Mô hình độc tính In Vitro và Xét nghiệm dựa trên tế bào

Các mô hình độc tính in vitro sử dụng tế bào nuôi cấy, mô và các hệ thống sinh học tái tạo để thăm dò các tác động có hại của các chất bên ngoài cơ thể sống. Chúng đóng vai trò trung tâm trong nỗ lực thay thế, giảm thiểu và tinh chỉnh thử nghiệm trên động vật, đồng thời cho phép đo lường các phản ứng độc tính như độc tính tế bào, độc tính di truyền và nhiễu loạn con đường, thường tập trung vào cơ chế và có thông lượng cao.

Definition

Các mô hình độc tính in vitro là các hệ thống thử nghiệm dựa trên các tế bào, mô hoặc các cơ quan thay thế được tái tạo, được sử dụng để phát hiện và mô tả các tác động độc hại của các chất và các cơ chế cơ bản của chúng mà không cần sử dụng toàn bộ cơ thể động vật.

Scope

Mục này bao gồm cơ sở lý luận và các loại hệ thống độc tính in vitro, từ các xét nghiệm khả năng sống của tế bào đơn giản đến các mô hình gen báo cáo và mô hình cơ quan, việc sử dụng chúng trong các chương trình sàng lọc thông lượng cao, và những thách thức trong việc liên hệ nồng độ in vitro với phơi nhiễm toàn cơ thể và xác nhận các phương pháp này cho mục đích quản lý. Đây là một chủ đề về phương pháp luận và không cung cấp các quy trình xét nghiệm hoặc kết luận an toàn cụ thể cho từng chất.

Core questions

• Những cơ chế độc hại nào có thể được phát hiện và đo lường trong các hệ thống dựa trên tế bào và mô?
• Làm thế nào để các xét nghiệm in vitro có thể được mở rộng để sàng lọc số lượng lớn hóa chất một cách hiệu quả?
• Nồng độ in vitro liên quan đến phơi nhiễm in vivo có liên quan như thế nào?
• Cần những gì để xác nhận một phương pháp in vitro để được chấp nhận theo quy định?

Key concepts

• 3R (thay thế, giảm thiểu, tinh chỉnh)
• Xét nghiệm độc tính tế bào và khả năng sống
• Xét nghiệm gen báo cáo và dựa trên con đường
• Sàng lọc thông lượng cao và nội dung cao
• Mô hình cơ quan và 3D/cơ quan trên chip
• Ngoại suy in vitro sang in vivo (IVIVE)
• Xác nhận và chấp nhận theo quy định các phương pháp thay thế

Mechanisms

Các mô hình in vitro phơi nhiễm vật liệu sinh học xác định, từ các dòng tế bào bất tử và tế bào nguyên phát đến các mô tái tạo và hệ thống cơ quan trên chip vi sinh lý, với một chất và đọc ra phản ứng. Các điểm cuối bao gồm mất khả năng sống, tính toàn vẹn màng, chức năng ty thể, tổn thương DNA và sự kích hoạt các con đường căng thẳng và tín hiệu cụ thể được đo thông qua gen báo cáo hoặc các dấu hiệu phân tử. Sàng lọc thông lượng cao bằng robot, như được minh họa bởi sự hợp tác Tox21, áp dụng các xét nghiệm như vậy trên hàng nghìn hóa chất để lập bản đồ hoạt động sinh học của chúng. Một thách thức dai dẳng là ngoại suy in vitro sang in vivo: liên hệ nồng độ tạo ra hiệu ứng trong nuôi cấy với liều lượng hoặc phơi nhiễm trong một sinh vật nguyên vẹn, điều này đòi hỏi mô hình hóa sự hấp thu, phân bố, chuyển hóa và thải trừ không được ghi nhận trong đĩa petri.

Clinical relevance

Các phương pháp độc tính in vitro ngày càng đóng góp vào việc đánh giá an toàn của thuốc, mỹ phẩm và hóa chất môi trường, đồng thời củng cố sự chuyển đổi rộng rãi hơn sang thử nghiệm không dùng động vật. Việc làm quen với những gì các xét nghiệm này đo lường giúp đánh giá bằng chứng an toàn cơ chế. Mục này mô tả phương pháp luận và không phải là cơ sở cho các quyết định lâm sàng hoặc phơi nhiễm.

Evidence & guidelines

Ngày càng có nhiều xét nghiệm in vitro đã được xác nhận chính thức và được chấp nhận làm hướng dẫn thử nghiệm của OECD cho các điểm cuối như kích ứng da và mắt, mẫn cảm da và độc tính di truyền, và chúng ngày càng trở thành một phần của các phương pháp tiếp cận tích hợp để thử nghiệm và đánh giá. Trong quy định dược phẩm, một số xét nghiệm in vitro được chấp nhận là thành phần của các gói an toàn. Các chương trình sàng lọc lớn như Tox21 và ToxCast đã tạo ra dữ liệu công khai cung cấp thông tin cho các phương pháp này. Việc chấp nhận quy định đối với các chiến lược hoàn toàn không dùng động vật cho các điểm cuối toàn thân vẫn còn hạn chế và tiếp tục phát triển.

History

Nền tảng khái niệm để thay thế thử nghiệm trên động vật đã được Russell và Burch trình bày vào năm 1959 với 3R. Độc học nuôi cấy tế bào trưởng thành trong suốt cuối thế kỷ 20, và lĩnh vực này đã đạt được động lực quyết định từ tầm nhìn năm 2007 của Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia, kêu gọi chuyển đổi từ thử nghiệm trên toàn bộ động vật sang các phương pháp in vitro dựa trên con đường. Các nỗ lực sàng lọc hợp tác lớn, đặc biệt là chương trình Tox21 của Hoa Kỳ được Tice và các đồng nghiệp mô tả, sau đó đã vận hành thử nghiệm in vitro thông lượng cao trên hàng nghìn hợp chất.

Debates

Liệu các hệ thống in vitro có thể thay thế các thử nghiệm trên động vật cho các điểm cuối toàn thân phức tạp không?

Các phương pháp in vitro đã được thiết lập tốt cho các điểm cuối cục bộ, nhưng việc tái tạo các quá trình toàn bộ cơ thể như độc tính toàn thân lặp lại liều, chuyển hóa và các tác động giữa các cơ quan vẫn còn khó khăn, vì vậy cuộc tranh luận vẫn tiếp tục về mức độ và tốc độ có thể thay thế các thử nghiệm trên động vật.

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 là gì và các mô hình in vitro liên quan đến chúng như thế nào?

3R là thay thế, giảm thiểu và tinh chỉnh việc sử dụng động vật, được Russell và Burch trình bày vào năm 1959. Các mô hình in vitro hỗ trợ thay thế (thay thế các hệ thống không dùng động vật) và giảm thiểu (sàng lọc nhiều hóa chất mà không dùng động vật).

Tại sao ngoại suy in vitro sang in vivo lại quan trọng?

Nồng độ gây ra tác dụng trong tế bào nuôi cấy không tương ứng trực tiếp với liều lượng trong toàn bộ cơ thể, vì cơ thể hấp thụ, phân phối, chuyển hóa và thải trừ các chất. Cần có các phương pháp ngoại suy để chuyển đổi kết quả in vitro thành các thuật ngữ liên quan đến phơi nhiễm.