In vitro -In vitro

Piante clonate in vitro

Gli studi in vitro (che significa in vetro , o nel vetro )vengono eseguiti con microrganismi , cellule o molecole biologiche al di fuori del loro normale contesto biologico. Colloquialmente chiamati "esperimenti in provetta ", questi studi in biologia e le sue sottodiscipline sono tradizionalmente eseguiti in articoli di laboratorio come provette, fiasche, piastre di Petri e piastre per microtitolazione . Gli studi condotti utilizzando componenti di un organismo che sono stati isolati dal loro ambiente biologico abituale consentono un'analisi più dettagliata o più conveniente di quella che può essere eseguita con organismi interi; tuttavia, i risultati ottenuti daesperimenti in vitro potrebbero non prevedere completamente o accuratamente gli effetti su un intero organismo. A differenza degli esperimenti in vitro , glistudi in vivo sono quelli condotti su organismi viventi, compresi gli esseri umani, e intere piante.

Definizione

Gli studi in vitro ( latino : in vetro ; spesso non in corsivo nell'uso inglese) vengono condotti utilizzando componenti di un organismo che sono stati isolati dal loro ambiente biologico abituale, come microrganismi, cellule o molecole biologiche. Ad esempio, i microrganismi o le cellule possono essere studiati in terreni di coltura artificiali e le proteine possono essere esaminate in soluzioni . Chiamati colloquialmente "esperimenti in provetta", questi studi in biologia, medicina e le loro sottodiscipline sono tradizionalmente condotti in provette, fiasche, piastre di Petri, ecc. Ora coinvolgono l'intera gamma di tecniche utilizzate nella biologia molecolare, come l' omica .

Al contrario, gli studi condotti su esseri viventi (microrganismi, animali, esseri umani o piante intere) sono chiamati in vivo .

Esempi

Esempi di studi in vitro includono: l'isolamento, la crescita e l'identificazione di cellule derivate da organismi multicellulari (in colture cellulari o tissutali ); componenti subcellulari (es. mitocondri o ribosomi ); estratti cellulari o subcellulari (es. estratti di germe di grano o reticolociti ); molecole purificate (come proteine , DNA o RNA ); e la produzione commerciale di antibiotici e altri prodotti farmaceutici. I virus, che si replicano solo nelle cellule viventi, vengono studiati in laboratorio in colture cellulari o tissutali e molti virologi animali si riferiscono a tale lavoro come in vitro per distinguerlo dal lavoro in vivo su animali interi.

La reazione a catena della polimerasi è un metodo per la replicazione selettiva di specifiche sequenze di DNA e RNA nella provetta.
La purificazione delle proteine comporta l'isolamento di una specifica proteina di interesse da una complessa miscela di proteine, spesso ottenuta da cellule o tessuti omogeneizzati.
In vitro fecondazione viene utilizzato per consentire spermatozoi di fecondare le uova in un piatto di coltura prima di impiantare l'embrione o gli embrioni risultanti nell'utero della futura madre.
La diagnostica in vitro si riferisce a un'ampia gamma di test di laboratorio medici e veterinari utilizzati per diagnosticare malattie e monitorare lo stato clinico dei pazienti utilizzando campioni di sangue, cellule o altri tessuti ottenuti da un paziente.
I test in vitro sono stati utilizzati per caratterizzare specifici processi di adsorbimento, distribuzione, metabolismo ed escrezione di farmaci o sostanze chimiche generali all'interno di un organismo vivente; ad esempio, è possibile eseguire esperimenti sulle cellule Caco-2 per stimare l'assorbimento di composti attraverso il rivestimento del tratto gastrointestinale; La ripartizione dei composti tra organi può essere determinata per studiare i meccanismi di distribuzione; Le colture in sospensione o su piastra di epatociti primari o linee cellulari simili agli epatociti (HepG2, HepaRG) possono essere utilizzate per studiare e quantificare il metabolismo delle sostanze chimiche. Questi parametri di processo ADME possono quindi essere integrati nei cosiddetti "modelli farmacocinetici basati sulla fisiologia" o PBPK .

Vantaggi

Gli studi in vitro consentono un'analisi specie-specifica, più semplice, più conveniente e più dettagliata di quella che non può essere eseguita con l'intero organismo. Proprio come gli studi su animali interi sostituiscono sempre di più gli studi sull'uomo, così gli studi in vitro sostituiscono gli studi su animali interi.

Semplicità

Gli organismi viventi sono sistemi funzionali estremamente complessi costituiti come minimo da molte decine di migliaia di geni, molecole proteiche, molecole di RNA, piccoli composti organici, ioni inorganici e complessi in un ambiente organizzato spazialmente da membrane e nel caso di organismi pluricellulari, sistemi di organi. Questa miriade di componenti interagiscono tra loro e con il loro ambiente in un modo che elabora il cibo, rimuove i rifiuti, sposta i componenti nella posizione corretta e risponde alle molecole di segnalazione, ad altri organismi, alla luce, al suono, al calore, al gusto, al tatto e all'equilibrio. .

Vista dall'alto di un modulo di esposizione per mammiferi Vitrocell "robot fumatore", (coperchio rimosso) vista di quattro pozzetti separati per inserti di colture cellulari da esporre al fumo di tabacco o ad un aerosol per uno studio in vitro degli effetti

Questa complessità rende difficile identificare le interazioni tra i singoli componenti ed esplorare le loro funzioni biologiche di base. Il lavoro in vitro semplifica il sistema in studio, in modo che il ricercatore possa concentrarsi su un numero limitato di componenti.

Ad esempio, l'identità delle proteine del sistema immunitario (ad esempio gli anticorpi) e il meccanismo con cui riconoscono e si legano agli antigeni estranei rimarrebbero molto oscuri se non fosse per l'ampio uso del lavoro in vitro per isolare le proteine, identificare le cellule e i geni che li producono, studiano le proprietà fisiche della loro interazione con gli antigeni e identificano come tali interazioni portano a segnali cellulari che attivano altri componenti del sistema immunitario.

Specificità della specie

Un altro vantaggio dei metodi in vitro è che le cellule umane possono essere studiate senza "estrapolazione" dalla risposta cellulare di un animale sperimentale.

Convenienza, automazione

I metodi in vitro possono essere miniaturizzati e automatizzati, ottenendo metodi di screening ad alto rendimento per testare molecole in farmacologia o tossicologia.

Svantaggi

Lo svantaggio principale degli studi sperimentali in vitro è che può essere difficile estrapolare dai risultati del lavoro in vitro alla biologia dell'organismo intatto. I ricercatori che svolgono lavori in vitro devono fare attenzione a evitare un'interpretazione eccessiva dei loro risultati, che può portare a conclusioni errate sulla biologia degli organismi e dei sistemi.

Ad esempio, gli scienziati che sviluppano un nuovo farmaco virale per trattare un'infezione con un virus patogeno (ad esempio l'HIV-1) possono scoprire che un farmaco candidato funziona per prevenire la replicazione virale in un ambiente in vitro (tipicamente coltura cellulare). Tuttavia, prima che questo farmaco venga utilizzato in clinica, deve passare attraverso una serie di prove in vivo per determinare se è sicuro ed efficace negli organismi intatti (tipicamente piccoli animali, primati e umani in successione). In genere, la maggior parte dei farmaci candidati efficaci in vitro si rivela inefficace in vivo a causa di problemi associati alla somministrazione del farmaco ai tessuti colpiti, tossicità verso parti essenziali dell'organismo che non erano rappresentate negli studi iniziali in vitro o altri problemi.

Estrapolazione da in vitro a in vivo

I risultati ottenuti da esperimenti in vitro di solito non possono essere trasposti, così come sono, per prevedere la reazione di un intero organismo in vivo . Costruire una procedura di estrapolazione coerente e affidabile dai risultati in vitro a quelli in vivo è quindi estremamente importante. Le soluzioni includono:

Aumentare la complessità dei sistemi in vitro per riprodurre i tessuti e le interazioni tra di essi (come nei sistemi "human on chip")
Utilizzo di modelli matematici per simulare numericamente il comportamento del sistema complesso, in cui i dati in vitro forniscono i valori dei parametri del modello

Questi due approcci non sono incompatibili; migliori sistemi in vitro forniscono dati migliori ai modelli matematici. Tuttavia, esperimenti in vitro sempre più sofisticati raccolgono dati sempre più numerosi, complessi e difficili da integrare. I modelli matematici, come i modelli di biologia dei sistemi , sono molto necessari qui.

Estrapolando in farmacologia

In farmacologia, IVIVE può essere utilizzato per approssimare la farmacocinetica (PK) o la farmacodinamica (PD). Poiché la tempistica e l'intensità degli effetti su un determinato bersaglio dipendono dall'andamento della concentrazione nel tempo del farmaco candidato (molecola madre o metaboliti) in quel sito bersaglio, la sensibilità in vivo di tessuti e organi può essere completamente diversa o addirittura inversa rispetto a quella osservata sulle cellule coltivate ed esposto in vitro . Ciò indica che l'estrapolazione degli effetti osservati in vitro necessita di un modello quantitativo di farmacocinetica in vivo . I modelli PK a base fisiologica ( PBPK ) sono generalmente accettati come centrali per le estrapolazioni.

Nel caso di effetti precoci o senza comunicazioni intercellulari, si presume che la stessa concentrazione di esposizione cellulare causi gli stessi effetti, sia qualitativamente che quantitativamente, in vitro e in vivo . In queste condizioni, non è sufficiente sviluppare un semplice modello PD della relazione dose-risposta osservata in vitro e trasporlo senza modifiche per prevedere gli effetti in vivo .

Guarda anche

Riferimenti

link esterno

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