시험관 내 독성 모델 및 세포 기반 분석

시험관 내 독성 모델은 배양된 세포, 조직 및 재구성된 생물학적 시스템을 사용하여 살아있는 동물 외부에서 물질의 유해한 영향을 조사합니다. 이는 동물 실험을 대체하고, 줄이며, 개선하려는 노력의 핵심이며, 세포독성, 유전독성, 경로 교란과 같은 독성 반응의 메커니즘 중심적이고 종종 고처리량 측정을 가능하게 합니다.

Definition

시험관 내 독성 모델은 전체 동물을 사용하지 않고 물질의 독성 효과와 그 기저 메커니즘을 감지하고 특성화하는 데 사용되는 분리된 세포, 조직 또는 재구성된 장기 대체물을 기반으로 하는 실험 시스템입니다.

Scope

이 항목은 단순한 세포 생존력 분석부터 리포터 유전자 및 장기유사 모델에 이르는 시험관 내 독성 시스템의 이론적 근거와 유형, 고처리량 스크리닝 프로그램에서의 사용, 시험관 내 농도를 전신 노출과 연관시키는 문제, 그리고 규제 사용을 위한 이러한 방법의 유효성 검증 문제를 다룹니다. 이는 방법론적 주제이며, 분석 프로토콜이나 물질별 안전성 결론을 제공하지 않습니다.

Core questions

• 세포 및 조직 기반 시스템에서 어떤 독성 메커니즘을 감지하고 측정할 수 있는가?
• 많은 수의 화학 물질을 효율적으로 스크리닝하기 위해 시험관 내 분석법을 어떻게 확장할 수 있는가?
• 시험관 내 농도는 관련 생체 내 노출과 어떻게 관련되는가?
• 규제 승인을 위해 시험관 내 방법을 검증하는 데 무엇이 필요한가?

Key concepts

• 3R 원칙 (대체, 감소, 개선)
• 세포독성 및 생존력 분석
• 리포터 유전자 및 경로 기반 분석
• 고처리량 및 고함량 스크리닝
• 장기유사 및 3D/장기 칩 모델
• 시험관 내-생체 내 외삽 (IVIVE)
• 대체 방법의 검증 및 규제 승인

Mechanisms

시험관 내 모델은 불멸화 세포주 및 일차 세포부터 재구성된 조직 및 미세생리적 장기 칩 시스템에 이르는 정의된 생물학적 물질을 물질에 노출시키고 반응을 판독합니다. 종점에는 생존력 손실, 막 무결성, 미토콘드리아 기능, DNA 손상, 그리고 리포터 유전자 또는 분자 마커를 통해 측정되는 특정 스트레스 및 신호 전달 경로의 활성화가 포함됩니다. Tox21 협력에서 예시된 로봇 고처리량 스크리닝은 수천 가지 화학 물질에 걸쳐 이러한 분석을 적용하여 생물학적 활성을 매핑합니다. 지속적인 과제는 시험관 내-생체 내 외삽(in vitro to in vivo extrapolation)입니다. 즉, 배양에서 효과를 생성하는 농도를 온전한 유기체의 용량 또는 노출과 연관시키는 것으로, 이는 배양 접시에서 포착되지 않는 흡수, 분포, 대사 및 배설 모델링을 필요로 합니다.

Clinical relevance

시험관 내 독성 방법은 의약품, 화장품 및 환경 화학 물질의 안전성 평가에 점점 더 많이 기여하고 있으며, 비동물 실험으로의 광범위한 전환을 뒷받침합니다. 이러한 분석이 무엇을 측정하는지 이해하는 것은 기계론적 안전성 증거를 평가하는 데 도움이 됩니다. 이 항목은 방법론을 설명하는 것이며 임상 또는 노출 결정의 근거가 아닙니다.

Evidence & guidelines

점점 더 많은 시험관 내 분석법이 공식적으로 검증되어 피부 및 눈 자극, 피부 감작, 유전독성과 같은 종점에 대한 OECD 시험 가이드라인으로 채택되었으며, 통합된 시험 및 평가 접근 방식의 일부를 점점 더 많이 구성하고 있습니다. 의약품 규제 내에서 특정 시험관 내 시험은 안전성 패키지의 허용된 구성 요소입니다. Tox21 및 ToxCast와 같은 대규모 스크리닝 프로그램은 이러한 방법에 대한 정보를 제공하는 공개 데이터를 생성했습니다. 전신 종점에 대한 완전한 비동물 전략의 규제 승인은 여전히 부분적이며 계속 진화하고 있습니다.

History

동물 실험 대체에 대한 개념적 기반은 Russell과 Burch가 1959년에 제시한 3R 원칙에 의해 마련되었습니다. 세포 배양 독성학은 20세기 후반에 성숙했으며, 이 분야는 2007년 국립연구위원회(National Research Council)의 비전(전신 동물 실험에서 경로 기반 시험관 내 접근 방식으로의 전환을 요구)으로부터 결정적인 추진력을 얻었습니다. Tice와 동료들이 설명한 미국 Tox21 프로그램과 같은 대규모 협력 스크리닝 노력은 이후 수천 가지 화합물에 걸쳐 고처리량 시험관 내 테스트를 실행했습니다.

Debates

시험관 내 시스템이 복잡한 전신 종점에 대한 동물 실험을 대체할 수 있는가?

시험관 내 방법은 국소화된 종점에 대해서는 잘 확립되어 있지만, 반복 투여 전신 독성, 대사 및 장기 간 효과와 같은 전신 유기체 과정을 재현하는 것은 여전히 어렵습니다. 따라서 동물 실험을 얼마나 그리고 얼마나 빨리 대체할 수 있는지에 대한 논쟁이 계속되고 있습니다.

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 원칙은 무엇이며 시험관 내 모델은 이와 어떻게 관련되는가?

3R 원칙은 1959년 Russell과 Burch가 제시한 동물 사용의 대체(Replacement), 감소(Reduction), 개선(Refinement)입니다. 시험관 내 모델은 대체(비동물 시스템으로 대체) 및 감소(동물 없이 많은 화학 물질 스크리닝)를 지원합니다.

시험관 내-생체 내 외삽이 왜 중요한가?

배양된 세포에서 효과를 일으키는 농도는 전신 유기체에서의 용량과 직접적으로 일치하지 않습니다. 왜냐하면 신체가 물질을 흡수, 분포, 대사 및 배설하기 때문입니다. 시험관 내 결과를 노출 관련 용어로 변환하려면 외삽 방법이 필요합니다.