في المختبر

تُجرى الدراسات المختبرية (أيفي الزجاج ) على الخلايا أو الجزيئات البيولوجية خارج بيئتها البيولوجية الطبيعية. وتُعرفهذه الدراسات في علم الأحياء وفروعه باسم "تجارب الأنابيب "، وتُجرى تقليديًا باستخدام أدوات مخبرية مثل أنابيب الاختبار، والقوارير، وأطباق بتري ، وصفائح المعايرة الدقيقة . تسمح الدراسات التي تُجرى باستخدام مكونات الكائن الحي المعزولة عن بيئتها البيولوجية المعتادة بتحليل أكثر تفصيلًا أو ملاءمةً مما يُمكن إجراؤه على الكائنات الحية الكاملة؛ ومع ذلك، قد لا تتنبأ النتائج المُستخلصة من التجارب المختبرية بشكل كامل أو دقيق بالتأثيرات على الكائن الحي الكامل. وعلى النقيض منالتجارب المختبرية ، تُجرى الدراسات الحيوية على الكائنات الحية، بما في ذلك البشر، وتُعرف بالتجارب السريرية ، والنباتات الكاملة. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

تُجرى الدراسات المختبرية ( In vitro) ( وهي كلمة لاتينية تعني "في الزجاج"؛ وغالبًا ما تُكتب بدون خط مائل في اللغة الإنجليزية ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} ) باستخدام مكونات كائن حي معزولة عن بيئتها البيولوجية المعتادة. وكما يوحي الاسم، تُجرى التجارب المختبرية ، والتي تُعرف شعبيًا باسم "تجارب أنابيب الاختبار"، تقليديًا في أدوات زجاجية، مثل أنابيب الاختبار، والقوارير، وأطباق بتري، وما إلى ذلك.

يعتمد النطاق الدقيق للتجارب المختبرية على ما يعتبر تجارب حية (تجارب أجريت على كائنات حية كاملة)، وبالتالي ما يعتبر كائناً حياً "كاملاً":

• يهتم علم السموم وعلم الأدوية بشكل أساسي بتأثيرات مادة ما على كائن حي متعدد الخلايا، وعادةً ما يكون حيوانًا. ونتيجةً لذلك، يُطلق على أي شيء ليس داخل الجسم الحي اسم "خارج الجسم الحي ". ويشمل ذلك زراعة أعضاء الحيوانات، وزراعة أنسجة الحيوانات ( خارج الجسم الحي )، وزراعة خلايا الحيوانات، وزراعة الخلايا بدائية النواة، والجزيئات الحيوية المعزولة. ^{[ 1 ] [ 2 ]}
• تُعامل دراسة مسببات الأمراض حالة وجود الممرض داخل العائل كما لو كانت في الجسم الحي . (على سبيل المثال، دراسة النسخ الجيني لبكتيريا الإشريكية القولونية في الجسم الحي أثناء التهاب المسالك البولية). ^{[ 6 ]} وبناءً على ذلك، تشمل الدراسات المختبرية نماذج لا تشمل العائل بأكمله. ^{[ 7 ]}
  • تُدرس الفيروسات، التي لا تتكاثر إلا في الخلايا الحية، في المختبر من خلال زراعة الخلايا أو الأنسجة، ويشير العديد من علماء الفيروسات الحيوانية إلى هذا العمل بأنه عملٌ في المختبر لتمييزه عن العمل الذي يُجرى على الحيوانات الحية. ^{[ 8 ] [ 9 ]}
• يميل البحث في الآليات الجزيئية إلى اعتبار الخلية بأكملها الوحدة الأكبر. ونتيجةً لذلك، يمكن اعتبار مزارع الخلايا (حتى مزارع خلايا الثدييات) داخل الجسم الحي بدلاً من تصنيفها المعتاد على أنها خارج الجسم الحي . في هذا السياق، يشير مصطلح "خارج الجسم الحي" حصراً إلى الأنظمة الخالية من الخلايا . ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}

كما سبق ذكره، يمكن أن يشمل العمل في المختبر العمل على الأنظمة الحية وغير الحية ذات نطاق واسع من التعقيدات.

• استخدام أي جزء من كائن حي
  • تتضمن عملية تنقية البروتين عزل بروتين معين مرغوب فيه من خليط معقد من البروتينات، والتي غالباً ما يتم الحصول عليها من الخلايا أو الأنسجة المتجانسة. ^{[ 14 ]}
• باستخدام أجزاء مشتقة من الكائنات متعددة الخلايا ( زراعة الخلايا ، زراعة الأنسجة ، ^{[ 15 ]} والمزيد)
  • يُستخدم التلقيح الاصطناعي للسماح للحيوانات المنوية بتخصيب البويضات في طبق زراعة قبل زرع الجنين أو الأجنة الناتجة في رحم الأم المستقبلية. ^{[ 16 ]}
  • يشير التشخيص المختبري إلى مجموعة واسعة من الاختبارات المعملية الطبية والبيطرية التي تُستخدم لتشخيص الأمراض ومراقبة الحالة السريرية للمرضى باستخدام عينات من الدم أو الخلايا أو الأنسجة الأخرى المأخوذة من المريض. ^{[ 17 ]}
  • استُخدمت الاختبارات الدوائية المخبرية لتوصيف عمليات الامتصاص والتوزيع والتمثيل الغذائي والإخراج للأدوية أو المواد الكيميائية العامة داخل الكائن الحي؛ فعلى سبيل المثال، يمكن إجراء تجارب على خلايا Caco-2 لتقدير امتصاص المركبات عبر بطانة الجهاز الهضمي؛ [ ^{18 ] كما} يمكن تحديد توزيع المركبات بين الأعضاء لدراسة آليات التوزيع؛ [19] ويمكن استخدام مزارع معلقة أو مزروعة من خلايا الكبد الأولية أو خطوط الخلايا الشبيهة بخلايا الكبد (Hep G2، ^{HepaRG) لدراسة وتحديد كمية استقلاب المواد الكيميائية. [20} ] ويمكن ^{بعد ذلك دمج معايير عملية الامتصاص والتوزيع والتمثيل الغذائي} والإخراج هذه في ما يُسمى "نماذج الحركية الدوائية القائمة على الأسس الفيزيولوجية" ^أو PBPK .
  • تتيح النماذج الخلوية للأمراض التنكسية العصبية طرقًا مختلفة لفحص صحة الميتوكوندريا في الخلية. ^{[ 21 ]}
• باستخدام مستخلصات خلوية أو دون خلوية (مثل مستخلصات جنين القمح أو مستخلصات الخلايا الشبكية )
  • يحتوي مستخلص جنين القمح على ريبوسومات وظيفية. ويمكن استخدامه لترجمة الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) خارج الخلية. ^{[ 22 ]}
• باستخدام عضيات نقية محاطة بغشاء
  • يمكن عزل الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء من الخلايا مع الحفاظ على وظائفها. ^{[ 23 ] [ 24 ]}
• باستخدام المركبات الجزيئية الكبيرة المنقاة (مثل الريبوسومات)
  • تم تجميع الريبوسومات الوظيفية في المختبر . ^{[ 25 ]}
• باستخدام جزيئات نقية (مثل البروتينات أو الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي )
  • تفاعل البوليميراز المتسلسل هو طريقة للتضاعف الانتقائي لتسلسلات محددة من الحمض النووي DNA والحمض النووي الريبي RNA في أنبوب الاختبار. ويستخدم إنزيمات نقية معزولة. ^{[ 26 ]}
  • تم تحليل عملية تضاعف الحمض النووي في المختبر على أساس الجزيء الواحد. ^{[ 27 ]}

تتيح الدراسات المختبرية إجراء تحليل أكثر دقة وتفصيلاً، وأسهل، وأكثر ملاءمة، ومخصصاً لكل نوع، مقارنةً بالتحليل الذي يُجرى على الكائن الحي بأكمله. وكما أن الدراسات على الحيوانات الكاملة تحل تدريجياً محل التجارب السريرية على البشر، فإن الدراسات المختبرية تحل أيضاً محل الدراسات على الحيوانات الكاملة.

بساطة

الكائنات الحية أنظمة وظيفية بالغة التعقيد، تتكون، كحد أدنى، من عشرات الآلاف من الجينات، وجزيئات البروتين، وجزيئات الحمض النووي الريبوزي (RNA)، والمركبات العضوية الصغيرة، والأيونات غير العضوية، والمركبات المعقدة، في بيئة منظمة مكانيًا بواسطة الأغشية، وفي حالة الكائنات متعددة الخلايا، بواسطة أجهزة عضوية. ^{[ 28 ] [ 29 ]} تتفاعل هذه المكونات المتعددة مع بعضها البعض ومع بيئتها بطريقة تعالج الغذاء، وتزيل الفضلات، وتنقل المكونات إلى الموقع الصحيح، وتستجيب لجزيئات الإشارة، والكائنات الحية الأخرى، والضوء، والصوت، والحرارة، والتذوق، واللمس، والتوازن.

يُصعّب هذا التعقيد تحديد التفاعلات بين المكونات الفردية واستكشاف وظائفها البيولوجية الأساسية. تُبسّط التجارب المخبرية النظام قيد الدراسة، مما يسمح للباحث بالتركيز على عدد قليل من المكونات. ^{[ 30 ] [ 31 ]}

على سبيل المثال، ستظل هوية بروتينات الجهاز المناعي (مثل الأجسام المضادة)، والآلية التي تتعرف بها على المستضدات الغريبة وترتبط بها غامضة للغاية لولا الاستخدام المكثف للعمل المختبري لعزل البروتينات، وتحديد الخلايا والجينات التي تنتجها، ودراسة الخصائص الفيزيائية لتفاعلها مع المستضدات، وتحديد كيفية تسبب هذه التفاعلات في إشارات خلوية تنشط مكونات أخرى من الجهاز المناعي.

تتمثل العيوب الرئيسية للدراسات التجريبية في المختبر في صعوبة استقراء نتائجها وتطبيقها على بيولوجيا الكائن الحي السليم. لذا، يجب على الباحثين الذين يُجرون هذه الدراسات توخي الحذر لتجنب المبالغة في تفسير نتائجهم، إذ قد يؤدي ذلك إلى استنتاجات خاطئة حول بيولوجيا الكائن الحي والأنظمة البيولوجية. ^{[ 15 ] [ 36 ]}

على سبيل المثال، قد يجد العلماء الذين يطورون دواءً فيروسيًا جديدًا لعلاج عدوى فيروس ممرض (مثل فيروس نقص المناعة البشرية من النوع الأول) أن الدواء المرشح يمنع تكاثر الفيروس في بيئة المختبر (عادةً في مزارع الخلايا). مع ذلك، قبل استخدام هذا الدواء سريريًا، يجب أن يخضع لسلسلة من التجارب على الكائنات الحية لتحديد مدى سلامته وفعاليته في الكائنات الحية السليمة (عادةً الحيوانات الصغيرة، ثم الرئيسيات، ثم البشر بالتتابع). في الغالب، تثبت معظم الأدوية المرشحة الفعالة في المختبر عدم فعاليتها في الكائنات الحية بسبب مشاكل تتعلق بتوصيل الدواء إلى الأنسجة المصابة، أو سميته لأجزاء أساسية من الكائن الحي لم تكن ممثلة في الدراسات المختبرية الأولية ، أو مشاكل أخرى. ^{[ 37 ]}

إحدى الطرق التي قد تُسهم في تقليل التجارب على الحيوانات هي استخدام مجموعات الاختبارات المعملية ، حيث تُجمع عدة اختبارات معملية لتغطية نقاط نهاية متعددة. في مجال السمية العصبية التطورية والسمية التناسلية، يُؤمل أن تُصبح مجموعات الاختبارات أساليب فحص سهلة لتحديد أولويات المواد الكيميائية التي يجب تقييم مخاطرها وترتيبها. ^{[ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]} في مجال السمية البيئية ، تُستخدم مجموعات الاختبارات المعملية بالفعل لأغراض تنظيمية ولتقييم السمية الكيميائية. ^{[ 42 ]} يمكن أيضًا دمج الاختبارات المعملية مع الاختبارات الحيوية لتكوين مجموعة اختبارات معملية حيوية ، على سبيل المثال لاختبارات الأدوية. ^{[ 43 ]}

لا يمكن عادةً تطبيق نتائج التجارب المخبرية مباشرةً للتنبؤ باستجابة الكائن الحي بأكمله داخل الجسم الحي . لذا، يُعدّ بناء إجراء استقراء متسق وموثوق من نتائج التجارب المخبرية إلى نتائج التجارب داخل الجسم الحي أمرًا بالغ الأهمية. وتشمل الحلول ما يلي:

• زيادة تعقيد الأنظمة المختبرية لإعادة إنتاج الأنسجة والتفاعلات بينها (كما هو الحال في أنظمة "الإنسان على رقاقة") ^{[ 44 ]}
• استخدام النمذجة الرياضية لمحاكاة سلوك النظام المعقد عدديًا، حيث توفر البيانات المختبرية قيم معلمات النموذج ^{[ 45 ]}

لا يتعارض هذان النهجان؛ إذ توفر أنظمة المختبر المحسّنة بيانات أفضل للنماذج الرياضية. مع ذلك، تجمع التجارب المختبرية المتطورة باستمرار بيانات أكثر عددًا وتعقيدًا وتحديًا في دمجها. وهنا تبرز الحاجة الماسة إلى النماذج الرياضية، مثل نماذج بيولوجيا الأنظمة . ^{[ 46 ]}

• التخصيب في المختبر (IVF)
• التجارب على الحيوانات
• خارج الجسم الحي
• في الموقع
• في الرحم
• في الجسم الحي
• محاكاة حاسوبية
• ورق البردي
• في الطبيعة
• علم الأحياء الخلوي والتطوري للحيوانات في المختبر
• بيولوجيا النبات الخلوية والتطورية في المختبر
• علم السموم في المختبر
• الاستقراء من المختبر إلى الجسم الحي
• تحضير الشرائح

• الوسائط المتعلقة بالتجارب المختبرية على ويكيميديا ​​كومنز