In vivo — in vitro — in silico
In vivo — in vitro — in silico
Кремний (Si), химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; атомный номер 14, атомная масса 28,086. Кремний — полупроводник, нашедший широкое применение в электронике для изготовления элементов полупроводниковых схем (от простейших транзисторов до сверхбыстрых современных процессоров).
Автор
Редакторы
Статья является введением к теме «Сухая биология» — в ней раскрывается смысл понятия in silico, а так же обсуждается его взаимосвязь с такими устоявшимися терминами как in vivo и in vitro.
Открывая этот новый раздел, хочется сказать несколько вводных слов, так как у большинства читателей наверняка может возникнуть вопрос: «что такое „in silico“?».
За последние несколько десятилетий развитие компьютерной техники достигло небывалых размахов. И как следствие компьютеризация захватила многие отрасли науки и техники. Биология также не является исключением. Если раньше компьютер рассматривался лишь как средство обработки экспериментальных данных, характер которых мог быть чрезвычайно разнообразным, от статистических исследований численности популяций, до обработки данных рентгеноструктурного анализа, то со временем стала развиваться идея полностью компьютерного эксперимента. Теперь компьютер стал рассматриваться как среда проведения эксперимента, т.е. имея на входе определенные исходные параметры, мы можем получить некие результаты моделирования, описывающие поведение исследуемой нами системы. Для обозначения всего, что связано с компьютерными экспериментами, в 90-е годы XX века даже возник полушутливый латинизм — in silico (от in silicon, т.е. «в кремнии» — подробнее см. 1–2), который дополнил ряд уже имеющихся еще с конца позапрошлого столетия классических определения характера экспериментальной среды — in vivo («вживую» — т.е. непосредственно в биологической системе), in vitro («в стекле», то есть в среде искусственно созданной — в пробирке), см. рис. 1. Термины in vivo и in vitro хорошо прижились среди экспериментаторов, однако смысл их использования достаточно относителен. Так, под in vivo молекулярный биолог, изучающий аспекты синтеза белка, может подразумевать колонию искусственно выращенных клеток, а под in vitro — систему бесклеточного синтеза в пробирке. При этом, для физиолога, изучающего механизмы проведения нервного импульса, in vivo — это целый организм, а in vitro — культура нервной ткани. В свою очередь, подход in silico также многоуровневый и включает в себя задачи по моделированию поведения отдельных молекул, биохимических процессов и даже функционированию отдельных физиологических систем.
Рисунок 1. Многоуровневый подход в изучении биологических систем: in vivo — т.е. в живом объекте (а), in vitro — т.е. в искусственно смоделированной среде (б), in silico — т.е. в полностью смоделированной на компьютере биологической системе (в).
Учитывая тематику нашего сайта, в разделе «Сухая биология» мы будем помещать материалы, в основном посвященные современным методам молекулярного моделирования. Молекулярное моделирование — это один из аспектов понятия in silico, который представляет из себя набор вычислительных методов, позволяющих с разной степенью физичности на атомарном уровне изучать молекулярные системы разной сложности. Методы молекулярного моделирования можно разбить на определенные группы, которые объединяют различные подходы, позволяющие решать задачи разного характера. К первой такой группе можно отнести все методики анализа биологических текстов (аминокислотных и нуклеотидных последовательностей), а также работу с соответствующими базами данных — ныне эта область получила специальное определение — биоинформатика. Следующая группа методов объединяет методики изучения эволюции молекулярных систем с использование эмпирических силовых полей. Набор подходов, позволяющих определять пространственную структуру белковых молекул, учитывая имеющиеся структурные шаблоны белков с гомологичными аминокислотными последовательностями, получил название моделирование на основании гомологии. Наконец, специальные подходы, позволяющие изучать взаимодействия типа лиганд-рецептор или фермент-субстрат, относятся к области молекулярного докинга. Обо всем этом вы узнаете подробнее на страницах раздела «Сухая биология».
In vitro и In vivo: в чем разница
В медицинских статьях, описывающих те или иные исследования, часто употребляются два похожих термина – «in vitro» и «in vivo». Разберемся подробнее, что же они означают.
Термин «in vitro» переводится как « в стекле» и означает, что эксперименты проводятся вне живого организма. Термин «in vivo» в переводе звучит как «в жизни», соответственно, эксперимент проходит в естественных условиях. В целом же обе эти методики помогают ученым больше узнать о болезнях и разнообразных процессах, происходящих в живом организме.
In vitro
Итак, тестирование «in vitro» чаще всего происходит в условиях лаборатории и подразумевает изучение микроорганизмов, клеток животных или человека в определенной культуре. Эта методика помогает оценивать процессы, происходящие в конкретных клетках без целого ряда отвлекающих факторов, присущих живому организму.
Это довольно простая методика, и она позволяет изучать больше субъектов, чем при экспериментах с участием людей и животных. Но самый главный недостаток таких исследований, что среда в чашке петри не может быть полностью схожа со средой живого организма.
Довольно часто тестирование «in vitro» применяют в ходе фармацевтических испытаний. Новые лекарства всегда проверяются таким образом перед началом клинических испытаний с участием добровольцев.
Кроме того, метод «in vitro» лежит в основе наиболее эффективного метода лечения бесплодия – ЭКО. При экстракорпоральном оплодотворении процесс соединения двух клеток проходит не внутри организма, а в специальной среде. И только потом получившийся эмбрион подсаживают в матку женщины.
In vivo
Исследования «in vivo» также популярны в фармакологической промышленности. В целом такие тесты – крайне важный аспект медицинских исследований. Главными тестами «in vivo» являются тесты на животных и клинические испытания.
В ходе экспериментов с участием животных ученые имеют возможность выявлять процессы, лежащие в основе разных болезней и патологий. Можно сказать, что такие тесты – промежуточный этап между тестированием «in vitro» и испытаниями на людях.
Клинические испытания на людях – чаще всего завершающий этап любого крупного исследования. Обычно они применяются в фармакологии при выводе на рынок нового препарата или вакцины.
Пытаемся разобраться в медицинских исследованиях: в чем разница между in vivo и in vitro
В эпоху информационного шума и огромного количества тревожных новостейж всегла лучше обращаться к первоисточнику. Начнем с азов: эти два термина звучат очень похоже, их часто путают. Но смысловое значение существенно различается (это на самом деле важно знать).
Исследования в науке и медицине
Для того, чтобы запустить в массовое производство различные препараты – косметические, лекарственные или БАДы, они должны пройти ряд испытаний, которые подтвердят эффективность и безопасность этих средств. Тогда и проводится серия экспериментов с приставкой in vitro и in vivo. Слова во многом похожи, однако между ними есть очень большая разница. Они обозначают совершенно разные виды испытаний. Разберемся с этими понятиями на примере косметических средств и испытаний лекарств, вакцин.
Исследования in vitro и in vivo, а также некоторые другие, проводятся в отношении эффективности косметических продуктов для жирной или сухой кожи, увлажнения, старения кожи, пигментации, роста волос и т. д. Также они изучают безопасность и эффективность определенных лекарств или добавок.
В чем разница между методами тестирования in vitro и in vivo
Эти эксперименты обычно проводятся в рамках клинических исследований, испытаний новых препаратов, косметических компонентов, биодобавок и различных возбудителей инфекций (вирусы, грибки или бактерии), вакцин или сывороток против них. Научные эксперименты «в пробирках» и на живых объектах необходимы для расширения объема знаний о различных заболеваниях, методах их лечения, работе организма, влиянии на него тех или иных составов. Также эти виды экспериментов применяются для новых научных открытий, проверки теоретических гипотез на практике. Использовать могут как один из методов, так и оба сразу.
Что такое методы тестирования in vitro и ex vivo
Сегодня косметическим брендам доступно множество методов тестирования, которые хотят проверить свои продукты на безопасность, охарактеризовать их эффективность и активные ингредиенты, начать исследования и разработку новых рецептур.
In vitro включает эксперименты с биологическим веществом (клетками или тканями) вне живого организма. Эксперименты in vitro действительно проводятся в стекле – на чашке Петри или внутри пробирки, хотя сегодня им на смену приходят и современные пробирки из пластика или иных материалов.
Одна из особенностей тестирования in vitro заключается в том, что определенная линия клеток (например, кератиноциты, фибробласты или меланоциты – все это клетки кожи) выделяется, отделяется и очищается от их обычного биологического окружения. Это позволяет проводить более подробный клеточный и молекулярный анализ и оценку реакций клеток по сравнению с использованием в рамках всего организма. Кроме того, изолированные клетки, как правило, при правильных условиях можно подращивать и делить, чтобы получить запас и партии для будущего повторного использования.
Эксперименты in vitro можно проводить на широком круге подопытных объектов, от бактерий и вирусов до клеток, полученных из живых организмов. Благодаря современной науке, сейчас доступны все более сложные модели in vitro.
Тестирование косметики и лекарств in vitro и ex vivo
Исследования in vivo
Сходство in vivo и in vitro
Прежде всего, есть одно существенное сходство между in vivo и in vitro: это их цель. Как и во всех медицинских исследованиях, независимо от того, проводятся ли они in vitro или in vivo, цель всегда одна: лучше понять определенное заболевание и способы его лечения, а также расширить знания о различных функциях тела. Тем не менее, в этих исследованиях есть много различий, и зачастую эксперименты в лаборатории проводятся первыми, для того, чтобы убедиться в безопасности методики. Только после этого уже переходят к исследованиям на животных, а потом – на людях-добровольцах.
In vivo (лат. — буквально «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.
Ex vivo (лат. из жизни), означает «то, что происходит вне организма», то есть проведение экспериментов в живой ткани, перенесённой из организма в искусственную внешнюю среду. Наиболее распространённая техника ex vivo использует живые клетки или ткани, извлечённые из живого организма и выращенные (сохранённые) в стерильных лабораторных условиях в течение нескольких дней или недель. Такие клетки служат образцами поведения организма в целом, как следствие — сокращается потребность в экспериментах над животными и человеком. Эксперименты ex vivo, как правило, проводятся in vitro, однако два эти термина не являются синонимами.
In vitro (лат. «в стекле») — это технология выполнения экспериментов, когда опыты проводятся «в пробирке» — вне живого организма. В общем смысле этот термин противопоставляется термину in vivo — эксперимент на живом организме (на человеке или на животной модели). Многие эксперименты, имеющие отношение к молекулярной биологии, биохимии, фармакологии, медицине, генетике и др., проводятся вне организма, на культуре живых клеток или в бесклеточной модели.
Эксперименты in vitro, в тех случаях, когда альтернативой являются исследования на животных или человеке, считаются менее достоверными, чем in vivo и часто бывают лишь необходимой предварительной стадией для оценки возможности и необходимости последующих исследований in vivo. Однако они часто удешевляют предварительные стадии исследования и позволяют сохранить жизнь подопытных животных.
In silico — термин, обозначающий компьютерное моделирование (симуляцию) эксперимента, чаще биологического. Фраза была создана по аналогии с фразами in vivo (в живом организме) и in vitro (в пробирке), которые часто используются в биологии, и сама не является латинской.
IN VIVO vs IN VITRO: почему в Евросоюзе пока не рады российской косметике
В последнее время участились случаи, когда европейская компания или компания, располагающаяся на территории РФ, хочет сделать разрешительный документ для реализации косметической продукции. И у нее возникает вопрос о методе проводимых лабораторных исследований в России. Если в Европе полностью перешли на метод IN VITRO, то в РФ наблюдаются с этим небольшие сложности. Но начнем по порядку.
Лабораторные животные или белковые злаки
Сама по себе парфюмерно-косметическая продукция предполагает под собой различные методы испытания, но мы поговорим о двух из них — IN VIVO и IN VITRO.
Согласно техническому регламенту Таможенного союза 009/ 2011 (О безопасности косметической продукции) вся косметическая продукция должна пройти испытания по таким показателям безопасности, как:
Определение и оценка всех этих показателей проводится на лабораторных животных. И именно IN VIVO предполагает использование живой ткани при живом организме. То есть, тестирование на животных и клинические испытания являются методами исследования IN VIVO.
В качестве лабораторных животных используют следующие виды: морские свинки (альбиносы), кролики (альбиносы или светло-серой масти), белые крысы. Данные виды испытаний предполагают под собой исследования IN VIVO.
Альтернатива — метод IN VITRO, при котором исследование проводится в пробирке без использования (или вне) живого организма. Опыты в основном проводятся на белковых злаках, либо на искусственно выведенных в пробирке образцах.
Европейский заслон для российского экспорта
На данный момент в России использование животных для испытания образцов парфюмерно-косметической продукции разрешено. Хотя уже не раз в Госдуму вносили законопроект об использовании только альтернативного метода исследования — IN VITRO.
Если быть точнее, то законопроект вносился на рассмотрение депутатов в 2015 году, на следующий год попал в базу Госдумы, но был отклонен Роспотребнадзором. Причина: не было просчитано количество необходимых средств на переоборудование системы, а также затраты на новый штат сотрудников, которые будут следить за исполнением нового закона.
В странах Европейского союза уже с 2003 года начали заменять метод IN VIVO на IN VITRO — для прекращения тестирования косметической продукции на животных. С 2009 года запретили тестировать косметику и парфюмерию на животных ингредиентах.
С 11 марта 2013 года в ЕС запрещена для реализации косметическая продукция и ее ингредиенты, проходившие тесты на животных за пределами стран Евросоюза.
Таким образом, парфюмерно-косметическая продукция, которая проходила метод исследования IN VIVO, запрещена для реализации в странах Евросоюза. Для того, чтобы ввозить в ЕС косметику, нужно, что бы она проходила альтернативный метод исследования IN VITRO.
Поэтому для развития рынка косметической продукции не только в России, но и в Европе, РФ нужно переходить на альтернативные методы испытаний парфюмерии и косметики. Многие российские компании хотят выйти на европейский рынок, но не могут этого сделать, поскольку ни одна лаборатория на территории РФ не готова проводить испытания альтернативным методом. Несмотря на постоянные петиции правозащитников и организаций, которые пытаются бороться против испытаний на животных.
В качестве эпилога
В техническом регламенте Таможенного союза 009/2011 (О безопасности парфюмерно-косметической продукции), который вступил в силу 1 июля 2012 года, законодательно закреплена возможность проводить испытания альтернативными методами для того, чтобы найти компромисс между законодательством РФ и ЕС. Но опять же, не у каждой лаборатории есть оборудование для проведения испытаний методом IN VITRO, что усложняет выход России на рынок стран Евросоюза.
Подведем итоги: нужен полный переход на IN VITRO, либо любой другой альтернативный способ, не предусматривающий использования в испытаниях животных. И это позволит российским производителям косметики и парфюмерии выйти на рынок стран Европейского союза.
