in vitro毒性モデルと細胞ベースアッセイ

in vitro毒性モデルは、培養細胞、組織、および再構築された生物学的システムを用いて、生体外での物質の有害な影響を調査します。これらは動物実験の代替、削減、改良の取り組みの中心であり、細胞毒性、遺伝毒性、経路摂動などの毒性反応のメカニズムに焦点を当てた、しばしばハイスループットな測定を可能にします。

Definition

in vitro毒性モデルは、単離された細胞、組織、または再構築された臓器代替物に基づく実験システムであり、生体全体を使用せずに物質の毒性影響とその根底にあるメカニズムを検出および特徴付けるために使用されます。

Scope

本項目では、単純な細胞生存率アッセイからレポーター遺伝子モデルやオルガノタイプモデルに至るまで、in vitro毒性システムの理論的根拠と種類、ハイスループットスクリーニングプログラムでの使用、in vitro濃度と全身曝露との関連付けの課題、および規制用途におけるこれらの方法のバリデーションの課題について扱います。これは方法論的なトピックであり、アッセイプロトコルや物質固有の安全性に関する結論を提供するものではありません。

Core questions

• 細胞および組織ベースのシステムで検出および測定できる毒性メカニズムにはどのようなものがありますか？
• in vitroアッセイを大規模に拡張して、多数の化学物質を効率的にスクリーニングするにはどうすればよいですか？
• in vitro濃度は関連するin vivo曝露とどのように関連付けられますか？
• in vitro法が規制上の承認を得るためにバリデーションするには何が必要ですか？

Key concepts

• 3R（代替、削減、改良）
• 細胞毒性および生存率アッセイ
• レポーター遺伝子および経路ベースのアッセイ
• ハイスループットおよびハイコンテンツスクリーニング
• オルガノタイプおよび3D/臓器オンチップモデル
• in vitroからin vivoへの外挿（IVIVE）
• 代替法のバリデーションと規制上の承認

Mechanisms

in vitroモデルは、不死化細胞株や初代細胞から再構築組織やマイクロ生理学的臓器オンチップシステムに至るまで、定義された生物学的材料を物質に曝露し、その応答を読み取ります。エンドポイントには、生存率の喪失、膜完全性、ミトコンドリア機能、DNA損傷、およびレポーター遺伝子や分子マーカーを介して測定される特定のストレスおよびシグナル伝達経路の活性化が含まれます。Tox21コラボレーションに代表されるロボットによるハイスループットスクリーニングは、このようなアッセイを数千の化学物質に適用し、それらの生物学的活性をマッピングします。永続的な課題は、in vitroからin vivoへの外挿です。これは、培養で効果を生み出す濃度を、無傷の生物における用量または曝露に関連付けるものであり、培養皿では捉えられない吸収、分布、代謝、排泄のモデリングを必要とします。

Clinical relevance

in vitro毒性評価法は、医薬品、化粧品、環境化学物質の安全性評価にますます貢献しており、非動物実験への広範な移行を支えています。これらのアッセイが何を測定するかを理解することは、メカニズムに基づいた安全性エビデンスを評価する上で役立ちます。本項目は方法論を記述するものであり、臨床的または曝露に関する決定の根拠となるものではありません。

Evidence & guidelines

in vitroアッセイの数は増加しており、皮膚および眼刺激性、皮膚感作性、遺伝毒性などのエンドポイントについてOECDテストガイドラインとして正式にバリデーションされ採用されており、統合された試験および評価アプローチの一部としてますます組み込まれています。医薬品規制においては、特定のin vitro試験が安全性パッケージの許容される構成要素となっています。Tox21やToxCastのような大規模なスクリーニングプログラムは、これらの方法に情報を提供する公開データを生成しています。全身性エンドポイントに対する完全な非動物戦略の規制上の承認は依然として部分的であり、進化し続けています。

History

動物実験の代替に関する概念的基盤は、ラッセルとバーチによる1959年の3Rの提唱によって築かれました。細胞培養毒性学は20世紀後半を通じて成熟し、2007年の米国研究評議会のビジョンによって決定的な勢いを得ました。このビジョンは、全動物試験から経路ベースのin vitroアプローチへの移行を求めました。その後、Ticeらが記述した米国Tox21プログラムに代表される大規模な共同スクリーニングの取り組みにより、数千の化合物に対するハイスループットin vitro試験が実用化されました。

Debates

in vitroシステムは、複雑な全身性エンドポイントに対する動物実験を代替できますか？

in vitro法は局所的なエンドポイントに対しては確立されていますが、反復投与全身毒性、代謝、臓器間作用などの全身のプロセスを再現することは依然として困難であるため、動物実験をどの程度、どのくらいの速さで代替できるかについては議論が続いています。

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

3Rとは何ですか、またin vitroモデルはそれらとどのように関連していますか？

3Rとは、1959年にラッセルとバーチによって提唱された、動物の使用の代替（Replacement）、削減（Reduction）、改良（Refinement）です。in vitroモデルは、代替（非動物システムへの置き換え）と削減（動物を使用せずに多くの化学物質をスクリーニングすること）を支援します。

in vitroからin vivoへの外挿が重要なのはなぜですか？

培養細胞で効果を引き起こす濃度は、生体全体における用量と直接対応しません。なぜなら、生体は物質を吸収、分布、代謝、排泄するからです。in vitroの結果を曝露に関連する用語に変換するためには、外挿法が必要です。