Модели токсичности in vitro и клеточные анализы

Модели токсичности in vitro используют культивируемые клетки, ткани и реконструированные биологические системы для изучения вредного воздействия веществ вне живого организма. Они играют центральную роль в усилиях по замене, сокращению и усовершенствованию испытаний на животных, а также позволяют проводить целенаправленные, часто высокопроизводительные измерения токсических реакций, таких как цитотоксичность, генотоксичность и нарушение сигнальных путей.

Definition

Модели токсичности in vitro — это экспериментальные системы, основанные на изолированных клетках, тканях или реконструированных суррогатах органов, используемые для обнаружения и характеристики токсических эффектов веществ и их основных механизмов без использования целого животного.

Scope

Статья охватывает обоснование и типы систем токсичности in vitro, от простых анализов жизнеспособности клеток до репортерных генов и органотипических моделей, их использование в программах высокопроизводительного скрининга, а также проблемы соотнесения концентраций in vitro с воздействием на весь организм и валидации этих методов для регуляторного использования. Это методологическая тема, и она не содержит протоколов анализов или выводов о безопасности конкретных веществ.

Core questions

• Какие токсические механизмы могут быть обнаружены и измерены в клеточных и тканевых системах?
• Как можно масштабировать анализы in vitro для эффективного скрининга большого количества химических веществ?
• Как концентрации in vitro соотносятся с соответствующими воздействиями in vivo?
• Что требуется для валидации метода in vitro для регуляторного одобрения?

Key concepts

• Принцип 3R (замена, сокращение, усовершенствование)
• Анализы цитотоксичности и жизнеспособности
• Анализы на основе репортерных генов и сигнальных путей
• Высокопроизводительный и высокоинформативный скрининг
• Органотипические и 3D-модели/модели «орган-на-чипе»
• Экстраполяция in vitro на in vivo (IVIVE)
• Валидация и регуляторное одобрение альтернативных методов

Mechanisms

Модели in vitro подвергают определенный биологический материал, начиная от иммортализованных клеточных линий и первичных клеток до реконструированных тканей и микрофизиологических систем «орган-на-чипе», воздействию вещества и регистрируют ответную реакцию. Конечные точки включают потерю жизнеспособности, целостности мембран, митохондриальной функции, повреждение ДНК и активацию специфических стрессовых и сигнальных путей, измеряемых с помощью репортерных генов или молекулярных маркеров. Роботизированный высокопроизводительный скрининг, примером которого является сотрудничество Tox21, применяет такие анализы к тысячам химических веществ для картирования их биологической активности. Постоянной проблемой является экстраполяция in vitro на in vivo: соотнесение концентрации, вызывающей эффект в культуре, с дозой или воздействием в интактном организме, что требует моделирования абсорбции, распределения, метаболизма и выведения, не учитываемых в чашке Петри.

Clinical relevance

Методы токсичности in vitro все чаще способствуют оценке безопасности лекарств, косметики и химических веществ окружающей среды и лежат в основе более широкого перехода к тестированию без использования животных. Знакомство с тем, что измеряют эти анализы, помогает в оценке механистических доказательств безопасности. Статья носит описательный характер методологии и не является основанием для принятия клинических решений или решений о воздействии.

Evidence & guidelines

Растущее число анализов in vitro было официально валидировано и принято в качестве руководящих принципов тестирования ОЭСР для таких конечных точек, как раздражение кожи и глаз, сенсибилизация кожи и генотоксичность, и они все чаще становятся частью интегрированных подходов к тестированию и оценке. В рамках фармацевтического регулирования определенные тесты in vitro являются принятыми компонентами пакетов безопасности. Крупные программы скрининга, такие как Tox21 и ToxCast, сгенерировали общедоступные данные, информирующие об этих методах. Регуляторное признание полностью неживотных стратегий для системных конечных точек остается частичным и продолжает развиваться.

History

Концептуальная основа для замены испытаний на животных была заложена Расселом и Берчем в 1959 году в их формулировке «3R». Токсикология клеточных культур развивалась на протяжении второй половины двадцатого века, и эта область получила решающий импульс благодаря концепции Национального исследовательского совета 2007 года, которая призывала к переходу от испытаний на целых животных к подходам in vitro, основанным на сигнальных путях. Крупные совместные скрининговые усилия, в частности программа Tox21 в США, описанная Тайсом и его коллегами, затем реализовали высокопроизводительное тестирование in vitro для тысяч соединений.

Debates

Могут ли системы in vitro заменить испытания на животных для сложных системных конечных точек?

Методы in vitro хорошо зарекомендовали себя для локализованных конечных точек, но воспроизведение процессов всего организма, таких как системная токсичность при многократном введении, метаболизм и межорганные эффекты, остается сложным, поэтому продолжаются дебаты о том, насколько и как быстро можно заменить испытания на животных.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

Что такое 3R и как модели in vitro связаны с ними?

3R — это замена, сокращение и усовершенствование использования животных, сформулированные Расселом и Берчем в 1959 году. Модели in vitro поддерживают замену (использование неживотных систем) и сокращение (скрининг многих химических веществ без животных).

Почему важна экстраполяция in vitro на in vivo?

Концентрация, вызывающая эффект в культивируемых клетках, не соответствует напрямую дозе в целом организме, поскольку организм абсорбирует, распределяет, метаболизирует и выводит вещества. Методы экстраполяции необходимы для перевода результатов in vitro в термины, релевантные для воздействия.