Zellkultur ist stark abhängig von Bedingungen. Sie sind für jeden Zelltyp unterschiedlich, bestehen aber in der Regel aus einem geeigneten Gefäß mit einem Substrat oder Medium, das die notwendigen Nährstoffe (Aminosäuren, Kohlenhydrate, Vitamine, Mineralstoffe), Wachstumsfaktoren, Hormone und Gase (CO2, O2) bereitstellt und die Physico reguliert - chemische Umgebung (Puffer-pH, osmotischer Druck, Temperatur). Die meisten Zellen benötigen eine Oberfläche oder ein künstliches Substrat (Klebe- oder Monoschichtkultur), während andere in einem Kulturmedium frei vermehrt werden können (Suspensionskultur). Die Lebensdauer der meisten Zellen ist genetisch festgelegt, aber einige Zellkulturen wurden in unsterbliche Zellen umgewandelt, die sich unbegrenzt vermehren, wenn optimale Bedingungen geschaffen werden.
Definition
SDie Definition hier ist ziemlich einfach. In der Praxis bezieht sich der Begriff "Zellkultur" nun auf die Kultivierung von Zellen, die von vielzelligen Eukaryoten stammen, insbesondere von tierischen Zellen, im Gegensatz zu anderen Kulturarten. Die historische Entwicklung und die Kulturmethoden sind eng mit der Gewebekultur und der Organkultur verbunden. Viruskulturen werden auch mit Zellen als Wirte für Viren in Verbindung gebracht.
Geschichte
Labortechniken zur Gewinnung und Kultivierung von Zellen, die von der ursprünglichen Gewebequelle getrennt wurden, wurden Mitte des 20. Jahrhunderts robuster. Die wichtigsten Durchbrüche auf diesem Gebiet wurden von Wissenschaftlern der Yale University erzielt.
Durchbruch Mitte des Jahrhunderts
Ursprünglich wurde die Gewinnung und Kultivierung von Zellen praktiziert, um ein Allheilmittel gegen viele gefährliche Viren zu finden. Eine Reihe von Forschern hat entdeckt, dass viele Virenstämme sicher auf künstlich gezüchteten tierischen Zellen oder sogar ganzen Organen leben, gedeihen und sich vermehren können, die autonom in speziellen Flaschen aufbewahrt werden. In der Regel werden für solche Tests Zellen von Organen von Tieren verwendet, die dem Menschen möglichst nahe stehen – zum Beispiel von höheren Primaten wie Schimpansen. All diese Entdeckungen wurden in den 1940er Jahren gemacht, als Experimente an Menschen aus bestimmten Gründen am relevantesten waren.
Methodik
Zellen können auf verschiedene Weise aus Geweben für die Ex-vivo-Kultur isoliert werden. Sie können leicht von Blut befreit werden, aber nur weiße Blutkörperchen können in Kultur wachsen. Zellen könnenaus festen Geweben durch Verdauung der extrazellulären Matrix unter Verwendung von Enzymen wie Collagenase, Trypsin oder Pronase isoliert werden, bevor das Gewebe geschüttelt wird, um die Zellen in Suspension freizusetzen. Alternativ können Gewebestücke in Wachstumsmedien gelegt werden und die wachsenden Zellen stehen für die Kultur zur Verfügung. Diese Methode ist als Explantatkultur bekannt.
Zellen, die direkt vom Subjekt kultiviert werden, werden als Primärzellen bezeichnet. Mit Ausnahme einiger Tumorzellkulturen haben die meisten primären Zellkulturen eine begrenzte Lebensdauer.
Unsterbliche und Stammzellen
Eine etablierte oder unsterblich gemachte Zelllinie hat die Fähigkeit erworben, sich auf unbestimmte Zeit zu reproduzieren, entweder durch zufällige Mutation oder absichtliche Modifikation, wie z. B. die künstliche Expression des Telomerase-Gens. Zahlreiche Zelllinien sind als typische Zelltypen bekannt.
Die Massenkultur tierischer Zelllinien ist grundlegend für die Herstellung viraler Impfstoffe und anderer biotechnologischer Produkte. Die Kultur menschlicher Stammzellen wird verwendet, um ihre Zahl zu erhöhen und Zellen in verschiedene Typen zu differenzieren, die für eine Transplantation geeignet sind. Menschliche (Stamm-)Zellkulturen werden auch verwendet, um Moleküle und Exosomen zu sammeln, die von Stammzellen für therapeutische Zwecke freigesetzt werden.
Verbindung zur Genetik
Biologische Produkte, die durch rekombinante DNA (rDNA)-Technologie in Tierkulturen hergestellt werden, umfassenEnzyme, synthetische Hormone, immunbiologische (monoklonale Antikörper, Interleukine, Lymphokine) und Antikrebsmittel. Während viele einfachere Proteine unter Verwendung von rDNA in Bakterienkulturen hergestellt werden können, müssen komplexere Proteine, die glykosyliert (durch Kohlenhydrate modifiziert) sind, derzeit in tierischen Zellen hergestellt werden.
Ein wichtiges Beispiel für solch ein komplexes Protein ist das Hormon Erythropoetin. Die Kosten für den Anbau von Säugetierzellkulturen sind hoch, daher wird derzeit daran geforscht, solche komplexen Proteine in Insektenzellen oder in höheren Pflanzen herzustellen. Die Verwendung einzelner embryonaler Zellen und somatischer Embryonen als Quelle für direkten Gentransfer durch Partikelbeschuss, Expression von transienten Genen und konfokale Mikroskopie ist eine seiner Anwendungen. Pflanzenzellkultur ist die häufigste Form dieser Praxis.
Gewebekulturen
Gewebekultur ist die Kultivierung von Geweben oder Zellen, die von einem Organismus getrennt wurden. Dieser Prozess wird normalerweise durch die Verwendung eines flüssigen, halbfesten oder festen Wachstumsmediums wie Brühe oder Agar erleichtert. Gewebekultur bezieht sich im Allgemeinen auf die Kultur tierischer Zellen und Gewebe, wobei der spezifischere Begriff für Pflanzen, Pflanzenzell- und Gewebekultur verwendet wird. Der Begriff „Gewebekultur“wurde von dem amerikanischen Pathologen Montrose Thomas Burroughs geprägt.
Geschichte der Gewebekultur
Wilhelm Roux entfernte 1885 einen Teil des MarkraumsPlatten mit fötalem Hähnchen und hielt es mehrere Tage in einer warmen Kochsalzlösung, wodurch das Grundprinzip der Gewebekultur etabliert wurde. 1907 demonstrierte der Zoologe Ross Granville Harrison das Wachstum embryonaler Froschzellen, die in geronnener Lymphe zu Nervenzellen führen würden. 1913 kultivierten E. Steinhardt, C. Israel und R. A. Lambert das Vacciniavirus in Fragmenten von Meerschweinchenhorngewebe. Es war bereits etwas viel Fortgeschritteneres als die Pflanzenzellkultur.
Von der Vergangenheit in die Zukunft
Gotlieb Haberlandt wies als erster auf die Möglichkeit hin, isoliertes Pflanzengewebe zu kultivieren. Er schlug vor, dass diese Methode die Fähigkeiten einzelner Zellen durch Gewebekultur sowie die gegenseitige Beeinflussung von Geweben untereinander bestimmen könnte. Als Haberlands ursprüngliche Behauptungen verwirklicht wurden, begannen Gewebe- und Zellkulturtechniken aktiv angewendet zu werden, was zu neuen Entdeckungen in Biologie und Medizin führte. Seine ursprüngliche Idee, die er 1902 vorstellte, hieß Totipotentialität: „Theoretisch sind alle Pflanzenzellen in der Lage, eine vollständige Pflanze zu produzieren.“Die Züchtung von Zellkulturen schritt damals dramatisch voran.
Im modernen Sprachgebrauch bezieht sich Gewebekultur im Allgemeinen auf das Wachstum von Zellen aus dem Gewebe eines vielzelligen Organismus in vitro. Die Zellkulturbedingungen sind in diesem Fall nicht sehr wichtig. Diese Zellen können aus einem Spenderorganismus, Primärzellen oder einer immortalisierten Zelllinie isoliert werden. Zellen werden gewaschenein Kulturmedium, das die für ihr Überleben notwendigen Nährstoffe und Energiequellen enthält. Der Begriff „Gewebekultur“wird oft synonym mit Zellkultur verwendet.
Bewerbung
Die wörtliche Bedeutung von Gewebekultur bezieht sich auf die Züchtung von Gewebestücken, also Explantatkultur.
Gewebekultur ist ein wichtiges Werkzeug zur Untersuchung der Biologie von Zellen vielzelliger Organismen. Es bietet ein In-vitro-Gewebemodell in einer genau definierten Umgebung, das leicht manipuliert und analysiert werden kann.
In tierischen Gewebekulturen können Zellen als 2D-Monoschichten (konventionelle Kultur) oder in Fasergerüsten oder Gelen gezüchtet werden, um natürlichere gewebeähnliche 3D-Strukturen (3D-Kultur) zu erzielen. Eric Simon zeigte in einem NIH SBIR Grant Report von 1988, dass Elektrospinnen verwendet werden kann, um Polymerfasergerüste im Nano- und Submikronbereich herzustellen, die speziell für die Verwendung als Zell- und Gewebesubstrate in vitro entwickelt wurden.
Diese frühe Verwendung von elektrisch leitfähigen Fasergittern für die Zellkultur und Gewebezüchtung zeigte, dass verschiedene Arten von Zellen an Polycarbonatfasern haften und sich vermehren würden. Es wurde beobachtet, dass im Gegensatz zu der abgeflachten Morphologie, die typischerweise in 2D-Kulturen zu sehen ist, auf elektrischen Kabelfasern gewachsene Zellen eine rundere 3D-Morphologie aufweisen, die typischerweise in in vivo-Geweben zu sehen ist.
KulturPflanzengewebe wird insbesondere mit dem Züchten ganzer Pflanzen aus kleinen Stücken von Pflanzenfasern in Verbindung gebracht, die in einem Medium kultiviert werden.
Modellunterschiede
Die Forschung in den Bereichen Tissue Engineering, Stammzellen und Molekularbiologie umfasst hauptsächlich die Züchtung von Zellkulturen auf flachen Plastikschalen. Diese Methode ist als zweidimensionale (2D) Zellkultur bekannt und wurde erstmals von Wilhelm Roux entwickelt, der 1885 einen Teil der Markplatte eines embryonalen Huhns entfernte und ihn mehrere Tage auf Flachglas in warmer Kochsalzlösung aufbewahrte.
Aus der Weiterentwicklung der Polymertechnologie ist die moderne Standard-Kunststoffschale für die zweidimensionale Zellkultur entstanden, die allgemein als Petrischale bekannt ist. Julius Richard Petri, ein deutscher Bakteriologe, der in der wissenschaftlichen Literatur gewöhnlich als Erfinder dieser Erfindung bezeichnet wird, arbeitete als Assistent von Robert Koch. Heute verwenden verschiedene Forscher auch Kulturflaschen, Konen und sogar Einwegbeutel, wie sie in Einweg-Bioreaktoren verwendet werden.
Neben der Kultur gut etablierter immortalisierter Zelllinien können Zellen aus primären Explantaten vieler Organismen für einen begrenzten Zeitraum kultiviert werden, bis eine Anfälligkeit auftritt. Kultivierte Primärzellen wurden in der Forschung häufig verwendet, wie im Fall von Fischkeratozyten in Zellmigrationsstudien. Zellkulturmedien können in den meisten verwendet werdenanders.
Pflanzenzellkulturen werden üblicherweise als Zellsuspensionskulturen in Flüssigmedien oder in Kalluskulturen auf Festmedien gezüchtet. Die Kultur von undifferenzierten Pflanzenzellen und Calli erfordert ein angemessenes Gleichgewicht der Pflanzenwachstumshormone Auxin und Cytokinin.
