In vitro

Der Begriff in vitro, wörtlich „im Glas“, bezeichnet jeden Versuchsaufbau, der außerhalb eines vollständigen lebenden Organismus durchgeführt wird: im Reagenzglas, in der Kulturschale, im Well einer Mikrotiterplatte, in einem mikrofluidischen System oder an einem isolierten Organoid. Er bildet die Grundlage der präklinischen Forschung in Biologie, Biochemie, Pharmakologie und Toxikologie.

In-vitro-Versuchssysteme decken ein breites Spektrum ab. Auf molekularer Ebene zellfreie biochemische Assays (Enzymkinetik, Bindung an gereinigte Rezeptoren in Lösung, ITC, SPR, Kristallographie). Auf zellulärer Ebene immortalisierte Zelllinien (HEK293, HeLa, CHO, COS-7 für das Screening rekombinanter Rezeptoren), Primärzellen (Hepatozyten, Myoblasten, murine Neuronen, Endothelzellen) sowie induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs), die in die gewünschten Zelltypen differenziert werden. In jüngerer Zeit bringen 3D-Kulturen (Sphäroide, intestinale, hepatische oder zerebrale Organoide) und Organ-on-Chip-Systeme (mit mikrofluidischer Perfusion) die In-vitro-Forschung näher an die Komplexität des Gewebes.

Die Vorteile von in vitro sind zahlreich: präzise Kontrolle der Bedingungen (Konzentration, Temperatur, Zusammensetzung des Mediums, keine systemischen metabolischen Störeinflüsse), höhere Reproduzierbarkeit, geringere Kosten, hoher Durchsatz (Hochdurchsatz-Screening in Platten mit 384 oder 1536 Wells) und Ethik (Ersatz oder Reduktion von Tierversuchen nach dem 3R-Prinzip). Das initiale Screening von Peptidbibliotheken (Phage Display, mRNA Display, Peptid-Arrays) erfolgt systematisch in vitro.

Ebenso wichtig ist es, die Grenzen zu kennen. Das Fehlen einer integrierten Physiologie schließt endokrine Rückkopplungsschleifen, adaptive Immunität, Kreislaufdynamik, die reale Gewebeverteilung und die Blut-Hirn-Schranke aus. Ein in vitro hochaktives Peptid kann in vivo enttäuschen, etwa wegen ungünstiger Pharmakokinetik, schnellen Abbaus im Plasma, fehlender Überwindung der Zielbarriere oder eines unerwarteten hepatischen/renalen Metabolismus. Zellmodelle können zudem von primären Phänotypen abweichen: künstliche Überexpression von Rezeptoren, Verlust der Transkriptionsregulation, onkogene Transformationen immortalisierter Zelllinien, die die Reaktionen verändern.

In der Peptidforschung übernimmt in vitro mehrere aufeinanderfolgende Aufgaben: Bestätigung von Identität und Reinheit (HPLC, MS), Bewertung der Zielbindung (SPR, Fluoreszenz), zelluläre Funktionstests (cAMP, Ca²⁺, Phosphorylierung, Proliferation), Selektivitätsprofil gegenüber Off-Targets, Bewertung der metabolischen Stabilität (humane Lebermikrosomen, Human-/Nagerplasma), Permeabilitätsstudien (Caco-2 für den oralen Weg, MDCK-MDR1 für die Blut-Hirn-Schranke) und schließlich zelluläre Toxizitätsstudien (Zytotoxizität, kardiales hERG, In-vitro-Ames-Genotoxizität).

In-vitro-Ergebnisse werden anschließend mit In-vivo-Daten aus Tiermodellen und, wo möglich, mit Ex-vivo-Daten an menschlichem Gewebe (Biopsien, patientenabgeleitete Organoide) trianguliert, um das präklinische Profil vor jeder klinischen Studie zu festigen.