In vitro
Término latino que significa fuera de un entorno biológico natural.

Plantas clonadas in vitro

Los estudios in vitro (que significa en vidrio o en el vidrio )se realizan con microorganismos , 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 utilizando 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 hacer con organismos completos; sin embargo, los resultados obtenidos a partir de experimentos in vitro pueden no predecir de manera completa o precisa los efectos en un organismo completo. A diferencia de 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 "en vidrio"; a menudo no se escriben en cursiva en el uso inglés [3] [4] [5] ) se realizan 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 . Estos estudios en biología, medicina y sus subdisciplinas, llamados coloquialmente "experimentos de probeta", se realizan tradicionalmente en tubos de ensayo, matraces, placas de Petri, etc. [6] [7] Ahora involucran la gama completa de técnicas utilizadas en biología molecular, como la ómica . [8]

Por el contrario, los estudios realizados en seres vivos (microorganismos, animales, humanos o plantas enteras) se denominan in vivo . [9]

Ejemplos

Ejemplos de estudios in vitro incluyen: el aislamiento, crecimiento e identificación de células derivadas de organismos multicelulares (en cultivos celulares o tisulares ); componentes subcelulares (por ejemplo, mitocondrias o ribosomas ); extractos celulares o subcelulares (por ejemplo, extractos de germen de trigo o reticulocitos ); moléculas purificadas (como proteínas , ADN o ARN ); y la producción comercial de antibióticos y otros productos farmacéuticos. [10] [11] [12] [13] Los virus, que solo se replican en células vivas, se estudian en el laboratorio en cultivos celulares o tisulares, y muchos virólogos animales se refieren a dicho trabajo como in vitro para distinguirlo del trabajo in vivo en animales completos. [14] [15]

  • 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. [16]
  • 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. [17]
  • 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 embriones resultantes en el útero de la futura madre. [18]
  • 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. [19]
  • Las pruebas in vitro se han utilizado para caracterizar procesos específicos de adsorción, distribución, metabolismo y excreción de fármacos o productos químicos 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; [20] Se puede determinar la partición de los compuestos entre órganos para estudiar los mecanismos de distribución; [21] 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 productos químicos. [22] Estos parámetros del proceso ADME se pueden integrar luego en los denominados "modelos farmacocinéticos basados ​​en la fisiología" o PBPK .

Ventajas

Los estudios in vitro permiten un análisis específico de la especie, más sencillo, más cómodo y más detallado que el que se puede realizar con el organismo completo. Así como los estudios en animales completos sustituyen cada vez más a los ensayos en humanos, los estudios in vitro están sustituyendo 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 que está organizado espacialmente por membranas y, en el caso de los organismos multicelulares, sistemas de órganos. [23] [24] 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.

Vista superior de un módulo de exposición de mamíferos Vitrocell "robot fumador", (tapa quitada) vista de cuatro pocillos separados para insertos de cultivo celular que se expondrán al humo del tabaco o 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. [25] [26]

Por ejemplo, la identidad de las proteínas del sistema inmunológico (por ejemplo, los 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 las producen, estudiar las propiedades físicas de su interacción con los antígenos e identificar cómo esas interacciones conducen a señales celulares que activan otros componentes del sistema inmunológico.

Especificidad de la especie

Otra ventaja de los métodos in vitro es que se pueden estudiar las células humanas sin “extrapolación” de la respuesta celular de un animal experimental. [27] [28] [29]

Conveniencia, automatización

Los métodos in vitro se pueden miniaturizar y automatizar, lo que produce métodos de detección de alto rendimiento para probar moléculas en farmacología o toxicología. [30]

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 no sobreinterpretar sus resultados, lo que puede llevar a conclusiones erróneas sobre la biología de los organismos y de los sistemas. [31] [32]

Por ejemplo, los científicos que desarrollan un nuevo fármaco viral para tratar una infección con un virus patógeno (por ejemplo, el VIH-1) pueden descubrir que un fármaco candidato funciona para prevenir 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 pasar por una serie de ensayos in vivo para determinar si es seguro y eficaz en organismos intactos (normalmente animales pequeños, primates y seres humanos, uno tras otro). Normalmente, la mayoría de los fármacos candidatos que son eficaces in vitro resultan 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 los estudios in vitro iniciales u otros problemas. [33]

In vitroBaterías de prueba

Un método que podría ayudar a disminuir la experimentación con animales es el uso de baterías in vitro , en las que se compilan 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 detección sencillos para priorizar qué sustancias químicas se deben evaluar en función de su riesgo y en qué orden. [34] [35] [36] [37] En el ámbito de la ecotoxicología, ya se utilizan baterías de pruebas in vitro con fines reglamentarios y para la evaluación toxicológica de sustancias químicas. [38] Las pruebas in vitro también se pueden combinar con pruebas in vivo para crear una batería de pruebas in vitro in vivo , por ejemplo, para pruebas farmacéuticas. [39]

In vitroaen vivoextrapolación

Los resultados obtenidos a partir de experimentos in vitro no suelen poder extrapolarse tal cual para predecir la reacción de un organismo entero in vivo . Por lo tanto, es sumamente importante crear 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 e interacciones entre ellos (como en los sistemas “humanos en chip”) [40]
  • Utilizando modelos matemáticos para simular numéricamente el comportamiento del sistema complejo, donde los datos in vitro proporcionan valores de los parámetros del modelo [41]

Estos dos enfoques no son incompatibles; los 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 sentido, son muy necesarios los modelos matemáticos, como los modelos de biología de sistemas . [42]

Extrapolación en farmacología

En farmacología, la IVIVE se puede utilizar para aproximar la farmacocinética (PK) o la farmacodinámica (PD). [ cita requerida ] Dado que el momento y la intensidad de los efectos en 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 . Eso indica que la extrapolación de los efectos observados in vitro necesita un modelo cuantitativo de PK in vivo . Los modelos de PK basados ​​en la fisiología ( PBPK ) se aceptan generalmente como fundamentales para las extrapolaciones. [43]

En el caso de efectos tempranos o sin comunicación intercelular, se supone que la misma concentración de exposición celular causa los mismos efectos, tanto cualitativos como cuantitativos, in vitro e in vivo . En estas condiciones, no es suficiente desarrollar un modelo de PD simple de la relación dosis-respuesta observada in vitro y transponerlo sin cambios para predecir los efectos in vivo . [44]

Véase también

Referencias

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