نماذج السمية في المختبر والفحوصات القائمة على الخلايا

تستخدم نماذج السمية في المختبر مزارع الخلايا والأنسجة والأنظمة البيولوجية المعاد بناؤها لدراسة الآثار الضارة للمواد خارج الحيوان الحي. وهي محورية في الجهود المبذولة لاستبدال وتقليل وتحسين التجارب على الحيوانات، كما أنها تمكن من القياس الموجه نحو الآلية، والذي غالبًا ما يكون عالي الإنتاجية، للاستجابات السامة مثل سمية الخلايا، والسمية الجينية، واضطراب المسارات.

Definition

نماذج السمية في المختبر هي أنظمة تجريبية تعتمد على خلايا معزولة أو أنسجة أو بدائل أعضاء مُعاد بناؤها تُستخدم للكشف عن الآثار السامة للمواد وآلياتها الكامنة وتوصيفها دون استخدام حيوان كامل.

Scope

يغطي هذا المدخل الأساس المنطقي وأنواع أنظمة السمية في المختبر، بدءًا من فحوصات حيوية الخلايا البسيطة إلى نماذج الجينات المخبرية والنماذج العضوية، واستخدامها في برامج الفحص عالية الإنتاجية، والتحديات المتعلقة بربط التركيزات في المختبر بالتعرض لكامل الجسم، وتحديات التحقق من صحة هذه الأساليب للاستخدام التنظيمي. إنه موضوع منهجي ولا يقدم بروتوكولات فحص أو استنتاجات سلامة خاصة بمادة معينة.

Core questions

• ما هي الآليات السامة التي يمكن الكشف عنها وقياسها في الأنظمة القائمة على الخلايا والأنسجة؟
• كيف يمكن توسيع نطاق الفحوصات في المختبر لفحص أعداد كبيرة من المواد الكيميائية بكفاءة؟
• كيف ترتبط التركيزات في المختبر بالتعرضات ذات الصلة في الكائن الحي؟
• ما هو المطلوب للتحقق من صحة طريقة في المختبر لقبولها تنظيميًا؟

Key concepts

• مبادئ الـ 3Rs (الاستبدال، التقليل، التحسين)
• فحوصات سمية الخلايا وحيويتها
• فحوصات الجينات المخبرية والقائمة على المسارات
• الفحص عالي الإنتاجية وعالي المحتوى
• النماذج العضوية وثلاثية الأبعاد/الأعضاء على الرقاقة
• الاستقراء من المختبر إلى الكائن الحي (IVIVE)
• التحقق من صحة الطرق البديلة وقبولها تنظيميًا

Mechanisms

تعرض النماذج في المختبر مواد بيولوجية محددة، تتراوح من خطوط الخلايا الخالدة والخلايا الأولية إلى الأنسجة المعاد بناؤها وأنظمة الأعضاء الدقيقة على الرقاقة (organ-on-chip)، لمادة معينة وتقرأ استجابة. تشمل نقاط النهاية فقدان الحيوية، وسلامة الغشاء، ووظيفة الميتوكوندريا، وتلف الحمض النووي، وتفعيل مسارات الإجهاد والإشارات المحددة التي تُقاس عبر الجينات المخبرية أو العلامات الجزيئية. يطبق الفحص الآلي عالي الإنتاجية، كما يتضح من تعاون Tox21، مثل هذه الفحوصات عبر آلاف المواد الكيميائية لرسم خريطتها البيولوجية. يظل التحدي المستمر هو الاستقراء من المختبر إلى الكائن الحي (in vitro to in vivo extrapolation): ربط التركيز الذي ينتج تأثيرًا في المزرعة بجرعة أو تعرض في كائن حي سليم، وهو ما يتطلب نمذجة الامتصاص والتوزيع والتمثيل الغذائي والإزالة التي لا يتم التقاطها في طبق المختبر.

Clinical relevance

تساهم طرق السمية في المختبر بشكل متزايد في تقييم سلامة الأدوية ومستحضرات التجميل والمواد الكيميائية البيئية، وتدعم التحول الأوسع نحو الاختبارات غير الحيوانية. يساعد الإلمام بما تقيسه هذه الفحوصات في تقييم أدلة السلامة الميكانيكية. المدخل وصفي للمنهجية وليس أساسًا للقرارات السريرية أو قرارات التعرض.

Evidence & guidelines

تم التحقق رسميًا من صحة عدد متزايد من الفحوصات في المختبر واعتمادها كإرشادات اختبار لمنظمة التعاون الاقتصادي والتنمية (OECD) لنقاط النهاية مثل تهيج الجلد والعين، وحساسية الجلد، والسمية الجينية، وتشكل بشكل متزايد جزءًا من النهج المتكاملة للاختبار والتقييم. ضمن التنظيم الصيدلاني، تُقبل بعض الاختبارات في المختبر كمكونات لحزم السلامة. وقد أنتجت برامج الفحص الكبيرة مثل Tox21 و ToxCast بيانات عامة تُثري هذه الأساليب. لا يزال القبول التنظيمي للاستراتيجيات غير الحيوانية بالكامل لنقاط النهاية الجهازية جزئيًا ويستمر في التطور.

History

وُضِع الأساس المفاهيمي لاستبدال التجارب على الحيوانات من خلال صياغة راسل وبيرش لمبادئ الـ 3Rs في عام 1959. نضج علم سموم مزارع الخلايا خلال أواخر القرن العشرين، واكتسب المجال زخمًا حاسمًا من رؤية المجلس القومي للبحوث لعام 2007، التي دعت إلى التحول من الاختبار على الحيوانات الكاملة نحو النهج القائمة على المسارات في المختبر. ثم قامت جهود الفحص التعاونية الكبيرة، ولا سيما برنامج Tox21 في الولايات المتحدة الذي وصفه تايس وزملاؤه، بتفعيل الاختبار عالي الإنتاجية في المختبر عبر آلاف المركبات.

Debates

هل يمكن للأنظمة في المختبر أن تحل محل التجارب على الحيوانات لنقاط النهاية الجهازية المعقدة؟

تُعد طرق المختبر راسخة لنقاط النهاية الموضعية، لكن إعادة إنتاج عمليات الكائن الحي بأكمله مثل السمية الجهازية المتكررة الجرعات، والتمثيل الغذائي، والتأثيرات بين الأعضاء لا يزال صعبًا، لذا يستمر الجدل حول مدى وسرعة إمكانية استبدال التجارب على الحيوانات.

Key figures

• William Russell
• Rex Burch
• Thomas Hartung
• Raymond Tice
• Robert Kavlock

Seminal works

• russell-burch-1959
• nrc-2007
• tice-2013

Frequently asked questions

ما هي مبادئ الـ 3Rs وكيف ترتبط بها نماذج المختبر؟

مبادئ الـ 3Rs هي الاستبدال والتقليل والتحسين في استخدام الحيوانات، وقد صاغها راسل وبيرش في عام 1959. تدعم نماذج المختبر الاستبدال (استبدال أنظمة غير حيوانية) والتقليل (فحص العديد من المواد الكيميائية دون حيوانات).

لماذا يعتبر الاستقراء من المختبر إلى الكائن الحي مهمًا؟

التركيز الذي يسبب تأثيرًا في الخلايا المزروعة لا يتوافق مباشرة مع جرعة في كائن حي كامل، لأن الجسم يمتص المواد ويوزعها ويمثلها ويقضي عليها. هناك حاجة إلى طرق الاستقراء لترجمة نتائج المختبر إلى مصطلحات ذات صلة بالتعرض.