In-vitro-Toxizitätsmodelle und zellbasierte Assays

In-vitro-Toxizitätsmodelle verwenden kultivierte Zellen, Gewebe und rekonstruierte biologische Systeme, um die schädlichen Auswirkungen von Substanzen außerhalb eines lebenden Tieres zu untersuchen. Sie sind von zentraler Bedeutung für die Bemühungen, Tierversuche zu ersetzen, zu reduzieren und zu verfeinern, und sie ermöglichen eine mechanismusorientierte, oft hochdurchsatzfähige Messung toxischer Reaktionen wie Zytotoxizität, Genotoxizität und Signalwegstörungen.

Definition

In-vitro-Toxizitätsmodelle sind experimentelle Systeme, die auf isolierten Zellen, Geweben oder rekonstruierten Organersatzstoffen basieren und zur Detektion und Charakterisierung der toxischen Wirkungen von Substanzen und ihrer zugrunde liegenden Mechanismen ohne Verwendung eines ganzen Tieres eingesetzt werden.

Scope

Der Eintrag behandelt die Grundlagen und Typen von In-vitro-Toxizitätssystemen, von einfachen Zellviabilitäts-Assays bis hin zu Reportergen- und organotypischen Modellen, ihre Verwendung in Hochdurchsatz-Screening-Programmen und die Herausforderungen, In-vitro-Konzentrationen mit Ganzkörper-Expositionen in Beziehung zu setzen und diese Methoden für die regulatorische Nutzung zu validieren. Es handelt sich um ein methodisches Thema, das keine Assay-Protokolle oder substanzspezifischen Sicherheitsaussagen liefert.

Core questions

• Welche toxischen Mechanismen können in zell- und gewebebasierten Systemen nachgewiesen und gemessen werden?
• Wie können In-vitro-Assays skaliert werden, um große Mengen von Chemikalien effizient zu screenen?
• Wie stehen In-vitro-Konzentrationen in Beziehung zu relevanten In-vivo-Expositionen?
• Was ist erforderlich, um eine In-vitro-Methode für die regulatorische Akzeptanz zu validieren?

Key concepts

• Die 3R (Replace, Reduce, Refine – Ersetzen, Reduzieren, Verfeinern)
• Zytotoxizitäts- und Viabilitäts-Assays
• Reportergen- und signalwegbasierte Assays
• Hochdurchsatz- und High-Content-Screening
• Organotypische und 3D-/Organ-on-a-Chip-Modelle
• In-vitro-In-vivo-Extrapolation (IVIVE)
• Validierung und regulatorische Akzeptanz alternativer Methoden

Mechanisms

In-vitro-Modelle exponieren definiertes biologisches Material, das von immortalisierten Zelllinien und Primärzellen bis hin zu rekonstruierten Geweben und mikrophysiologischen Organ-on-a-Chip-Systemen reicht, gegenüber einer Substanz und messen eine Reaktion. Endpunkte umfassen den Verlust der Viabilität, der Membranintegrität, der mitochondrialen Funktion, DNA-Schäden und die Aktivierung spezifischer Stress- und Signalwege, gemessen durch Reportergene oder molekulare Marker. Robotisches Hochdurchsatz-Screening, wie es die Tox21-Kooperation beispielhaft zeigt, wendet solche Assays auf Tausende von Chemikalien an, um deren biologische Aktivität zu kartieren. Eine anhaltende Herausforderung ist die In-vitro-In-vivo-Extrapolation (IVIVE): die Beziehung zwischen der Konzentration, die eine Wirkung in der Kultur hervorruft, und einer Dosis oder Exposition in einem intakten Organismus, was eine Modellierung von Absorption, Verteilung, Metabolismus und Elimination erfordert, die in der Petrischale nicht erfasst werden.

Clinical relevance

In-vitro-Toxizitätsmethoden tragen zunehmend zur Sicherheitsbewertung von Arzneimitteln, Kosmetika und Umweltchemikalien bei und untermauern die breitere Verlagerung hin zu tierversuchsfreien Tests. Die Vertrautheit mit dem, was diese Assays messen, hilft bei der Bewertung mechanistischer Sicherheitsnachweise. Der Eintrag beschreibt die Methodik und ist keine Grundlage für klinische oder Expositionsentscheidungen.

Evidence & guidelines

Eine wachsende Zahl von In-vitro-Assays wurde formell validiert und als OECD-Prüfrichtlinien für Endpunkte wie Haut- und Augenreizung, Hautsensibilisierung und Genotoxizität übernommen, und sie werden zunehmend Teil integrierter Test- und Bewertungsansätze. Innerhalb der pharmazeutischen Regulierung sind bestimmte In-vitro-Tests anerkannte Bestandteile von Sicherheitspaketen. Große Screening-Programme wie Tox21 und ToxCast haben öffentliche Daten generiert, die diese Methoden untermauern. Die regulatorische Akzeptanz vollständig tierversuchsfreier Strategien für systemische Endpunkte ist nach wie vor teilweise und entwickelt sich weiter.

History

Die konzeptionelle Grundlage für den Ersatz von Tierversuchen wurde durch Russells und Burchs Formulierung der 3R im Jahr 1959 gelegt. Die Zellkulturtoxikologie reifte im späteren zwanzigsten Jahrhundert, und das Feld gewann entscheidenden Schwung durch die Vision des National Research Council von 2007, die eine Verlagerung von Ganztiertests hin zu signalwegbasierten In-vitro-Ansätzen forderte. Große kollaborative Screening-Bemühungen, insbesondere das US-amerikanische Tox21-Programm, beschrieben von Tice und Kollegen, operationalisierten dann das Hochdurchsatz-In-vitro-Testen an Tausenden von Verbindungen.

Debates

Können In-vitro-Systeme Tierversuche für komplexe systemische Endpunkte ersetzen?

In-vitro-Methoden sind für lokalisierte Endpunkte gut etabliert, aber die Reproduktion von Ganzorganismusprozessen wie wiederholter systemischer Toxizität, Metabolismus und Inter-Organ-Effekten bleibt schwierig, sodass die Debatte darüber, wie weit und wie schnell Tierversuche ersetzt werden können, andauert.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

Was sind die 3R und wie stehen In-vitro-Modelle dazu in Beziehung?

Die 3R sind das Ersetzen, Reduzieren und Verfeinern des Tierverbrauchs, formuliert von Russell und Burch im Jahr 1959. In-vitro-Modelle unterstützen das Ersetzen (Substitution tierversuchsfreier Systeme) und das Reduzieren (Screening vieler Chemikalien ohne Tiere).

Warum ist die In-vitro-In-vivo-Extrapolation wichtig?

Eine Konzentration, die in kultivierten Zellen eine Wirkung hervorruft, entspricht nicht direkt einer Dosis in einem ganzen Organismus, da der Körper Substanzen absorbiert, verteilt, metabolisiert und eliminiert. Extrapolationsmethoden sind erforderlich, um In-vitro-Ergebnisse in expositionsrelevante Begriffe zu übersetzen.