Modelos de Toxicidade In Vitro e Ensaios Baseados em Células

Modelos de toxicidade in vitro utilizam células cultivadas, tecidos e sistemas biológicos reconstruídos para investigar os efeitos nocivos de substâncias fora de um animal vivo. Eles são centrais no esforço para substituir, reduzir e refinar testes em animais, e permitem a medição de respostas tóxicas, como citotoxicidade, genotoxicidade e perturbação de vias, com foco em mecanismos e frequentemente em alto rendimento.

Definition

Modelos de toxicidade in vitro são sistemas experimentais baseados em células isoladas, tecidos ou substitutos de órgãos reconstruídos, utilizados para detectar e caracterizar os efeitos tóxicos de substâncias e seus mecanismos subjacentes sem o uso de um animal inteiro.

Scope

Este verbete abrange a justificativa e os tipos de sistemas de toxicidade in vitro, desde ensaios simples de viabilidade celular até modelos de genes repórteres e organotípicos, seu uso em programas de triagem de alto rendimento, e os desafios de relacionar concentrações in vitro à exposição de corpo inteiro e de validar esses métodos para uso regulatório. É um tópico metodológico e não fornece protocolos de ensaio ou conclusões de segurança específicas de substâncias.

Core questions

• Quais mecanismos tóxicos podem ser detectados e medidos em sistemas baseados em células e tecidos?
• Como os ensaios in vitro podem ser escalados para rastrear um grande número de produtos químicos de forma eficiente?
• Como as concentrações in vitro se relacionam com exposições in vivo relevantes?
• O que é necessário para validar um método in vitro para aceitação regulatória?

Key concepts

• Os 3Rs (substituição, redução, refinamento)
• Ensaios de citotoxicidade e viabilidade
• Ensaios baseados em genes repórteres e vias
• Triagem de alto rendimento e alto conteúdo
• Modelos organotípicos e 3D/órgão em chip
• Extrapolação in vitro para in vivo (IVIVE)
• Validação e aceitação regulatória de métodos alternativos

Mechanisms

Modelos in vitro expõem material biológico definido, que varia de linhagens celulares imortalizadas e células primárias a tecidos reconstruídos e sistemas microfisiológicos de órgãos em chip, a uma substância e leem uma resposta. Os desfechos incluem perda de viabilidade, integridade da membrana, função mitocondrial, dano ao DNA e a ativação de vias específicas de estresse e sinalização medidas por meio de genes repórteres ou marcadores moleculares. A triagem robótica de alto rendimento, exemplificada pela colaboração Tox21, aplica esses ensaios em milhares de produtos químicos para mapear sua atividade biológica. Um desafio persistente é a extrapolação in vitro para in vivo: relacionar a concentração que produz um efeito em cultura a uma dose ou exposição em um organismo intacto, o que requer a modelagem de absorção, distribuição, metabolismo e eliminação não capturadas na placa de cultura.

Clinical relevance

Métodos de toxicidade in vitro contribuem cada vez mais para a avaliação da segurança de medicamentos, cosméticos e produtos químicos ambientais e sustentam a mudança mais ampla em direção a testes não animais. A familiaridade com o que esses ensaios medem ajuda na avaliação de evidências de segurança mecanicistas. O verbete é descritivo da metodologia e não é uma base para decisões clínicas ou de exposição.

Evidence & guidelines

Um número crescente de ensaios in vitro foi formalmente validado e adotado como diretrizes de teste da OCDE para desfechos como irritação da pele e dos olhos, sensibilização da pele e genotoxicidade, e eles formam cada vez mais parte de abordagens integradas para testes e avaliação. Dentro da regulamentação farmacêutica, certos testes in vitro são componentes aceitos de pacotes de segurança. Grandes programas de triagem, como Tox21 e ToxCast, geraram dados públicos que informam esses métodos. A aceitação regulatória de estratégias totalmente não animais para desfechos sistêmicos permanece parcial e continua a evoluir.

History

A base conceitual para a substituição de testes em animais foi estabelecida pela articulação dos 3Rs por Russell e Burch em 1959. A toxicologia de cultura de células amadureceu ao longo do final do século XX, e o campo ganhou impulso decisivo a partir da visão do National Research Council de 2007, que pedia uma mudança dos testes em animais inteiros para abordagens in vitro baseadas em vias. Grandes esforços colaborativos de triagem, notadamente o programa Tox21 dos Estados Unidos descrito por Tice e colegas, então operacionalizaram testes in vitro de alto rendimento em milhares de compostos.

Debates

Sistemas in vitro podem substituir testes em animais para desfechos sistêmicos complexos?

Métodos in vitro são bem estabelecidos para desfechos localizados, mas reproduzir processos de organismo inteiro, como toxicidade sistêmica de dose repetida, metabolismo e efeitos interórgãos, permanece difícil, então o debate continua sobre até que ponto e com que rapidez os testes em animais podem ser substituídos.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

O que são os 3Rs e como os modelos in vitro se relacionam com eles?

Os 3Rs são a substituição, redução e refinamento do uso de animais, articulados por Russell e Burch em 1959. Os modelos in vitro apoiam a substituição (substituindo sistemas não animais) e a redução (rastreando muitos produtos químicos sem animais).

Por que a extrapolação in vitro para in vivo é importante?

Uma concentração que causa um efeito em células cultivadas não corresponde diretamente a uma dose em um organismo inteiro, porque o corpo absorve, distribui, metaboliza e elimina substâncias. Métodos de extrapolação são necessários para traduzir os resultados in vitro em termos relevantes para a exposição.