體外實驗

體外實驗是指在體外使用從其通常的生物學環境中分離的生物體組分進行研究，例如微生物，細胞或生物分子。例如，可以在人工培養基中研究微生物或細胞，並且可以在溶液中檢查蛋白質。通俗地稱為“試管實驗”，這些在生物學，醫學及其子科學中的研究傳統上在試管、燒瓶、培養皿等中進行。它們被廣泛用於分子生物學、細胞生物學等學科的研究，特別是組學研究 。

相比之下，在生物（微生物，動物，人類或整個植物）中進行的研究被稱為體內實驗。

體外實驗的實例包括：在細胞或組織培養物中分離、生長和鑑定來自多細胞生物體的細胞；亞細胞組分（例如線粒體或核糖體）；細胞或亞細胞提取物（例如小麥胚芽或網織紅細胞提取物）；純化的分子例如蛋白質，DNA或RNA）；以及抗生素和其他藥品的商業化生產。僅在活細胞中複製的病毒在實驗室中在細胞或組織培養物中進行研究，並且許多動物病毒學家將這種工作稱為在體外將其與整個動物體內工作區分開。

使用體外受精以允許精子在將所得胚胎或胚胎植入預期母親的子宮之前在培養皿中對卵進行授精。

體外診斷是指廣泛的醫學和獸醫實驗室測試，其用於使用從患者處獲得的血液、細胞或其他組織的樣品來診斷患者和監測患者的臨牀狀態。

體外測試已經用於表徵活生物體內藥物或一般化學品的特定吸附、分佈、代謝和排泄過程。例如，可以進行Caco-2細胞實驗以估計化合物通過胃腸道內層的吸收 ^[1]  ；可以確定化合物在器官之間的分配以研究分佈機制 ^[2]  ；懸浮或平板培養的原代肝細胞或肝細胞樣細胞系（HepG2，HepaRG）可用於研究和定量化學品的代謝 ^[3]  。然後可以將這些ADME過程參數整合到所謂的“基於生理的藥代動力學模型”或PBPK中。

體外實驗相比體內實驗利用整個生物體進行實驗，可實現物種特異性，更簡單，更方便和更詳細的分析。 正如在整個動物的研究逐漸取代人類試驗，體外實驗也正逐漸取代對整個動物的研究。

活生物體是在由膜空間組織的環境中，由至少數萬個基因、蛋白質分子、RNA分子、小有機化合物、無機離子和複合物組成的極其複雜的功能系統。在多細胞生物體、器官系統中、這些無數組分以處理食物、去除廢物、將組分移動到正確位置，並且響應於信號分子、其他生物體、光、聲音、熱、味道、觸覺和平衡的方式與彼此和它們的環境相互作用 。這種複雜性使得人們難以識別各個組分之間的相互作用，並且難以探索它們的基本生物學功能。 體外實驗工作簡化了正在研究的系統，因此研究者可以專注於少數組件的研究。

例如，探索免疫系統的蛋白質（例如抗體）以及它們識別並結合外源抗原的機制將保持非常模糊，但可廣泛使用體外實驗來分離蛋白質，鑑定細胞和產生它們的基因，研究它們與抗原相互作用的物理性質，並鑑定這些相互作用如何導致激活免疫系統的其它組分的細胞信號。

體外實驗的另一個優點是可以在沒有來自實驗動物的細胞反應的“外推”的情況下研究人細胞。

體外實驗可以實現小型化和自動化，產生用於在藥理學或毒理學中測試分子的高通量篩選方法。

體外實驗研究的主要缺點是從體外實驗的結果外推到完整生物體的生物學具有挑戰性。進行體外實驗的研究者必須小心避免對其結果的過度解釋，這可能導致關於有機體和系統生物學的錯誤結論。

例如，開發新的病毒藥物以治療病原性病毒（例如HIV-1）感染的科學家可能發現候選藥物起作用，以防止在體外環境（通常是細胞培養）中的病毒複製。然而，在臨牀使用這種藥物之前，它必須通過一系列體內試驗，以確定它是否在完整生物體（通常是小動物，靈長類動物和人類）中是安全和有效的。通常，在體外有效的大多數候選藥物在體內證明在體內無效，因為與藥物向受影響組織的遞送相關的問題，對於在最初體外實驗研究中，並未表現出對生物體主要部分的毒性或其他問題。 ^[4]