Интегриран подход към изследването на фармакологични вещества in vitro, ex vivo, in vivo. Ин витро изследвания - характеристики, предимства и недостатъци Ин виво какво означава

Изследванията се провеждат с микроорганизми, клетки или биологични молекули извън нормалния им биологичен контекст. Разговорно те се наричат ​​експерименти в епруветка. Тези изследвания в биологията и нейните поддисциплини традиционно се провеждат в епруветки, колби, петриеви панички и т.н., а от началото на молекулярната биология включват т. нар. omics методи. Изследванията, които използват компоненти на организма, изолирани от тяхната нормална биологична среда, са по-подробни и удобни от анализите с цели организми. За разлика от това, in vivo проучвания се провеждат върху животни, включително хора и цели растения.

Примери

Примери за in vitro изследвания: изолиране, растеж и идентифициране на клетки, получени от многоклетъчни организми (клетъчна култура или тъканна култура); субклетъчни компоненти (митохондрии или рибозоми); клетъчни или субклетъчни екстракти (например екстракти от пшеничен зародиш или ретикулоцити); пречистени молекули като протеини, ДНК или РНК); и промишлено производство на антибиотици и фармацевтични продукти. Вирусите, които се репликират само в живи клетки, се изследват в лабораторията в клетъчни или тъканни култури и много животински вирусолози наричат ​​такава работа in vitro, за да я разграничат от in vivo работата върху цели животни.

• Полимеразната верижна реакция е метод за селективно репликиране на специфични ДНК и РНК последователности в епруветка.
• Пречистването на протеини включва отделянето на специфичен протеин от сложна смес, която в много случаи се получава от хомогенизирани клетки или тъкани.
• Ин витро оплождането се извършва в съд с помощта на сперма и яйцеклетка. След това оплоденият(те) ембрион(и) се имплантират в матката на бъдещата майка.
• Ин витро диагностиката представлява широк набор от медицински и ветеринарни лабораторни изследвания. Те са необходими за диагностика на заболявания и проследяване на клиничното състояние на пациентите, а материалът са проби от кръв, клетки или други тъкани на пациента.

In vitro тестването се използва за характеризиране на специфичната адсорбция, разпределение, метаболизъм и екскреция (ADM) на лекарства или обичайни химикали в рамките на жив организъм. Например, експерименти с Caco-2 клетки ще помогнат да се оцени усвояването на съединения през стомашно-чревната лигавица. Разделянето на връзките между органите може да се определи, за да се изследват механизмите на разпространение. Суспензия или плака култура на първични хепатоцити или хепатоцитоподобни клетъчни линии (HepG2, HepaRG) може да се използва за изследване и количествено определяне на метаболизма на химикали. След това тези параметри на ARME процесите могат да бъдат интегрирани в така наречените „физиологично базирани фармакокинетични модели“ или FMPM.

Видео за in vitro изследвания

Ползи от ин витро

Изследванията in vitro позволяват специфичен за вида, по-прост, по-удобен и по-подробен анализ в сравнение с анализа на целия организъм. Точно както изследванията върху цели животни все повече заменят тестовете върху хора, изследванията in vitro заменят изследванията върху цели животни.

Простота

Живите организми изглеждат изключително сложни функционални системи, образувани от десетки хиляди гени, протеинови и РНК молекули, неорганични йони, малки органични съединения и комплекси. Средата, в която се намират, е пространствено организирана от мембрани, а при многоклетъчните организми за това отговарят органи и системи. Тези безброй компоненти взаимодействат помежду си и с околната среда, за да обработват храната, да премахват отпадъците, да преместват компонентите на правилното място и да реагират на сигнални молекули, светлина, други организми, топлина, звук, вкус, баланс и допир.

Тази сложност затруднява определянето на връзките между отделните компоненти, както и изследването на основните биологични функции. Работата с епруветка опростява изследваната система, така че изследователят да може да се съсредоточи върху малък брой компоненти.

Например идентифицирането на протеини на имунната система (като антитела) и механизмът, чрез който те разпознават и се свързват с чужди антигени, ще останат неясни. Въпреки това, разширеното използване на in vitro работа направи възможно изолирането на протеини, идентифицирането на клетките и гените, които ги произвеждат, и изследването на физическите характеристики на взаимодействие с антигени. Освен това беше възможно да се определи как това взаимодействие води до клетъчни сигнали, които активират други компоненти на имунната система.

Видова специфика

Друго предимство на in vitro методите е, че човешките клетки могат да бъдат изследвани без „екстраполиране“ от клетъчния отговор на експериментално животно.

Удобство, автоматизация

In vitro методите могат да бъдат миниатюризирани и автоматизирани, осигурявайки високопроизводителни методи за скрининг за тестване на молекули в токсикологията или фармакологията.

недостатъци

Основният недостатък на експерименталното изследване in vitro е, че е трудно резултатите от работата да се екстраполират обратно към биологията на непокътнатия организъм. За да избегнат прекаленото тълкуване на резултатите, ин витро изследователите трябва да бъдат внимателни. Това може да доведе до погрешни заключения относно биологията на организма и системата.

Например учените, разработващи ново вирусно лекарство за лечение на инфекция с патогенен вирус (напр. ХИВ-1), могат да заключат, че кандидатът за лекарство служи за предотвратяване на репликацията на вируса in vitro (обикновено в клетъчна култура). Въпреки това, преди лекарството да може да се използва в клинична среда, то трябва да премине серия от in vivo изпитвания, за да се определи неговата безопасност и ефективност при непокътнати организми (обикновено малки животни, примати и хора последователно). Като цяло, повечето кандидати за лекарства, ефективни in vitro, не са ефективни in vivo поради проблеми с доставянето на лекарства до засегнатите тъкани, токсичност за важни части на тялото, които не са били уловени в първоначалните in vitro проучвания, или други проблеми.

Екстраполация от in vitro към in vivo (IVIVE)

Резултатите, получени от in vitro експерименти, обикновено не могат да бъдат преведени, за да предскажат реакциите на целия организъм in vivo. Следователно разработването на последователна и надеждна процедура за екстраполация от in vitro към in vivo резултати е от решаващо значение. Като цяло бяха взети две решения:

• Нарастваща сложност на in vitro системите за възпроизвеждане на тъкани и взаимодействията между тях (както в системите „човек върху чип“).
• Използване на математическо моделиране за числено симулиране на поведението на сложна система, където in vitro данните предоставят стойностите на параметрите на модела.

Двата подхода не са несъвместими: подобрените in vitro системи ще предоставят по-точни данни за математически модели. От друга страна, все по-сложните in vitro експерименти генерират все по-изобилни, сложни и обещаващи данни за интегриране. Тук имаме нужда от математически модели, като например в системната биология.

Екстраполация във фармакологията

Във фармакологията изследванията IVIVE могат да се използват за приближаване на фармакокинетиката (PK) или фармакодинамиката (PD). Тъй като времето и интензитетът на излагане на дадена цел зависи от времето на концентрацията на кандидат-лекарството (свързана молекула или метаболити) в целевото място, чувствителността на тъканите и органите in vivo може да бъде напълно различна или дори противоположна на които се наблюдават в култивирани клетки in vitro. Това показва, че ефектите на екстраполация, наблюдавани in vitro, изискват количествен in vivo PK модел. Общоприето е, че физиологично базираните ФК модели (PBPM) играят централна роля в екстраполацията.

В случай на ранни ефекти или ефекти без междуклетъчни връзки се приема, че същата концентрация на клетъчна експозиция причинява същите ефекти, качествено и количествено, in vitro и in vivo. В тази ситуация е достатъчно да се разработи прост PD модел на връзката доза-отговор, наблюдавана in vitro и да се транспонира непроменен, за да се предвидят in vivo ефекти.

Селезнева А.И. 1, Калатанова А.В. 2, Афонкина О.В. 3

1 кандидат на медицинските науки, старши научен сътрудник, 2 младши научен сътрудник, 3 младши научен сътрудник, Санкт Петербургски институт по фармация CJSC

ИНТЕГРИРАН ПОДХОД ЗА ИЗУЧАВАНЕ НА ФАРМАКОЛОГИЧНИ СУБСТАНЦИИIN ВИТРО, EX VIVO, IN VIVO

анотация

Статията обсъжда ефективно планиране и възможности за провеждане на експериментални изследвания с помощта на оптимален набор от методи за установяване на възможни посоки на действие на фармакологичните веществав витро, пр vivo, в vivo. Крайната цел на интегрираното използване на набор от методи е да се получат надеждни и достатъчни експериментални данни, да се намали обемът, цената и времето на изследването чрез компетентно разработване на изследователски дизайн и използване на данните, получени на всеки етап.

Ключови думи:скрининг, предклинични изследвания, лекарства, фармакологична субстанция, ефикасност, безопасност, in vitro, ex vivo, in vivo.

СелезневаА.И. 1, Калатанова А.В. 2, Афонкина О.В. 3

1 кандидат на медицинските науки, старши научен сътрудник, 2 младши научен сътрудник, 3 младши научен сътрудник, „Институт по фармация на Санкт Петербург“

КОМПЛЕКСЕН ПОДХОД ЗА ИЗСЛЕДВАНЕ НА ФАРМАКОЛОГИЧНИ СРЕДСТВА IN VITRO, EX VIVO, IN VIVO

Резюме

Статията разглежда ефективно планиране и възможности за експериментални изследвания, включващи оптимален набор от методи за идентифициране на възможни области на действие на фармакологични агенти in vitro, ex vivo, in vivo. Крайната цел на интегрираното използване на набор от методи за осигуряване на надеждни и достатъчни от гледна точка на експериментални данни, намаляване на обема, разходите и времето на изследването чрез компетентен дизайн на изследването и използване на данни, събрани на всеки етап.

Ключови думи:скрининг, предклинични изследвания, лекарства, фармакологичен агент, ефективност, безопасност, in vitro, ex vivo, in vivo.

Успешното изследване на ефективността и безопасността на фармакологичните вещества зависи пряко от компетентното планиране и разработване на дизайна на изследването. Съществуват голям брой методи както за скрининг, така и за обемна оценка на възможната посока на действие и токсичните свойства на фармакологичните вещества. Тези методи могат условно да се разделят на три групи според методите на тяхното прилагане - in vitro, ex vivo, in vivo методи.

In vitro методите предполагат скрининг или обемна оценка на ефективността и безопасността на фармакологичните вещества в моделни системи, използващи реакционни среди, ензими, клетъчни линии и др. Днес in vitro методите са много популярни в световната научна общност, както от гледна точка на на високи иновации и от гледна точка на хуманното отношение към животните. Въпреки това, ограничаването на проучванията за ефективността и безопасността на фармакологичните вещества до in vitro методи не е препоръчително, тъй като екстраполирането на получените резултати към целия организъм се характеризира с висок риск.

Ex vivo методите обикновено включват изолирани органи и тъкани на живи организми. Тези методи също са широко известни и данните, получени от проучвания ex vivo, обикновено са по-клинично значими. Въпреки това, както in vitro методите, резултатите от ex vivo проучванията не могат да бъдат основа за започване на клинични изпитвания на фармакологично вещество.

In vivo методите са класически за експерименталната фармакология и представляват изследвания върху различни видове и линии животни. In vivo методите позволяват да се получат надеждни и достатъчни резултати, които могат успешно да бъдат екстраполирани в клиниката. Има голямо количество данни за анатомичните, физиологичните, биохимичните и други характеристики на видовете и щамовете на експериментални животни, които позволяват да се установи степента на значимост за хората и да се предскажат резултатите от клиничните изследвания на фармакологичните вещества. Въпреки това, въпреки високото информационно съдържание на in vivo проучванията, най-успешният подход за разработване на дизайни на изследване може да бъде осигурен от резултатите от in vitro и ex vivo проучвания. Тези методи също така позволяват значително намаляване на броя на животните в експеримента, което е от ключово значение от биоетична гледна точка.

Тази работа идентифицира възможни варианти за цялостна оценка на ефективността на фармакологичните вещества, използвайки набор от in vitro, ex vivo и in vivo методи. Използването на интегриран подход прави възможно експерименталното изследване да бъде възможно най-информативно и надеждно.

Цялостна оценка на ефективността на фармакологичните веществав витро, пр vivoИв vivo

За изследване на ефективността на фармакологичните вещества, скринингът на фармакологичната активност, пилотните проучвания и изучаването на механизмите на действие са от особено значение. По този начин могат да бъдат синтезирани или получени нови фармакологични вещества от естествени суровини с помощта на различни методи; могат да бъдат изолирани голям брой стереоизомери или вещества, които се различават по структура с една или повече функционални групи. Провеждането на пълноценно проучване на всеки от кандидатите изисква много време, икономически разходи и използването на голям брой животни. Използването на in vitro и ex vivo методи в повечето случаи позволява да се изберат най-обещаващите кандидати и да се намали обемът на изследванията.

In vivo изследванията предоставят обемни данни, които са оптимални за екстраполация в клиниката. Използването на различни животински модели на заболявания, както и използването на генетично модифицирани видове, помага да се установят механизмите на фармакологичното действие, ефективните дози, динамиката на стойностите на патологичните маркери при продължителна употреба и др.

Като пример представяме цялостно изследване на ефективността на фармакологичното вещество X, което потенциално има антиоксидантни и кардиопротективни свойства, използвайки система от in vitro, ex vivo и in vivo методи.

Дизайнът на изследването е представен в таблица 1.

Таблица 1 – Дизайн на цялостно изследване на ефективността на фармакологичното вещество X

На първия етап от изследването на механизмите на действие in vitro беше установено, че фармакологичното вещество X се характеризира с изразена ефективност срещу хидроксилни радикали и липидна пероксидация (Таблица 2).

Таблица 2 - Ефикасност на фармакологичното вещество X при in vitro проучвания

Ефективността на фармакологичното вещество X надвишава тази на референтното лекарство Y.

Установено е, че наличието на антиоксидантни свойства на дадено фармакологично вещество определя неговите цитопротективни свойства. Многобройни клинични и експериментални изследвания са установили, че оксидативният стрес играе ключова роля в развитието на сърдечно-съдови патологии, като коронарна артериална болест, хипертония, атеросклероза, коронарна недостатъчност и сърдечна недостатъчност.

Резултатите от in vitro изследвания позволиха да се определят основните насоки на експерименталния дизайн ex vivo и in vivo, както и да се установят възможните механизми на действие на фармакологичното вещество.

Вторият етап от изследването беше да се определят кардиопротективните свойства на фармакологичната субстанция X в ex vivo експеримент, проведен върху изолирано сърце по метода на Langendorff. Изследването е проведено с помощта на фармакологично вещество X в три дози.

В резултат на втория етап на изследване беше установено, че стойностите на налягането (LVP) и скоростта на свиване (dP/dt max) на лявата камера на фона на исхемия, последвана от реперфузия на изолирано сърце, са статистически значими увеличение, което може да показва положителен инотропен ефект на лекарството (фиг. 1).

Ориз. 1 – Ефикасност на фармакологичното вещество X в ex vivo проучване.

Данните, получени от in vitro и ex vivo проучвания, дават основание да се предположи основният механизъм на действие и фармакологичен ефект на веществото и следователно да се планират in vivo експерименти.

По този начин, тъй като in vitro и ex vivo фармакологичното вещество X се характеризира с изразена кардиопротективна активност, както и ефект върху антиоксидантната система, за изследване на специфичната активност in vivo бяха избрани модели на сърдечно-съдови патологии, чиято патогенеза е свързана с оксидативен стрес и нарушен контрактилитет на миокарда: остър миокарден инфаркт и артериална хипертония.

В резултат на изследванията на ефективността на фармакологичното вещество X in vivo върху модел на остър миокарден инфаркт е установен ефектът върху физиологичните и биохимичните параметри на моделираната патология (Таблица 3).

Таблица 3 - Ефикасност на фармакологичното вещество X на фона на моделиране на остър миокарден инфаркт при плъхове, M ± m.

В резултат на проучвания на ефективността на фармакологичното вещество X in vivo при плъхове със спонтанна хипертония, се наблюдава изразено понижение на систоличното (САН) и диастоличното (DBP) кръвно налягане както преди употребата на фармакологичното вещество X, така и 1 час след (Таблица 4).

Таблица 4 - Промяна в кръвното налягане по време на курс на употреба на фармакологично вещество X

Забележка – * p ‹ 0,05 в сравнение с контролната група

По този начин, в резултат на използването на цялостна оценка in vitro, ex vivo и in vivo, беше установена високата ефективност на новото фармакологично вещество X и бяха определени възможните механизми на действие. С помощта на модел на изолирано сърце по метода на Langendorff и симулиране на остър експериментален миокарден инфаркт in vivo са установени кардиотоничните и кардиопротективните ефекти на лекарството. При използване на новото лекарство при животни със спонтанна хипертония се наблюдава постоянно понижаване на кръвното налягане, както и намаляване на първоначалните стойности на налягането до края на курса на лечение. Установено е, че ключова роля в осъществяването на фармакологичните ефекти на фармакологичната субстанция X играе нейната антиоксидантна активност, която е потвърдена при изследвания на антирадикалната и редуцираща способност in vitro.

Използването на методи in vitro и ex vivo направи възможно значително намаляване на обема на експерименталните животни, тъй като въз основа на техните резултати бяха избрани ефективни дози от фармакологичното вещество X и най-подходящите експериментални модели.

Литература

1. Менщикова Е.Б. Оксидативен стрес: Патологични състояния и заболявания. – Новосибирск: АРТА, 2008. 284 с.;
2. Торопова Я.Г. Перфузия на изолирано сърце по метода на Langendorff и Nilli: възможности за приложение в научните изследвания / Ya.G. Торопова, Н.Ю. Осяев, Р.А. Мухамадияров // Транслационна медицина. – 2014. № 4 – С. 34-39.

Препратки

1. Russell W.M.S., Burch, R.L. Принципите на хуманната експериментална техника. – Лондон: Methuen & Co. 238 стр.;
2. Директива 2010/63/ЕС на Европейския парламент и на Съвета от 22 септември 2010 г. относно защитата на животните, използвани за научни цели // Официален вестник на Европейския съюз. 2010. С. 33 – 79;
3. Хуманната наука през 21-ви век: резюмета на 9-ия световен конгрес, Прага, 2014 г. Том 3, бр. 1. 336 стр.;
4. Mathers J. Антиоксидантни и цитопротективни реакции към редокс стрес // Biochem Soc Symp.- Vol. 71. – С.157-176;
5. Addabbo F. Митохондрии и реактивни кислородни видове / F. Addabbo, M. Montagnani, M.S. Голигорски // Хипертония. – 2009. 53. – С. 885-892;
6. Men'shhikova E.B. Окислителен стрес: Патологични състояния и заболявания. – Новосибирск: АРТА, 2008. 284 с.;
7. Торопова Я.Г. Perfuzija izolirovannogo serdca metodom Langendorf и Nilli: vozmozhnosti primenenija v nauchnyh issledovanijah / Ja.G. Торопова, Н.Ю. Осяев, Р.А. Мухамадиджаров // Трансляционная медицина. – 2014. № 4 – С. 34-39.

  - „в (на) живот“), тоест „вътре в жив организъм“ или „вътре в клетка“.

В науката in vivoозначава провеждането на експерименти върху (или в) жива тъкан в жив организъм. Тази употреба на термина изключва използването на част от жив организъм (както се прави в тестовете инвитро) или използване на мъртъв организъм. Тестовете върху животни и клиничните изпитвания са форми на изследване in vivo.

Вижте също

Това е чернова на статия по биология . Можете да помогнете на проекта, като добавите към него. Тази бележка трябва да бъде заменена с по-точна, ако е възможно.

Напишете отзив за статията "In vivo"

Откъс, описващ In Vivo

„Не, сега ще го напуснат, сега ще бъдат ужасени от това, което направиха! - помисли си Пиер, безцелно следвайки тълпите носилки, движещи се от бойното поле.
Но слънцето, скрито от дим, все още стоеше високо и отпред, и особено вляво от Семьоновски, нещо кипеше в дима и грохотът на изстрелите, стрелбата и канонадата не само не отслабнаха, но се усилиха до точка на отчаяние, като човек, който, напрягайки се, крещи с всички сили.

Основното действие на битката при Бородино се разигра в пространството от хиляда сажена между флъшовете на Бородин и Багратион. (Извън това пространство, от една страна, руснаците направиха демонстрация от кавалерията на Уваров по средата на деня; от друга страна, зад Утица, имаше сблъсък между Понятовски и Тучков; но това бяха две отделни и слаби действия в сравнение с това, което се случи в средата на бойното поле) На полето между Бородин и вълните, близо до гората, в зона, открита и видима от двете страни, се разигра основното действие на битката, по най-простия, изобретателен начин. .