Em vitro

Plantas de clonagem in vitro

In vitro (que significa em vidro, ou no vidro) são realizados com microorganismos, células, ou moléculas biológicas fora de seu contexto biológico normal. Coloquialmente chamados de "experimentos em tubo de ensaio", esses estudos em biologia e suas subdisciplinas são tradicionalmente feitos em equipamentos de laboratório, como tubos de ensaio, frascos, placas de Petri e placas de microtitulação. Estudos conduzidos usando componentes de um organismo que foram isolados de seu ambiente biológico usual permitem uma análise mais detalhada ou mais conveniente do que pode ser feito com organismos inteiros; no entanto, os resultados obtidos de experimentos in vitro podem não prever totalmente ou com precisão os efeitos em um organismo inteiro. Ao contrário dos experimentos in vitro, os estudos in vivo são aqueles conduzidos em organismos vivos, incluindo humanos, conhecidos como ensaios clínicos e plantas inteiras.

Definição

In vitro (latim: em vidro; geralmente não em itálico no uso do inglês) são conduzidos usando componentes de um organismo que foram isolados de seu ambiente biológico usual, como microorganismos, células ou moléculas biológicas. Por exemplo, microrganismos ou células podem ser estudados em meios de cultura artificiais e proteínas podem ser examinadas em soluções. Coloquialmente chamados de "experimentos em tubo de ensaio", esses estudos em biologia, medicina e suas subdisciplinas são tradicionalmente feitos em tubos de ensaio, frascos, placas de Petri, etc. Eles agora envolvem toda a gama de técnicas usadas em biologia molecular, como as ômicas.

Em contraste, estudos conduzidos em seres vivos (microorganismos, animais, humanos ou plantas inteiras) são chamados de in vivo.

Exemplos

Exemplos de estudos in vitro incluem: isolamento, crescimento e identificação de células derivadas de organismos multicelulares (em cultura de células ou tecidos); componentes subcelulares (por exemplo, mitocôndrias ou ribossomos); extratos celulares ou subcelulares (por exemplo, gérmen de trigo ou extratos de reticulócitos); moléculas purificadas (como proteínas, DNA ou RNA); e a produção comercial de antibióticos e outros produtos farmacêuticos. Os vírus, que só se replicam em células vivas, são estudados em laboratório em cultura de células ou tecidos, e muitos virologistas animais referem-se a esse trabalho como sendo in vitro para distingui-lo de in vivo trabalho em animais inteiros.

• A reação em cadeia da polimerase é um método para replicação seletiva de sequências específicas de DNA e RNA no tubo de teste.
• A purificação da proteína envolve o isolamento de uma proteína específica de interesse de uma mistura complexa de proteínas, muitas vezes obtida de células homogeneizadas ou tecidos.
• A fertilização in vitro é usada para permitir que o espermatozóide fertilize ovos em um prato de cultura antes de implantar o embrião resultante ou embriões no útero da futura mãe.
• Diagnóstico in vitro refere-se a uma ampla gama de testes laboratoriais médicos e veterinários que são usados para diagnosticar doenças e monitorar o estado clínico de pacientes usando amostras de sangue, células ou outros tecidos obtidos de um paciente.
• In vitro O teste tem sido usado para caracterizar processos específicos de adsorção, distribuição, metabolismo e excreção de drogas ou produtos químicos gerais dentro de um organismo vivo; por exemplo, experimentos de células Caco-2 podem ser realizados para estimar a absorção de compostos através do revestimento do trato gastrointestinal; O particionamento dos compostos entre órgãos pode ser determinado para estudar mecanismos de distribuição; Suspensão ou culturas planadas de hepatócitos primários ou hepatócitos. Estes parâmetros de processo ADME podem então ser integrados em chamados "modelos farmacocinéticos baseados fisiologicamente" ou PBPK.

Vantagens

In vitro permitem uma análise espécie-específica, mais simples, mais conveniente e mais detalhada do que pode ser feita com o organismo inteiro. Assim como os estudos em animais inteiros substituem cada vez mais os testes em humanos, também os estudos in vitro estão substituindo os estudos em animais inteiros.

Simplicidade

Os organismos vivos são sistemas funcionais extremamente complexos que são constituídos, no mínimo, por dezenas de milhares de genes, moléculas de proteínas, moléculas de RNA, pequenos compostos orgânicos, íons inorgânicos e complexos em um ambiente organizado espacialmente por membranas e, no caso de organismos multicelulares, sistemas de órgãos. Essa miríade de componentes interage entre si e com seu ambiente de uma maneira que processa alimentos, remove resíduos, move componentes para o local correto e responde a moléculas de sinalização, outros organismos, luz, som, calor, sabor, toque e equilíbrio.

Vista superior de um módulo de exposição de mamíferos Vitrocell "robot fumante", (lid removido) vista de quatro poços separados para inserções de cultura celular a ser exposto a fumo de tabaco ou um aerossol para um in vitro estudo dos efeitos

Essa complexidade dificulta a identificação das interações entre os componentes individuais e a exploração de suas funções biológicas básicas. O trabalho in vitro simplifica o sistema em estudo, para que o investigador possa se concentrar em um pequeno número de componentes.

Por exemplo, a identidade de proteínas do sistema imunológico (por exemplo, anticorpos) e o mecanismo pelo qual eles reconhecem e se ligam a antígenos estranhos permaneceriam muito obscuros se não fosse pelo uso extensivo de in vitro trabalhar para isolar as proteínas, identificar as células e os genes que as produzem, estudar as propriedades físicas de sua interação com antígenos e identificar como essas interações levam a sinais celulares que ativam outros componentes do sistema imunológico.

Especificidade da espécie

Outra vantagem dos métodos in vitro é que as células humanas podem ser estudadas sem "extrapolação" da resposta celular de um animal experimental.

Conveniência, automação

In vitro podem ser miniaturizados e automatizados, gerando métodos de triagem de alto rendimento para testar moléculas em farmacologia ou toxicologia.

Desvantagens

A principal desvantagem dos estudos experimentais in vitro é que pode ser difícil extrapolar a partir dos resultados do trabalho in vitro para a biologia do organismo intacto. Os investigadores que realizam trabalhos in vitro devem ter cuidado para evitar a interpretação exagerada de seus resultados, o que pode levar a conclusões errôneas sobre a biologia de organismos e sistemas.

Por exemplo, os cientistas que desenvolvem uma nova droga viral para tratar uma infecção com um vírus patogênico (por exemplo, HIV-1) podem descobrir que uma droga candidata funciona para prevenir a replicação viral em um ambiente in vitro (normalmente cultura de células). No entanto, antes que esse medicamento seja usado na clínica, ele deve passar por uma série de testes in vivo para determinar se é seguro e eficaz em organismos intactos (normalmente pequenos animais, primatas e humanos sucessivamente). Normalmente, a maioria dos medicamentos candidatos que são eficazes in vitro provam ser ineficazes in vivo devido a problemas associados à entrega do medicamento aos tecidos afetados, toxicidade em partes essenciais do organismo que não foram representados nos estudos in vitro iniciais, ou outras questões.

Extrapolação in vitro para in vivo

Resultados obtidos de experimentos in vitro geralmente não podem ser transpostos, como é, para prever a reação de um organismo inteiro in vivo. Construir um procedimento de extrapolação consistente e confiável de resultados in vitro para in vivo é, portanto, extremamente importante. As soluções incluem:

• Aumentar a complexidade de in vitro sistemas para reproduzir tecidos e interações entre eles (como em sistemas "humanos em chip")
• Usando modelagem matemática para simular numericamente o comportamento do sistema complexo, onde o in vitro dados fornecem valores de parâmetro modelo

Essas duas abordagens não são incompatíveis; melhores sistemas in vitro fornecem dados melhores para modelos matemáticos. No entanto, experimentos in vitro cada vez mais sofisticados coletam dados cada vez mais numerosos, complexos e difíceis de integrar. Modelos matemáticos, como modelos de biologia de sistemas, são muito necessários aqui.

Extrapolando em farmacologia

Em farmacologia, o IVIVE pode ser usado para aproximar a farmacocinética (PK) ou a farmacodinâmica (PD). Uma vez que o tempo e a intensidade dos efeitos em um determinado alvo dependem do tempo de concentração do fármaco candidato (molécula original ou metabólitos) naquele local alvo, as sensibilidades in vivo de tecidos e órgãos podem ser completamente diferentes ou mesmo inversa daquelas observadas em células cultivadas e expostas in vitro. Isso indica que a extrapolação dos efeitos observados in vitro requer um modelo quantitativo de PK in vivo. Os modelos de PK com base fisiológica (PBPK) são geralmente aceitos como centrais para as extrapolações.

No caso de efeitos precoces ou sem comunicação intercelular, presume-se que a mesma concentração de exposição celular cause os mesmos efeitos, tanto qualitativa quanto quantitativamente, in vitro e in vivo. Nessas condições, desenvolver um modelo de DP simples da relação dose-resposta observada in vitro e transpô-lo sem alterações para prever os efeitos in vivo não é suficiente.