การศึกษาในหลอดทดลอง (หมายถึงในแก้วหรือในภาชนะแก้ว )ที่ดำเนินการกับเซลล์หรือโมเลกุลทางชีวภาพที่อยู่นอกบริบททางชีวภาพปกติ โดยทั่วไปเรียกว่า " การ ทดลองในหลอดทดลอง " การศึกษาเหล่านี้ในชีววิทยาและสาขาย่อยต่างๆ มักทำในอุปกรณ์ห้องปฏิบัติการ เช่น หลอดทดลอง ขวดแก้ว จานเพาะเชื้อและแผ่นไมโครไทเตอร์การศึกษาที่ดำเนินการโดยใช้ส่วนประกอบของสิ่งมีชีวิตที่แยกออกจากสภาพแวดล้อมทางชีวภาพปกติ ช่วยให้สามารถวิเคราะห์ได้อย่างละเอียดหรือสะดวกกว่าการวิเคราะห์สิ่งมีชีวิตทั้งตัว อย่างไรก็ตาม ผลลัพธ์ที่ได้จาก การทดลอง ในหลอดทดลองอาจไม่สามารถทำนายผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตทั้งตัวได้อย่างครบถ้วนหรือแม่นยำ ในทางตรงกันข้ามกับการทดลองในหลอด ทดลอง การศึกษา ในร่างกายคือการศึกษาที่ดำเนินการในสิ่งมีชีวิต รวมถึงมนุษย์ ซึ่งเรียกว่าการทดลองทางคลินิกและพืชทั้งต้น ^{[ 1 ] [ 2 ]}

การศึกษา แบบ in vitro ( ภาษาละตินแปลว่า "ในแก้ว"; มักไม่ใช้ตัวเอียงในการใช้ภาษาอังกฤษ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} ) ดำเนินการโดยใช้ส่วนประกอบของสิ่งมีชีวิตที่ถูกแยกออกจากสภาพแวดล้อมทางชีวภาพตามปกติ ดังที่ชื่อบ่งบอก การทดลอง แบบ in vitroซึ่งเรียกกันทั่วไปว่า "การทดลองในหลอดทดลอง" จะทำในอุปกรณ์ห้องปฏิบัติการที่เป็นแก้ว โดยใช้หลอดทดลอง ขวดแก้ว จานเพาะเชื้อ ฯลฯ

ขอบเขตที่แท้จริงของการทดลองในหลอดทดลองนั้นขึ้นอยู่กับว่าอะไรคือสิ่งที่ถือว่าเป็นการทดลองในสิ่งมีชีวิต (การทดลองที่ทำกับสิ่งมีชีวิตทั้งตัว) และในทางกลับกัน อะไรคือสิ่งที่ถือว่าเป็นสิ่งมีชีวิต "ทั้งตัว"

• พิษวิทยาและเภสัชวิทยาส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับผลกระทบของสารต่อสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ ซึ่งโดยทั่วไปคือสัตว์ ดังนั้น สิ่งใดก็ตามที่ไม่ใช่ในร่างกายจึงเรียกว่าในหลอดทดลองซึ่งรวมถึงการเพาะเลี้ยงอวัยวะสัตว์ การเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อสัตว์ ( นอกร่างกาย ) การเพาะเลี้ยงเซลล์สัตว์ การเพาะเลี้ยงเซลล์โปรคาริโอต และโมเลกุลชีวภาพที่แยกได้^{[ 1 ] [ 2 ]}
• การศึกษาเชื้อก่อโรคถือว่าเชื้อก่อโรคในโฮสต์อยู่ในสภาวะในร่างกาย (ตัวอย่างเช่น การศึกษา ทรานสคริปโตมิกส์ ในร่างกายของE. coliระหว่างการติดเชื้อทางเดินปัสสาวะ) ^{[ 6 ]}ดังนั้นในหลอดทดลอง จึง รวมถึงแบบจำลองที่ไม่เกี่ยวข้องกับโฮสต์ทั้งหมด^{[ 7 ]}
  • ไวรัสซึ่งจำลองตัวเองได้เฉพาะในเซลล์ที่มีชีวิตเท่านั้น จะถูกศึกษาในห้องปฏิบัติการในเซลล์หรือเนื้อเยื่อที่เพาะเลี้ยง และนักไวรัสวิทยาสัตว์หลายคนเรียกงานดังกล่าวว่าin vitroเพื่อแยกความแตกต่างจาก งาน in vivoในสัตว์ทั้งตัว^{[ 8 ] [ 9 ]}
• การศึกษาเกี่ยวกับกลไกโมเลกุลมักจะมองเซลล์ทั้งหมดเป็นหน่วยที่ใหญ่ที่สุด ส่งผลให้การเพาะเลี้ยงเซลล์ (แม้แต่เซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม) สามารถพิจารณาได้ว่าเป็นin vivoแทนที่จะเป็นin vitro ตามแบบแผนทั่วไป ในบริบทนี้in vitroหมายถึงระบบที่ปราศจากเซลล์ เท่านั้น ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}

ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้การทดลองในหลอดทดลองสามารถครอบคลุมการทำงานกับระบบสิ่งมีชีวิตและสิ่งไม่มีชีวิตที่มีความซับซ้อนหลากหลายระดับ

• การใช้ส่วนใดส่วนหนึ่งของสิ่งมีชีวิต
  • การทำให้โปรตีนบริสุทธิ์เกี่ยวข้องกับการแยกโปรตีนที่สนใจเฉพาะออกจากส่วนผสมของโปรตีนที่ซับซ้อน ซึ่งมักได้มาจากเซลล์หรือเนื้อเยื่อที่บดละเอียด^{[ 14 ]}
• การใช้ชิ้นส่วนที่ได้มาจากสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ ( การเพาะ เลี้ยงเซลล์การเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อ^{[ 15 ]}และอื่นๆ)
  • การปฏิสนธิในหลอดทดลองใช้เพื่อให้สเปิร์มปฏิสนธิกับไข่ในจานเพาะเลี้ยงก่อนที่จะฝังตัวอ่อนที่ได้ลงในมดลูกของมารดา ^{[ 16 ]}
  • การวินิจฉัยในหลอดทดลองหมายถึงการทดสอบทางห้องปฏิบัติการทางการแพทย์และสัตวแพทย์ที่หลากหลาย ซึ่งใช้ในการวินิจฉัยโรคและติดตามสถานะทางคลินิกของผู้ป่วยโดยใช้ตัวอย่างเลือด เซลล์ หรือเนื้อเยื่ออื่นๆ ที่ได้จากผู้ป่วย ^{[ 17 ]}
  • การทดสอบทางเภสัชวิทยา ในหลอดทดลองถูกนำมาใช้เพื่อระบุลักษณะเฉพาะของกระบวนการดูดซับ การกระจาย การเผาผลาญ และการขับถ่ายของยาหรือสารเคมีทั่วไปภายในสิ่งมีชีวิต ตัวอย่างเช่น การทดลองเซลล์ Caco-2 สามารถทำได้เพื่อประเมินการดูดซึมของสารประกอบผ่านเยื่อบุของทางเดินอาหาร^{[ 18 ]}การแบ่งส่วนของสารประกอบระหว่างอวัยวะต่างๆ สามารถกำหนดได้เพื่อศึกษาถึงกลไกการกระจาย^{[ 19 ]} การเพาะเลี้ยงเซลล์ตับปฐมภูมิหรือเซลล์ที่คล้ายเซลล์ตับ (Hep G2, HepaRG ) ในรูปแบบแขวนลอยหรือเพาะบนจานสามารถนำมาใช้ศึกษาและหาปริมาณการเผาผลาญของสารเคมีได้^{[ 20 ]}จากนั้นพารามิเตอร์กระบวนการ ADME เหล่านี้สามารถนำไปรวมเข้ากับสิ่งที่เรียกว่า "แบบจำลองเภสัชจลนศาสตร์ตามสรีรวิทยา" หรือPBPKได้
  • แบบจำลองเซลล์ของโรคความเสื่อมของระบบประสาทช่วยให้สามารถตรวจสอบสุขภาพของไมโตคอนเดรียในเซลล์ได้หลายวิธี^{[ 21 ]}
• โดยใช้สารสกัดจากเซลล์หรือส่วนย่อยของเซลล์ (เช่น สารสกัด จากจมูกข้าวสาลีหรือ เร ติคิวโลไซต์ )
  • สารสกัดจากจมูกข้าวสาลีมีไรโบโซมที่ทำงานได้ สามารถนำมาใช้แปล mRNA นอกเซลล์ได้^{[ 22 ]}
• โดยใช้ออร์แกเนลล์ที่มีเยื่อหุ้มซึ่งผ่านการทำให้บริสุทธิ์แล้ว
  • ไมโตคอนเดรียและคลอโรพลาสต์สามารถแยกออกจากเซลล์ได้โดยยังคงรักษาการทำงานของพวกมันไว้^{[ 23 ] [ 24 ]}
• โดยใช้สารประกอบโมเลกุลขนาดใหญ่ ที่ผ่านการทำให้บริสุทธิ์แล้ว (เช่น ไรโบโซม)
  • ไรโบโซมที่มีฟังก์ชันการทำงานได้รับการประกอบขึ้นในหลอดทดลอง^{[ 25 ]}
• โดยใช้โมเลกุลที่บริสุทธิ์แล้ว ( เช่นโปรตีนดีเอ็นเอหรืออาร์เอ็นเอ )
  • ปฏิกิริยาลูกโซ่พอลิเมอเรสเป็นวิธีการจำลองแบบเลือกเฉพาะของลำดับ DNA และ RNA ที่เฉพาะเจาะจงในหลอดทดลอง โดยใช้เอนไซม์บริสุทธิ์ที่แยกได้^{[ 26 ]}
  • การทำงานของการจำลองดีเอ็นเอได้รับการวิเคราะห์ในหลอดทดลองบนพื้นฐานของโมเลกุลเดี่ยว^{[ 27 ]}

การศึกษา ในหลอดทดลองช่วยให้สามารถวิเคราะห์เฉพาะสายพันธุ์ได้ง่ายกว่า สะดวกกว่า และละเอียดกว่าการศึกษาในสิ่งมีชีวิตทั้งตัว เช่นเดียวกับการศึกษาในสัตว์ทั้งตัวที่เข้ามาแทนที่การทดลองในมนุษย์มากขึ้นเรื่อยๆ การศึกษา ในหลอดทดลอง ก็ กำลังเข้ามาแทนที่การศึกษาในสัตว์ทั้งตัว เช่นกัน

สิ่งมีชีวิตเป็นระบบการทำงานที่ซับซ้อนอย่างยิ่งซึ่งประกอบด้วยยีน โมเลกุลโปรตีน โมเลกุล RNA สารประกอบอินทรีย์ขนาดเล็ก ไอออนอนินทรีย์ และสารเชิงซ้อนอย่างน้อยหลายหมื่นชนิดในสภาพแวดล้อมที่มีการจัดระเบียบเชิงพื้นที่โดยเยื่อหุ้มเซลล์ และในกรณีของสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ จะมีระบบอวัยวะ^{[ 28 ] [ 29 ]} ส่วนประกอบมากมายเหล่านี้มีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันและกับสิ่งแวดล้อมในลักษณะที่ประมวลผลอาหาร กำจัดของเสีย เคลื่อนย้ายส่วนประกอบไปยังตำแหน่งที่ถูกต้อง และตอบสนองต่อโมเลกุลส่งสัญญาณ สิ่งมีชีวิตอื่น แสง เสียง ความร้อน รสชาติ การสัมผัส และความสมดุล

ความซับซ้อนนี้ทำให้ยากต่อการระบุปฏิสัมพันธ์ระหว่างส่วนประกอบแต่ละส่วนและสำรวจหน้าที่ทางชีวภาพพื้นฐานของส่วนประกอบเหล่านั้น การทำงาน ในหลอดทดลองทำให้ระบบที่กำลังศึกษาง่ายขึ้น ดังนั้นนักวิจัยจึงสามารถมุ่งเน้นไปที่ส่วนประกอบจำนวนน้อยได้^{[ 30 ] [ 31 ]}

ตัวอย่างเช่น เอกลักษณ์ของโปรตีนในระบบภูมิคุ้มกัน (เช่น แอนติบอดี) และกลไกที่พวกมันจดจำและจับกับแอนติเจนแปลกปลอม จะยังคงคลุมเครือมากหากไม่มีการใช้ การศึกษา ในหลอดทดลอง อย่างกว้างขวาง เพื่อแยกโปรตีน ระบุเซลล์และยีนที่สร้างโปรตีนเหล่านั้น ศึกษาคุณสมบัติทางกายภาพของการโต้ตอบกับแอนติเจน และระบุว่าการโต้ตอบเหล่านั้นนำไปสู่สัญญาณระดับเซลล์ที่กระตุ้นส่วนประกอบอื่นๆ ของระบบภูมิคุ้มกันได้อย่างไร

ข้อดีอีกประการหนึ่งของ วิธีการ ในหลอดทดลองคือสามารถศึกษาเซลล์ของมนุษย์ได้โดยไม่ต้อง "คาดการณ์" จากการตอบสนองของเซลล์ของสัตว์ทดลอง^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]}

วิธีการ ในหลอดทดลองสามารถย่อขนาดและทำให้เป็นระบบอัตโนมัติได้ ทำให้ได้วิธีการคัดกรองที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับการทดสอบโมเลกุลในเภสัชวิทยาหรือพิษวิทยา^{[ 35 ]}

ข้อเสียเปรียบหลักของ การศึกษาทดลอง ในหลอดทดลองคือ การสรุปผลจาก การทดลอง ในหลอดทดลองกลับไปยังชีววิทยาของสิ่งมีชีวิตที่สมบูรณ์อาจทำได้ยาก นักวิจัยที่ทำการ ทดลอง ในหลอดทดลองต้องระมัดระวังไม่ให้ตีความผลลัพธ์มากเกินไป ซึ่งอาจนำไปสู่ข้อสรุปที่ผิดพลาดเกี่ยวกับชีววิทยาของสิ่งมีชีวิตและระบบ^{[ 15 ] [ 36 ]}

ตัวอย่างเช่น นักวิทยาศาสตร์ที่กำลังพัฒนายาต้านไวรัสตัวใหม่เพื่อรักษาการติดเชื้อไวรัสที่ก่อโรค (เช่น HIV-1) อาจพบว่ายาตัวใหม่สามารถป้องกันการจำลองแบบของไวรัสได้ใน สภาพ แวดล้อมในหลอดทดลอง (โดยทั่วไปคือการเพาะเลี้ยงเซลล์) อย่างไรก็ตาม ก่อนที่จะนำยานี้ไปใช้ในทางคลินิก จะต้องผ่าน การทดลอง ในร่างกาย หลายขั้นตอน เพื่อตรวจสอบว่าปลอดภัยและมีประสิทธิภาพในสิ่งมีชีวิตที่สมบูรณ์หรือไม่ (โดยทั่วไปคือสัตว์ขนาดเล็ก ลิง และมนุษย์ตามลำดับ) โดยทั่วไป ยาตัวใหม่ส่วนใหญ่ที่ได้ผลในหลอดทดลองมักจะไม่ได้ผลในร่างกายเนื่องจากปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการส่งยาไปยังเนื้อเยื่อที่ได้รับผลกระทบ ความเป็นพิษต่อส่วนสำคัญของสิ่งมีชีวิตที่ไม่ได้แสดงไว้ใน การศึกษา ในหลอดทดลอง เบื้องต้น หรือปัญหาอื่นๆ^{[ 37 ]}

วิธีการหนึ่งที่อาจช่วยลดการทดสอบในสัตว์ได้คือการใช้ ชุดทดสอบ ในหลอดทดลองซึ่งมีการรวบรวมการทดสอบในหลอดทดลอง หลายรายการเพื่อครอบคลุมจุดสิ้นสุดหลายจุด ในด้าน พิษวิทยา ต่อระบบประสาท และการพัฒนา พิษวิทยาต่อระบบสืบพันธุ์ มีความหวังว่าชุดทดสอบจะกลายเป็นวิธีการคัดกรองที่ง่ายสำหรับการจัดลำดับความสำคัญของสารเคมีที่จะต้องประเมินความเสี่ยงและในลำดับใด^{[ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]}ในด้านพิษวิทยาต่อ สิ่งแวดล้อม ชุดทดสอบในหลอดทดลองได้ถูกนำมาใช้แล้วเพื่อวัตถุประสงค์ด้านกฎระเบียบและการประเมินพิษวิทยาของสารเคมี^{[ 42 ]} การทดสอบ ในหลอดทดลองยังสามารถรวมกับ การทดสอบ ในร่างกายเพื่อสร้าง ชุดทดสอบ ในหลอดทดลองและในร่างกายเช่น สำหรับการทดสอบยา^{[ 43 ]}

ผลลัพธ์ที่ได้จาก การทดลอง ในหลอดทดลองมักไม่สามารถนำมาใช้โดยตรงเพื่อทำนายปฏิกิริยาของสิ่งมีชีวิตทั้งตัวในร่างกาย ได้ ดังนั้น การสร้างกระบวนการคาดการณ์ที่สม่ำเสมอและเชื่อถือได้จากผลลัพธ์ในหลอดทดลอง ไปสู่ สิ่งมีชีวิตจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง แนวทางแก้ไขได้แก่:

• การเพิ่มความซับซ้อนของ ระบบ ในหลอดทดลองเพื่อจำลองเนื้อเยื่อและปฏิสัมพันธ์ระหว่างกัน (เช่นในระบบ "มนุษย์บนชิป") ^{[ 44 ]}
• การใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์เพื่อจำลองพฤติกรรมของระบบที่ซับซ้อนในเชิงตัวเลข โดยที่ ข้อมูล ในหลอดทดลองให้ค่าพารามิเตอร์ของแบบจำลอง^{[ 45 ]}

แนวทางทั้งสองนี้ไม่ขัดแย้งกัน ระบบ ในหลอดทดลอง ที่ดีกว่า จะให้ข้อมูลที่ดีกว่าแก่แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ อย่างไรก็ตาม การทดลอง ในหลอดทดลอง ที่ซับซ้อนมากขึ้นเรื่อยๆ จะรวบรวมข้อมูลที่ซับซ้อนและท้าทายมากขึ้นเรื่อยๆ เพื่อนำไปบูรณาการ แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ เช่น แบบจำลอง ชีววิทยาระบบจึงมีความจำเป็นอย่างมากในที่นี้^{[ 46 ]}

ในทางเภสัชวิทยา IVIVE สามารถใช้เพื่อประมาณเภสัชจลนศาสตร์ (PK) หรือเภสัชพลศาสตร์ (PD) ได้^{[ 47 ]}เนื่องจากเวลาและความเข้มข้นของผลกระทบต่อเป้าหมายที่กำหนดขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของยาเป้าหมาย (โมเลกุลหลักหรือเมตาโบไลต์) ที่บริเวณเป้าหมายนั้น ความไวของเนื้อเยื่อและอวัยวะ ในร่างกายจึงอาจแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงหรืออาจตรงกันข้ามกับที่สังเกตได้ในเซลล์ที่เพาะเลี้ยงและสัมผัสในหลอดทดลองนั่นแสดงให้เห็นว่าการคาดการณ์ผลกระทบที่สังเกตได้ในหลอดทดลองจำเป็นต้องใช้แบบจำลองเชิงปริมาณของ PK ในร่างกาย แบบจำลอง PK ตามสรีรวิทยา ( PBPK ) เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าเป็นศูนย์กลางของการคาดการณ์^{[ 48 ]}

ในกรณีของผลกระทบในระยะเริ่มต้นหรือผลกระทบที่ไม่มีการสื่อสารระหว่างเซลล์ ความเข้มข้นของการสัมผัสเซลล์ที่เท่ากันจะถือว่าทำให้เกิดผลกระทบที่เหมือนกันทั้งในเชิงคุณภาพและเชิงปริมาณ ทั้งในหลอดทดลองและในร่างกายในสภาวะเหล่านี้ การพัฒนาแบบจำลอง PD ง่ายๆ ของความสัมพันธ์ระหว่างขนาดยาและการตอบสนองที่สังเกตได้ในหลอดทดลองและการถ่ายทอดแบบจำลองนั้นโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงเพื่อทำนาย ผลกระทบ ในร่างกายจึงไม่เพียงพอ^{[ 49 ]}

• การปฏิสนธิในหลอดทดลอง (IVF)
• การทดลองกับสัตว์
• นอกร่างกาย
• ในสถานที่
• ในครรภ์
• ในร่างกาย
• ในคอมพิวเตอร์
• ในกระดาษปาปิโร
• ในธรรมชาติ
• ชีววิทยาของเซลล์และการพัฒนาในหลอดทดลองของสัตว์
• ชีววิทยาของเซลล์และการพัฒนาของพืชในหลอดทดลอง
• พิษวิทยาในหลอดทดลอง
• การคาดการณ์จากข้อมูลในหลอดทดลองไปยังข้อมูลในร่างกายจริง
• การเตรียมชิ้น

ลองค้นหาคำว่า "in vitro"ในวิกิพีเดีย ซึ่งเป็นพจนานุกรมเสรี

• สื่อที่เกี่ยวข้องกับIn vitroใน Wikimedia Commons