Selezneva A.I. 1, Kalatanova A.V. 2, Afonkina O.V. 3
1 candidat la științe medicale, cercetător principal, 2 cercetător junior, 3 cercetător junior, SA „Institutul de Farmacie din Sankt Petersburg”
ABORDARE INTEGRATĂ PENTRU STUDIAREA SUBSTANȚELOR FARMACOLOGICEÎN VITRO, EX VIVO, ÎN VIVO
adnotare
Articolul discută planificarea eficientă și opțiunile pentru efectuarea cercetărilor experimentale folosind gama optimă de metode pentru a stabili direcțiile posibile de acțiune a substanțelor farmacologice.în vitro, ex vivo, în vivo... Scopul final al utilizării integrate a bateriei de metode este de a obține date experimentale fiabile și suficiente, de a reduce volumul, costul și calendarul cercetării prin dezvoltarea competentă a proiectării cercetării și utilizarea datelor obținute în fiecare etapă.
Cuvinte cheie: screening, studii preclinice, medicamente, substanță farmacologică, eficacitate, siguranță, in vitro, ex vivo, in vivo.
SeleznevaA.I. 1, KalatanovaA.V. 2, Afonkina O.V. 3
1 Științe medicale Kandidat, cercetător principal, 2 cercetător junior, 3 cercetător junior, „Institutul de Farmacie din Saint-Petersburg”
ABORDARE COMPLEXĂ PENTRU STUDIUL AGENȚILOR FARMACOLOGICI ÎN VITRO, EX VIVO, IN VIVO
Abstract
Articolul consideră planificarea eficientă și opțiunile pentru studii experimentale care implică o gamă optimă de metode pentru identificarea posibilelor domenii de acțiune ale agenților farmacologici in vitro, ex vivo, in vivo. Scopul final al utilizării integrate a unei baterii de metode pentru a oferi un nivel fiabil și suficient în ceea ce privește datele experimentale, reducând volumul, costul și calendarul studiului printr-un proiect de studiu competent și utilizarea datelor colectate în fiecare etapă.
Cuvinte cheie: screening, studii preclinice, medicamente, agent farmacologic, eficiența, siguranța, in vitro, ex vivo, in vivo.
Studiul cu succes al eficacității și siguranței substanțelor farmacologice depinde în mod direct de planificarea și proiectarea competentă a studiului. Există un număr mare de metode atât pentru screening cât și pentru evaluarea volumetrică a direcției posibile de acțiune și a proprietăților toxice ale substanțelor farmacologice. Aceste metode pot fi clasificate condiționat în trei grupe în funcție de metodele de implementare a acestora - metode in vitro, ex vivo, in vivo.
Metodele in vitro implică un screening sau o evaluare volumetrică a eficacității și siguranței substanțelor farmacologice în sistemele model care utilizează medii de reacție, enzime, linii celulare etc. Astăzi, metodele in vitro sunt foarte populare în comunitatea științifică mondială, atât din punctul de vedere al inovației ridicate, cât și din punctul de vedere al tratamentului uman al animalelor. Cu toate acestea, limitarea studiilor privind eficacitatea și siguranța substanțelor farmacologice prin metode in vitro nu este recomandabilă, deoarece extrapolarea rezultatelor obținute la nivelul întregului organism se caracterizează printr-un risc ridicat.
Metodele ex vivo sunt, de regulă, organe și țesuturi izolate ale organismelor vii. Aceste tehnici sunt, de asemenea, cunoscute pe scară largă, iar datele din studiile ex vivo tind să fie mai relevante clinic. Cu toate acestea, precum și metodele in vitro, rezultatele studiilor ex vivo nu pot sta la baza începerii studiilor clinice cu o substanță farmacologică.
Metodele in vivo sunt clasice pentru farmacologia experimentală și sunt studii pe diferite specii și linii de animale. Metodele in vivo permit obținerea unor rezultate fiabile și suficiente în termeni de volum, care pot fi extrapolate cu succes la clinică. Există o cantitate mare de date despre caracteristicile anatomice, fiziologice, biochimice și alte caracteristici ale speciilor și liniilor animalelor experimentale, care fac posibilă stabilirea gradului de relevanță pentru oameni și prezicerea rezultatelor studiilor clinice ale substanțelor farmacologice. Cu toate acestea, în ciuda conținutului ridicat de informații al studiilor in vivo, cea mai reușită abordare a dezvoltării proiectării cercetării poate fi oferită de rezultatele studiilor in vitro și ex vivo. Aceste metode pot reduce, de asemenea, în mod semnificativ numărul de animale din experiment, care este de o importanță cheie din punctul de vedere al bioeticii.
Această lucrare identifică opțiunile posibile pentru o evaluare cuprinzătoare a eficacității substanțelor farmacologice utilizând o baterie de metode in vitro, ex vivo și in vivo. Utilizarea unei abordări integrate face posibilă realizarea studiului experimental cât mai informativ și de încredere posibil.
Evaluare cuprinzătoare a eficacității substanțelor farmacologiceîn vitro, ex vivo șiîn vivo
Pentru studiul eficacității substanțelor farmacologice, screeningul activității farmacologice, studiile pilot și studiul mecanismelor de acțiune sunt de o importanță deosebită. Astfel, noi substanțe farmacologice pot fi sintetizate sau obținute din materii prime naturale folosind diverse metode; se poate izola un număr mare de stereoizomeri sau substanțe care diferă în structură prin una sau mai multe grupe funcționale. Efectuarea unui studiu complet al fiecăruia dintre candidați necesită mult timp, costuri economice și utilizarea unui număr mare de animale. Utilizarea metodelor in vitro și ex vivo în majoritatea cazurilor permite alegerea celor mai promițători candidați și reducerea volumului de cercetare.
Un studiu in vivo oferă date volumetrice care sunt optime pentru extrapolare la clinică. Utilizarea diferitelor modele de boli la animale, precum și utilizarea speciilor modificate genetic, contribuie la stabilirea mecanismelor de acțiune farmacologică, a dozelor eficiente, a dinamicii valorilor markerilor patologici în timpul utilizării cursului pe termen lung etc.
De exemplu, să oferim un studiu cuprinzător al eficacității substanței farmacologice X, care posedă potențial proprietăți antioxidante și cardioprotectoare, într-un sistem de metode in vitro, ex vivo și in vivo.
Proiectarea studiului este prezentată în Tabelul 1.
Tabelul 1 - Proiectarea unui studiu cuprinzător al eficacității substanței farmacologice X
În prima etapă a studiului mecanismelor de acțiune in vitro, s-a constatat că substanța farmacologică X se caracterizează printr-o eficiență pronunțată în raport cu radicalul hidroxil și peroxidarea lipidelor (Tabelul 2).
Tabelul 2 - Eficacitatea substanței farmacologice X în studiile in vitro 
Eficacitatea substanței farmacologice X a depășit-o pe cea a medicamentului de referință Y.
S-a stabilit că prezența proprietăților antioxidante ale unei substanțe farmacologice determină proprietățile sale citoprotectoare. Numeroase studii clinice și experimentale au stabilit că stresul oxidativ joacă un rol cheie în dezvoltarea patologiilor cardiovasculare, cum ar fi bolile coronariene, hipertensiunea arterială, ateroscleroza, insuficiența coronariană și insuficiența cardiacă.
Rezultatele studiilor in vitro au făcut posibilă determinarea direcțiilor principale ale proiectării experimentale ex vivo și in vivo, precum și stabilirea posibilelor mecanisme de acțiune a substanței farmacologice.
A doua etapă a cercetării a fost de a determina proprietățile cardioprotectoare ale substanței farmacologice X într-un experiment ex vivo efectuat pe o inimă izolată prin metoda Langendorff. Studiul a fost realizat cu utilizarea substanței farmacologice X în trei doze.
Ca rezultat al celei de-a doua etape a cercetării, s-a constatat că valorile presiunii (LVP) și ale ratei de contracție (dP / dt max) a ventriculului stâng pe fundalul ischemiei, urmată de reperfuzia inimii izolate, cresc semnificativ statistic, ceea ce poate indica un efect inotrop pozitiv al medicamentului (Fig. 1). ).
Figura: 1 - Eficacitatea substanței farmacologice X într-un studiu ex vivo.
Datele obținute în studiile in vitro și ex vivo sugerează mecanismul cheie de acțiune și efectul farmacologic al substanței și, prin urmare, planificarea experimentelor in vivo.
Astfel, deoarece substanța farmacologică in vitro și ex vivo X a fost caracterizată de o activitate cardioprotectoare pronunțată, precum și de un efect asupra sistemului antioxidant, au fost selectate modele de patologii cardiovasculare pentru a studia activitatea specifică in vivo, a cărei patogenie este asociată cu stresul oxidativ și contractilitatea miocardică afectată. : infarct miocardic acut și hipertensiune arterială.
Ca urmare a studiilor privind eficacitatea substanței farmacologice X in vivo pe modelul infarctului miocardic acut, a fost stabilit efectul asupra parametrilor fiziologici și biochimici ai patologiei modelate (Tabelul 3).
Tabelul 3 - Eficacitatea substanței farmacologice X pe fondul modelării infarctului miocardic acut la șobolani, M ± m. 
Ca rezultat al studiilor privind eficacitatea substanței farmacologice X in vivo la șobolanii hipertensivi spontan, s-a observat o scădere pronunțată a tensiunii arteriale sistolice (SBP) și diastolice (DBP) atât înainte de utilizarea substanței farmacologice X, cât și la 1 oră după (Tabelul 4).
Tabelul 4 - Modificarea tensiunii arteriale în cursul utilizării substanței farmacologice X 
Notă - * p ‹0.05 în comparație cu grupul de control
Astfel, ca urmare a utilizării unei evaluări cuprinzătoare in vitro, ex vivo și in vivo, s-a stabilit eficacitatea ridicată a noii substanțe farmacologice X și s-au determinat posibilele mecanisme de acțiune. Efectul cardiotonic și cardioprotector al medicamentului a fost stabilit pe modelul unei inimi izolate prin metoda Langendorff și în modelarea infarctului miocardic experimental in vivo. La utilizarea noului medicament la animalele hipertensive spontan, s-a observat o scădere persistentă a tensiunii arteriale, precum și o scădere a cifrelor inițiale de presiune până la sfârșitul cursului de tratament. S-a constatat că rolul cheie în realizarea efectelor farmacologice ale substanței farmacologice X îl joacă activitatea sa antioxidantă, care a fost confirmată în studiile privind capacitatea antiradicală și regeneratoare in vitro.
Utilizarea metodelor in vitro și ex vivo a făcut posibilă reducerea semnificativă a volumului animalelor experimentale, deoarece pe baza rezultatelor acestora au fost selectate doze eficiente de substanță farmacologică X și cele mai potrivite modele experimentale.
Literatură
- E. B. Menshchikova Stresul oxidativ: afecțiuni și boli patologice. - Novosibirsk: ARTA, 2008.284 p;
- Toropova Ya.G. Perfuzia unei inimi izolate prin metoda Langendorff și Nilly: posibilități de aplicare în cercetarea științifică / Ya.G. Toropova, N.Yu. Osyaev, R.A. Mukhamadiyarov // Medicina translațională. - 2014. Nr. 4 - S. 34-39.
Referințe
- Russell W.M.S., Burch, R.L. Principiile tehnicii experimentale umane. - Londra: Methuen & Co. 238 p.;
- Directiva 2010/63 / UE a Parlamentului European și a Consiliului din 22 septembrie 2010 privind protecția animalelor utilizate în scopuri științifice // Jurnalul Oficial al Uniunii Europene. 2010. P. 33-79;
- Știința umană în secolul 21: rezumate ale celui de-al 9-lea Congres Mondial, Praga, 2014. Volumul 3, Nr. 1,336 p.;
- Mathers J. Răspunsuri antioxidante și citoprotectoare la stresul redox // Biochem Soc Symp. - Vol. 71. - P. 157-176;
- Addabbo F. Mitocondriile și speciile reactive de oxigen / F. Addabbo, M. Montagnani, M.S. Goligorsky // Hipertensiune. - 2009.53. - P. 885-892;
- Men'shhikova E.B. Okislitel'nyj stress: Patologicheskie sostojanija i zabolevanija. - Novosibirsk: ARTA, 2008.284 s;
- Toropova Ja.G. Perfuzija izolirovannogo serdca metodom Langendorf i Nilli: vozmozhnosti primenenija v nauchnyh issledovanijah / Ja.G. Toropova, N.Ju. Osjaev, R.A. Muhamadijarov // Transljacionnaja medicina. - 2014. Nr. 4 - S. 34-39.
- „în (pe) o viață”), adică „în interiorul unui organism viu” sau „în interiorul unei celule”.
În știință in vivo înseamnă efectuarea de experimente pe (sau în interiorul) țesutului viu cu un organism viu. Această utilizare a termenului exclude utilizarea unei părți a unui organism viu (așa cum se face în teste in vitro) sau folosind un organism mort. Testarea pe animale și studiile clinice sunt forme de cercetare in vivo.
Vezi si
| Acesta este un proiect de articol despre biologie. Puteți ajuta proiectul adăugându-l.
Dacă este posibil, această notă ar trebui înlocuită cu una mai precisă. |
Scrieți o recenzie pentru „In vivo”
Fragment in vivo
"Nu, acum o vor părăsi, acum vor fi îngroziți de ceea ce au făcut!" Gândi Pierre, urmărind fără scop mulțimea de brancarde care se deplasau de pe câmpul de luptă.Dar soarele, ascuns de fum, era încă înalt, iar în față, și mai ales spre stânga lângă Semyonovsky, ceva fierbe în fum, iar vuietul de focuri, împușcături și tunuri nu numai că nu s-a potolit, ci s-a intensificat până la disperare, ca un om care, încordat, țipă cu ultimul pic de forță.
Acțiunea principală a bătăliei de la Borodino a avut loc în spațiul a o mie de brațe între Borodino și valurile Bagration. (În afara acestui spațiu, pe de o parte, rușii au făcut o demonstrație a cavaleriei lui Uvarov în jumătate de zi, pe de altă parte, în spatele lui Utitsa, a avut loc o ciocnire între Poniatovsky și Tuchkov; dar acestea au fost două acțiuni separate și slabe în comparație cu ceea ce s-a întâmplat în mijlocul câmpului de luptă. ) Pe câmpul dintre Borodino și flush, lângă pădure, pe o întindere deschisă și vizibilă de ambele părți, acțiunea principală a bătăliei a avut loc, în modul cel mai simplu, cel mai ingenios.
Cercetarea se efectuează cu microorganisme, celule sau molecule biologice în afara contextului lor biologic normal. În mod colocvial se numesc experimente in vitro. Aceste studii în biologie și subdisciplinele sale au fost efectuate în mod tradițional în eprubete, flacoane, cutii Petri etc. și de la începutul biologiei moleculare au inclus metode numite omici. Studiile care utilizează componente ale corpului izolate din mediul lor biologic normal sunt mai detaliate și mai convenabile decât analiza cu organisme întregi. În contrast, studiile in vivo sunt efectuate pe animale, inclusiv pe oameni și plante întregi.
Exemple de
Exemple de studii in vitro: izolarea, creșterea și identificarea celulelor derivate din organisme multicelulare (cultură celulară sau cultură tisulară); componente subcelulare (mitocondrii sau ribozomi); extracte celulare sau subcelulare (de exemplu, germeni de grâu sau extracte de reticulocite); molecule purificate precum proteine, ADN sau ARN); și producția industrială de antibiotice și produse farmaceutice. Virușii care se reproduc doar în celulele vii sunt studiați în laborator în cultura celulară sau tisulară, iar mulți zoovirusologi numesc această lucrare in vitro pentru a o deosebi de activitatea in vivo la animale întregi.
- Reacția în lanț a polimerazei este o metodă de reproducere selectivă a secvențelor specifice de ADN și ARN in vitro.
- Purificarea proteinelor este izolarea unei proteine \u200b\u200bspecifice dintr-un amestec complex, care în multe cazuri se obține din celule sau țesuturi omogenizate.
- Fertilizarea in vitro se efectuează într-un vas folosind sperma și un ou. Embrionul (fii) fertilizat (e) este apoi implantat (i) în uterul mamei.
- Diagnosticul in vitro este o gamă largă de teste medicale și veterinare de laborator. Sunt necesare pentru diagnosticarea bolilor și monitorizarea stării clinice a pacienților, iar probele de sânge, celule sau alte țesuturi ale pacientului servesc drept material.
Testarea in vitro este utilizată pentru a caracteriza adsorbția specifică, distribuția, metabolismul și excreția (ARME) de medicamente sau substanțe chimice generale într-un organism viu. De exemplu, experimentele cu celule Caco-2 vor ajuta la evaluarea absorbției compușilor prin membrana mucoasă. tract gastrointestinal... Puteți defini partajarea conexiunilor între organe pentru a studia mecanismele de distribuție. O suspensie sau o cultură într-un vas de hepatocite primare sau linii celulare asemănătoare hepatocitelor (HepG2, HepaRG) pot fi utilizate pentru a studia și cuantificare metabolismul substanțelor chimice. Acești parametri ai proceselor ARME pot fi apoi integrați în așa-numitele „modele fiziologice farmacocinetice” sau FMFO.
Videoclipuri de cercetare in vitro
Beneficii in vitro
Studiile in vitro permit o analiză specifică speciei, mai simplă, mai convenabilă și detaliată decât analiza întregului organism. Așa cum cercetarea la animale întregi înlocuiește din ce în ce mai mult cercetarea la om, cercetarea in vitro înlocuiește cercetarea la animale întregi.
Simplitate
Organismele vii par a fi sisteme funcționale extrem de complexe formate din zeci de mii de gene, proteine \u200b\u200bși molecule de ARN, ioni anorganici de compuși organici mici și complexe. Mediul în care sunt situate este organizat spațial de membrane, iar în organismele multicelulare, organele și sistemele sunt responsabile pentru acest lucru. Aceste nenumărate componente interacționează între ele și cu mediul înconjurător pentru a procesa alimentele, a elimina deșeurile, a muta componentele în locul potrivit și a răspunde la molecule de semnalizare, lumină, alte organisme, căldură, sunet, gust, echilibru și atingere.
Această complexitate face dificilă determinarea relațiilor dintre componentele individuale, precum și studiul funcțiilor biologice de bază. Munca in vitro simplifică sistemul testat, astfel încât cercetătorul să se poată concentra pe un număr mic de componente.
De exemplu, identificarea proteinelor sistemului imunitar (cum ar fi anticorpii) și mecanismul prin care acestea recunosc și se leagă de antigeni străini ar rămâne neclare. Cu toate acestea, utilizarea extinsă a muncii in vitro a făcut posibilă izolarea proteinelor, identificarea celulelor și genelor care le produc și investigarea trăsăturilor fizice ale interacțiunii cu antigenii. În plus, a fost posibil să se determine modul în care această interacțiune duce la semnale celulare care activează alte componente ale sistemului imunitar.
Specificitatea speciei
Un alt avantaj al metodelor in vitro este că celulele umane pot fi studiate fără „extrapolare” din răspunsul celular al animalului experimental.
Confort, automatizare
Metodele in vitro pot fi miniaturizate și automatizate, rezultând metode de screening cu randament ridicat pentru testarea moleculelor în toxicologie sau farmacologie.
dezavantaje
Principalul dezavantaj al studiilor experimentale in vitro este că este dificil să extrapolăm rezultatele înapoi la biologia unui organism intact. Anchetatorii in vitro trebuie să fie atenți pentru a evita interpretarea excesivă a rezultatelor. Acest lucru poate duce la concluzii eronate despre biologia corpului și a sistemului.
De exemplu, oamenii de știință implicați în dezvoltarea unui nou medicament viral pentru a trata o infecție cu un virus patogen (cum ar fi HIV-1) pot ajunge la concluzia că un potențial medicament servește la prevenirea replicării virusului in vitro (de obicei în cultura celulară). Cu toate acestea, înainte ca medicamentul să fie utilizat într-un cadru clinic, acesta va fi supus unei serii de studii in vivo pentru a determina gradul de siguranță și eficacitate în organismele intacte (de obicei secvențial la animale mici, primate și oameni). De obicei, majoritatea medicamentelor candidate care sunt eficiente in vitro nu sunt eficiente in vivo din cauza problemelor cu administrarea medicamentului către țesuturile bolnave, toxicității pentru părțile critice ale corpului care nu au fost reflectate în studiile inițiale in vitro sau alte probleme. ...
Extrapolarea in vitro la in vivo (IVIVE)
Rezultatele obținute din experimente in vitro de obicei nu pot fi transformate pentru a prezice răspunsul întregului organism in vivo. Prin urmare, este extrem de important să se dezvolte o procedură consecventă și fiabilă pentru extrapolare de la rezultatele in vitro la rezultatele in vivo. În general, au fost luate două decizii:
- Complexitatea crescută a sistemelor in vitro pentru reproducerea țesuturilor și interacțiunile dintre acestea (ca în sistemele om-pe-cip).
- Utilizarea modelării matematice pentru a simula numeric comportamentul unui sistem complex, unde datele in vitro furnizează valori ale parametrilor modelului.
Cele două abordări nu sunt incompatibile: sistemele in vitro îmbunătățite vor oferi date mai precise pentru modelele matematice. Pe de altă parte, experimentele in vitro din ce în ce mai sofisticate colectează date din ce în ce mai complexe, provocatoare și promițătoare pentru integrare. Aici sunt necesare modele matematice, cum ar fi în biologia sistemelor.
Extrapolarea în farmacologie
În farmacologie, studiile IVIVE pot fi utilizate pentru aproximarea farmacocineticii (PK) sau farmacodinamicii (PD). Deoarece timpul și intensitatea expunerii la o anumită țintă depind de timpul de concentrare a cursului unui potențial medicament (moleculă sau metaboliți înrudiți) în locul țintă, sensibilitatea țesuturilor și organelor in vivo poate fi complet diferită sau chiar opusă celei observate la celulele cultivate in vitro. ... Aceasta indică faptul că efectele de extrapolare observate in vitro necesită un model cantitativ de PK in vivo. Modelele PK bazate din punct de vedere fiziologic (FMFO) sunt considerate, în general, că joacă un rol central în extrapolare.
În cazul efectelor timpurii sau al efectelor fără comunicare intercelulară, se presupune că aceeași concentrație de expunere celulară produce aceleași efecte în termeni calitativi și cantitativi, in vitro și in vivo. În această situație, este suficient să se dezvolte un model PD simplu al relației doză-răspuns observat in vitro și să se transpună fără modificări pentru a prezice efectele in vivo.
Se încarcă ...