体外毒性模型与细胞检测

体外毒性模型利用培养的细胞、组织和重构的生物系统，在活体动物体外探究物质的有害效应。它们是替代、减少和优化动物试验工作的核心，并能实现以机制为中心、通常是高通量的毒性反应测量，例如细胞毒性、遗传毒性和通路扰动。

Definition

体外毒性模型是基于分离的细胞、组织或重构的器官替代物构建的实验系统，用于在不使用完整动物的情况下检测和表征物质的毒性效应及其潜在机制。

Scope

本条目涵盖了体外毒性系统的原理和类型，从简单的细胞活力检测到报告基因和类器官模型，它们在高通量筛选项目中的应用，以及将体外浓度与全身暴露相关联的挑战，以及验证这些方法以供监管使用的挑战。这是一个方法学主题，不提供检测方案或特定物质的安全结论。

Core questions

• 在细胞和组织系统中可以检测和测量哪些毒性机制？
• 如何扩展体外检测以高效筛选大量化学品？
• 体外浓度如何与相关的体内暴露相关联？
• 验证体外方法以获得监管认可需要什么？

Key concepts

• 3R原则（替代、减少、优化）
• 细胞毒性和活力检测
• 报告基因和基于通路的检测
• 高通量和高内涵筛选
• 类器官和3D/芯片器官模型
• 体外到体内外推（IVIVE）
• 替代方法的验证和监管认可

Mechanisms

体外模型将确定的生物材料（从永生化细胞系和原代细胞到重构组织和芯片上的微生理器官系统）暴露于某种物质，并读取其反应。终点包括活力丧失、膜完整性、线粒体功能、DNA损伤以及通过报告基因或分子标记物测量的特定应激和信号通路的激活。机器人高通量筛选，以Tox21合作为例，将此类检测应用于数千种化学品，以绘制其生物活性。一个持续的挑战是体外到体内外推：将培养中产生效应的浓度与完整生物体中的剂量或暴露相关联，这需要对吸收、分布、代谢和排泄进行建模，而这些在培养皿中无法捕捉。

Clinical relevance

体外毒性方法越来越多地用于药物、化妆品和环境化学品的安全性评估，并支撑着向非动物试验的更广泛转变。熟悉这些检测所测量的内容有助于评估机制安全性证据。本条目是对方法学的描述，并非临床或暴露决策的依据。

Evidence & guidelines

越来越多的体外检测已获得正式验证，并被采纳为OECD测试指南，用于皮肤和眼睛刺激、皮肤致敏和遗传毒性等终点，并且它们越来越多地构成综合测试和评估方法的一部分。在药物监管中，某些体外测试是安全性评估包中被接受的组成部分。Tox21和ToxCast等大型筛选项目已生成公开数据，为这些方法提供信息。全身性终点的完全非动物策略的监管接受度仍然是部分的，并且仍在不断发展。

History

替代动物试验的概念基础由Russell和Burch在1959年阐述的3R原则奠定。细胞培养毒理学在20世纪后期逐渐成熟，该领域从美国国家研究委员会2007年的愿景中获得了决定性的动力，该愿景呼吁从整体动物试验转向基于通路的体外方法。大型合作筛选工作，特别是Tice及其同事描述的美国Tox21项目，随后将高通量体外测试应用于数千种化合物。

Debates

体外系统能否替代动物试验用于复杂的全身性终点？

体外方法在局部终点方面已得到充分确立，但复制重复剂量全身毒性、代谢和器官间效应等整体生物体过程仍然困难，因此关于动物试验能在多大程度上、以多快的速度被替代的争论仍在继续。

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

什么是3R原则，体外模型与它们有何关系？

3R原则是Russell和Burch于1959年提出的动物使用的替代、减少和优化。体外模型支持替代（用非动物系统替代）和减少（在没有动物的情况下筛选多种化学品）。

为什么体外到体内外推很重要？

在培养细胞中引起效应的浓度与完整生物体中的剂量不直接对应，因为身体会吸收、分布、代谢和消除物质。需要外推方法将体外结果转化为与暴露相关的术语。