Modelos de toxicidad in vitro y ensayos basados en células

Los modelos de toxicidad in vitro utilizan células cultivadas, tejidos y sistemas biológicos reconstruidos para investigar los efectos nocivos de las sustancias fuera de un animal vivo. Son fundamentales en el esfuerzo por reemplazar, reducir y refinar las pruebas en animales, y permiten la medición, a menudo de alto rendimiento y centrada en mecanismos, de respuestas tóxicas como la citotoxicidad, la genotoxicidad y la perturbación de vías.

Definition

Los modelos de toxicidad in vitro son sistemas experimentales basados en células aisladas, tejidos o sustitutos de órganos reconstruidos utilizados para detectar y caracterizar los efectos tóxicos de las sustancias y sus mecanismos subyacentes sin utilizar un animal completo.

Scope

La entrada abarca la justificación y los tipos de sistemas de toxicidad in vitro, desde ensayos simples de viabilidad celular hasta modelos de genes reporteros y organotípicos, su uso en programas de cribado de alto rendimiento, y los desafíos de relacionar las concentraciones in vitro con la exposición de todo el organismo y de validar estos métodos para uso regulatorio. Es un tema metodológico y no proporciona protocolos de ensayo ni conclusiones de seguridad específicas de sustancias.

Core questions

• ¿Qué mecanismos tóxicos pueden detectarse y medirse en sistemas basados en células y tejidos?
• ¿Cómo se pueden escalar los ensayos in vitro para cribar eficientemente un gran número de sustancias químicas?
• ¿Cómo se relacionan las concentraciones in vitro con las exposiciones in vivo relevantes?
• ¿Qué se requiere para validar un método in vitro para su aceptación regulatoria?

Key concepts

• Las 3R (reemplazo, reducción, refinamiento)
• Ensayos de citotoxicidad y viabilidad
• Ensayos basados en genes reporteros y vías
• Cribado de alto rendimiento y alto contenido
• Modelos organotípicos y 3D/órgano en chip
• Extrapolación in vitro a in vivo (IVIVE)
• Validación y aceptación regulatoria de métodos alternativos

Mechanisms

Los modelos in vitro exponen material biológico definido, que va desde líneas celulares inmortalizadas y células primarias hasta tejidos reconstruidos y sistemas microfisiológicos de órgano en chip, a una sustancia y registran una respuesta. Los puntos finales incluyen la pérdida de viabilidad, la integridad de la membrana, la función mitocondrial, el daño al ADN y la activación de vías de estrés y señalización específicas medidas a través de genes reporteros o marcadores moleculares. El cribado robótico de alto rendimiento, como el ejemplificado por la colaboración Tox21, aplica dichos ensayos a miles de sustancias químicas para mapear su actividad biológica. Un desafío persistente es la extrapolación in vitro a in vivo: relacionar la concentración que produce un efecto en cultivo con una dosis o exposición en un organismo intacto, lo que requiere modelar la absorción, distribución, metabolismo y eliminación no capturadas en la placa.

Clinical relevance

Los métodos de toxicidad in vitro contribuyen cada vez más a la evaluación de la seguridad de fármacos, cosméticos y sustancias químicas ambientales y sustentan el cambio más amplio hacia las pruebas sin animales. La familiaridad con lo que miden estos ensayos ayuda a evaluar la evidencia de seguridad mecanicista. La entrada es descriptiva de la metodología y no constituye una base para decisiones clínicas o de exposición.

Evidence & guidelines

Un número creciente de ensayos in vitro han sido validados formalmente y adoptados como directrices de prueba de la OCDE para puntos finales como la irritación cutánea y ocular, la sensibilización cutánea y la genotoxicidad, y forman parte cada vez más de enfoques integrados para las pruebas y la evaluación. Dentro de la regulación farmacéutica, ciertas pruebas in vitro son componentes aceptados de los paquetes de seguridad. Grandes programas de cribado como Tox21 y ToxCast han generado datos públicos que informan sobre estos métodos. La aceptación regulatoria de estrategias completamente no animales para puntos finales sistémicos sigue siendo parcial y continúa evolucionando.

History

La base conceptual para reemplazar las pruebas en animales fue establecida por la articulación de las 3R de Russell y Burch en 1959. La toxicología de cultivos celulares maduró a lo largo de la segunda mitad del siglo XX, y el campo ganó un impulso decisivo a partir de la visión de 2007 del Consejo Nacional de Investigación, que abogaba por un cambio de las pruebas en animales completos hacia enfoques in vitro basados en vías. Grandes esfuerzos de cribado colaborativos, en particular el programa Tox21 de Estados Unidos descrito por Tice y sus colegas, luego operacionalizaron las pruebas in vitro de alto rendimiento en miles de compuestos.

Debates

¿Pueden los sistemas in vitro reemplazar las pruebas en animales para puntos finales sistémicos complejos?

Los métodos in vitro están bien establecidos para puntos finales localizados, pero reproducir procesos de organismo completo como la toxicidad sistémica por dosis repetidas, el metabolismo y los efectos interorgánicos sigue siendo difícil, por lo que el debate continúa sobre hasta qué punto y con qué rapidez se pueden reemplazar las pruebas en animales.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

¿Qué son las 3R y cómo se relacionan los modelos in vitro con ellas?

Las 3R son el reemplazo, la reducción y el refinamiento del uso de animales, articuladas por Russell y Burch en 1959. Los modelos in vitro apoyan el reemplazo (sustitución de sistemas no animales) y la reducción (cribado de muchas sustancias químicas sin animales).

¿Por qué es importante la extrapolación in vitro a in vivo?

Una concentración que causa un efecto en células cultivadas no se corresponde directamente con una dosis en un organismo completo, porque el cuerpo absorbe, distribuye, metaboliza y elimina las sustancias. Se necesitan métodos de extrapolación para traducir los resultados in vitro en términos relevantes para la exposición.