Ein integrierter Ansatz zur Untersuchung pharmakologischer Substanzen in vitro, ex vivo, in vivo. In-vitro-Studien – Merkmale, Vor- und Nachteile Was bedeutet das in vivo?

Forschung wird mit Mikroorganismen, Zellen oder biologischen Molekülen außerhalb ihres normalen biologischen Kontexts durchgeführt. Umgangssprachlich nennt man sie Reagenzglasexperimente. Diese Studien in der Biologie und ihren Teildisziplinen werden traditionell in Reagenzgläsern, Kolben, Petrischalen usw. durchgeführt und beinhalten seit den Anfängen der Molekularbiologie sogenannte Omics-Methoden. Studien, bei denen aus ihrer normalen biologischen Umgebung isolierte Organismenbestandteile verwendet werden, sind detaillierter und praktischer als Analysen mit ganzen Organismen. Im Gegensatz dazu werden In-vivo-Studien an Tieren, einschließlich Menschen und ganzen Pflanzen, durchgeführt.

Beispiele

Beispiele für In-vitro-Studien: Isolierung, Wachstum und Identifizierung von Zellen, die aus mehrzelligen Organismen stammen (Zellkultur oder Gewebekultur); subzelluläre Komponenten (Mitochondrien oder Ribosomen); zelluläre oder subzelluläre Extrakte (z. B. Weizenkeim- oder Retikulozytenextrakte); gereinigte Moleküle wie Proteine, DNA oder RNA); und industrielle Produktion von Antibiotika und Arzneimitteln. 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 in einem Reagenzglas.
• Bei der Proteinreinigung wird ein bestimmtes Protein aus einer komplexen Mischung abgetrennt, die in vielen Fällen aus homogenisierten Zellen oder Geweben gewonnen wird.
• Die In-vitro-Fertilisation wird in einer Schale mit Sperma und einer Eizelle durchgeführt. Anschließend werden die befruchteten Embryonen in die Gebärmutter der werdenden Mutter eingepflanzt.
• Unter In-vitro-Diagnostik versteht man ein breites Spektrum medizinischer und veterinärmedizinischer Laboruntersuchungen. Sie sind für die Diagnose von Krankheiten und die Überwachung des klinischen Zustands von Patienten erforderlich. Das Material sind Proben von Blut, Zellen oder anderen Geweben des Patienten.

In-vitro-Tests werden verwendet, um die spezifische Adsorption, Verteilung, Metabolisierung und Ausscheidung (ADM) von Arzneimitteln oder üblichen Chemikalien in einem lebenden Organismus zu charakterisieren. Experimente mit Caco-2-Zellen werden beispielsweise dazu beitragen, die Aufnahme von Verbindungen über die Magen-Darm-Schleimhaut zu bewerten. Zur Untersuchung von Verteilungsmechanismen kann die Aufteilung der Verbindungen zwischen Organen bestimmt werden. Eine Suspensions- oder Plattenkultur primärer Hepatozyten oder hepatozytenähnlicher Zelllinien (HepG2, HepaRG) kann zur Untersuchung und Quantifizierung des Stoffwechsels von Chemikalien verwendet werden. Diese Parameter von ARME-Prozessen können dann in sogenannte „physiologisch basierte pharmakokinetische Modelle“ oder FMPMs integriert werden.

Video über In-vitro-Studien

Vorteile in vitro

In-vitro-Studien ermöglichen eine artspezifische, einfachere, bequemere und detailliertere Analyse im Vergleich zur Analyse des gesamten Organismus. So wie Ganztierversuche immer mehr Menschenversuche ersetzen, ersetzen auch In-vitro-Studien Ganztierversuche.

Einfachheit

Lebende Organismen scheinen äußerst komplexe Funktionssysteme zu sein, die aus Zehntausenden von Genen, Protein- und RNA-Molekülen, anorganischen Ionen, kleinen organischen Verbindungen und Komplexen bestehen. Die Umgebung, in der sie sich befinden, wird räumlich durch Membranen organisiert, und in vielzelligen Organismen sind dafür Organe und Systeme verantwortlich. Diese unzähligen Komponenten interagieren miteinander und mit der Umgebung, um Lebensmittel zu verarbeiten, Abfälle zu entfernen, Komponenten an den richtigen Ort zu transportieren und auf Signalmoleküle, Licht, andere Organismen, Wärme, Geräusche, Geschmack, Gleichgewicht und Berührung zu reagieren.

Diese Komplexität macht es schwierig, die Beziehungen zwischen einzelnen Komponenten zu bestimmen und die zugrunde liegenden biologischen Funktionen zu untersuchen. Die Arbeit im Reagenzglas vereinfacht das untersuchte System, sodass sich der Forscher auf eine kleine Anzahl von Komponenten konzentrieren kann.

Beispielsweise bliebe die Identifizierung von Proteinen des Immunsystems (z. B. Antikörper) und der Mechanismus, durch den sie fremde Antigene erkennen und daran binden, unklar. Der erweiterte Einsatz von In-vitro-Arbeiten hat es jedoch ermöglicht, Proteine ​​zu isolieren, die Zellen und Gene zu identifizieren, die sie produzieren, und die physikalischen Merkmale der Interaktion mit Antigenen zu untersuchen. Darüber hinaus konnte festgestellt werden, wie diese Interaktion zu zellulären Signalen führt, die andere Komponenten des Immunsystems aktivieren.

Artenspezifität

Ein weiterer Vorteil von In-vitro-Methoden besteht darin, dass menschliche Zellen untersucht werden können, ohne von der zellulären Reaktion eines Versuchstiers „extrapolieren“ zu müssen.

Komfort, Automatisierung

In-vitro-Methoden können miniaturisiert und automatisiert werden und bieten Screening-Methoden mit hohem Durchsatz zum Testen von Molekülen in der Toxikologie oder Pharmakologie.

Mängel

Der Hauptnachteil experimenteller In-vitro-Forschung besteht darin, dass es schwierig ist, die Ergebnisse der Arbeit auf die Biologie des intakten Organismus zu übertragen. Um eine Überinterpretation der Ergebnisse zu vermeiden, müssen In-vitro-Forscher vorsichtig sein. Dies kann zu falschen Schlussfolgerungen über die Biologie des Organismus und Systems führen.

Beispielsweise könnten Wissenschaftler, die ein neues virales Medikament zur Behandlung einer Infektion mit einem pathogenen Virus (z. B. HIV-1) entwickeln, zu dem Schluss kommen, dass der Medikamentenkandidat dazu dient, die Replikation des Virus in vitro (normalerweise in Zellkulturen) zu verhindern. Bevor ein Medikament jedoch im klinischen Umfeld eingesetzt werden kann, muss es einer Reihe von In-vivo-Studien unterzogen werden, um seine Sicherheit und Wirksamkeit in intakten Organismen (in der Regel nacheinander kleine Tiere, Primaten und Menschen) zu bestimmen. Im Allgemeinen sind die meisten in vitro wirksamen Arzneimittelkandidaten in vivo aufgrund von Problemen bei der Arzneimittelabgabe an betroffene Gewebe, Toxizität für wichtige Körperteile, die in den ersten In-vitro-Studien nicht erfasst wurden, oder anderer Probleme nicht wirksam.

In-vitro-zu-in-vivo-Extrapolation (IVIVE)

Ergebnisse aus In-vitro-Experimenten können im Allgemeinen nicht auf die Vorhersage von Reaktionen des gesamten Organismus in vivo übertragen werden. Daher ist die Entwicklung eines konsistenten und zuverlässigen Verfahrens zur Extrapolation von In-vitro- auf In-vivo-Ergebnisse von entscheidender Bedeutung. Generell wurden zwei Entscheidungen getroffen:

• Zunehmende Komplexität von In-vitro-Systemen zur Gewebereproduktion und Interaktionen zwischen ihnen (wie bei „Human-on-a-Chip“-Systemen).
• Mithilfe mathematischer Modellierung das Verhalten eines komplexen Systems numerisch simulieren, wobei In-vitro-Daten die Werte der Modellparameter liefern.

Die beiden Ansätze sind nicht unvereinbar: Verbesserte In-vitro-Systeme werden genauere Daten für mathematische Modelle liefern. Andererseits generieren immer ausgefeiltere In-vitro-Experimente immer umfangreichere, komplexere und vielversprechendere Daten für die Integration. Hier brauchen wir mathematische Modelle, etwa in der Systembiologie.

Extrapolation in der Pharmakologie

In der Pharmakologie können IVIVE-Studien zur Annäherung an die Pharmakokinetik (PK) oder Pharmakodynamik (PD) herangezogen werden. Da der Zeitpunkt und die Intensität der Exposition gegenüber einem bestimmten Ziel vom Zeitpunkt der Konzentration des Arzneimittelkandidaten (verwandtes Molekül oder Metaboliten) am Zielort abhängt, kann die Empfindlichkeit von Geweben und Organen in vivo völlig unterschiedlich oder sogar umgekehrt sein das, was in kultivierten Zellen in vitro beobachtet wurde. Dies weist darauf hin, dass die in vitro beobachteten Extrapolationseffekte ein quantitatives In-vivo-PK-Modell erfordern. Es ist allgemein anerkannt, dass physiologisch basierte PK-Modelle (PBPMs) eine zentrale Rolle bei der Extrapolation spielen.

Bei frühen Wirkungen oder Wirkungen ohne interzelluläre Verbindungen wird davon ausgegangen, dass die gleiche Konzentration der zellulären Exposition in vitro und in vivo qualitativ und quantitativ die gleichen Wirkungen hervorruft. In dieser Situation reicht es aus, ein einfaches PD-Modell der in vitro beobachteten Dosis-Wirkungs-Beziehung zu entwickeln und unverändert zu übertragen, um In-vivo-Effekte vorherzusagen.

Selezneva A.I. 1, Kalatanova A.V. 2, Afonkina O.V. 3

1 Kandidat der medizinischen Wissenschaften, leitender Forscher, 2 Nachwuchsforscher, 3 Nachwuchsforscher, St. Petersburg Institute of Pharmacy CJSC

EIN INTEGRIERTER ANSATZ ZUR UNTERSUCHUNG PHARMAKOLOGISCHER STOFFEIN VITRO, EX VIVO, IN VIVO

Anmerkung

Der Artikel diskutiert effektive Planung und Möglichkeiten zur Durchführung experimenteller Studien mit dem optimalen Methodenspektrum zur Ermittlung möglicher Wirkrichtungen pharmakologischer SubstanzenIn vitro, ex vivo, In vivo. Das ultimative Ziel des integrierten Einsatzes einer Methodenbatterie besteht darin, zuverlässige und ausreichende experimentelle Daten zu erhalten, den Umfang, die Kosten und die Zeit der Forschung durch die kompetente Entwicklung des Forschungsdesigns und die Nutzung der in jeder Phase gewonnenen Daten zu reduzieren.

Stichworte: Screening, präklinische Studien, Medikamente, pharmakologische Substanz, Wirksamkeit, Sicherheit, in vitro, ex vivo, in vivo.

SeleznevaA.I. 1, Kalatanova A.V. 2, Afonkina O.V. 3

1 Kandidat für medizinische Wissenschaften, leitender Forscher, 2 Junior-Forscher, 3 Junior-Forscher, „Institut für Pharmazie von Sankt Petersburg“

KOMPLEXER ANSATZ ZUR UNTERSUCHUNG PHARMAKOLOGISCHER WIRKSTOFFE IN VITRO, EX VIVO, IN VIVO

Abstrakt

Der Artikel befasst sich mit der effektiven Planung und Möglichkeiten experimenteller Studien mit dem optimalen Methodenspektrum zur Identifizierung möglicher Wirkungsbereiche pharmakologischer Wirkstoffe in vitro, ex vivo, in vivo. Das ultimative Ziel des integrierten Einsatzes einer Reihe von Methoden ist die Bereitstellung zuverlässiger und ausreichender experimenteller Daten, die Reduzierung des Umfangs, der Kosten und des Zeitpunkts der Studie durch ein kompetentes Studiendesign und die Verwendung der in jeder Phase gesammelten Daten.

Schlüsselwörter: Screening, präklinische Studien, Medikamente, pharmakologische Wirkstoffe, Wirksamkeit, Sicherheit, in vitro, ex vivo, in vivo.

Eine erfolgreiche Untersuchung der Wirksamkeit und Sicherheit pharmakologischer Substanzen hängt unmittelbar von einer kompetenten Planung und Entwicklung des Studiendesigns ab. Es gibt eine Vielzahl von Methoden sowohl zum Screening als auch zur volumetrischen Beurteilung der möglichen Wirkrichtung und toxischen Eigenschaften pharmakologischer Substanzen. Diese Methoden lassen sich nach den Methoden ihrer Umsetzung grob in drei Gruppen einteilen – In-vitro-, Ex-vivo- und In-vivo-Methoden.

In-vitro-Methoden beinhalten ein Screening oder eine volumetrische Bewertung der Wirksamkeit und Sicherheit pharmakologischer Substanzen in Modellsystemen unter Verwendung von Reaktionsmedien, Enzymen, Zelllinien usw. Heutzutage erfreuen sich In-vitro-Methoden in der weltweiten wissenschaftlichen Gemeinschaft aus beiden Gesichtspunkten großer Beliebtheit von hoher Innovationsfähigkeit und unter dem Gesichtspunkt einer humanen Behandlung von Tieren. Von einer einschränkenden Untersuchung der Wirksamkeit und Sicherheit pharmakologischer Substanzen mittels In-vitro-Methoden ist jedoch abzuraten, da eine Übertragung der erzielten Ergebnisse auf den Gesamtorganismus mit einem hohen Risiko verbunden ist.

Ex-vivo-Methoden umfassen typischerweise isolierte Organe und Gewebe lebender Organismen. Diese Methoden sind ebenfalls weithin bekannt und Daten aus Ex-vivo-Studien sind tendenziell klinisch relevanter. Allerdings können die Ergebnisse von Ex-vivo-Studien ebenso wie In-vitro-Methoden nicht die Grundlage für den Beginn klinischer Studien mit einer pharmakologischen Substanz sein.

In-vivo-Methoden sind Klassiker der experimentellen Pharmakologie und stellen Studien an verschiedenen Tierarten und -linien dar. In-vivo-Methoden ermöglichen es, zuverlässige und ausreichende Ergebnisse zu erhalten, die erfolgreich auf die Klinik übertragen werden können. Es liegen zahlreiche Daten zu den anatomischen, physiologischen, biochemischen und anderen Merkmalen von Arten und Stämmen von Versuchstieren vor, die es ermöglichen, den Grad der Relevanz für den Menschen festzustellen und die Ergebnisse klinischer Studien zu pharmakologischen Substanzen vorherzusagen. Doch trotz des hohen Informationsgehalts von In-vivo-Studien können die Ergebnisse von In-vitro- und Ex-vivo-Studien den erfolgreichsten Ansatz zur Entwicklung von Studiendesigns bieten. Darüber hinaus ist es mit diesen Methoden möglich, die Anzahl der Tiere in einem Versuch deutlich zu reduzieren, was aus bioethischer Sicht von zentraler Bedeutung ist.

Diese Arbeit identifiziert mögliche Optionen für eine umfassende Bewertung der Wirksamkeit pharmakologischer Substanzen mithilfe einer Reihe von In-vitro-, Ex-vivo- und In-vivo-Methoden. Der Einsatz eines integrierten Ansatzes ermöglicht es, experimentelle Forschung so aussagekräftig und zuverlässig wie möglich zu gestalten.

Umfassende Beurteilung der Wirksamkeit pharmakologischer SubstanzenIn vitro, ex vivoUndIn vivo

Um die Wirksamkeit pharmakologischer Substanzen zu untersuchen, sind das Screening der pharmakologischen Aktivität, Pilotstudien und die Untersuchung der Wirkmechanismen von besonderer Bedeutung. So können mit verschiedenen Methoden neue pharmakologische Substanzen synthetisiert oder aus natürlichen Rohstoffen gewonnen werden; es können eine Vielzahl von Stereoisomeren oder Substanzen isoliert werden, die sich in ihrer Struktur durch eine oder mehrere funktionelle Gruppen unterscheiden. Die Durchführung einer umfassenden Untersuchung jedes einzelnen Kandidaten erfordert viel Zeit, wirtschaftliche Kosten und den Einsatz einer großen Anzahl von Tieren. Der Einsatz von In-vitro- und Ex-vivo-Methoden ermöglicht es in den meisten Fällen, die vielversprechendsten Kandidaten auszuwählen und den Forschungsaufwand zu reduzieren.

In-vivo-Forschung liefert volumetrische Daten, die sich optimal für die Extrapolation in die Klinik eignen. Die Verwendung verschiedener Tiermodelle für Krankheiten sowie die Verwendung genetisch veränderter Arten tragen dazu bei, die Mechanismen der pharmakologischen Wirkung, wirksame Dosen, die Dynamik der Werte von Pathologiemarkern bei langfristiger Verwendung usw. zu ermitteln.

Als Beispiel präsentieren wir eine umfassende Studie zur Wirksamkeit der pharmakologischen Substanz

Das Studiendesign ist in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1 – Design einer umfassenden Studie zur Wirksamkeit der pharmakologischen Substanz X

Im ersten Stadium der Untersuchung der Wirkmechanismen in vitro wurde festgestellt, dass sich die pharmakologische Substanz X durch eine ausgeprägte Wirksamkeit gegen Hydroxylradikale und Lipidperoxidation auszeichnet (Tabelle 2).

Tabelle 2 – Wirksamkeit der pharmakologischen Substanz X in In-vitro-Studien

Die Wirksamkeit der pharmakologischen Substanz X übertraf die des Referenzarzneimittels Y.

Es wurde festgestellt, dass das Vorhandensein antioxidativer Eigenschaften einer pharmakologischen Substanz ihre zytoprotektiven Eigenschaften bestimmt. Zahlreiche klinische und experimentelle Studien haben ergeben, dass oxidativer Stress eine Schlüsselrolle bei der Entstehung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen wie koronarer Herzkrankheit, Bluthochdruck, Arteriosklerose, Koronarinsuffizienz und Herzinsuffizienz spielt.

Die Ergebnisse von In-vitro-Studien ermöglichten es, die Hauptrichtungen des experimentellen Designs ex vivo und in vivo zu bestimmen sowie mögliche Wirkmechanismen der pharmakologischen Substanz zu ermitteln.

Der zweite Forschungsschritt bestand darin, die kardioprotektiven Eigenschaften der pharmakologischen Substanz X in einem Ex-vivo-Experiment an einem isolierten Herzen mit der Langendorff-Methode zu bestimmen. Die Studie wurde mit der pharmakologischen Substanz X in drei Dosen durchgeführt.

Als Ergebnis der zweiten Forschungsphase wurde festgestellt, dass die Werte des Drucks (LVP) und der Kontraktionsgeschwindigkeit (dP/dt max) des linken Ventrikels vor dem Hintergrund einer Ischämie mit anschließender Reperfusion eines isolierten Herzens statistisch signifikant sind Anstieg, was auf eine positiv inotrope Wirkung des Arzneimittels hinweisen kann (Abb. 1).

Reis. 1 – Wirksamkeit der pharmakologischen Substanz X in einer Ex-vivo-Studie.

Die aus In-vitro- und Ex-vivo-Studien gewonnenen Daten liefern Anlass, den wichtigsten Wirkmechanismus und die pharmakologische Wirkung des Stoffes zu vermuten und somit In-vivo-Experimente zu planen.

Da die pharmakologische Substanz mit oxidativem Stress und eingeschränkter Myokardkontraktilität: akuter Myokardinfarkt und arterielle Hypertonie.

Als Ergebnis von Studien zur Wirksamkeit der pharmakologischen Substanz X in vivo an einem Modell eines akuten Myokardinfarkts wurde die Wirkung auf die physiologischen und biochemischen Parameter der modellierten Pathologie festgestellt (Tabelle 3).

Tabelle 3 – Wirksamkeit der pharmakologischen Substanz X vor dem Hintergrund der Modellierung des akuten Myokardinfarkts bei Ratten, M ± m.

Als Ergebnis von Untersuchungen zur Wirksamkeit der pharmakologischen Substanz X in vivo an spontan hypertensiven Ratten wurde sowohl vor der Anwendung der pharmakologischen Substanz 4).

Tabelle 4 – Veränderung des Blutdrucks während der Einnahme der pharmakologischen Substanz X

Hinweis – * p ‹ 0,05 im Vergleich zur Kontrollgruppe

So konnte durch eine umfassende Bewertung in vitro, ex vivo und in vivo die hohe Wirksamkeit der neuen pharmakologischen Substanz X festgestellt und mögliche Wirkmechanismen ermittelt werden. Mithilfe eines Modells eines isolierten Herzens unter Verwendung der Langendorff-Methode und der Simulation eines akuten experimentellen Myokardinfarkts in vivo wurden die kardiotonischen und kardioprotektiven Wirkungen des Arzneimittels nachgewiesen. Bei der Anwendung des neuen Arzneimittels bei spontan hypertensiven Tieren wurde ein anhaltender Blutdruckabfall sowie ein Abfall der anfänglichen Druckwerte bis zum Ende der Behandlung beobachtet. Es wurde festgestellt, dass eine Schlüsselrolle bei der Umsetzung der pharmakologischen Wirkungen der pharmakologischen Substanz

Durch den Einsatz von In-vitro- und Ex-vivo-Methoden konnte das Volumen der Versuchstiere deutlich reduziert werden, da auf der Grundlage ihrer Ergebnisse wirksame Dosen der pharmakologischen Substanz X und die am besten geeigneten Versuchsmodelle ausgewählt wurden.

Literatur

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  - „in (am) Leben“), also „in einem lebenden Organismus“ oder „in einer Zelle“.

In der Wissenschaft in vivo bezeichnet die Durchführung von Experimenten an (oder innerhalb) lebendem Gewebe in einem lebenden Organismus. Diese Verwendung des Begriffs schließt die Verwendung eines Teils eines lebenden Organismus (wie es in Tests geschieht) aus in vitro) oder die Verwendung eines toten Organismus. Tierversuche und klinische Studien sind Formen der Forschung in vivo.

siehe auch

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Auszug, der In Vivo beschreibt

„Nein, jetzt werden sie es verlassen, jetzt werden sie entsetzt sein über das, was sie getan haben!“ - dachte Pierre und folgte ziellos den Scharen von Krankentragen, die vom Schlachtfeld kamen.
Aber die vom Rauch verdeckte Sonne stand immer noch hoch, und vor und vor allem links von Semjonowsky kochte etwas im Rauch, und das Dröhnen der Schüsse, Schüsse und Kanonaden wurde nicht nur nicht schwächer, sondern verstärkte sich noch mehr Punkt der Verzweiflung, wie ein Mann, der sich anstrengt und mit aller Kraft schreit.

Die Haupthandlung der Schlacht von Borodino fand im Raum von tausend Klaftern zwischen Borodin und Bagrations Flush statt. (Außerhalb dieses Raums führten die Russen einerseits mittags eine Demonstration der Uvarov-Kavallerie durch; andererseits kam es hinter Utitsa zu einem Zusammenstoß zwischen Poniatowski und Tuchkov; aber das waren im Vergleich zwei getrennte und schwache Aktionen mit dem, was mitten auf dem Schlachtfeld geschah. ) Auf dem Feld zwischen Borodin und den Flushes, in der Nähe des Waldes, in einem von beiden Seiten einsehbaren offenen Gebiet, fand die Hauptaktion der Schlacht auf einfachste und genialste Weise statt.