Trong ống nghiệm

Trong ống nghiệm (từ Latinh, có nghĩa là 'trong ống nghiệm') đề cập đến việc nghiên cứu vi sinh vật, tế bào, hoặc phân tử sinh học trong môi trường khác với điều kiện tự nhiên của chúng, thường được gọi là 'thí nghiệm trong ống nghiệm'. Những nghiên cứu này sử dụng thiết bị phòng thí nghiệm như ống nghiệm, bình, đĩa Petri, và các đĩa vi tinh thể, và áp dụng cho các mô từ một sinh vật tách biệt khỏi môi trường tự nhiên. Phương pháp này cho phép phân tích chi tiết hơn hoặc thuận tiện hơn so với các sinh vật khác. Tuy nhiên, kết quả từ thí nghiệm trong ống nghiệm có thể không phản ánh chính xác tác động trên toàn bộ cơ thể.

Khác với thí nghiệm trong ống nghiệm, nghiên cứu 'in vivo' hoặc nhân bản vô tính ngoài phòng thí nghiệm bao gồm việc nghiên cứu trên động vật, con người và toàn bộ thực vật. Trong khi đó, ex vivo là phương pháp nghiên cứu trên các bộ phận hoặc cơ quan lấy ra từ sinh vật nhưng vẫn duy trì hoạt động như trong cơ thể sống.

Khái niệm

Các nghiên cứu in vitro (từ Latinh: in glass; thường không in nghiêng trong tiếng Anh) được thực hiện bằng cách sử dụng các thành phần của một sinh vật đã tách biệt khỏi môi trường sinh học bình thường của chúng, chẳng hạn như vi sinh vật, tế bào, hoặc phân tử sinh học. Ví dụ, các vi sinh vật hoặc tế bào có thể được nghiên cứu trong môi trường nuôi cấy nhân tạo, và protein có thể được thử nghiệm trong các dung dịch. Hiện nay, phương pháp này bao gồm toàn bộ các kỹ thuật trong sinh học phân tử, như omics.

Ngược lại, các nghiên cứu được thực hiện trong sinh vật sống (vi sinh vật, động vật, người hoặc thực vật) được gọi là in vivo.

Ví dụ

Ví dụ về nghiên cứu in vitro bao gồm: tách biệt, phát triển và nhận diện các tế bào từ các sinh vật đa bào (nuôi cấy tế bào); các thành phần của tế bào (như ty thể hoặc ribosome); chiết xuất tế bào hoặc dưới tế bào (như chiết xuất mầm lúa mì hoặc tế bào lưới); tinh sạch các phân tử như protein, DNA hoặc RNA; và sản xuất công nghiệp như thuốc kháng sinh và các sản phẩm dược phẩm khác. Virus, chỉ tái tạo trong tế bào sống, được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm bằng cách nuôi cấy tế bào hoặc mô. Nhiều nhà nghiên cứu virus tham khảo nghiên cứu in vitro để phân biệt với nghiên cứu in vivo trên toàn bộ sinh vật.

• Phản ứng chuỗi polymerase là phương pháp nhân rộng chọn lọc các chuỗi DNA và RNA trong ống nghiệm.
• Tinh sạch và sàng lọc protein bao gồm việc tách biệt một protein đặc biệt từ hỗn hợp protein, thường từ tế bào hoặc mô đã đồng nhất.
• Thụ tinh trong ống nghiệm cho phép tinh trùng thụ tinh trứng trong môi trường nuôi cấy trước khi cấy phôi vào tử cung của người mẹ tương lai.
• Các xét nghiệm in vitro là loạt xét nghiệm trong phòng thí nghiệm y tế và thú y để chẩn đoán bệnh và theo dõi tình trạng lâm sàng của bệnh nhân qua mẫu máu, tế bào hoặc mô lấy từ bệnh nhân.
• Thí nghiệm trong ống nghiệm đã được sử dụng để mô tả các quá trình hấp thu, phân phối, trao đổi chất, và bài tiết chất gây nghiện hoặc hóa chất trong cơ thể sống; Ví dụ, các thí nghiệm tế bào Caco-2 có thể ước lượng sự hấp thu hợp chất qua niêm mạc đường tiêu hóa, phân vùng các hợp chất giữa các cơ quan để nghiên cứu cơ chế phân phối; có thể sử dụng nuôi cấy tế bào gan nguyên phát hoặc tế bào tương tự gan (HepG2, HepaRG) để nghiên cứu và định lượng hóa sự trao đổi chất. Các thông số ADME sau đó có thể được tích hợp vào 'mô hình dược động học dựa trên sinh lý học' hoặc PBPK.

Lợi ích

Nghiên cứu in vitro cho phép phân tích chi tiết và chính xác hơn, đơn giản hơn và thuận tiện hơn so với việc nghiên cứu trên toàn bộ cơ thể. Giống như cách các nghiên cứu trên động vật đang dần thay thế thí nghiệm trên người, nghiên cứu in vitro cũng đang dần thay thế thí nghiệm trên toàn bộ động vật.

Đặc điểm đơn giản

Sinh vật sống là những hệ thống chức năng phức tạp, bao gồm hàng chục ngàn gen, các phân tử protein, RNA, hợp chất hữu cơ nhỏ, ion vô cơ, và các phức hợp trong môi trường không gian được tổ chức bởi màng. Đối với sinh vật đa bào, còn có hệ thống cơ quan. Các thành phần này tương tác với nhau và với môi trường xung quanh để thực hiện các chức năng như tiêu hóa thức ăn, loại bỏ chất thải, vận chuyển chất đến nơi cần thiết, phản ứng với các phân tử báo hiệu, sinh vật khác, ánh sáng, âm thanh, nhiệt, hương vị, và cảm giác.

Sự phức tạp này tạo ra thách thức trong việc xác định các tương tác giữa các thành phần riêng lẻ và hiểu rõ các chức năng sinh học cơ bản của chúng. Phương pháp nghiên cứu in vitro giúp đơn giản hóa hệ thống nghiên cứu, cho phép nhà nghiên cứu tập trung vào một số thành phần cụ thể.

Chẳng hạn, việc xác định các protein của hệ miễn dịch (như kháng thể) và cơ chế nhận biết và liên kết với các kháng nguyên bên ngoài sẽ vẫn còn rất mơ hồ nếu không có công trình in vitro để tách biệt các protein, xác định tế bào và gen sản xuất chúng, nghiên cứu các tính chất vật lý của sự tương tác với kháng nguyên, và làm rõ cách những tương tác này dẫn đến tín hiệu của tế bào, kích hoạt các thành phần khác của hệ miễn dịch.

Đặc điểm loài

Một lợi ích khác của phương pháp in vitro là nghiên cứu tế bào người có thể thực hiện mà không cần 'dự đoán' từ phản ứng của tế bào động vật thí nghiệm.

Tiện lợi và tự động hóa

Các phương pháp in vitro có thể được tối ưu hóa và tự động hóa, cung cấp các kỹ thuật sàng lọc hiệu quả để kiểm tra các phân tử trong dược lý học hoặc độc tính.

Hạn chế

Một trong những nhược điểm chính của nghiên cứu in vitro là khó khăn trong việc chuyển kết quả từ môi trường nghiên cứu trở lại với sinh học cơ thể toàn diện. Các nhà nghiên cứu thực hiện thí nghiệm in vitro cần cẩn thận không giải thích quá mức các kết quả, vì điều này có thể dẫn đến các kết luận không chính xác về hệ thống sinh học và sinh vật.

Chẳng hạn, khi các nhà khoa học phát triển một loại virus mới để điều trị nhiễm trùng (như HIV-1), họ có thể thấy một loại thuốc thử nghiệm có khả năng ngăn ngừa sự nhân lên của virus trong môi trường in vitro (như nuôi cấy tế bào). Tuy nhiên, trước khi thuốc này được áp dụng rộng rãi, nó cần phải trải qua nhiều thử nghiệm 'in vivo' để xác định tính an toàn và hiệu quả trên các cá thể sống (thường qua các giai đoạn thử nghiệm trên động vật nhỏ, linh trưởng, và cuối cùng là con người). Thông thường, nhiều thuốc hiệu quả trong ống nghiệm lại không có tác dụng khi thử nghiệm 'in vivo' do các vấn đề như phân phối thuốc đến mô bị ảnh hưởng, độc tính đối với các cơ quan thiết yếu không được thể hiện trong nghiên cứu in vitro, hoặc các vấn đề khác.

In vitro và khả năng ngoại suy sang in vivo

Kết quả từ các thí nghiệm in vitro thường không thể dễ dàng chuyển sang dự đoán phản ứng của toàn bộ sinh vật trong in vivo. Việc xây dựng một phương pháp ngoại suy đáng tin cậy và nhất quán từ kết quả in vitro sang in vivo là rất quan trọng. Các giải pháp có thể bao gồm:

• Nâng cao độ phức tạp của các hệ thống in vitro để tái tạo các mô và sự tương tác giữa chúng (như hệ thống chip trong người)
• Áp dụng mô hình toán học để mô phỏng hành vi của hệ thống phức tạp, trong đó dữ liệu in vitro cung cấp các giá trị tham số cho mô hình

Hai cách tiếp cận này không hoàn toàn tương thích; các hệ thống in vitro có thể cung cấp dữ liệu tốt hơn cho các mô hình toán học. Tuy nhiên, các thí nghiệm in vitro ngày càng tinh vi và thu thập dữ liệu ngày càng phức tạp, điều này tạo ra thách thức trong việc tích hợp. Các mô hình toán học, như mô hình sinh học hệ thống, đóng vai trò rất quan trọng ở đây.

Khả năng ngoại suy trong dược lý

Trong dược lý học, IVIVE có thể được áp dụng để ước tính dược động học (PK) hoặc dược lực học (PD). Do thời gian và cường độ tác động lên một mục tiêu cụ thể phụ thuộc vào sự tập trung của thuốc (phân tử gốc hoặc chất chuyển hóa) tại vị trí đó, sự nhạy cảm của mô và cơ quan trong in vivo có thể hoàn toàn khác với quan sát trên các tế bào nuôi cấy và thí nghiệm in vitro. Điều này cho thấy rằng các hiệu ứng quan sát trong in vitro cần được mô hình hóa định lượng để phản ánh chính xác PK in vivo. Các mô hình PK dựa trên sinh lý (PBPK) thường được công nhận là trung tâm của việc ngoại suy.

Khi có tác dụng nhanh hoặc khi các tế bào không giao tiếp với nhau, nồng độ tiếp xúc giống nhau giữa các tế bào được coi là gây ra các hiệu ứng tương tự cả về chất lượng lẫn số lượng, cho cả in vitro và in vivo. Trong những tình huống này, việc xây dựng một mô hình dược lực học đơn giản từ mối quan hệ đáp ứng liều lượng quan sát được trong in vitro và áp dụng nó mà không thay đổi để dự đoán hiệu ứng in vivo có thể không đủ chính xác.

• Thí nghiệm trên động vật
• Ex vivo
• In situ
• In utero
• In vivo
• In silico
• In papyro
• In natura
• Thụ tinh trong ống nghiệm
• In Vitro Cellular & Developmental Biology - Động vật
• In Vitro Cellular & Developmental Biology - Thực vật
• Chuẩn bị lát cắt