試験管内

インビトロ（ガラス内、またはガラスの中）研究は、微生物、細胞、または生物学的分子を通常の生物学的環境の外で使用します。口語的に「試験管実験」と呼ばれるこれらの生物学およびそのサブ分野における研究は、伝統的に試験管、フラスコ、ペトリ皿、マイクロタイタープレートなどの実験器具で行われます。通常の生物学的環境から分離された生物の構成要素を使用して実施される研究は、生物全体で行うよりも詳細で便利な分析を可能にします。ただし、インビトロ実験から得られた結果は、生物全体への影響を完全にまたは正確に予測できない場合があります。インビトロ実験とは対照的に、インビボ研究は、臨床試験として知られるヒトや植物全体を含む生体で実施される研究です。 ^{[1] [2]}

インビトロ（ラテン語で「ガラスの中」という意味。英語ではイタリック体で書かれないことが多い^{[3] [4] [5]}）研究は、微生物、細胞、生体分子など、通常の生物学的環境から分離された生物の構成要素を使用して行われます。たとえば、微生物や細胞は人工培養培地で研究でき、タンパク質は溶液で調べることができます。口語的に「試験管実験」と呼ばれるこれらの生物学、医学、およびそのサブ分野における研究は、伝統的に試験管、フラスコ、ペトリ皿などで行われています^{[6] [7]現在では、}オミクスなど、分子生物学で使用されるあらゆる技術が使用されています^[8]

対照的に、生物（微生物、動物、人間、または植物全体）を対象に実施される研究はin vivoと呼ばれます。^[9]

インビトロ研究の例には、多細胞生物由来の細胞の分離、増殖、同定（細胞培養または組織培養）、細胞内成分（ミトコンドリアやリボソームなど）、細胞または細胞内抽出物（小麦胚芽や網状赤血球抽出物など）、精製分子（タンパク質、DNA、RNAなど）、抗生物質やその他の医薬品の商業生産などがある。^{[10] [11] [12] [13]}生きた細胞内でのみ複製するウイルスは、実験室で細胞培養または組織培養して研究され、多くの動物ウイルス学者は、そのような研究を動物全体を対象としたインビボ研究と区別するためにインビトロ研究と呼んでいる。[ 14 ] [ ^{15 ]}

• ポリメラーゼ連鎖反応は、試験管内で特定のDNAおよびRNA配列を選択的に複製する方法である。^[16]
• タンパク質の精製には、多くの場合均質化された細胞や組織から得られる複雑なタンパク質混合物から、目的の特定のタンパク質を分離することが含まれます。^[17]
• 体外受精は、培養皿の中で精子と卵子を受精させ、その受精卵を将来の母親の子宮に移植するために使用されます。 ^[18]
• 体外診断とは、患者から採取した血液、細胞、その他の組織のサンプルを使用して病気を診断し、患者の臨床状態を監視するために使用される幅広い医療および獣医学の臨床検査を指します。 ^[19]
• インビトロ試験は、生体内での薬物または一般的な化学物質の特定の吸着、分布、代謝、排泄プロセスを特徴付けるために使用されてきました。たとえば、Caco-2細胞実験は、消化管の内壁を介した化合物の吸収を推定するために実行できます。^[20]臓器間の化合物の分配は、分布メカニズムを研究するために決定できます。^[21]初代肝細胞または肝細胞様細胞株（Hep G2、HepaRG）の懸濁液または平板培養は、化学物質の代謝を研究および定量化するために使用できます。^[22]これらのADMEプロセスパラメータは、いわゆる「生理学に基づく薬物動態モデル」またはPBPKに統合できます。

試験管内研究は、生物全体で行うよりも、種に特化しており、より単純で、より便利で、より詳細な分析を可能にします。動物全体の研究が人間の臨床試験に取って代わるようになっているのと同様に、試験管内研究も動物全体の研究に取って代わっています。

生物は、膜によって空間的に組織化された環境（多細胞生物の場合は器官系）内の、少なくとも数万の遺伝子、タンパク質分子、RNA分子、小さな有機化合物、無機イオン、複合体から構成される極めて複雑な機能システムです。^{[23] [24]} これらの無数の構成要素は、食物を処理し、老廃物を除去し、構成要素を正しい場所に移動し、シグナル分子、他の生物、光、音、熱、味、触覚、バランスに反応するという方法で、互いに、また環境と相互作用します。

この複雑さにより、個々の成分間の相互作用を特定し、それらの基本的な生物学的機能を探ることが困難になります。in vitro研究は研究対象のシステムを単純化するため、研究者は少数の成分に焦点を当てることができます。^{[25] [26]}

たとえば、免疫系のタンパク質（抗体など）の正体や、タンパク質が外来抗原を認識して結合するメカニズムは、タンパク質を分離し、タンパク質を生成する細胞と遺伝子を特定し、抗原との相互作用の物理的特性を研究し、それらの相互作用が免疫系の他の構成要素を活性化する細胞シグナルにどのようにつながるかを特定するための 広範な試験管内研究が行われなければ、非常に不明瞭なままでしょう。

試験管内実験法のもう一つの利点は、実験動物の細胞反応から「外挿」することなくヒト細胞を研究できることである。^{[27] [28] [29]}

インビトロ法は小型化・自動化が可能で、薬理学や毒物学における分子の検査にハイスループットスクリーニング法をもたらす。^[30]

試験管内実験研究の主な欠点は、試験管内研究の結果をそのままの生物の生物学に外挿することが難しい場合があることである。試験管内研究を行う研究者は、結果の過剰解釈を避けるよう注意しなければならない。過剰解釈は生物やシステム生物学に関する誤った結論につながる可能性がある。^{[31] [32]}

たとえば、病原性ウイルス（HIV-1など）による感染症を治療するための新しいウイルス薬を開発している科学者は、候補薬が試験管内（通常は細胞培養）でウイルスの複製を防ぐ機能があることを発見するかもしれません。しかし、この薬が臨床で使用される前に、一連の生体内試験を経て、無傷の生物（通常は小動物、霊長類、そしてヒト）で安全かつ効果的であるかどうかを判断する必要があります。通常、試験管内で有効な候補薬のほとんどは、影響を受けた組織への薬の送達に関連する問題、最初の試験管内研究で示されなかった生物の重要な部分に対する毒性、またはその他の問題のために、生体内では無効であることが判明します。 [ 33 ^]

動物実験を減らすのに役立つ可能性がある方法は、複数のエンドポイントをカバーするために複数のin vitroアッセイをコンパイルしたin vitroバッテリーの使用です。発達神経毒性と生殖毒性では、どの化学物質をどの順序でリスク評価するかを優先順位付けするための簡単なスクリーニング方法となるテストバッテリーが期待されています。^{[34] [35] [36] [37]}生態毒性学では、in vitroテストバッテリーは規制目的と化学物質の毒性評価にすでに使用されています。^[38] in vitroテストをin vivoテストと組み合わせて、たとえば医薬品テスト用のin vitro in vivoテストバッテリーを作成することもできます。^[39]

通常、 in vitro実験から得られた結果をそのまま転用して、in vivoでの生物全体の反応を予測することはできません。したがって、 in vitro の結果からin vivoへの一貫した信頼性の高い外挿手順を構築することが非常に重要です。解決策には次のものがあります。

• 組織と組織間の相互作用を再現するためのin vitroシステムの複雑さの増加（「ヒューマン・オン・チップ」システムなど）^[40]
• 数学的モデリングを用いて複雑なシステムの挙動を数値的にシミュレートし、in vitroデータからモデルパラメータ値を得る^[41]

これら2つのアプローチは矛盾するものではなく、より優れたin vitroシステムは数学モデルに優れたデータを提供します。しかし、ますます高度化するin vitro実験では、ますます多くの、複雑で統合が難しいデータが収集されます。システム生物学モデルなどの数学モデルは、ここで非常に必要とされています。^[42]

薬理学では、IVIVE は薬物動態(PK) や薬力学(PD)を近似するために使用できます。 ^[要出典] 特定のターゲットに対する効果のタイミングと強度は、そのターゲット部位での候補薬物 (親分子または代謝物) の濃度の時間経過に依存するため、生体内の組織や臓器の感受性は、 in vitro で培養され曝露された細胞で観察されるものとはまったく異なる場合や逆になる場合もあります。これは、in vitro で観察された効果を外挿するには、 in vivo PKの定量モデルが必要であることを示しています。生理学に基づく PK ( PBPK ) モデルは、一般的に外挿の中心であると認められています。^[43]

早期影響や細胞間コミュニケーションがない場合、同じ細胞曝露濃度は、 in vitroとin vivoで定性的にも定量的にも同一の影響を引き起こすと想定される。このような状況では、 in vitroで観察された用量反応関係の単純なPDモデルを開発し、それをそのまま転置してin vivo影響を予測するだけでは不十分である。^[44]

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