Die Definition von In vitro und In vivo-Forschung hängt vom verwendeten experimentellen Modell ab. In-vitro-Forschung wird allgemein als Manipulation von Organen, Geweben, Zellen und Biomolekülen in einer kontrollierten, künstlichen Umgebung bezeichnet. Die Charakterisierung und Analyse von Biomolekülen und biologischen Systemen im Kontext intakter Organismen wird als In-vivo-Forschung bezeichnet.,
Die Grundeinheit lebender Organismen ist die Zelle, die in Bezug auf Umfang und Dimension an der Schnittstelle zwischen molekularer und mikroskopischer Ebene liegt. Die lebende Zelle ist wiederum in funktionelle und strukturelle Domänen wie den Kern, das Zytoplasma und den sekretorischen Weg unterteilt, die aus einer Vielzahl von Biomolekülen bestehen. Diese Moleküle des Lebens führen die chemischen Reaktionen aus, die es einer Zelle ermöglichen, mit ihrer Umgebung zu interagieren, Energie zu nutzen und zu speichern, sich zu vermehren und zu wachsen., Die Struktur jedes Biomoleküls und seine subzelluläre Lokalisation bestimmen, an welchen chemischen Reaktionen es teilnehmen kann und welche Rolle es im Lebensprozess der Zelle spielt. Jede Manipulation, die diese Lebenseinheit, dh die Zelle, in ihre nicht lebenden Bestandteile zerlegt, wird als In-vitro-Ansatz betrachtet. So bezieht sich in vitro, was wörtlich „in Glas“ bedeutet, auf die experimentelle Manipulation, die mit zellfreien Extrakten und gereinigten oder teilweise gereinigten Biomolekülen in Reagenzgläsern durchgeführt wird., Die meisten biochemischen und molekularbiologischen Ansätze und Techniken gelten als Genmanipulationsforschung. Das molekulare Klonen eines Gens mit dem Ziel, sein Proteinprodukt zu exprimieren, umfasst einige Schritte, die in vitro-Experimenten berücksichtigt werden, wie die PCR-Amplifikation des Gens und die Ligation dieses Gens an den Expressionsvektor. Die Expression dieses Gens in einer Wirtszelle wird als In-vivo-Verfahren betrachtet. Was ein In-vitro-Experiment auszeichnet, ist im Prinzip die Tatsache, dass die Bedingungen künstlich sind und Rekonstruktionen dessen sind, was in vivo passieren könnte., Viele In-vitro-Assays sind ungefähre Rekonstitutionen biologischer Prozesse durch Mischen der notwendigen Komponenten und Reagenzien unter kontrollierten Bedingungen. Beispiele für biologische Prozesse, die in vitro rekonstituiert werden können, sind enzymatische Reaktionen, Faltung und Umformung von Proteinen und DNA sowie die Replikation von DNA in der PCR-Reaktion.
Mikrobiologen und Hefegenetiker, die mit einzelnen Zellen oder Zellpopulationen arbeiten, forschen in vivo, während ein Immunologe, der mit gereinigten Lymphozyten in Gewebekultur arbeitet, seine Experimente normalerweise als In-vitro-Ansatz betrachtet., Der In-vivo-Ansatz beinhaltet Experimente, die im Zusammenhang mit dem großen System des Körpers eines Versuchstiers durchgeführt werden. Im Falle der In-vitro-Fertilisation (IVF) manipulieren Ärzte und Reproduktionsbiologen lebende Systeme, und viele der beteiligten biologischen Prozesse finden innerhalb des lebenden Eies und der Spermien statt. Dieses Verfahren wird als In-vitro-Prozess angesehen, um es von der natürlichen Befruchtung des Eies im intakten Körper des Weibchens zu unterscheiden.,
Die experimentelle In-vivo-Forschung verbreitete sich durch die Verwendung von Mikroorganismen und Tiermodellen in Genmanipulationsexperimenten sowie durch die Verwendung von Tiermodellen zur Untersuchung der Arzneimitteltoxizität in der Pharmakologie. Genetiker haben prokaryotische, einzellige Eukaryoten wie Hefe und ganze Organismen wie Drosophila, Frösche und Mäuse verwendet, um Genetik, Molekularbiologie und Toxikologie zu studieren. Die Funktion von Genen wurde untersucht, indem die Auswirkungen spontaner Mutationen in ganzen Organismen beobachtet oder gezielte Mutationen in kultivierte Zellen eingeführt wurden., Die Einführung des Genklonens und der In-vitro-Mutagenese hat es ermöglicht, spezifische Mutationen bei ganzen Tieren zu erzeugen, was die In-vivo-Forschung erheblich erleichtert. Mäuse mit zusätzlichen Kopien oder veränderten Kopien eines Gens in ihrem Genom können durch Transgenese erzeugt werden, die jetzt eine gut etablierte Technik ist. In vielen Fällen kann die Funktion eines bestimmten Gens nur dann vollständig verstanden werden, wenn ein mutiertes Tier erhalten werden kann, das das Gen nicht exprimiert., Dies wird jetzt durch die Gen-Knock-Out-Technologie erreicht, bei der zuerst ein Gen von Interesse isoliert und dann in vivo durch eine defekte Kopie ersetzt wird.
Sowohl In vitro-als auch In vivo-Ansätze werden üblicherweise kombiniert, um detaillierte Informationen über Struktur-Funktion-Beziehungen in Genen und ihren Proteinprodukten zu erhalten, entweder in kultivierten Zellen und Reagenzgläsern oder im gesamten Organismus.