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In vitro

Plantas clonadas in vitro Los estudios in vitro (que significa en vidrio o en el vidrio )se realizan con células o moléculas biológicas fuera de su contexto biológico normal. Co...

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Plantas clonadas in vitro

Los estudios in vitro (que significa en vidrio o en el vidrio )se realizan con células o moléculas biológicas fuera de su contexto biológico normal. Coloquialmente llamados " experimentos de tubo de ensayo ", estos estudios en 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 con componentes de un organismo que han sido aislados 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 experimentos in vitro pueden no predecir de forma completa o precisa los efectos en un organismo completo. En contraste con los experimentos in vitro , los estudios in vivo son aquellos que se realizan en organismos vivos, incluidos los humanos, conocidos como ensayos clínicos , y plantas completas. [ 1 ] [ 2 ]

Definición

Los estudios in vitro ( del latín "in glass"; a menudo no se escribe en cursiva en inglés [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] ) se realizan utilizando componentes de un organismo que han sido aislados de su entorno biológico habitual. Como su nombre indica, los experimentos in vitro , conocidos coloquialmente como "experimentos de tubo de ensayo", se realizan tradicionalmente en material de laboratorio de vidrio, utilizando tubos de ensayo, matraces, placas de Petri, etc.

El alcance exacto de lo in vitro depende de lo que se considere in vivo (experimentos realizados en seres vivos completos) y, a su vez, de lo que se considere un ser vivo "completo":

  • La toxicología y la farmacología se ocupan principalmente de los efectos de una sustancia en un organismo multicelular, generalmente un animal. Por consiguiente, todo lo que no se realiza in vivo se realiza in vitro . Esto incluye cultivos de órganos animales, cultivos de tejidos animales ( ex vivo ), cultivos de células animales, cultivos de células procariotas y biomoléculas aisladas. [ 1 ] [ 2 ]
  • El estudio de patógenos trata el estado del patógeno en el huésped como in vivo . (Por ejemplo, la transcriptómica in vivo de E. coli durante una infección del tracto urinario). [ 6 ] En consecuencia, in vitro incluye modelos que no involucran al huésped completo. [ 7 ]
    • Los virus, que solo se replican en células vivas, se estudian en el laboratorio mediante cultivos celulares o tisulares, y muchos virólogos de animales se refieren a este trabajo como in vitro para distinguirlo del trabajo in vivo en animales completos. [ 8 ] [ 9 ]
  • El estudio de la maquinaria molecular tiende a considerar la célula completa como la unidad más grande. Como resultado, los cultivos celulares (incluso los de mamíferos) pueden considerarse in vivo en lugar de la designación habitual como in vitro . En este contexto, in vitro se refiere exclusivamente a sistemas libres de células . [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]

Ejemplos

Como se describió anteriormente, el trabajo in vitro puede abarcar el estudio de sistemas vivos y no vivos con una amplia gama de complejidades.

  • Utilizar cualquier parte de un organismo vivo
    • La purificación de proteínas implica el aislamiento de una proteína específica de interés a partir de una mezcla compleja de proteínas, a menudo obtenida de células o tejidos homogeneizados. [ 14 ]
  • Utilizando partes derivadas de organismos multicelulares ( cultivo celular , cultivo de tejidos , [ 15 ] y más)
    • La fertilización in vitro se utiliza 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. [ 16 ]
    • El diagnóstico in vitro se refiere a una amplia gama de pruebas de laboratorio médicas y veterinarias que se utilizan para diagnosticar enfermedades y monitorear el estado clínico de los pacientes utilizando muestras de sangre, células u otros tejidos obtenidos de un paciente. [ 17 ]
    • Las pruebas farmacológicas 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; [ 18 ] Se puede determinar la partición de los compuestos entre órganos para estudiar los mecanismos de distribución; [ 19 ] Se pueden utilizar cultivos en suspensión o en placa de hepatocitos primarios o líneas celulares similares a hepatocitos (Hep G2, HepaRG ) para estudiar y cuantificar el metabolismo de sustancias químicas. [ 20 ] Estos parámetros del proceso ADME se pueden integrar en los llamados "modelos farmacocinéticos basados ​​en la fisiología" o PBPK .
    • Los modelos celulares de enfermedades neurodegenerativas permiten diferentes maneras de investigar la salud de las mitocondrias en la célula. [ 21 ]
  • Utilizando extractos celulares o subcelulares (por ejemplo, extractos de germen de trigo o de reticulocitos ).
    • El extracto de germen de trigo contiene ribosomas funcionales. Puede utilizarse para traducir ARNm fuera de la célula. [ 22 ]
  • Utilizando orgánulos purificados delimitados por membrana
  • Utilizando complejos macromoleculares purificados (como los ribosomas)
    • Se han ensamblado ribosomas funcionales in vitro . [ 25 ]
  • Utilizando moléculas purificadas (como proteínas , ADN o ARN )
    • 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. Utiliza enzimas puras aisladas. [ 26 ]
    • La acción de la replicación del ADN se ha analizado in vitro a nivel de molécula individual. [ 27 ]

Ventajas

Los estudios in vitro permiten un análisis más específico de cada especie, más sencillo, más práctico y más detallado que el que se puede realizar con el organismo completo. Del mismo modo que los estudios con animales completos están reemplazando cada vez más a los ensayos en humanos, los estudios in vitro también están sustituyendo a los estudios con animales completos.

Sencillez

Los organismos vivos son sistemas funcionales extremadamente complejos que están compuestos, como mínimo, por decenas de miles de genes, moléculas de proteínas, moléculas de ARN, pequeños compuestos orgánicos, iones inorgánicos y complejos en un entorno organizado espacialmente por membranas y, en el caso de los organismos multicelulares, por sistemas de órganos. [ 28 ] [ 29 ] Estos innumerables componentes interactúan entre sí y con su entorno de manera que procesan los alimentos, eliminan los desechos, mueven los componentes a la ubicación correcta y responden a moléculas de señalización, otros organismos, luz, sonido, calor, gusto, tacto y equilibrio.

Vista superior de un módulo de exposición de mamíferos Vitrocell "robot fumador" (tapa retirada), vista de cuatro pocillos separados para insertos de cultivo celular que se expondrán al humo del tabaco o a un aerosol para un estudio in vitro de los efectos.

Esta complejidad dificulta la identificación de las interacciones entre los componentes individuales y la exploración de sus funciones biológicas básicas. El trabajo in vitro simplifica el sistema en estudio, de modo que el investigador puede centrarse en un número reducido de componentes. [ 30 ] [ 31 ]

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

Especificidad de la especie

Otra ventaja de los métodos in vitro es que las células humanas pueden estudiarse sin "extrapolación" a partir de la respuesta celular de un animal de experimentación. [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]

Comodidad, automatización

Los métodos in vitro pueden miniaturizarse y automatizarse, lo que permite obtener métodos de cribado de alto rendimiento para probar moléculas en farmacología o toxicología. [ 35 ]

Desventajas

La principal desventaja de los estudios experimentales in vitro es que puede resultar difícil extrapolar los resultados a la biología del organismo intacto. Los investigadores que realizan estudios in vitro deben tener cuidado de no sobreinterpretar sus resultados, ya que esto puede llevar a conclusiones erróneas sobre la biología de los organismos y de los sistemas. [ 15 ] [ 36 ]

Por ejemplo, los científicos que desarrollan un nuevo fármaco antiviral para tratar una infección por un virus patógeno (p. ej., VIH-1) pueden descubrir que un fármaco candidato previene la replicación viral en un entorno in vitro (normalmente un cultivo celular). Sin embargo, antes de que este fármaco se utilice en la clínica, debe someterse a una serie de ensayos in vivo para determinar si es seguro y eficaz en organismos intactos (normalmente animales pequeños, primates y humanos, sucesivamente). Por lo general, la mayoría de los fármacos candidatos que son eficaces in vitro resultan ineficaces in vivo debido a problemas relacionados con la administración del fármaco a los tejidos afectados, la toxicidad para partes esenciales del organismo que no estaban representadas en los estudios in vitro iniciales u otros problemas. [ 37 ]

baterías de pruebas in vitro

Un método que podría ayudar a disminuir las pruebas con animales es el uso de baterías in vitro , donde se recopilan varios ensayos in vitro para cubrir múltiples puntos finales. En el ámbito de la neurotoxicidad del desarrollo y la toxicidad reproductiva, se espera que las baterías de pruebas se conviertan en métodos de cribado sencillos para priorizar qué sustancias químicas deben evaluarse en cuanto a su riesgo y en qué orden. [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] En ecotoxicología, las baterías de pruebas in vitro ya se utilizan con fines regulatorios y para la evaluación toxicológica de sustancias químicas. [ 42 ] Las pruebas in vitro también pueden combinarse con pruebas in vivo para crear una batería de pruebas in vitro-in vivo , por ejemplo, para pruebas farmacéuticas. [ 43 ]

Extrapolación de estudios in vitro a estudios in vivo

Los resultados obtenidos en experimentos in vitro generalmente no pueden extrapolarse directamente para predecir la reacción de un organismo completo in vivo . Por lo tanto, es fundamental desarrollar un procedimiento de extrapolación consistente y fiable desde los resultados in vitro a los resultados in vivo . Algunas soluciones incluyen:

  • Aumentar la complejidad de los sistemas in vitro para reproducir tejidos e interacciones entre ellos (como en los sistemas "humano en un chip") [ 44 ]
  • Utilizando modelos matemáticos para simular numéricamente el comportamiento del sistema complejo, donde los datos in vitro proporcionan valores de parámetros del modelo [ 45 ].

Estos dos enfoques no son incompatibles; mejores sistemas in vitro proporcionan mejores datos para los modelos matemáticos. Sin embargo, los experimentos in vitro cada vez más sofisticados recopilan datos cada vez más numerosos, complejos y difíciles de integrar. En este contexto, se necesitan modelos matemáticos, como los modelos de biología de sistemas . [ 46 ]

Extrapolación en farmacología

En farmacología, el IVIVE se puede utilizar para aproximar la farmacocinética (PK) o la farmacodinámica (PD). [ 47 ] Dado que el momento y la intensidad de los efectos sobre un objetivo determinado dependen de la evolución 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 células cultivadas y expuestas in vitro . Esto indica que la extrapolación de los efectos observados in vitro requiere un modelo cuantitativo de la PK in vivo . Los modelos de PK basados ​​en la fisiología ( PBPK ) se aceptan generalmente como fundamentales para las extrapolaciones. [ 48 ]

En el caso de efectos tempranos o aquellos sin comunicación intercelular, 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 farmacodinámico simple de la relación dosis-respuesta observada in vitro y transponerlo sin cambios para predecir los efectos in vivo no es suficiente. [ 49 ]

Véase también

Referencias

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