مدل‌های سمیت برون‌تنی و سنجش‌های مبتنی بر سلول

مدل‌های سمیت برون‌تنی (in vitro) از سلول‌های کشت‌شده، بافت‌ها و سیستم‌های بیولوژیکی بازسازی‌شده برای بررسی اثرات مضر مواد در خارج از بدن یک حیوان زنده استفاده می‌کنند. این مدل‌ها در تلاش برای جایگزینی، کاهش و بهبود آزمایش‌های حیوانی محوری هستند و اندازه‌گیری پاسخ‌های سمی مانند سمیت سلولی، سمیت ژنی و اختلال مسیر را که اغلب با توان عملیاتی بالا و مکانیسم‌محور هستند، امکان‌پذیر می‌سازند.

Definition

مدل‌های سمیت برون‌تنی سیستم‌های تجربی مبتنی بر سلول‌های ایزوله، بافت‌ها یا جایگزین‌های بازسازی‌شده اندام هستند که برای شناسایی و توصیف اثرات سمی مواد و مکانیسم‌های زیربنایی آن‌ها بدون استفاده از یک حیوان کامل به کار می‌روند.

Scope

این مدخل به منطق و انواع سیستم‌های سمیت برون‌تنی، از سنجش‌های ساده بقای سلولی تا مدل‌های ژن گزارشگر و ارگانوتایپیک، کاربرد آن‌ها در برنامه‌های غربالگری با توان عملیاتی بالا، و چالش‌های مرتبط کردن غلظت‌های برون‌تنی با مواجهه کل بدن و اعتبارسنجی این روش‌ها برای استفاده نظارتی می‌پردازد. این یک موضوع روش‌شناختی است و پروتکل‌های سنجش یا نتایج ایمنی خاص ماده را ارائه نمی‌دهد.

Core questions

• چه مکانیسم‌های سمی را می‌توان در سیستم‌های مبتنی بر سلول و بافت شناسایی و اندازه‌گیری کرد؟
• چگونه می‌توان سنجش‌های برون‌تنی را برای غربالگری کارآمد تعداد زیادی از مواد شیمیایی مقیاس‌بندی کرد؟
• غلظت‌های برون‌تنی چگونه با مواجهه‌های درون‌تنی مرتبط هستند؟
• برای اعتبارسنجی یک روش برون‌تنی برای پذیرش نظارتی چه چیزی لازم است؟

Key concepts

• 3Rها (جایگزینی، کاهش، بهبود)
• سنجش‌های سمیت سلولی و زیست‌پذیری
• سنجش‌های ژن گزارشگر و مبتنی بر مسیر
• غربالگری با توان عملیاتی بالا و محتوای بالا
• مدل‌های ارگانوتایپیک و سه‌بعدی/اندام روی تراشه
• برون‌یابی برون‌تنی به درون‌تنی (IVIVE)
• اعتبارسنجی و پذیرش نظارتی روش‌های جایگزین

Mechanisms

مدل‌های برون‌تنی مواد بیولوژیکی تعریف‌شده، از رده‌های سلولی نامیرا و سلول‌های اولیه گرفته تا بافت‌های بازسازی‌شده و سیستم‌های میکروفیزیولوژیکی اندام روی تراشه، را در معرض یک ماده قرار می‌دهند و پاسخی را ثبت می‌کنند. نقاط پایانی شامل از دست دادن زیست‌پذیری، یکپارچگی غشاء، عملکرد میتوکندری، آسیب DNA و فعال‌سازی مسیرهای استرس و سیگنالینگ خاص است که از طریق ژن‌های گزارشگر یا نشانگرهای مولکولی اندازه‌گیری می‌شوند. غربالگری رباتیک با توان عملیاتی بالا، همانطور که در همکاری Tox21 نشان داده شده است، چنین سنجش‌هایی را در هزاران ماده شیمیایی برای ترسیم فعالیت بیولوژیکی آن‌ها به کار می‌برد. یک چالش پایدار، برون‌یابی برون‌تنی به درون‌تنی (in vitro to in vivo extrapolation) است: مرتبط کردن غلظتی که در کشت اثر تولید می‌کند با دوز یا مواجهه در یک ارگانیسم دست‌نخورده، که نیازمند مدل‌سازی جذب، توزیع، متابولیسم و حذف است که در محیط کشت ثبت نمی‌شود.

Clinical relevance

روش‌های سمیت برون‌تنی به طور فزاینده‌ای به ارزیابی ایمنی داروها، لوازم آرایشی و مواد شیمیایی محیطی کمک می‌کنند و زیربنای تغییر گسترده‌تر به سمت آزمایش‌های غیرحیوانی هستند. آشنایی با آنچه این سنجش‌ها اندازه‌گیری می‌کنند، به ارزیابی شواهد ایمنی مکانیکی کمک می‌کند. این مدخل توصیفی از روش‌شناسی است و مبنایی برای تصمیم‌گیری‌های بالینی یا مواجهه نیست.

Evidence & guidelines

تعداد فزاینده‌ای از سنجش‌های برون‌تنی به طور رسمی اعتبارسنجی شده و به عنوان دستورالعمل‌های آزمایشی OECD برای نقاط پایانی مانند تحریک پوست و چشم، حساسیت‌زایی پوست و سمیت ژنی پذیرفته شده‌اند و به طور فزاینده‌ای بخشی از رویکردهای یکپارچه برای آزمایش و ارزیابی را تشکیل می‌دهند. در مقررات دارویی، برخی آزمایش‌های برون‌تنی اجزای پذیرفته‌شده بسته‌های ایمنی هستند. برنامه‌های غربالگری بزرگ مانند Tox21 و ToxCast داده‌های عمومی را تولید کرده‌اند که این روش‌ها را اطلاع‌رسانی می‌کنند. پذیرش نظارتی استراتژی‌های کاملاً غیرحیوانی برای نقاط پایانی سیستمیک هنوز جزئی است و در حال تکامل است.

History

اساس مفهومی برای جایگزینی آزمایش‌های حیوانی توسط راسل و برچ در سال ۱۹۵۹ با بیان 3Rها (جایگزینی، کاهش، بهبود) پایه‌گذاری شد. سم‌شناسی کشت سلولی در اواخر قرن بیستم به بلوغ رسید و این حوزه از چشم‌انداز شورای تحقیقات ملی در سال ۲۰۰۷ که خواستار تغییر از آزمایش‌های حیوانی کامل به رویکردهای برون‌تنی مبتنی بر مسیر بود، شتاب قاطعی گرفت. سپس تلاش‌های غربالگری مشارکتی بزرگ، به ویژه برنامه Tox21 ایالات متحده که توسط تایس و همکارانش توصیف شد، آزمایش برون‌تنی با توان عملیاتی بالا را در هزاران ترکیب عملیاتی کرد.

Debates

آیا سیستم‌های برون‌تنی می‌توانند جایگزین آزمایش‌های حیوانی برای نقاط پایانی سیستمیک پیچیده شوند؟

روش‌های برون‌تنی برای نقاط پایانی موضعی به خوبی تثبیت شده‌اند، اما بازتولید فرآیندهای کل ارگانیسم مانند سمیت سیستمیک با دوزهای مکرر، متابولیسم و اثرات بین اندامی همچنان دشوار است، بنابراین بحث در مورد اینکه تا چه حد و با چه سرعتی می‌توان آزمایش‌های حیوانی را جایگزین کرد، ادامه دارد.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

3Rها چه هستند و مدل‌های برون‌تنی چگونه با آن‌ها مرتبط هستند؟

3Rها جایگزینی، کاهش و بهبود استفاده از حیوانات هستند که توسط راسل و برچ در سال ۱۹۵۹ بیان شد. مدل‌های برون‌تنی از جایگزینی (جایگزین کردن سیستم‌های غیرحیوانی) و کاهش (غربالگری بسیاری از مواد شیمیایی بدون حیوانات) حمایت می‌کنند.

چرا برون‌یابی برون‌تنی به درون‌تنی مهم است؟

غلظتی که در سلول‌های کشت‌شده اثر ایجاد می‌کند، مستقیماً با دوز در یک ارگانیسم کامل مطابقت ندارد، زیرا بدن مواد را جذب، توزیع، متابولیزه و حذف می‌کند. روش‌های برون‌یابی برای ترجمه نتایج برون‌تنی به اصطلاحات مرتبط با مواجهه مورد نیاز است.