แบบจำลองความเป็นพิษในหลอดทดลองและการทดสอบโดยใช้เซลล์

แบบจำลองความเป็นพิษในหลอดทดลองใช้เซลล์เพาะเลี้ยง เนื้อเยื่อ และระบบชีวภาพที่สร้างขึ้นใหม่ เพื่อตรวจสอบผลกระทบที่เป็นอันตรายของสารต่างๆ ภายนอกสัตว์มีชีวิต แบบจำลองเหล่านี้มีความสำคัญต่อความพยายามในการทดแทน ลด และปรับปรุงการทดสอบในสัตว์ และช่วยให้สามารถวัดการตอบสนองที่เป็นพิษ เช่น ความเป็นพิษต่อเซลล์ ความเป็นพิษต่อพันธุกรรม และการรบกวนวิถีการทำงานของเซลล์ โดยเน้นที่กลไกและมักจะมีความสามารถในการทดสอบปริมาณมาก

Definition

แบบจำลองความเป็นพิษในหลอดทดลองคือระบบการทดลองที่ใช้เซลล์ เนื้อเยื่อ หรืออวัยวะจำลองที่สร้างขึ้นใหม่ เพื่อตรวจจับและระบุลักษณะผลกระทบที่เป็นพิษของสารและกลไกพื้นฐาน โดยไม่ต้องใช้สัตว์ทั้งตัว

Scope

บทความนี้ครอบคลุมเหตุผลและประเภทของระบบความเป็นพิษในหลอดทดลอง ตั้งแต่การทดสอบความมีชีวิตของเซลล์อย่างง่าย ไปจนถึงแบบจำลองยีนผู้รายงานและแบบจำลองเนื้อเยื่ออวัยวะ การใช้งานในการคัดกรองปริมาณมาก และความท้าทายในการเชื่อมโยงความเข้มข้นในหลอดทดลองกับการสัมผัสทั้งร่างกาย และการตรวจสอบความถูกต้องของวิธีการเหล่านี้เพื่อการใช้งานตามข้อกำหนด เป็นหัวข้อทางระเบียบวิธีวิจัยและไม่ได้ให้ระเบียบวิธีทดสอบหรือข้อสรุปด้านความปลอดภัยเฉพาะสาร

Core questions

• กลไกความเป็นพิษใดบ้างที่สามารถตรวจจับและวัดได้ในระบบที่ใช้เซลล์และเนื้อเยื่อ?
• การทดสอบในหลอดทดลองสามารถปรับขนาดเพื่อคัดกรองสารเคมีจำนวนมากได้อย่างมีประสิทธิภาพได้อย่างไร?
• ความเข้มข้นในหลอดทดลองเกี่ยวข้องกับการสัมผัสในสิ่งมีชีวิตที่เกี่ยวข้องอย่างไร?
• ต้องใช้อะไรบ้างในการตรวจสอบความถูกต้องของวิธีการในหลอดทดลองเพื่อการยอมรับตามกฎระเบียบ?

Key concepts

• หลัก 3R (การทดแทน การลด และการปรับปรุง)
• การทดสอบความเป็นพิษต่อเซลล์และความมีชีวิต
• การทดสอบยีนผู้รายงานและอิงตามวิถีการทำงานของเซลล์
• การคัดกรองปริมาณมากและเนื้อหามาก
• แบบจำลองเนื้อเยื่ออวัยวะและแบบจำลอง 3 มิติ/อวัยวะบนชิป
• การประมาณค่าจากในหลอดทดลองไปสู่ในสิ่งมีชีวิต (IVIVE)
• การตรวจสอบความถูกต้องและการยอมรับตามกฎระเบียบของวิธีการทางเลือก

Mechanisms

แบบจำลองในหลอดทดลองจะนำวัสดุชีวภาพที่กำหนดไว้ ตั้งแต่เซลล์ไลน์อมตะและเซลล์ปฐมภูมิ ไปจนถึงเนื้อเยื่อที่สร้างขึ้นใหม่และระบบอวัยวะบนชิปขนาดเล็ก ไปสัมผัสกับสารและอ่านค่าการตอบสนอง จุดสิ้นสุดรวมถึงการสูญเสียความมีชีวิต ความสมบูรณ์ของเยื่อหุ้มเซลล์ การทำงานของไมโทคอนเดรีย ความเสียหายของ DNA และการกระตุ้นวิถีความเครียดและสัญญาณจำเพาะที่วัดผ่านยีนผู้รายงานหรือเครื่องหมายโมเลกุล การคัดกรองปริมาณมากด้วยหุ่นยนต์ ดังตัวอย่างจากความร่วมมือ Tox21 ใช้การทดสอบดังกล่าวกับสารเคมีหลายพันชนิดเพื่อทำแผนที่กิจกรรมทางชีวภาพของพวกมัน ความท้าทายที่ยังคงมีอยู่คือการประมาณค่าจากในหลอดทดลองไปสู่ในสิ่งมีชีวิต: การเชื่อมโยงความเข้มข้นที่ทำให้เกิดผลในเซลล์เพาะเลี้ยงกับปริมาณหรือการสัมผัสในสิ่งมีชีวิตที่สมบูรณ์ ซึ่งต้องใช้การสร้างแบบจำลองการดูดซึม การกระจาย การเผาผลาญ และการกำจัด ซึ่งไม่สามารถจับได้ในจานเพาะเชื้อ

Clinical relevance

วิธีการความเป็นพิษในหลอดทดลองมีส่วนช่วยในการประเมินความปลอดภัยของยา เครื่องสำอาง และสารเคมีในสิ่งแวดล้อมมากขึ้นเรื่อยๆ และเป็นรากฐานของการเปลี่ยนแปลงไปสู่การทดสอบที่ไม่ใช้สัตว์ในวงกว้าง ความคุ้นเคยกับสิ่งที่การทดสอบเหล่านี้วัดช่วยในการประเมินหลักฐานความปลอดภัยเชิงกลไก บทความนี้เป็นคำอธิบายเกี่ยวกับระเบียบวิธีวิจัยและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการตัดสินใจทางคลินิกหรือการสัมผัส

Evidence & guidelines

การทดสอบในหลอดทดลองจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ ได้รับการตรวจสอบความถูกต้องอย่างเป็นทางการและนำมาใช้เป็นแนวทางการทดสอบของ OECD สำหรับจุดสิ้นสุด เช่น การระคายเคืองผิวหนังและดวงตา การแพ้ทางผิวหนัง และความเป็นพิษต่อพันธุกรรม และมีการนำมาใช้เป็นส่วนหนึ่งของแนวทางแบบบูรณาการในการทดสอบและการประเมินผลมากขึ้นเรื่อยๆ ภายใต้กฎระเบียบทางเภสัชกรรม การทดสอบในหลอดทดลองบางอย่างได้รับการยอมรับว่าเป็นส่วนประกอบของชุดความปลอดภัย โครงการคัดกรองขนาดใหญ่ เช่น Tox21 และ ToxCast ได้สร้างข้อมูลสาธารณะที่เป็นประโยชน์ต่อวิธีการเหล่านี้ การยอมรับตามกฎระเบียบของกลยุทธ์ที่ไม่ใช้สัตว์โดยสมบูรณ์สำหรับจุดสิ้นสุดเชิงระบบยังคงเป็นเพียงบางส่วนและยังคงมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง

History

รากฐานแนวคิดสำหรับการทดแทนการทดสอบในสัตว์วางโดย Russell และ Burch ในปี 1959 ที่ได้อธิบายหลักการ 3R พิษวิทยาการเพาะเลี้ยงเซลล์พัฒนาขึ้นตลอดช่วงปลายศตวรรษที่ 20 และสาขาวิชานี้ได้รับแรงผลักดันที่สำคัญจากวิสัยทัศน์ของ National Research Council ในปี 2007 ซึ่งเรียกร้องให้มีการเปลี่ยนจากการทดสอบในสัตว์ทั้งตัวไปสู่แนวทางในหลอดทดลองที่อิงตามวิถีการทำงานของเซลล์ ความพยายามในการคัดกรองร่วมกันขนาดใหญ่ โดยเฉพาะโครงการ Tox21 ของสหรัฐอเมริกาที่อธิบายโดย Tice และคณะ ได้นำการทดสอบในหลอดทดลองที่มีปริมาณมากมาใช้กับสารประกอบหลายพันชนิด

Debates

ระบบในหลอดทดลองสามารถทดแทนการทดสอบในสัตว์สำหรับจุดสิ้นสุดเชิงระบบที่ซับซ้อนได้หรือไม่?

วิธีการในหลอดทดลองได้รับการยอมรับอย่างดีสำหรับจุดสิ้นสุดเฉพาะที่ แต่การจำลองกระบวนการของสิ่งมีชีวิตทั้งตัว เช่น ความเป็นพิษเชิงระบบจากการให้ซ้ำ การเผาผลาญ และผลกระทบระหว่างอวัยวะยังคงเป็นเรื่องยาก ดังนั้นจึงยังคงมีการถกเถียงกันว่าการทดสอบในสัตว์สามารถถูกแทนที่ได้ไกลและเร็วแค่ไหน

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

หลัก 3R คืออะไร และแบบจำลองในหลอดทดลองเกี่ยวข้องกับหลักการเหล่านี้อย่างไร?

หลัก 3R คือการทดแทน การลด และการปรับปรุงการใช้สัตว์ ซึ่งอธิบายโดย Russell และ Burch ในปี 1959 แบบจำลองในหลอดทดลองสนับสนุนการทดแทน (การใช้ระบบที่ไม่ใช่สัตว์) และการลด (การคัดกรองสารเคมีจำนวนมากโดยไม่ใช้สัตว์)

เหตุใดการประมาณค่าจากในหลอดทดลองไปสู่ในสิ่งมีชีวิตจึงมีความสำคัญ?

ความเข้มข้นที่ทำให้เกิดผลในเซลล์เพาะเลี้ยงไม่สอดคล้องโดยตรงกับปริมาณในสิ่งมีชีวิตทั้งตัว เนื่องจากร่างกายดูดซึม กระจาย เผาผลาญ และกำจัดสารต่างๆ วิธีการประมาณค่าจึงจำเป็นเพื่อแปลผลลัพธ์ในหลอดทดลองให้อยู่ในรูปของการสัมผัสที่เกี่ยวข้อง