Étiquette : in vitro

Comprendre la science: les modèles in vitro

Le par julienforsciencedans Understanding Science / Comprendre la scienceLaisser un commentaire

Aujourd’hui nous continuons sur le sujet des modèles. La dernière fois, nous avons vu les organismes modèles et leurs avantages. Ces modèles sont très durs à utiliser, notamment grâce au code éthique qui leur est associé. Du coup, les scientifiques ont trouvés d’autres modèles qui n’utilisent pas d’animaux. Ces modèles sont nommés in vitro (que l’on peut traduire modèle en verre). Le principe d’un modèle in vitro est simple: on isole le composant d’intérêt, et on l’étudie loin de sa source. Dans cet article, nous allons voir différents modèles in vitro ainsi que leurs avantages.

La réaction en chaine par polymérase, ou comment obtenir de l’ADN « à l’infini »

La réaction en chaîne par polymérase (aussi appelée PCR) est une expérience phare de tous les laboratoires scientifiques. Cette technique a été inventée par Dr. Kary Mullis (ce qui lui a valu un prix Nobel), et elle permet de répliquer l’ADN. Le principe est le même que celui utilisé dans le corps. Dans une cellule, les protéines appelées hélicases vont séparer l’ADN pour permettre à une autre protéine appelée polymérase de s’attacher à l’ADN et de le répliquer. Cette méthode utilise beaucoup d’énergie et est très dure à reproduire en dehors du corps. Le PCR utilise une autre méthode plus simple pour séparer l’ADN: la température. Quand l’ADN est chauffé, il se sépare de lui-même, ce qui permet à la polymérase de le répliquer sans l’aide des hélicases. Ainsi, pendant un PCR, l’ADN va être chauffé à plusieurs reprise, ce qui permet aux polymérases de répliquer l’ADN. Le nouvel ADN va ensuite être chauffé de nouveau, et les polymérases vont une fois de plus le répliquer. Pendant une réaction PCR, on reçoit exponentiellement plus d’ADN qu’on avait au départ.

Cette technique peut être utiliser dans plusieurs domaine. Dans le domaine médicale, on peut simplement prendre la salive d’un patient, et répliquer son ADN par PCR. Ainsi on obtient une grande quantité d’ADN, ce qui nous permet de l’étudier autant qu’on veut sans avoir a prendre un échantillon du patient à chaque fois. Mais c’est surtout utilisé pour préserver de l’ADN limité. Par exemple, grâce au PCR, on a pu prendre de l’ADN trouvé dans des fossiles, qui étaient en très faible quantité, et le répliquer au point d’en avoir assez pour faire pleins d’études dessus. En cas de crime, le PCR est également très utile. Chaque cheveu ou matériel organique peut être répliquer pour ensuite être étudier et trouver les empreintes génétiques nous permettant d’arrêter le coupable. Le PCR nous a permis de conserver de l’ADN qui aurait été perdu [source / source / source].

La purification des protéines, ou comment étudier des protéines sans interférence

Nous sommes également capables d’isoler des protéines, seulement à la place de les répliquer, nous pouvons les étudier d’elles-mêmes. Le corps possèdent tellement de protéines qu’il est souvent difficile de savoir le rôle d’une seule. En séparant les protéines, nous pouvons voir ce que fait une protéine sans interférence. Nous avons déjà parlé de certaines expériences qui permettent de purifier des protéines, comme le blot Western ou la cytométrie en flux, mais je voulais parler de la plus connue: la centrifugation. La centrifugation permet de séparer des particules grâce à leur densité et à la vitesse de rotation. Chaque molécule affectée par la vitesse va s’accumuler au fond du tube. Dans le cas de nos protéines, la centrifugation nous permet de séparer les protéines du reste de la cellule: Les composants de la cellules vont s’accumuler au fond, et les protéines resteront au milieu. Ainsi, la centriufgation st un moyen grossier de séparer les protéines du reste du corps [source / source].

La culture cellulaire, ou comment utiliser les cellules comme on le veut

Le modèle in vitro le plus utilisé est probablement la culture cellulaire. Comme son nom l’indique, nous prenons des cellules d’un organisme, et on les développe dans une une boîte de Pétri. Les cultures cellulaires sont intéressantes pour plusieurs raisons. D’abord, elles peuvent être immortelles. Grâce à un procédé appelé transformation, on force les cellules à exprimer des gênes qui rallonge leur vie au point de ne plus mourir. De plus, on peut conserver une culture cellulaire très longtemps, simplement en la gelant. Ensuite, on peut performer des expériences plus « douloureuses », vu qu’elles ne sont plus dans l’organismes. Cela permet de faire des expériences que l’on ne peut pas faire in vivo. On peut également utiliser des cellules humaines, ce qui nous permet de mieux comprendre comment le corps humain fonctionne sans passer par des animaux. Enfin, les scientifiques ont développé une technique appelée cellule souche pluripotente induite (CSPi) qui nous permet de transformer n’importe quelle cellule en cellule souche, qui a la particularité de pouvoir devenir n’importe quelle cellule. Ainsi, en utilisant une cellule de la peau, on peut créer des cellules souches, qui deviendront ensuite neurones avec le même matériel génétique. Du coup, on peut étudier les neurones de patients sans avoir à en recueillir [source / source / source / source].

Les modèles in vitro ont plusieurs avantages. D’abord, on peut utiliser des tissus humains, et on peut également faire des expériences plus dangereuses sans risque. Malheureusement, les modèles in vitro on également leurs désavantages. D’abord, même les modèles in vitro sont dépendant d’échantillons biologiques. Tous les examples que j’ai donné ont besoin d’un échantillon initial provenant d’un animal. Cela implique que même ces modèles ont besoin d’un code éthique. Cela limite notamment qui a accès aux échantillons, et quelles expériences peuvent être faites dessus. Enfin, le principe même du modèle in vitro est son plus grand défaut: l’isolation. Le corps humain est si interconnecté que chacune de ses actions est influencée par la totalité du corps. En isolant une certaine partie, on perd cette interconnection, si bien que les résultats seront différents. En général, les résultats trouvés en utilisant un modèle in vitro ne seront pas les mêmes que si on utilisait un modèle in vivo. C’est pour cela que le modèle in vivo reste le modèle phare en science.

Understanding Science: In Vitro models

Le par julienforsciencedans Understanding Science / Comprendre la scienceLaisser un commentaire

Today’s article is a continuation of the last one. We first looked into the model organisms, or in vivo models, and their advantages. However, it is very hard to use in vivo models, due to the strict ethic codes associated with them. Therefore scientists developed ways to perform experiments without the use of animal models. These models are called in vitro models (that can be translated in model in glass). The principle of an in vitro model is simple: isolate the component of interest, and study it away from its source. This article will present different in vitro models and their advantages over in vivo models.

Polymerase chain reaction: a way to get « infinite » DNA

The first example is a staple of any scientific lab. Polymerase chain reaction (PCR for short) is a technique invented by Dr. Kary Mullis (who got the Nobel Prize for this finding), and it allows to artificially replicate DNA. The technique works very similarly to our own cells. In our body, we have proteins called helicase which separates the DNA to allow another protein called polymerase to bind the DNA and replicate it. This is however very energy intensive and hard to replicate in vitro. PCR uses an easier way to separate DNA: temperature. Under high heat, the DNA will separate by itself and allow the polymerase to bind. Therefore, when performing PCR, we add the DNA we want to replicate, and polymerases. The DNA will undergo many heat cycles, allowing it to separate, and the polymerase will then replicate the DNA. With another cycle, the newly replicated DNA can be separated, and more DNA will be formed. Hence, we get exponentially more DNA than what we had in the first place.

This technique has many applications. In the medical field for example, simply taking the DNA of a patient from the saliva can allow us to replicate the DNA indefinitely and study it to know which genes are mutated for instance. But more interestingly, we can replicate DNA which we have limited access to in order to study it indefinitely. That’s how we know the genetics of some dinosaurs. The limited DNA preserved in fossils was replicated using PCR, and then studied more extensively without the risk of losing the DNA forever. Finally, hair strands or any other organic materials found in crime scenes can be used in PCR to study the genetic fingerprints and find the culprits. PCR is an amazing technique that helped us preserve DNA we would have lost, and because so much DNA is produced, we can use it indefinitely for many studies [source / source / source].

Protein purification: isolating a protein to study it by itself

Similarly to DNA, we can also isolate proteins. However, unlike PCR, we will not replicate it indefinitely. Instead, we will separate it from everything else to study its structure, or see what its effects are. Since there are so many proteins that are doing a lot of things at the same time. It is hard to determine what a single protein is responsible for, That’s why isolating it makes it easier to study. There are many ways to separate proteins, some of which I previously explained, such as Western blots or flow cytometry. I wanted to mention a last one, and maybe the most famous, centrifugation. Centrifugation allows to separate particles depending on both density and speed. When a sample is centrifuged, any molecule that is affected by the speed will aggregate at the bottom of the tube, while the other will stay suspended. In the cases of proteins, it is often used to separate all the proteins from any other components of the cells. In short, centrifugation is a crude way of separating different components within a sample [source / source].

Cell culture: getting cells to do what you want

Cell cultures are probably the most common in vitro models. As the name suggest, we are taking cells from a organisms, and culture them in Petri dishes. One advantage of cell cultures is that they can become immortal. using a process called transformation, we make the cells express genes that prolong their lifespan to the point that they will never die. Further, we can keep cell cultures forever by simply freezing them, preventing any unwanted reactions since cold proteins will not activate. Cell cultures have a lot of advantages. First, we can perform invasive or « painful » experiments on them, since it is outside of the organisms and thus no pain will be felt. We can also culture human cells, allowing us to understand some diseases better than if we were to use animal models. Lastly, simply from skin cells, we are able to make any cell we want. This procedure is called induced pluripotent stem cells (or IPSC), and it allows us to revert any cell into a stem cell. A stem cell has the capacity to become any cell, therefore we can transform the skin cells of a patient into neurons to better study them without having invasive surgery [source / source / source / source].

Here we have seen three example of in vitro models and how useful they can be. In many instances, they have advantages over in vivo models. First we can study human tissues, but we can perform more painful or dangerous experiment without any risk. However, in vitro models have their flaws. The first one is that they still depend on biological sample. Every example that I have given still requires an initial sample from a patient or an animal. This implies that we still need ethical conducts towards in vitro models, notably how and how long we are going to use the sample, and who will have access to it. Lastly, the core principle of in vitro models is isolation, and it is its biggest flaw. The human body is so interconnected that all of its parts influence each other tremendously. When we isolate something from the body, it will not react the same way. This is why many times results found in vitro will never happen in vivo. This means that many in vitro experiments have to be repeated in vivo in order to be sure that the results we see is actually happening in the body.