Études in vitro versus in vivo : quelles sont les différences ?

Dans le domaine de la recherche scientifique, que ce soit en biotechnologie, en santé, en alimentation ou en cosmétique, il est essentiel de comprendre les différentes approches expérimentales disponibles pour étudier le comportement des composés, ingrédients ou produits. Parmi celles-ci, les essais in vitro et in vivo sont deux méthodologies clés, chacune présentant ses propres caractéristiques, applications et avantages.

Études in vivo : définition et exemples d’application

Que signifie in vivo ? Le terme in vivo vient du latin et signifie « dans le vivant ». Il désigne les études expérimentales réalisées sur des organismes vivants entiers, tels que des animaux ou des êtres humains.

Ces essais permettent d’observer les effets d’une intervention (comme un composé, un médicament ou un ingrédient fonctionnel) dans le contexte réel d’un système biologique intact, où les interactions complexes entre cellules, tissus et organes sont conservées.

Selon l’objectif de l’étude, différents modèles animaux sont sélectionnés :

• Drosophila melanogaster (mouche du vinaigre) est largement utilisée en recherche génétique et neurocomportementale en raison de la facilité de manipulation génétique.

• Danio rerio (poisson-zèbre) permet d’étudier le développement embryonnaire, la toxicologie et la fonction génétique grâce à des techniques comme l’édition génique.

• Les rongeurs (souris et rats) et, pour des études plus spécifiques, les primates non humains. Ils sont utilisés pour évaluer la pharmacocinétique, la toxicité ou l’efficacité de nouveaux composés avant de passer aux essais cliniques sur l’homme.

Applications courantes des études in vivo

• Évaluation de l’efficacité et de la toxicité des médicaments, composés bioactifs ou ingrédients fonctionnels.

• Étude de la physiopathologie des maladies et de leur progression.

• Recherche sur le comportement et la neurobiologie.

• Essais de biodégradation et de toxicité dans des environnements chimiques complexes.

Avantages des tests in vivo

• Permettent une analyse systémique et intégrée de l’effet d’un composé ou d’une technologie.

• Offrent une pertinence physiologique complète, tenant compte de tous les processus métaboliques et des interactions organiques.

• Permettent l’étude d’effets chroniques, multifactoriels ou sur plusieurs organes.

Limites des tests in vivo

• Nécessitent des délais longs pour leur mise en œuvre et leur planification.

• Comportent des coûts économiques et logistiques élevés.

• Impliquent des considérations éthiques importantes, notamment en ce qui concerne l’utilisation d’animaux.

• Présentent une plus grande variabilité interindividuelle, ce qui peut compliquer l’interprétation des résultats aux stades précoces.

Études in vitro : définition et exemples d’application

Le terme in vitro, également d’origine latine, signifie « dans le verre » et fait référence aux études, essais ou expériences réalisés en dehors d’un organisme vivant, dans des environnements contrôlés comme des plaques, tubes ou bioréacteurs de laboratoire.

Ce type d’expérimentation permet d’analyser des variables spécifiques : la réponse cellulaire, l’absorption d’un composé ou l’activité enzymatique, sans la complexité d’un système biologique complet.

Il existe aussi l’approche ex vivo (« hors du vivant »), qui consiste à utiliser des tissus ou organes extraits d’un organisme, mais maintenus viables dans des conditions expérimentales spécifiques. Bien qu’isolés, ces modèles conservent une partie de l’architecture et de la fonctionnalité de leur environnement d’origine, et sont utiles pour des études physiologiques plus avancées que les modèles classiques in vitro.

Études in vivo versus in vitro : utilisation des cultures cellulaires

Pour préserver les caractéristiques physiologiques, biochimiques et génétiques du système biologique d’origine, les chercheurs ont souvent recours à des cultures cellulaires humaines ou animales.

Ces cultures permettent de simuler des fonctions spécifiques de tissus ou d’organes, et se classent en quatre grands types :

• Cultures primaires, dérivées directement de tissus.

• Cultures secondaires, sous-cultures dérivées des primaires.

• Lignées cellulaires continues, capables de se diviser indéfiniment.

• Hybridomes, utilisés pour la production d’anticorps monoclonaux.

Applications courantes des modèles in vitro

• Évaluation de médicaments avec des organes sur puce : des systèmes microfluidiques qui simulent les fonctions humaines clés (foie, intestin, poumon, etc.) à l’aide de cellules humaines, permettant des études prédictives d’efficacité et de toxicité sans recourir aux animaux.

• Médecine régénérative et ingénierie tissulaire : à l’aide de cultures tridimensionnelles (3D), de bioréacteurs ou d’échafaudages biofonctionnels, il est possible d’étudier des processus tels que la régénération des tissus, la cicatrisation ou l’interaction cellule-matrice.

• Évaluation de l’absorption cutanée et transdermique d’ingrédients cosmétiques ou pharmaceutiques, à l’aide de modèles de peau reconstruite ou de tissus ex vivo.

• Études de digestion et de métabolisme gastro-intestinal : à l’aide de modèles intestinaux in vitro, de tissus ex vivo ou de simulateurs digestifs, on analyse la stabilité et la transformation des ingrédients bioactifs dans des conditions physiologiques.

• Modèles de perméabilité et d’absorption intestinale pour les ingrédients, les nutraceutiques ou les additifs alimentaires.

• Tests de corrosion, d’irritation et de pénétration cutanée dans le développement de produits chimiques ou cosmétiques, en utilisant des modèles validés comme la peau humaine reconstruite.

• Essais de nettoyage ou de désinfection sur tissus réels, utiles dans le secteur sanitaire ou alimentaire.

• Validation de technologies de conservation ou de transformation des aliments, comme la pasteurisation ou les hautes pressions, sur tissus animaux.

• Fécondation in vitro (FIV) : l’un des exemples les plus connus, dans lequel la fécondation de l’ovule par le spermatozoïde se fait en dehors du corps, sur une plaque de laboratoire, avant le transfert de l’embryon dans l’utérus.

Avantages des études in vitro

Les études in vitro offrent de nombreux avantages qui en font des outils fondamentaux pour la recherche biomédicale et pharmacologique.

• Elles permettent un contrôle expérimental plus rigoureux, réduisant l’interférence de variables systémiques susceptibles d’altérer l’interprétation des résultats. Cela conduit à une reproductibilité accrue par rapport aux modèles in vivo, facilitant l’obtention de données cohérentes et fiables.
• En outre, l’utilisation de tissus humains issus de chirurgie ou de dons confère une pertinence physiologique plus directe et représentative de l’organisme humain.
• Autre avantage : l’intégration de techniques non invasives permettant l’étude dynamique de processus cellulaires et tissulaires sans compromettre la viabilité du modèle.

Limites des études in vitro

D’un point de vue éthique, les études in vitro sont une alternative valable et préférable à l’expérimentation animale, conformément au principe des 3R (Replacement, Reduction, Refinement). Cela encourage la réduction du recours aux animaux en recherche en les remplaçant par des méthodes alternatives, en diminuant leur nombre et en améliorant leurs conditions expérimentales.

Cependant, ces techniques présentent aussi des limites importantes.

• L’une des principales est l’absence de réponse immunitaire ou systémique globale, ce qui limite la capacité à reproduire certaines interactions biologiques complexes présentes chez l’organisme entier.
• De plus, la manipulation de tissus humains nécessite des conditions strictes de conservation et de manipulation pour maintenir leur viabilité et leur fonctionnalité, ce qui implique des défis techniques et logistiques.

In vitro versus in vivo : approches complémentaires en recherche

Les modèles in vivo, ex vivo et in vitro ne doivent pas être considérés comme des approches exclusives, mais comme des outils complémentaires dans l’écosystème de la recherche biomédicale, technologique et appliquée. Chacun apporte des avantages spécifiques en fonction de l’objectif de l’étude, du niveau de complexité requis, des exigences réglementaires ou du type de composé ou produit à évaluer.

Dans un contexte où la rigueur scientifique, l’éthique en recherche et l’efficacité dans le développement de solutions innovantes sont prioritaires, les essais in vitro gagnent en importance par rapport aux modèles animaux. Bien que les études in vivo restent essentielles pour aborder des aspects comme la réponse systémique, la toxicité à long terme ou la pharmacocinétique complète, les modèles in vitro et ex vivo offrent des alternatives plus polyvalentes, durables et adaptées aux défis actuels de la science et de l’industrie.

Études in vitro versus in vivo : tendances et aspects réglementaires

Ce changement de paradigme est soutenu par plusieurs cadres réglementaires qui promeuvent activement l’utilisation de méthodes alternatives :

• L’EFSA recommande des approches in vitro et mécanistiques pour l’évaluation des risques lorsqu’elles sont scientifiquement validées.

• Dans le domaine de la chimie, le règlement européen REACH privilégie l’utilisation de méthodes alternatives par rapport à l’expérimentation animale.

• Aux États-Unis, la FDA et d’autres agences ont commencé à accepter des données issues de plateformes in vitro avancées dans les contextes de pharmacologie et de toxicologie.

• En Europe, le rôle de l’EURL ECVAM (Laboratoire de référence de l’Union européenne pour les alternatives à l’expérimentation animale) est essentiel pour valider, harmoniser et promouvoir l’usage des études in vitro et alternatives. Cet organisme évalue non seulement la solidité scientifique de nouvelles méthodologies, mais collabore aussi activement avec les agences réglementaires et les réseaux internationaux pour faciliter leur acceptation réglementaire et leur mise en œuvre dans des secteurs comme la cosmétique, les dispositifs médicaux, l’alimentation ou les produits chimiques industriels.

Ainsi, dans des secteurs où les exigences réglementaires et éthiques sont particulièrement strictes, comme la cosmétique, les aliments fonctionnels ou les nutraceutiques, les études in vitro et ex vivo s’imposent comme des piliers clés pour l’innovation en R&D. Leur évolution constante, conjuguée au soutien réglementaire et au travail d’organismes spécialisés, permet d’envisager un avenir où l’équilibre entre pertinence biologique, durabilité et responsabilité éthique sera de plus en plus accessible.

Référence : EURL ECVAM. Laboratoire de référence de l’Union européenne pour les alternatives à l’expérimentation animale. Centre commun de recherche de la Commission européenne (JRC). Disponible sur : https://ec.europa.eu/jrc/en/eurl/ecvam