In vitro

Los estudios in vitro (es decir, en vidrio o en el vaso) se realizan con microorganismos, células o moléculas biológicas fuera de su contexto biológico normal. Coloquialmente llamados "experimentos de probeta", estos estudios de biología y sus subdisciplinas se realizan tradicionalmente en material de laboratorio como tubos de ensayo, matraces, placas de Petri y placas de microtitulación. Los estudios realizados utilizando componentes de un organismo que se han aislado de su entorno biológico habitual permiten un análisis más detallado o más conveniente que el que se puede realizar con organismos completos; sin embargo, los resultados obtenidos de los experimentos in vitro pueden no predecir de forma completa o precisa los efectos en un organismo completo. A diferencia delos experimentos in vitro,Los estudios in vivo son aquellos realizados en organismos vivos, incluidos los seres humanos y plantas enteras.

Definición

Los estudios in vitro (en latín: en vidrio; a menudo no en cursiva en el uso en inglés) se llevan a cabo utilizando componentes de un organismo que han sido aislados de su entorno biológico habitual, como microorganismos, células o moléculas biológicas. Por ejemplo, los microorganismos o las células se pueden estudiar en medios de cultivo artificiales y las proteínas se pueden examinar en soluciones. Coloquialmente llamados "experimentos de probeta", estos estudios en biología, medicina y sus subdisciplinas se realizan tradicionalmente en tubos de ensayo, matraces, placas de Petri, etc. Ahora involucran toda la gama de técnicas utilizadas en biología molecular, como la ómica..

En cambio, los estudios realizados en seres vivos (microorganismos, animales, humanos o plantas enteras) se denominan in vivo.

Ejemplos

Ejemplos de estudios in vitro incluyen: el aislamiento, crecimiento e identificación de células derivadas de organismos multicelulares (en cultivo de células o tejidos); componentes subcelulares (por ejemplo, mitocondrias o ribosomas); extractos celulares o subcelulares (por ejemplo, germen de trigo o extractos de reticulocitos); moléculas purificadas (como proteínas, ADN o ARN); y la producción comercial de antibióticos y otros productos farmacéuticos. Los virus, que solo se replican en células vivas, se estudian en el laboratorio en cultivo de células o tejidos, y muchos virólogos animales se refieren a dicho trabajo como in vitro para distinguirlo del trabajo in vivo en animales completos.

• La reacción en cadena de la polimerasa es un método para la replicación selectiva de secuencias específicas de ADN y ARN en el tubo de ensayo.
• La purificación de proteínas implica el aislamiento de una proteína específica de interés a partir de una mezcla compleja de proteínas, a menudo obtenidas de células o tejidos homogeneizados.
• La fertilización in vitro se usa para permitir que los espermatozoides fertilicen los óvulos en una placa de cultivo antes de implantar el embrión o los embriones resultantes en el útero de la futura madre.
• El diagnóstico in vitro se refiere a una amplia gama de pruebas de laboratorio médicas y veterinarias que se utilizan para diagnosticar enfermedades y controlar el estado clínico de los pacientes mediante muestras de sangre, células u otros tejidos obtenidos de un paciente.
• Las pruebas in vitro se han utilizado para caracterizar procesos específicos de adsorción, distribución, metabolismo y excreción de fármacos o sustancias químicas generales dentro de un organismo vivo; por ejemplo, se pueden realizar experimentos con células Caco-2 para estimar la absorción de compuestos a través del revestimiento del tracto gastrointestinal; La partición de los compuestos entre los órganos se puede determinar para estudiar los mecanismos de distribución; Los cultivos en suspensión o en placa de hepatocitos primarios o líneas celulares similares a hepatocitos (HepG2, HepaRG) se pueden utilizar para estudiar y cuantificar el metabolismo de sustancias químicas. Estos parámetros del proceso ADME pueden luego integrarse en los denominados "modelos farmacocinéticos de base fisiológica" o PBPK.

Ventajas

Los estudios in vitro permiten un análisis específico de la especie, más simple, más conveniente y más detallado que el que se puede realizar con el organismo completo. Así como los estudios en animales completos reemplazan cada vez más a los ensayos en humanos, los estudios in vitro reemplazan a los estudios en animales completos.

Sencillez

Los organismos vivos son sistemas funcionales extremadamente complejos que se componen, como mínimo, de muchas decenas de miles de genes, moléculas de proteínas, moléculas de ARN, pequeños compuestos orgánicos, iones inorgánicos y complejos en un entorno espacialmente organizado por membranas y en el caso de organismos multicelulares, sistemas de órganos. Estos innumerables componentes interactúan entre sí y con su entorno de una manera que procesa los alimentos, elimina los desechos, mueve los componentes a la ubicación correcta y responde a las moléculas de señalización, otros organismos, la luz, el sonido, el calor, el gusto, el tacto y el equilibrio..

Esta complejidad dificulta la identificación de las interacciones entre componentes individuales y la exploración de sus funciones biológicas básicas. El trabajo in vitro simplifica el sistema en estudio, por lo que el investigador puede concentrarse en una pequeña cantidad de componentes.

Por ejemplo, la identidad de las proteínas del sistema inmunitario (por ejemplo, anticuerpos) y el mecanismo por el cual reconocen y se unen a antígenos extraños seguirían siendo muy oscuros si no fuera por el uso extensivo del trabajo in vitro para aislar las proteínas, identificar las células y los genes que los producen, estudian las propiedades físicas de su interacción con los antígenos e identifican cómo esas interacciones conducen a señales celulares que activan otros componentes del sistema inmunitario.

Especificidad de especie

Otra ventaja de los métodos in vitro es que las células humanas se pueden estudiar sin "extrapolación" de la respuesta celular de un animal de experimentación.

Conveniencia, automatización

Los métodos in vitro se pueden miniaturizar y automatizar, lo que genera métodos de detección de alto rendimiento para analizar moléculas en farmacología o toxicología.

Desventajas

La principal desventaja de los estudios experimentales in vitro es que puede resultar difícil extrapolar los resultados del trabajo in vitro a la biología del organismo intacto. Los investigadores que realizan trabajos in vitro deben tener cuidado de evitar una interpretación excesiva de sus resultados, lo que puede conducir a conclusiones erróneas sobre la biología de organismos y sistemas.

Por ejemplo, los científicos que desarrollan un nuevo fármaco viral para tratar una infección con un virus patógeno (p. ej., VIH-1) pueden encontrar que un fármaco candidato funciona para prevenir la replicación viral en un entorno in vitro (típicamente cultivo celular). Sin embargo, antes de que este fármaco se use en la clínica, debe pasar por una serie de ensayos in vivo para determinar si es seguro y eficaz en organismos intactos (por lo general, animales pequeños, primates y humanos en sucesión). Por lo general, la mayoría de los fármacos candidatos que son efectivos in vitro resultan ser ineficaces in vivo debido a problemas asociados con la administración del fármaco a los tejidos afectados, la toxicidad hacia partes esenciales del organismo que no estaban representadas en el análisis in vitro inicial.estudios u otros temas.

Extrapolación in vitro a in vivo

Los resultados obtenidos de los experimentos in vitro normalmente no pueden transponerse, tal cual, para predecir la reacción de un organismo completo in vivo. Por lo tanto, es extremadamente importante construir un procedimiento de extrapolación consistente y confiable de los resultados in vitro a los in vivo. Las soluciones incluyen:

• Aumentar la complejidad de los sistemas in vitro para reproducir tejidos y las interacciones entre ellos (como en los sistemas "human on chip")
• Usar modelos matemáticos para simular numéricamente el comportamiento del sistema complejo, donde los datos in vitro proporcionan valores de parámetros del modelo

Estos dos enfoques no son incompatibles; mejores sistemas in vitro proporcionan mejores datos a los modelos matemáticos. Sin embargo, los experimentos in vitro cada vez más sofisticados recopilan datos cada vez más numerosos, complejos y difíciles de integrar. Los modelos matemáticos, como los modelos de biología de sistemas, son muy necesarios aquí.

Extrapolando en farmacología

En farmacología, IVIVE se puede utilizar para aproximar la farmacocinética (PK) o la farmacodinámica (PD). Dado que el momento y la intensidad de los efectos en un objetivo determinado dependen del curso temporal de la concentración del fármaco candidato (molécula original o metabolitos) en ese sitio objetivo, las sensibilidades de los tejidos y órganos in vivo pueden ser completamente diferentes o incluso inversas a las observadas en las células cultivadas. y expuestos in vitro. Eso indica que la extrapolación de los efectos observados in vitro necesita un modelo cuantitativo de PK in vivo. Generalmente se acepta que los modelos PK basados ​​en fisiología (PBPK) son fundamentales para las extrapolaciones.

En el caso de efectos tempranos o sin comunicaciones intercelulares, se asume que la misma concentración de exposición celular causa los mismos efectos, tanto cualitativa como cuantitativamente, in vitro e in vivo. En estas condiciones, desarrollar un modelo simple de DP de la relación dosis-respuesta observada in vitro y transponerlo sin cambios para predecir los efectos in vivo no es suficiente.