In-vitro- vs. In-vivo-Studien

In-vitro- vs. In-vivo-Studien

Entdecken Sie die unterschiedlichen Rollen von „In Vivo“ und „In Vitro“ in der biologischen Forschung, wobei das eine einen natürlichen Kontext und das andere eine präzise Kontrolle bietet, die beide für den wissenschaftlichen Fortschritt von entscheidender Bedeutung sind. 

Wichtige Erkenntnisse:


1. „In Vivo“-Studien finden in lebenden Organismen statt und bieten physiologische Relevanz.
2. „In-vitro“-Studien finden außerhalb von Organismen statt und ermöglichen kontrollierte Experimente.
3. Beide Methoden ergänzen sich und liefern jeweils einzigartige wissenschaftliche Erkenntnisse.
4. „In-situ“-Studien beobachten Phänomene in ihrer natürlichen Umgebung. 


Im Bereich der biologischen Forschung nutzen Wissenschaftler verschiedene experimentelle Methoden, um komplexe biologische Prozesse zu verstehen. Zwei grundlegende Ansätze, die bei dieser Untersuchung im Vordergrund stehen, sind „In Vivo“- und „In Vitro“-Studien. Diese Begriffe, die im Lateinischen mit „im Lebenden“ bzw. „im Glas“ übersetzt werden, repräsentieren zwei unterschiedliche experimentelle Kontexte mit einzigartigen Vorteilen und Anwendungen.

Inhaltsverzeichnis


Was ist der Unterschied zwischen In-vitro und In-vivo?


Der Hauptunterschied zwischen In-vivo- und In-vitro-Studien liegt in ihrem experimentellen Kontext. In-vivo-Studien werden in lebenden Organismen durchgeführt und ermöglichen es Forschern, biologische Prozesse in ihrer natürlichen und komplexen Umgebung zu beobachten. Im Gegensatz dazu finden In-vitro-Studien außerhalb lebender Organismen statt, wobei häufig isolierte Zellen oder Biomoleküle in kontrollierten Laborumgebungen verwendet werden. Während In-vivo-Experimente physiologische Relevanz und Langzeitbeobachtungen bieten, bieten In-vitro-Studien kontrollierte Bedingungen und einen höheren Durchsatz, was sie zu komplementären Ansätzen für die Weiterentwicklung unseres Verständnisses von Biologie und Medizin macht. 
In vitro vs. in vivo

In-vivo-Studien 

Bei In-vivo-Studien werden Experimente direkt in lebenden Organismen wie Tieren oder Menschen durchgeführt. Diese Untersuchungen ermöglichen es Forschern, biologische Prozesse in ihrem natürlichen und ganzheitlichen Kontext zu beobachten, was der biologischen Forschung mehrere wesentliche Vorteile bietet.


Ein wesentlicher Vorteil von In-vivo-Studien ist ihre hohe physiologische Relevanz. Durch die Untersuchung biologischer Phänomene in intakten Organismen können Forscher beobachten, wie verschiedene Organsysteme interagieren und auf Reize reagieren und so reale Situationen nachahmen. Diese physiologische Genauigkeit ermöglicht ein tieferes Verständnis komplexer Wechselwirkungen und ermöglicht genauere Rückschlüsse auf biologische Prozesse.


Darüber hinaus ermöglichen In-vivo-Studien die Untersuchung langfristiger Auswirkungen von Eingriffen oder Behandlungen. Forscher können Veränderungen in lebenden Organismen im Laufe der Zeit überwachen und so wertvolle Einblicke in den Krankheitsverlauf oder die Wirksamkeit therapeutischer Strategien gewinnen. Darüber hinaus können diese Studien potenzielle Nebenwirkungen oder unerwartete Ergebnisse identifizieren, die in einfacheren experimentellen Modellen möglicherweise nicht erkennbar sind.

Tierstudien


In-vivo-Studien an Tiermodellen sind ein wesentlicher Bestandteil der Weiterentwicklung der biologischen und medizinischen Forschung. Diese Studien werden an lebenden Organismen durchgeführt, wobei Tiere als Versuchspersonen eingesetzt werden, um komplexe biologische Prozesse und ihre Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit zu verstehen.


Tiermodelle liefern aufgrund genetischer und physiologischer Ähnlichkeiten mit Menschen, insbesondere bei Säugetieren, wertvolle Erkenntnisse. Forscher nutzen Tierversuche, um Krankheiten zu untersuchen, mögliche Therapien zu testen und zugrunde liegende Mechanismen zu erforschen. Durch die Manipulation von Variablen wie Genetik, Ernährung und Umwelt schaffen Forscher kontrollierte und dennoch biologisch relevante Versuchsumgebungen, simulieren Krankheitszustände und untersuchen die Wirksamkeit von Behandlungen.


Tierversuche bieten Vorteile, die bei Menschen nicht möglich sind, wie z. B. die Durchführung invasiver Eingriffe, die Entnahme von Gewebeproben und die Durchführung von Längsschnittstudien. Diese Erkenntnisse tragen erheblich zu unserem Verständnis des Krankheitsverlaufs, der Behandlungsstrategien und der physiologischen Reaktionen bei.


Allerdings sind ethische Überlegungen in der Tierforschung unerlässlich. Die wissenschaftliche Gemeinschaft fördert das 3R-Prinzip (Replace, Reduce, Refine), um den Einsatz von Tieren zu minimieren, Verfahren zur Reduzierung von Beschwerden zu verfeinern und Alternativen zu erkunden. Verantwortungsvolle und ethische Tierstudien schaffen ein Gleichgewicht zwischen wissenschaftlichem Fortschritt und Tierschutz und ermöglichen entscheidende Fortschritte im medizinischen Wissen und bei Behandlungen unter Einhaltung ethischer Richtlinien.

Klinische Studien


In-vivo-Studien in Form klinischer Studien sind von entscheidender Bedeutung für die Weiterentwicklung der medizinischen Forschung und die Bereitstellung neuartiger Behandlungsmethoden für Patienten. Klinische Studien werden an menschlichen Probanden durchgeführt und umfassen die systematische Bewertung medizinischer Interventionen wie Medikamente, medizinische Geräte oder Verhaltenstherapien, um deren Sicherheit, Wirksamkeit und mögliche Nebenwirkungen zu bestimmen.


Klinische Studien folgen in der Regel einem strengen Protokoll, das mehrere Phasen umfasst. Phase-I-Studien konzentrieren sich auf die Bewertung der Sicherheit und Verträglichkeit der Intervention an einer kleinen Gruppe gesunder Freiwilliger. Forscher vergleichen in diesen frühen Stadien häufig die Wirkung neuer Medikamente mit der eines Placebos. Bei der Randomisierung weisen die Forscher die Teilnehmer nach dem Zufallsprinzip entweder der Behandlungs- oder der Placebogruppe zu.


Phase-II-Studien erweitern die Studie auf eine größere Gruppe von Patienten, um die Wirksamkeit der Behandlung zu beurteilen. Phase-III-Studien umfassen eine noch größere Population und zielen darauf ab, die neue Behandlung mit bestehenden Standardtherapien zu vergleichen. In diesen randomisierten kontrollierten Studien (RCTs) vergleichen Forscher die Ergebnisse von Teilnehmern, die das neue Medikament oder die neue Intervention erhalten haben, mit denen von Teilnehmern der Kontrollgruppe, die eine alternative Behandlung erhalten, beispielsweise ein Placebo oder eine ältere Form des neuen Medikaments.


Um ethisches Verhalten zu gewährleisten, müssen bei klinischen Studien strenge Richtlinien eingehalten werden, um die Rechte und die Sicherheit der Teilnehmer zu schützen. Die Einverständniserklärung ist ein Grundprinzip und stellt sicher, dass Einzelpersonen den Zweck, die potenziellen Risiken und Vorteile der Studie verstehen, bevor sie sich anmelden. Ethikkommissionen überwachen die Studienprotokolle genau, um die wissenschaftliche Gültigkeit und den Schutz der Teilnehmer sicherzustellen. Verblindung, ein weiterer wichtiger Aspekt klinischer Studien, trägt dazu bei, Verzerrungen oder systematische Fehler zu reduzieren, die das Design der Studie und die Gültigkeit ihrer Ergebnisse beeinträchtigen könnten. Bei der Verblindung werden Informationen, die Einfluss auf die Teilnehmer haben könnten, bis zum Ende des Versuchs zurückgehalten. Dies kann sich auch auf das Forschungsteam erstrecken, das die Studie durchführt.

In-vitro-Studien 

Im Gegensatz dazu werden In-vitro-Studien außerhalb des lebenden Organismus durchgeführt, typischerweise unter Verwendung isolierter Zellen, Gewebe oder biologischer Moleküle. Diese Experimente finden in kontrollierten Laborumgebungen statt und ermöglichen es Forschern, bestimmte Aspekte biologischer Systeme präzise und reproduzierbar zu manipulieren und zu analysieren.


Ein Hauptvorteil von In-vitro-Studien ist die Möglichkeit, biologische Phänomene unter kontrollierten Bedingungen zu untersuchen. Durch die Isolierung spezifischer Komponenten können Forscher den Versuchsaufbau vereinfachen und in komplexen Organismen vorhandene Störfaktoren beseitigen. Diese kontrollierte Umgebung ermöglicht strenge Hypothesentests und die Herstellung direkter Kausalbeziehungen zwischen Variablen.


Darüber hinaus bieten In-vitro-Studien im Vergleich zu In-vivo-Experimenten einen höheren Durchsatz und eine höhere Kosteneffizienz. Forscher können mehrere Experimente gleichzeitig durchführen, schnell eine große Anzahl von Verbindungen testen und die Entdeckung von Arzneimitteln sowie andere Forschungsbemühungen beschleunigen. Darüber hinaus erfordern In-vitro-Studien oft weniger Ressourcen und ethische Überlegungen, wodurch sie leichter zugänglich und allgemein anwendbar sind.

IVF


Bei der In-vitro-Fertilisation (IVF) handelt es sich um ein spezielles medizinisches Verfahren, das in die Kategorie der In-vitro-Studien fällt. Dabei handelt es sich um eine weit verbreitete assistierte Reproduktionstechnologie, die Einzelpersonen und Paaren mit Fruchtbarkeitsproblemen dabei helfen soll, ein Kind zu zeugen. Bei der IVF handelt es sich um die Befruchtung einer Eizelle durch Spermien außerhalb des menschlichen Körpers in einer Laborschale. Dieses Verfahren hat den Bereich der Reproduktionsmedizin erheblich revolutioniert und Millionen von Paaren, die mit Unfruchtbarkeit zu kämpfen haben, Hoffnung gegeben.


Der IVF-Prozess beinhaltet typischerweise hormonelle Medikamente, um die Entwicklung mehrerer Eizellen in den Eierstöcken zu stimulieren. Sobald die Eizellen reif sind, werden sie durch einen kleinen chirurgischen Eingriff entnommen. Im Labor werden die Eizellen dann mit Spermien kombiniert, um die Befruchtung zu erleichtern. Nach erfolgreicher Befruchtung werden die resultierenden Embryonen einige Tage lang kultiviert, bevor sie in die Gebärmutter der Frau übertragen werden, wo sie das Potenzial haben, sich einzunisten und sich zu einer Schwangerschaft zu entwickeln.


IVF hat nicht nur die Möglichkeiten für Einzelpersonen und Paare, die eine Familie gründen möchten, erweitert, sondern auch genetische Tests an Embryonen ermöglicht. Diese Tests helfen dabei, Chromosomenanomalien oder genetische Erkrankungen zu erkennen und erhöhen so die Chancen auf eine erfolgreiche Schwangerschaft und die Geburt eines gesunden Babys.

Arzneimittelentwicklung


In-vitro-Studien spielen eine entscheidende Rolle bei pharmazeutischen Tests, bei denen die Sicherheit und Wirksamkeit potenzieller Arzneimittelkandidaten in kontrollierten Laborumgebungen bewertet werden, oft ohne die Beteiligung lebender Organismen.


Pharmazeutische Tests beginnen typischerweise mit In-vitro-Experimenten, bei denen Forscher die Wechselwirkungen zwischen neuen Arzneimittelkandidaten und Zielmolekülen, Zellen oder Geweben bewerten. Diese Studien liefern wertvolle Einblicke in den Wirkmechanismus der Verbindung, mögliche Nebenwirkungen und optimale Dosierungsmengen.


Bei zellbasierten Tests setzen Forscher bestimmte Zelltypen dem Medikamentenkandidaten aus, um zu beobachten, wie die Zellen reagieren. Diese Experimente helfen dabei, die Auswirkungen des Arzneimittels auf zelluläre Prozesse, mögliche toxische Wirkungen und seine Fähigkeit, auf bestimmte krankheitsbezogene Signalwege abzuzielen, zu ermitteln.


In-vitro-Studien umfassen neben zellbasierten Tests auch Tests mit isolierten Enzymen, Rezeptoren oder anderen Biomolekülen. Mit diesen Tests können Forscher bestimmen, wie der Arzneimittelkandidat mit spezifischen molekularen Zielen interagiert, und seine Bindungsaffinität und Selektivität beurteilen.


Darüber hinaus sind In-vitro-Studien in der frühen Arzneimittelentwicklung von entscheidender Bedeutung, um potenzielle Kandidaten zu prüfen und diejenigen mit vielversprechenden Ergebnissen für die weitere Bewertung in Tiermodellen und schließlich in klinischen Studien zu priorisieren.

In-vitro- und In-vivo-bezogene Kits


Humanes TNF-alpha-ELISA-Kit
ELISA-Typ-Sandwich
Empfindlichkeit 9,375 pg/ml
Bereich 15,625–1000 pg/ml 
Humanes IL-6 ELISA-Kit
ELISA-Typ-Sandwich
Empfindlichkeit 2,813 pg/ml
Bereich 4,688–300 pg/ml 
Humanes BDNF-ELISA-Kit
ELISA-Typ-Sandwich
Empfindlichkeit 18,75 pg/ml
Bereich 31,25–2000 pg/ml 

Komplementärer Charakter von In-vivo- und In-vitro-Studien


In-vivo- und In-vitro-Studien schließen sich nicht gegenseitig aus, sondern ergänzen sich gegenseitig und liefern jeweils einzigartige Erkenntnisse zum Verständnis komplexer biologischer Phänomene. Während In-vivo-Untersuchungen einen umfassenden Überblick über biologische Prozesse im intakten Organismus bieten, bieten In-vitro-Studien kontrollierte Umgebungen zur Analyse spezifischer molekularer oder zellulärer Mechanismen. Informationen aus In-vitro-Experimenten können in die Gestaltung und Interpretation von In-vivo-Studien einfließen und Forscher zu relevanten Hypothesen und Ansätzen führen. Umgekehrt können Erkenntnisse aus In-vivo-Studien Beobachtungen validieren und kontextualisieren, die in den kontrollierteren Umgebungen von In-vitro-Experimenten gemacht wurden. Durch die Integration dieser Ansätze können Forscher ein umfassendes und vielschichtiges Verständnis biologischer Systeme erlangen und so den Fortschritt wissenschaftlicher Erkenntnisse und ihrer praktischen Anwendungen verbessern. 

In-situ-Studien


Neben In-vivo- und In-vitro-Studien sind In-situ-Studien ein weiterer wesentlicher Ansatz in der wissenschaftlichen Forschung. Unter In-situ-Untersuchungen versteht man Untersuchungen, die in der natürlichen Umgebung oder am ursprünglichen Standort des interessierenden Objekts durchgeführt werden, ohne dass die Probe entfernt oder die Umgebung gestört wird.


In-situ-Studien bieten einzigartige Vorteile, da sie es Forschern ermöglichen, Phänomene in ihrem natürlichen Kontext zu beobachten und zu analysieren und dabei die ökologischen und biologischen Wechselwirkungen zu bewahren, die für das Verständnis des untersuchten Themas von entscheidender Bedeutung sein können. Dieser Ansatz ist besonders wertvoll in Bereichen wie Ökologie, Geologie und Umweltwissenschaften.


Obwohl In-situ-Studien wertvolle Informationen liefern, kann ihre Durchführung aufgrund der Komplexität der Arbeit in natürlichen Umgebungen und der Möglichkeit unvorhersehbarer Variablen schwierig sein. Forscher müssen ihre Methoden sorgfältig planen, um Störungen zu minimieren und die Datengenauigkeit sicherzustellen.
13th Sep 2024 Shanza Riaz

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