Model Toksisitas In Vitro dan Uji Berbasis Sel

Model toksisitas in vitro menggunakan sel, jaringan, dan sistem biologis yang direkonstruksi yang dikultur untuk menyelidiki efek berbahaya suatu zat di luar hewan hidup. Model ini merupakan pusat upaya untuk mengganti, mengurangi, dan menyempurnakan pengujian hewan, dan memungkinkan pengukuran respons toksik yang berfokus pada mekanisme, seringkali ber throughput tinggi, seperti sitotoksisitas, genotoksisitas, dan gangguan jalur.

Definition

Model toksisitas in vitro adalah sistem eksperimental berdasarkan sel terisolasi, jaringan, atau pengganti organ yang direkonstruksi yang digunakan untuk mendeteksi dan mengkarakterisasi efek toksik suatu zat dan mekanisme yang mendasarinya tanpa menggunakan seluruh hewan.

Scope

Entri ini mencakup dasar pemikiran dan jenis sistem toksisitas in vitro, mulai dari uji viabilitas sel sederhana hingga model gen reporter dan organotipik, penggunaannya dalam program skrining ber throughput tinggi, serta tantangan dalam mengaitkan konsentrasi in vitro dengan paparan seluruh tubuh dan memvalidasi metode ini untuk penggunaan regulasi. Ini adalah topik metodologis dan tidak menyediakan protokol uji atau kesimpulan keamanan spesifik zat.

Core questions

• Mekanisme toksik apa yang dapat dideteksi dan diukur dalam sistem berbasis sel dan jaringan?
• Bagaimana uji in vitro dapat diskalakan untuk menyaring sejumlah besar bahan kimia secara efisien?
• Bagaimana konsentrasi in vitro terkait dengan paparan in vivo yang relevan?
• Apa yang diperlukan untuk memvalidasi metode in vitro agar diterima secara regulasi?

Key concepts

• 3R (penggantian, pengurangan, penyempurnaan)
• Uji sitotoksisitas dan viabilitas
• Uji gen reporter dan berbasis jalur
• Skrining ber throughput tinggi dan ber konten tinggi
• Model organotipik dan 3D/organ-on-chip
• Ekstrapolasi in vitro ke in vivo (IVIVE)
• Validasi dan penerimaan regulasi metode alternatif

Mechanisms

Model in vitro memaparkan material biologis yang terdefinisi, mulai dari lini sel abadi dan sel primer hingga jaringan yang direkonstruksi dan sistem organ-on-chip mikrofisiologis, ke suatu zat dan membaca responsnya. Titik akhir meliputi hilangnya viabilitas, integritas membran, fungsi mitokondria, kerusakan DNA, dan aktivasi jalur stres dan sinyal spesifik yang diukur melalui gen reporter atau penanda molekuler. Skrining robotik ber throughput tinggi, seperti yang dicontohkan oleh kolaborasi Tox21, menerapkan uji semacam itu pada ribuan bahan kimia untuk memetakan aktivitas biologisnya. Tantangan yang terus-menerus adalah ekstrapolasi in vitro ke in vivo: mengaitkan konsentrasi yang menghasilkan efek dalam kultur dengan dosis atau paparan dalam organisme utuh, yang memerlukan pemodelan absorpsi, distribusi, metabolisme, dan eliminasi yang tidak tertangkap dalam cawan petri.

Clinical relevance

Metode toksisitas in vitro semakin berkontribusi pada evaluasi keamanan obat-obatan, kosmetik, dan bahan kimia lingkungan serta mendukung pergeseran yang lebih luas menuju pengujian non-hewan. Keakraban dengan apa yang diukur oleh uji ini membantu dalam menilai bukti keamanan mekanistik. Entri ini bersifat deskriptif metodologi dan bukan merupakan dasar untuk keputusan klinis atau paparan.

Evidence & guidelines

Semakin banyak uji in vitro yang telah divalidasi secara formal dan diadopsi sebagai pedoman uji OECD untuk titik akhir seperti iritasi kulit dan mata, sensitisasi kulit, dan genotoksisitas, dan semakin banyak membentuk bagian dari pendekatan terintegrasi untuk pengujian dan penilaian. Dalam regulasi farmasi, uji in vitro tertentu diterima sebagai komponen paket keamanan. Program skrining besar seperti Tox21 dan ToxCast telah menghasilkan data publik yang menginformasikan metode ini. Penerimaan regulasi terhadap strategi non-hewan sepenuhnya untuk titik akhir sistemik masih parsial dan terus berkembang.

History

Dasar konseptual untuk mengganti uji hewan diletakkan oleh artikulasi 3R oleh Russell dan Burch pada tahun 1959. Toksikologi kultur sel berkembang sepanjang akhir abad kedua puluh, dan bidang ini memperoleh momentum yang menentukan dari visi Dewan Riset Nasional tahun 2007, yang menyerukan pergeseran dari pengujian seluruh hewan menuju pendekatan in vitro berbasis jalur. Upaya skrining kolaboratif besar, terutama program Tox21 Amerika Serikat yang dijelaskan oleh Tice dan rekan, kemudian mengoperasionalkan pengujian in vitro ber throughput tinggi pada ribuan senyawa.

Debates

Dapatkah sistem in vitro menggantikan uji hewan untuk titik akhir sistemik yang kompleks?

Metode in vitro telah mapan untuk titik akhir terlokalisasi, tetapi mereproduksi proses seluruh organisme seperti toksisitas sistemik dosis berulang, metabolisme, dan efek antar-organ masih sulit, sehingga perdebatan terus berlanjut mengenai seberapa jauh dan seberapa cepat uji hewan dapat diganti.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

Apa itu 3R dan bagaimana model in vitro terkait dengannya?

3R adalah penggantian, pengurangan, dan penyempurnaan penggunaan hewan, yang diartikulasikan oleh Russell dan Burch pada tahun 1959. Model in vitro mendukung penggantian (mengganti sistem non-hewan) dan pengurangan (menyaring banyak bahan kimia tanpa hewan).

Mengapa ekstrapolasi in vitro ke in vivo penting?

Konsentrasi yang menyebabkan efek pada sel yang dikultur tidak secara langsung sesuai dengan dosis pada seluruh organisme, karena tubuh menyerap, mendistribusikan, memetabolisme, dan menghilangkan zat. Metode ekstrapolasi diperlukan untuk menerjemahkan hasil in vitro ke dalam istilah yang relevan dengan paparan.