- «в (на) живом»), то есть «внутри живого организма» или «внутри клетки».

В науке in vivo обозначает проведение экспериментов на (или внутри) живой ткани при живом организме. Такое использование термина исключает использование части живого организма (так, как это делается при тестах in vitro ) или использование мёртвого организма. Тестирование на животных и клинические испытания являются формами исследования in vivo .

См. также

Это заготовка статьи по биологии. Вы можете помочь проекту, дополнив её.
Это примечание по возможности следует заменить более точным .

Напишите отзыв о статье "In vivo"

Отрывок, характеризующий In vivo

«Нет, теперь они оставят это, теперь они ужаснутся того, что они сделали!» – думал Пьер, бесцельно направляясь за толпами носилок, двигавшихся с поля сражения.
Но солнце, застилаемое дымом, стояло еще высоко, и впереди, и в особенности налево у Семеновского, кипело что то в дыму, и гул выстрелов, стрельба и канонада не только не ослабевали, но усиливались до отчаянности, как человек, который, надрываясь, кричит из последних сил.

Главное действие Бородинского сражения произошло на пространстве тысячи сажен между Бородиным и флешами Багратиона. (Вне этого пространства с одной стороны была сделана русскими в половине дня демонстрация кавалерией Уварова, с другой стороны, за Утицей, было столкновение Понятовского с Тучковым; но это были два отдельные и слабые действия в сравнении с тем, что происходило в середине поля сражения.) На поле между Бородиным и флешами, у леса, на открытом и видном с обеих сторон протяжении, произошло главное действие сражения, самым простым, бесхитростным образом.

Селезнева А.И. 1 , Калатанова А.В. 2 , Афонькина О.В. 3

1 Кандидат медицинских наук, старший научный сотрудник, 2 младший научный сотрудник, 3 младший научный сотрудник, ЗАО «Санкт-Петербургский институт фармации»

КОМПЛЕКСНЫЙ ПОДХОД К ИЗУЧЕНИЮ ФАРМАКОЛОГИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ IN VITRO , EX VIVO , IN VIVO

Аннотация

В статье рассмотрено – эффективное планирование и варианты проведения экспериментальных исследований с привлечением оптимального спектра методов для установления возможных направлений действия фармакологических веществ in vitro , ex vivo , in vivo . Конечной целью комплексного использования батареи методов является получение достоверных и достаточных по объему экспериментальных данных, сокращение объемов, стоимости и сроков исследования за счет грамотной разработки дизайна исследования и использования данных, полученных на каждом этапе.

Ключевые слова: скрининг, доклинические исследования, лекарственные средства, фармакологическое вещество, эффективность, безопасность, in vitro, ex vivo, in vivo.

SeleznevaA.I. 1 , KalatanovaA.V. 2 , AfonkinaO.V. 3

1 Kandidat Medical Sciences, Senior Researcher, 2 Junior Researcher, 3 Junior researcher, “Institute of Pharmacy of Saint-Petersburg”

COMPLEX APPROACH TO STUDY PHARMACOLOGICAL AGENTS IN VITRO, EX VIVO, IN VIVO

Abstract

The article considers effective planning and options for experimental studies involving the optimum range of methods to identify possible areas of action of pharmacological agents in vitro, ex vivo, in vivo. The ultimate goal of the integrated use of a battery of methods to provide a reliable and sufficient in terms of experimental data, reducing the volume, cost and timing of the study by a competent study design and the use of data collected at each stage.

Keywords: screening, pre-clinical studies, drugs, pharmacological agent, the efficiency, safety, in vitro, ex vivo, in vivo.

Успешное изучение эффективности и безопасности фармакологических веществ напрямую зависит от грамотного планирования и разработки дизайна исследования. Существует большое количество методов как скрининговой, так и объемной оценки возможной направленности действия и токсических свойств фармакологических веществ. Эти методы можно условно определить в три группы согласно способам их выполнения – методы in vitro, ex vivo, in vivo.

Методы in vitro подразумевают скрининговую или объемную оценку эффективности и безопасности фармакологических веществ в модельных системах с использованием реакционных сред, ферментов, клеточных линий и др. На сегодняшний день в мировом научном сообществе методы in vitro очень популярны, как с точки зрения высокой инновационности, так и с позиции гуманного обращения с животными. Однако ограничение исследований эффективности и безопасности фармакологических веществ методами in vitro не целесообразно, так как экстраполяция полученных результатов на целый организм характеризуется высоким риском.

Методы ex vivo представляют собой, как правило, изолированные органы и ткани живых организмов. Эти методы также широко известны, а данные, полученные в результате исследований ex vivo, как правило, характеризуются большей релевантностью клинике. Однако, также как и методы in vitro, результаты исследований ex vivo, не могут являться основанием для начала клинических испытаний фармакологического вещества.

Методы in vivo являются классическими для экспериментальной фармакологии и представляют собой исследования на различных видах и линиях животных. Методы in vivo позволяют получить достоверные и достаточные по объему результаты, которые могут быть с успехом экстраполированы в клинику. Существует большое количество данных об анатомических, физиологических, биохимических и других особенностях видов и линий экспериментальных животных, которые позволяют установить степень релевантности человеку и прогнозировать результаты клинических исследований фармакологических веществ. Однако, не смотря на высокую информативность исследований in vivo, наиболее успешный подход к разработке дизайна исследований может быть обеспечен результатами исследований in vitro и ex vivo. Эти методы также позволяют существенно сократить количество животных в эксперименте, что имеет ключевое значение с точки зрения биоэтики .

В данной работе определены возможные варианты комплексной оценки эффективности фармакологических веществ с применением батареи методов in vitro, ex vivo и in vivo. Использование комплексного подхода позволяет сделать экспериментальное исследование максимально информативным и достоверным.

Комплексная оценка эффективности фармакологических веществ in vitro , ex vivo и in vivo

Для исследования эффективности фармакологических веществ особенное значение имеет скрининг фармакологической активности, пилотные исследования и изучение механизмов действия. Так, новые фармакологические вещества могут быть синтезированы или получены из природного сырья с использованием различных методов, может быть выделено большое количество стереоизомеров или веществ, отличающихся по структуре на одну или несколько функциональных групп. Проведение полноценного исследования каждого из кандидатов требует больших временных, экономических затрат и использования большого количества животных. Применение методов in vitro и ex vivo в большинстве случаев позволяет выбрать наиболее перспективные кандидаты и сократить объем исследований .

Исследование in vivo позволяет получить объемные данные, оптимальные для экстраполяции в клинику. Применение различных моделей заболеваний на животных, а также использование генетически модифицированных видов способствует установлению механизмов фармакологического действия, эффективных доз, динамики значений маркеров патологии при длительном курсовом применении и др.

В качестве примера приведем комплексное исследование эффективности фармакологического вещества Х, потенциально обладающего антиоксидантными и кардиопротективными свойствами, в системе методов in vitro, ex vivo и in vivo.

Дизайн исследования представлен в таблице 1.

Таблица 1 – Дизайн комплексного исследования эффективности фармакологического вещества X

На первом этапе исследования механизмов действия in vitro было установлено, что фармакологическое вещество Х характеризуется выраженной эффективностью в отношении гидроксильного радикала и перекисного окисления липидов (табл. 2).

Таблица 2 – Эффективность фармакологического вещества Х в исследованиях in vitro

Эффективность фармакологического вещества Х превышала таковую препарата сравнения Y.

Установлено, что наличие антиоксидантных свойств фармакологического вещества обусловливает его цитопротекторные свойства . В многочисленных клинических и экспериментальных исследованиях определено, что оксидативный стресс играет ключевую роль в развитии кардиоваскулярных патологий, таких как ИБС, АГ, атеросклероз, коронарная недостаточность и сердечная недостаточность .

Результаты исследований in vitro позволили определить основные направления экспериментального дизайна ex vivo и in vivo, а также установить возможные механизмы действия фармакологического вещества.

Вторым этапом исследований было определение кардиопротекторных свойств фармакологического вещества Х в эксперименте ex vivo, проведенном на изолированном сердце по методу Лангендорфа . Исследование проводили при применении фармакологического вещества Х в трех дозах.

В результате второго этапа исследований было установлено, что значения показателей давления (LVP) и скорости сокращения (dP/dt max) левого желудочка на фоне ишемии с последующей реперфузией изолированного сердца статистически значимо увеличиваются, что может свидетельствовать о положительном инотропном действии препарата (рис. 1).

Рис. 1 – Эффективность фармакологического вещества Х в исследовании ex vivo.

Данные, полученные в исследовании in vitro и ex vivo, дают основание предполагать ключевой механизм действия и фармакологический эффект вещества, а, следовательно, планировать эксперименты in vivo.

Таким образом, так как in vitro и ex vivo фармакологическое вещество X характеризовалось выраженной кардиопротекторной активностью, а также влиянием на антиоксидантную систему, то для изучения специфической активности in vivo были выбраны модели сердечно-сосудистых патологий, патогенез которых связан с оксидативным стрессом и нарушением сократимости миокарда: острый инфаркт миокарда и артериальная гипертензия.

В результате исследований эффективности фармакологического вещества Х in vivo на модели острого инфаркта миокарда было установлено влияние на физиологические и биохимические параметры моделируемой патологии (табл. 3).

Таблица 3 – Эффективность фармакологического вещества Х на фоне моделирования острого инфаркта миокарда у крыс, M ± m.

В результате исследований эффективности фармакологического вещества Х in vivo у спонтанно-гипертензивных крыс наблюдали выраженное снижение систолического (САД) и диастолического (ДАД) артериального давления как до применения фармакологического вещества Х, так и через 1 час после (табл. 4).

Таблица 4 – Изменение АД при курсовом применении фармакологического вещества Х

Примечание – * p ‹ 0,05 в сравнении контрольной группой

Таким образом, в результате использования комплексной оценки in vitro, ex vivo и in vivo была установлена высокая эффективность нового фармакологического вещества Х и определены возможные механизмы действия. На модели изолированного сердца по методу Лангендорфа и при моделировании острого экспериментального инфаркта миокарда in vivo было установлено кардиотоническое и кардиопротективное действие препарата. При применении нового препарата у спонтанно-гипертензивных животных наблюдалось стойкое снижение АД, а также уменьшение цифр исходного давления к концу курса лечения. Было установлено, что ключевую роль в реализации фармакологических эффектов фармакологического вещества Х играет его антиоксидантная активность, что было подтверждено в исследованиях антирадикальной и восстанавливающей способности in vitro.

Использование методов in vitro и ex vivo позволило существенно сократить объем экспериментальных животных, так как на основании их результатов были выбраны эффективные дозы фармакологического вещества Х и наиболее подходящие экспериментальные модели.

Литература

  1. Меньщикова Е.Б. Окислительный стресс: Патологические состояния и заболевания. – Новосибирск: АРТА, 2008. 284 с;
  2. Торопова Я.Г. Перфузия изолированного сердца методом Лангендорф и Нилли: возможности применения в научных исследованиях / Я.Г. Торопова, Н.Ю. Осяев, Р.А. Мухамадияров // Трансляционная медицина. – 2014. № 4 – С. 34-39.

References

  1. Russell W.M.S., Burch, R.L. The Principles of Humane Experimental Technique. – London: Methuen & Co. 238 pp.;
  2. Directive 2010/63/EU of the European Parliament and of the council of 22 September 2010 on the protection of animals used for scientific purposes // Official Journal of the European Union. 2010. P. 33 – 79;
  3. Humane Science in the 21st Century: abstracts of the 9th World Congress, Prague, 2014. Volume 3, No. 1. 336 pp.;
  4. Mathers J. Antioxidant and cytoprotective responses to redox stress // Biochem Soc Symp.- Vol. 71. – P.157-176;
  5. Addabbo F. Mitochondria and Reactive Oxygen Species / F. Addabbo, M. Montagnani, M.S. Goligorsky // Hypertension. – 2009. 53. – P. 885-892;
  6. Men’shhikova E.B. Okislitel’nyj stress: Patologicheskie sostojanija i zabolevanija. – Novosibirsk: ARTA, 2008. 284 s;
  7. 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. № 4 – S. 34-39.

Исследованияпроводятся с микроорганизмами, клетками или биологическими молекулами за пределами их нормального биологического контекста. В разговорной речи их называют экспериментами в пробирке. Эти исследования по биологии и ее субдисциплинам традиционно проводились в пробирках, колбах, чашках Петри и т.д., и с начала молекулярной биологии включают методы, так называемые омики. Исследования, в которых используются компоненты организма, выделенные из их обычного биологического окружения, подробнее и удобнее анализа с целыми организмами. В отличие от этого, исследования in vivo проводятся на животных, включая людей и целые растения.


Примеры

Примеры исследований in vitro: выделение, рост и идентификация клеток, полученных из многоклеточных организмов (культура клеток или культура тканей); субклеточных компонентов (митохондрии или рибосомы); клеточных или субклеточных экстрактов (например, зародыши пшеницы или экстракты ретикулоцита); очищенные молекулы, такие как белки, ДНК или РНК); и промышленное производство антибиотиков и фармацевтических препаратов. Вирусы, которые реплицируются только в живых клетках, изучаются в лаборатории в культуре клетки или ткани, и многие зоовирусологи называют такую работу in vitro, чтобы отличить ее от работы in vivo на целых животных.

  • Полимеразная цепная реакция – это способ селективной репликации специфических последовательностей ДНК и РНК в пробирке.
  • Очистка белка представляет собой выделение определенного белка из сложной смеси, которую во многих случаях получают из гомогенизированных клеток или тканей.
  • Экстракорпоральное оплодотворение проводится в чашке с использованием сперматозоидов и яйцеклетки. Оплодотворенный(е) эмбрион(ы) затем имплантируют в матку будущей матери.
  • Диагностика in vitro - это обширный спектр медицинских и ветеринарных лабораторных тестов. Они необходимы для диагностики болезней и мониторинга клинического состояния пациентов, а материалом служат образцы крови, клеток или других тканей пациента.

Тестирование in vitro используется, чтобы охарактеризовать специфическую адсорбцию, распределение, метаболизм и экскрецию (АРМЭ) лекарств или общих химических веществ внутри живого организма. Например, эксперименты с клетками Сасо-2 помогут оценить поглощение соединений через слизистую оболочку желудочно-кишечного тракта. Можно определить разделение соединений между органами для изучения механизмов распределения. Суспензия или культура в чашке первичных гепатоцитов или гепатоцит-подобных клеточных линий (HepG2, HepaRG) может быть использована для изучения и количественного определения метаболизма химических веществ. Эти параметры процессов АРМЭ затем можно интегрировать в так называемые «фармакокинетические модели на физиологической основе» или ФМФО.

Видео об исследованиях in vitro

Преимущества in vitro

Исследования in vitro позволяют проводить видоспецифичный, более простой, удобный и подробный анализ, по сравнению с анализом всего организма. Подобно тому, как исследования на целых животных все больше заменяют испытания на людях, исследования in vitro замещают исследования на целых животных.

Простота

Живые организмы представляются чрезвычайно сложными функциональными системами, образованными десятками тысяч генов, молекул белков и РНК, неорганических ионов малых органических соединений и комплексов. Среда, в которой они находятся, пространственно организована мембранами, а в многоклеточных организмах за это отвечают органы и системы. Эти мириады компоненты взаимодействуют между собой и со средой для обработки пищи, удаления отходов, перемещения компонентов в нужное место и реакции на сигнальные молекулы, свет, другие организмы, тепло, звук, вкус, баланс и осязание.

Эта сложность затрудняет определение взаимосвязей между отдельными компонентами, а также изучение основных биологических функций. Работы в пробирке упрощают исследуемую систему, поэтому исследователь может сосредоточиться на небольшом числе компонентов.

Например, идентификация белков иммунной системы (таких как антитела) и механизма, с помощью которого они распознают и связываются с чужеродными антигенами, оставалась бы неясной. Однако расширенное использование работ в пробирке позволило выделить белки, идентифицировать производящие их клетки и гены, исследовать физические особенности взаимодействия с антигенами. К тому же, так удалось определить, каким образом это взаимодействие приводит к клеточным сигналам, активирующим прочие компоненты иммунной системы.

Специфичность видов

Еще одним преимуществом методов in vitro является то, что клетки человека могут быть изучены без «экстраполяции» от клеточной реакции экспериментального животного.

Удобство, автоматизация

Методы in vitro могут быть миниатюрными и автоматизированными, что дает методы скрининга с высокой пропускной способностью для тестирования молекул в токсикологии или фармакологии.

Недостатки

Основным отрицательным моментом экспериментальных исследований в пробирке является то, что сложно экстраполировать результаты работы обратно к биологии нетронутого организма. Чтобы избежать чрезмерной интерпретации результатов, исследователи, проводящие работы in vitro, должны быть осторожными. Это может привести к ошибочным выводам о биологии организма и системы.

Например, ученые, занятые разработкой нового вирусного препарата для лечения инфекции патогенным вирусом (например, ВИЧ-1), могут прийти к заключению, что потенциальное лекарственное средство служит для предупреждения репликации вируса в пробирке (обычно в клеточной культуре). Однако перед использованием препарата в клинических условиях ему предстоит пройти серию испытаний in vivo, чтобы определить степень безопасности и эффективности у нетронутых организмов (как правило, последовательно на мелких животных, приматах и человеке). Как правило, большинство препаратов-кандидатов, эффективных в пробирке, не эффективны в естественных условиях из-за проблем с доставкой лекарственного средства в пораженные ткани, токсичности по отношению к важным частям организма, которые не были отражены в первоначальных исследованиях in vitro , или других проблем.

Экстраполяция in vitro в in vivo (IVIVE)

Результаты, полученные в экспериментах в пробирке, обычно нельзя трансформировать, чтобы прогнозировать реакцию всего организма в естественных условиях. Поэтому чрезвычайно важна разработка последовательной и надежной процедуры экстраполяции из результатов in vitro в in vivo. В целом были приняты два решения:

  • Увеличение сложности систем in vitro для воспроизводства тканей и взаимодействия между ними (как в системах «человек на чипе»).
  • Использование математического моделирования для численного моделирования поведения сложной системы, где данные в пробирке обеспечивают значения параметров модели.

Эти два подхода не являются несовместимыми: улучшенные системы in vitro обеспечат более точные данные для математических моделей. С другой стороны, все более изощренные эксперименты в пробирке собирают все более многочисленные, сложные и перспективные данные для интеграции. Здесь нужны математические модели, такие как в системной биологии.

Экстраполяция в фармакологии

В фармакологии исследования IVIVE могут быть использованы для аппроксимации фармакокинетики (ФК) или фармакодинамики (ФД). Поскольку время и интенсивность воздействия на данную цель зависят от времени концентрации курса потенциального лекарственного средства (родственная молекула или метаболиты) в участок-мишень, чувствительность тканей и органов в естественных условиях может быть совершенно другой или даже обратной той, что наблюдается на культивируемых клетках in vitro. Это указывает на то, что эффекты экстраполяции, наблюдаемые в пробирке, нуждаются в количественной модели ФК в естественных условиях. Принято считать, что ФК модели на физиологической основе (ФМФО) играют центральную роль в экстраполяции.

В случае ранних эффектов или эффектов без межклеточных связей предполагается, что та же самая концентрация клеточной экспозиции вызывает такие же эффекты в качественном и количественном выражении, в пробирке и в естественных условиях. В этой ситуации достаточно разработать простую ФД-модель взаимосвязи дозы-реакции, наблюдаемой в пробирке, и транспонировать без изменения, чтобы предсказать эффекты в естественных условиях.