시험관내

In vitro
이 기사는 과학 실험의 종류에 관한 것입니다.기타 용도는 시험관내(동음이의)를 참조하십시오.
시험관내 복제식물

시험관내(유리 또는 유리에서 의미) 연구는 정상적인 생물학적 맥락 밖에서 미생물, 세포 또는 생물학적 분자와 함께 수행됩니다.구어적으로 "시험관 실험"이라고 불리는 생물학과 그 하위 분야의 연구들은 전통적으로 시험관, 플라스크, 페트리 접시, 마이크로타이터 접시와 같은 실험도구에서 행해집니다.일반적인 생물학적 환경으로부터 격리된 유기체의 구성 요소를 사용하여 수행된 연구는 전체 유기체에 대해 수행될 수 있는 것보다 더 상세하거나 더 편리한 분석을 허용합니다. 그러나 체외 실험에서 얻은 결과는 전체 유기체에 대한 효과를 완전히 또는 정확하게 예측하지 못할 수 있습니다.체외 실험과 대조적으로, 생체 내 연구는 임상 실험으로 알려진 인간과 식물 전체를 포함한 살아있는 생물체에서 수행되는 연구입니다.[1][2]

정의.

in vitro (라틴어: 유리로; 종종 영어 용법으로[3][4][5] 이탤릭체로 표기되지 않음) 연구는 미생물, 세포 또는 생물 분자와 같은 일상적인 생물학적 환경으로부터 격리된 유기체의 구성 요소를 사용하여 수행됩니다.예를 들어, 미생물이나 세포는 인공 배양 배지에서 연구될 수 있고, 단백질은 용액에서 검사될 수 있습니다.구어적으로 "시험관 실험"이라고 불리는 생물학, 의학 및 그 하위 분야의 연구는 전통적으로 시험관, 플라스크, 페트리 접시 등에서 수행됩니다.[6][7]그것들은 이제 오믹스와 같은 분자생물학에서 사용되는 모든 범위의 기술을 포함합니다.[8]

이와 대조적으로, 생물체(미생물, 동물, 인간 또는 식물 전체)에서 수행되는 연구는 생체 내 연구라고 불립니다.[9]

예

시험관내 연구들의 예들은 다음을 포함합니다: 다세포 유기체로부터 유도된 세포의 분리, 성장 및 식별; 세포하 성분 (예를 들어, 미토콘드리아 또는 리보솜); 세포 또는 세포하 추출물 (예를 들어, 밀 세균 또는 망상 세포 추출물); 정제된 분자 (단백질, DNA,또는 RNA); 및 항생제 및 기타 의약품의 상업적 생산.[10][11][12][13]살아있는 세포에서만 복제되는 바이러스는 실험실에서 세포나 조직 배양을 통해 연구되며, 많은 동물 바이러스학자들은 이러한 작업을 동물 전체의 생체 내 작업과 구별하기 위해 시험관 내 작업이라고 말합니다.[14][15]

  • 중합효소 연쇄반응은 시험관에서 특정 DNA와 RNA 서열의 선택적 복제를 위한 방법입니다.[16]
  • 단백질 정화는 종종 균질화된 세포나 조직으로부터 얻은 단백질의 복잡한 혼합물로부터 관심있는 특정 단백질의 분리를 포함합니다.[17]
  • 체외 수정은 정자가 배양 접시에서 난자를 수정하도록 허용하는 데 사용되며, 그 결과 배아 또는 배아를 예비 엄마의 자궁에 이식합니다.[18]
  • 체외진단은 환자로부터 얻은 혈액, 세포 또는 기타 조직의 샘플을 사용하여 질병을 진단하고 환자의 임상 상태를 감시하는 데 사용되는 광범위한 의학 및 수의 실험실 테스트를 말합니다.[19]
  • 시험관내 시험은 살아있는 유기체 내부의 약물 또는 일반 화학물질의 특정 흡착, 분포, 대사 및 배설 과정을 특성화하기 위해 사용되어 왔습니다; 예를 들어, Caco-2 세포 실험은 위장관의 라이닝(lining)을 통해 화합물의 흡수를 추정하기 위해 수행될 수 있습니다.[20]장기간 화합물의 분할은 분배 메커니즘을 연구하기 위해 결정될 수 있습니다;[21] 원발성 간세포 또는 간세포 유사 세포주(HepG2, HepaRG)의 현탁 또는 도금 배양은 화학물질의 대사를 연구하고 정량화하는 데 사용될 수 있습니다.[22]이러한 ADME 프로세스 파라미터는 소위 "생리학적 기반 약동학적 모델" 또는 PBPK로 통합될 수 있습니다.

이점

시험관 내 연구는 생물 전체를 대상으로 할 수 있는 것보다 종에 특화된, 더 간단하고, 더 편리하고, 더 상세한 분석을 가능하게 합니다.전체 동물에 대한 연구가 점점 더 인간의 실험을 대체하듯이, 체외 연구도 전체 동물에 대한 연구를 대체합니다.

심플리시

생물체는 세포막에 의해 공간적으로 조직된 환경에서 최소한 수만 개의 유전자, 단백질 분자, RNA 분자,[23][24] 작은 유기 화합물, 무기 이온, 복합체 등으로 구성된 극도로 복잡한 기능계입니다.이러한 무수히 많은 구성 요소들은 음식을 처리하고, 쓰레기를 제거하고, 구성 요소를 정확한 위치로 옮기고, 분자, 다른 유기체, 빛, 소리, 열, 맛, 촉각, 균형을 나타내는 신호에 반응하는 방식으로 서로 및 환경과 상호 작용합니다.

체외 세포 포유 동물 노출 모듈 "흡연 로봇"의 상단도, (뚜껑을 제거한) 담배 연기에 노출될 세포 배양 삽입물을 위한 분리된 4개의 웰 또는 그 효과를 체외 연구하기 위한 에어로졸의 도면

이러한 복잡성으로 인해 개별 구성 요소 간의 상호 작용을 식별하고 기본적인 생물학적 기능을 탐구하기가 어렵습니다.체외 작업은 연구 중인 시스템을 단순화하기 때문에 조사자는 소수의 구성 요소에 집중할 수 있습니다.[25][26]

예를 들어, 단백질을 분리하고, 그것들을 생산하는 세포와 유전자를 확인하고, 그들과 상호작용의 물리적 특성을 연구하기 위한 시험관내 작업의 광범위한 사용이 아니라면, 면역계의 단백질의 정체성(예를 들어, 항체), 그리고 그것들이 외래 항원에 인식하고 결합하는 메커니즘은 매우 모호하게 남아있을 것입니다.항원, 그리고 그러한 상호작용이 어떻게 면역체계의 다른 구성요소들을 활성화하는 세포 신호로 이어지는지를 확인합니다.

종별특이성

시험관 내 방법의 또 다른 장점은 실험동물의 세포 반응으로부터 "외삽" 없이 인간 세포를 연구할 수 있다는 것입니다.[27][28][29]

편리성, 자동화

시험관 내 방법은 소형화 및 자동화될 수 있으므로 약리학 또는 독성학의 분자를 테스트하기 위한 높은 처리량의 스크리닝 방법이 산출됩니다.[30]

단점들

시험관 내 실험 연구의 주된 단점은 시험관 내 작업의 결과로부터 온전한 유기체의 생물학으로 다시 추정하는 것이 어려울 수 있다는 것입니다.시험관 내 연구를 수행하는 연구자들은 유기체와 시스템 생물학에 대한 잘못된 결론으로 이어질 수 있는 그들의 결과에 대한 과도한 해석을 피하기 위해 주의해야 합니다.[31][32]

예를 들어, 병원성 바이러스(예를 들어, HIV-1) 감염을 치료하기 위한 새로운 바이러스 약물을 개발하는 과학자들은 시험관 내 환경(일반적으로 세포 배양)에서 바이러스 복제를 방지하는 기능을 하는 후보 약물을 발견할 수 있습니다.그러나, 이 약이 임상에서 사용되기 전에, 그것이 온전한 유기체(일반적으로 작은 동물, 영장류, 그리고 연속적으로 인간)에서 안전하고 효과적인지를 결정하기 위한 일련의 생체 내 시험을 통해 진행되어야 합니다.일반적으로, 체외에서 효과적인 대부분의 후보 약물은 영향을 받는 조직으로의 약물 전달과 관련된 문제, 초기 체외 연구에서 나타나지 않았던 유기체의 필수적인 부분에 대한 독성 또는 다른 문제로 인해 생체 내에서 효과적이지 않음을 증명합니다.[33]

시험관내 배터리

동물 실험을 줄이는 데 도움이 될 수 있는 방법은 여러 개의 시험관 내 배터리를 사용하는 것입니다. 여러 개의 시험관 내 검사가 여러 개의 엔드포인트를 포함하도록 컴파일됩니다.발달성 신경독성과 생식 독성 내에서 테스트 배터리가 어떤 화학물질을 위해 어떤 순서로 위험을 평가할 것인지 우선순위를 정하는 쉬운 선별 방법이 될 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.[34][35][36][37]생태독성학 내 시험 배터리는 규제 목적 및 화학물질의 독성학적 평가를 위해 이미 사용되고 있습니다.[38]시험관내 시험은 예를 들어 의약품 시험을 위한 시험관내 시험 배터리를 만들기 위해 시험관내 시험과 결합될 수도 있습니다.[39]

체외에서 생체 내 외삽법

주요 기사:체외에서 생체 내 외삽법

체외 실험에서 얻은 결과는 생체 내에서 전체 유기체의 반응을 예측하는 것처럼 일반적으로 전치될 수 없습니다.따라서 시험관 내 결과에서 생체 내 결과에 이르기까지 일관되고 신뢰할 수 있는 외삽 절차를 구축하는 것이 매우 중요합니다.솔루션은 다음과 같습니다.

  • 조직과 조직 사이의 상호 작용을 재현하기 위한 시험관 내 시스템의 복잡성 증가 ("인간 온 칩" 시스템에서와 같이)[40]
  • 수학적 모델링을 사용하여 복잡한 시스템의 동작을 수치적으로 시뮬레이션합니다. 여기서 체외 데이터는 모델 파라미터 값을[41] 제공합니다.

이 두 가지 접근 방식은 양립할 수 없습니다. 시험관 내 시스템이 수학적 모델에 더 나은 데이터를 제공합니다.그러나 점점 더 정교한 체외 실험은 점점 더 많은, 복잡하고 어려운 데이터를 수집하여 통합합니다.시스템 생물학 모델과 같은 수학적 모델이 여기서 많이 필요합니다.[42]

약리학에서 외삽

약리학에서, IVIE는 약동학(PK) 또는 약동학(PD)의 근사치에 사용될 수 있습니다.[citation needed] 주어진 표적에 대한 효과의 타이밍 및 강도는 그 표적 부위에서 후보 약물(모분자 또는 대사물질)의 농도 시간 코스에 의존하기 때문에,생체내 조직과 장기 민감도는 완전히 다르거나 심지어 체외에서 배양되고 노출되는 세포에서 관찰되는 것과 반대일 수 있습니다.이는 체외에서 관찰되는 외삽 효과가 생체 내 PK의 정량적 모델이 필요하다는 것을 나타냅니다.생리학적 기반 PK(PBPK) 모델은 일반적으로 외삽의 중심으로 받아들여집니다.[43]

초기 효과의 경우 또는 세포간 통신이 없는 경우, 동일한 세포 노출 농도가 질적 및 정량적, 시험관 내 및 생체 내에서 동일한 효과를 유발하는 것으로 가정됩니다.이러한 조건에서 시험관 내에서 관찰된 선량-반응 관계의 단순한 PD 모델을 개발하고 생체 내 효과를 예측하기 위해 변화 없이 이를 전치시키는 것은 충분하지 않습니다.[44]

참고 항목

참고문헌

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외부 링크

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  • Wikimedia Commons의 체외 관련 매체