen vorsichtig sein, um eine Überinterpretation ihrer Ergebnisse zu vermeiden, die zu falschen Schlussfolgerungen über die Organismen- und Systembiologie führen kann.

Wissenschaftler, die beispielsweise ein neues Virusarzneimittel zur Behandlung einer Infektion mit einem pathogenen Virus (z. B. HIV-1) entwickeln, können feststellen, dass ein Medikamentenkandidat die Virusreplikation in einer In-vitro- Umgebung (typischerweise Zellkultur) verhindert. Bevor dieses Medikament jedoch in der Klinik verwendet wird, muss es eine Reihe von In-vivo- Studien durchlaufen, um festzustellen, ob es in intakten Organismen (typischerweise nacheinander Kleintiere, Primaten und Menschen) sicher und wirksam ist. Typischerweise erweisen sich die meisten Wirkstoffkandidaten, die in vitro wirksam sind, in vivo als unwirksam aufgrund von Problemen im Zusammenhang mit der Abgabe des Wirkstoffs in die betroffenen Gewebe, Toxizität gegenüber wesentlichen Teilen des Organismus, die in den anfänglichen in vitro- Studien nicht dargestellt wurden , oder andere Themen.

In-vitro- zu In-vivo- Extrapolation

Ergebnisse, die aus In-vitro- Experimenten erhalten wurden, können normalerweise nicht umgesetzt werden, um die Reaktion eines gesamten Organismus in vivo vorherzusagen . Der Aufbau eines konsistenten und zuverlässigen Extrapolationsverfahrens von In-vitro- Ergebnissen auf In-vivo ist daher äußerst wichtig. Lösungen umfassen:

  • Erhöhung der Komplexität von In-vitro- Systemen zur Reproduktion von Geweben und Wechselwirkungen zwischen ihnen (wie bei „Human-on-Chip“-Systemen)
  • Verwendung mathematischer Modellierung zur numerischen Simulation des Verhaltens des komplexen Systems, wobei die In-vitro- Daten Modellparameterwerte liefern

Diese beiden Ansätze sind nicht unvereinbar; bessere In-vitro- Systeme liefern bessere Daten für mathematische Modelle. Immer ausgefeiltere In-vitro- Experimente sammeln jedoch immer zahlreichere, komplexere und anspruchsvollere Daten, die integriert werden müssen. Mathematische Modelle, wie zum Beispiel systembiologische Modelle, werden hier dringend benötigt.

Extrapolation in der Pharmakologie

In der Pharmakologie kann IVIVE zur Annäherung an die Pharmakokinetik (PK) oder Pharmakodynamik (PD) verwendet werden. Da der Zeitpunkt und die Intensität der Wirkungen auf ein bestimmtes Ziel vom Konzentrations-Zeitverlauf des Wirkstoffkandidaten (Ausgangsmolekül oder Metaboliten) an diesem Zielort abhängen, können die Empfindlichkeiten von Gewebe und Organen in vivo völlig anders oder sogar umgekehrt sein als die, die bei kultivierten Zellen beobachtet wurden und in vitro exponiert . Dies weist darauf hin, dass die Extrapolation von in vitro beobachteten Effekten ein quantitatives Modell der in vivo- PK erfordert . Physiologisch basierte PK ( PBPK ) Modelle werden allgemein als zentral für die Extrapolationen akzeptiert.

Bei frühen Wirkungen oder solchen ohne interzelluläre Kommunikation wird angenommen, dass dieselbe zelluläre Expositionskonzentration in vitro und in vivo dieselben Wirkungen sowohl qualitativ als auch quantitativ verursacht . Unter diesen Bedingungen reicht es nicht aus, ein einfaches PD-Modell der in vitro beobachteten Dosis-Wirkungs-Beziehung zu entwickeln und es ohne Änderungen zu übertragen, um in-vivo- Effekte vorherzusagen .

Siehe auch

Verweise

Externe Links

  • Medien zu In-vitro bei Wikimedia Commons