Modèles de toxicité in vitro et essais basés sur des cellules

Les modèles de toxicité in vitro utilisent des cellules cultivées, des tissus et des systèmes biologiques reconstitués pour sonder les effets nocifs de substances en dehors d'un animal vivant. Ils sont essentiels à l'effort de remplacement, de réduction et de raffinement des tests sur animaux, et ils permettent une mesure axée sur les mécanismes, souvent à haut débit, des réponses toxiques telles que la cytotoxicité, la génotoxicité et la perturbation des voies de signalisation.

Definition

Les modèles de toxicité in vitro sont des systèmes expérimentaux basés sur des cellules isolées, des tissus ou des substituts d'organes reconstitués utilisés pour détecter et caractériser les effets toxiques des substances et leurs mécanismes sous-jacents sans utiliser d'animal entier.

Scope

L'entrée couvre la justification et les types de systèmes de toxicité in vitro, des simples essais de viabilité cellulaire aux modèles à gènes rapporteurs et organotypiques, leur utilisation dans les programmes de criblage à haut débit, et les défis liés à la mise en relation des concentrations in vitro avec l'exposition de l'organisme entier ainsi qu'à la validation de ces méthodes pour un usage réglementaire. Il s'agit d'un sujet méthodologique et ne fournit pas de protocoles d'essai ni de conclusions de sécurité spécifiques à des substances.

Core questions

• Quels mécanismes toxiques peuvent être détectés et mesurés dans les systèmes basés sur des cellules et des tissus ?
• Comment les essais in vitro peuvent-ils être mis à l'échelle pour cribler efficacement un grand nombre de produits chimiques ?
• Comment les concentrations in vitro sont-elles liées aux expositions in vivo pertinentes ?
• Qu'est-ce qui est requis pour valider une méthode in vitro en vue de son acceptation réglementaire ?

Key concepts

• Les 3R (remplacement, réduction, raffinement)
• Essais de cytotoxicité et de viabilité
• Essais basés sur des gènes rapporteurs et des voies de signalisation
• Criblage à haut débit et à haut contenu
• Modèles organotypiques et 3D/organes sur puce
• Extrapolation in vitro-in vivo (IVIVE)
• Validation et acceptation réglementaire des méthodes alternatives

Mechanisms

Les modèles in vitro exposent un matériel biologique défini, allant des lignées cellulaires immortalisées et des cellules primaires aux tissus reconstitués et aux systèmes microphysiologiques sur puce (organ-on-chip), à une substance et mesurent une réponse. Les critères d'évaluation incluent la perte de viabilité, l'intégrité de la membrane, la fonction mitochondriale, les dommages à l'ADN, et l'activation de voies de stress et de signalisation spécifiques mesurées par des gènes rapporteurs ou des marqueurs moléculaires. Le criblage robotisé à haut débit, comme illustré par la collaboration Tox21, applique de tels essais à des milliers de produits chimiques pour cartographier leur activité biologique. Un défi persistant est l'extrapolation in vitro-in vivo : relier la concentration qui produit un effet en culture à une dose ou une exposition dans un organisme intact, ce qui nécessite une modélisation de l'absorption, de la distribution, du métabolisme et de l'élimination non capturée dans la boîte de Pétri.

Clinical relevance

Les méthodes de toxicité in vitro contribuent de plus en plus à l'évaluation de la sécurité des médicaments, des cosmétiques et des produits chimiques environnementaux et soutiennent le virage plus large vers les tests non animaux. La connaissance de ce que mesurent ces essais aide à évaluer les preuves mécanistiques de sécurité. L'entrée est descriptive de la méthodologie et ne constitue pas une base pour des décisions cliniques ou d'exposition.

Evidence & guidelines

Un nombre croissant d'essais in vitro ont été formellement validés et adoptés comme lignes directrices de l'OCDE pour des critères d'évaluation tels que l'irritation cutanée et oculaire, la sensibilisation cutanée et la génotoxicité, et ils font de plus en plus partie des approches intégrées de test et d'évaluation. Dans la réglementation pharmaceutique, certains tests in vitro sont des composants acceptés des dossiers de sécurité. De grands programmes de criblage tels que Tox21 et ToxCast ont généré des données publiques éclairant ces méthodes. L'acceptation réglementaire de stratégies entièrement non animales pour les critères d'évaluation systémiques reste partielle et continue d'évoluer.

History

La base conceptuelle pour le remplacement des tests sur animaux a été posée par l'articulation des 3R par Russell et Burch en 1959. La toxicologie des cultures cellulaires a mûri au cours de la fin du XXe siècle, et le domaine a pris un élan décisif grâce à la vision de 2007 du National Research Council, qui appelait à un passage des tests sur animaux entiers vers des approches in vitro basées sur les voies de signalisation. De grands efforts de criblage collaboratifs, notamment le programme américain Tox21 décrit par Tice et ses collègues, ont ensuite opérationnalisé les tests in vitro à haut débit sur des milliers de composés.

Debates

Les systèmes in vitro peuvent-ils remplacer les tests sur animaux pour des critères d'évaluation systémiques complexes ?

Les méthodes in vitro sont bien établies pour les critères d'évaluation localisés, mais la reproduction de processus de l'organisme entier tels que la toxicité systémique à doses répétées, le métabolisme et les effets inter-organes reste difficile, de sorte que le débat se poursuit sur l'étendue et la rapidité du remplacement des tests sur animaux.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

Que sont les 3R et comment les modèles in vitro s'y rapportent-ils ?

Les 3R sont le remplacement, la réduction et le raffinement de l'utilisation des animaux, articulés par Russell et Burch en 1959. Les modèles in vitro soutiennent le remplacement (substitution par des systèmes non animaux) et la réduction (criblage de nombreux produits chimiques sans animaux).

Pourquoi l'extrapolation in vitro-in vivo est-elle importante ?

Une concentration qui provoque un effet dans des cellules cultivées ne correspond pas directement à une dose dans un organisme entier, car le corps absorbe, distribue, métabolise et élimine les substances. Des méthodes d'extrapolation sont nécessaires pour traduire les résultats in vitro en termes pertinents pour l'exposition.