Культивування клітин і тканин: особливості та цікаві факти

Культивування клітин і тканин: особливості та цікаві факти


Культивування клітин залежить від умов. Вони змінюються для кожного типу клітин, але зазвичай складаються з відповідної судини з субстратом або середовищем, які забезпечують необхідні поживні речовини (амінокислоти, вуглеводи, вітаміни, мінерали), фактори росту, гормони і гази (CO2, O2) і регулюють фізико-хімічне середовище (буфер рН, осмотичний тиск, температуру). Більшість клітин потребують поверхні або штучного субстрату (адгезивна або моношарова культура), тоді як інші можуть бути вільно розмножені в культуральному середовищі (суспензійна культура). Тривалість життя більшості клітин генетично визначена, але деякі об'єкти культивування клітин були трансформовані в безсмертні клітини, які будуть відтворюватися нескінченно, якщо для цього будуть створені оптимальні умови.

Визначення

З визначенням тут все досить просто. На практиці термін «культура клітин» тепер належить до культивування клітин, отриманих з багатоклітинних еукаріотів, особливо тварин клітин, на відміну від інших типів культури. Історичний розвиток і методи культивування тісно пов'язані з культурою тканин і культурою органів. Вірусна культура також пов'язана з клітинами як господарями для вірусів.

Історія

Лабораторна техніка отримання та культивування клітин, відокремлених від вихідного джерела тканини, стала більш стійкою в середині 20 століття. Основні прориви в цій галузі були здійснені вченими з Єльського університету.

Прорив у середині століття

Спочатку отримання і культивування клітин практикувалося для того, щоб знайти панацею від безлічі небезпечних вірусів. Серед дослідників було відкрито, що багато штамів вірусів можуть спокійно жити, процвітати і розмножуватися на штучно вирощуваних клітинах тварин або навіть цілих органах, які утримуються автономно в спеціальних колбах. Як правило, для подібних випробувань використовуються клітини органів тварин, максимально наближених до людини - наприклад, вищих приматів на кшталт шимпанзе. Всі ці відкриття були здійснені в 1940-х роках, коли експерименти над людьми в силу певних причин були найбільш актуальні.

Методологія

Клітини можуть бути виділені з тканин для культури ex vivo кількома способами. Вони можуть бути легко очищені від крові, проте тільки білі клітини здатні до зростання в культурі. Клітини можуть бути виділені з твердих тканин шляхом перетравлення позаклітинного матриксу з використанням ферментів, таких як колагеназа, трипсин або проназа, перед перемішуванням тканини для вивільнення клітин в суспензію. Альтернативно шматочки тканини можуть бути поміщені в ростові середовища, а клітини, які ростуть, доступні для культури. Цей метод відомий як культура експлантатів.

Клітини, які культивуються безпосередньо у суб'єкта, відомі як первинні клітини. За винятком деяких, отриманих з пухлин, більшість первинних клітинних культур мають обмежений термін служби.

Безсмертні і стовбурові клітини

Встановлена або імморталізована клітинна лінія набула здатності розмножуватися нескінченно або через випадкову мутацію, або навмисну модифікацію, таку, як штучна експресія гена теломерази. Численні клітинні лінії добре відомі як типові типи клітин.

Масова культура ліній клітин тварин має основоположне значення для виробництва вірусних вакцин та інших продуктів біотехнології. Культура стовбурових клітин людини використовується для розширення їх числа і диференціації клітин на різні типи, придатні для трансплантації. Культивування клітин людини (стовбурових) також використовується для збору молекул і екзосом, вивільнених стовбуровими клітинами для цілей терапевтичного використання.

Зв'язок з генетикою

Біологічні продукти, отримані за допомогою технології рекомбінантної ДНК (рДНК) в культурах тварин, включають ферменти, синтетичні гормони, імунобіологічні (моноклональні антитіла, інтерлейкіни, лімфокіни) і протиракові агенти. Хоча багато більш простих білків можуть бути отримані з використанням рДНК в бактеріальних культурах, більш складні білки, які глікозильовані (модифіковані вуглеводами), в даний час повинні бути зроблені в клітинах тварин.

Важливим прикладом такого комплексного білка є гормон еритропоетин. Витрати на вирощування клітинних культур ссавців високі, тому ведуться дослідження зі створення таких складних білків у клітинах комах або на вищих рослинах. Використання окремих ембріональних клітин і соматичних ембріонів як джерела прямого перенесення генів шляхом бомбардування частинками, експресії транзитних генів, і конфокальна мікроскопія є однією з областей її застосувань. Культивування рослинних клітин є найпоширенішою формою цієї практики.

Тканинні культури

Тканинна культура - це вирощування тканин або клітин, відокремлених від організму. Цей процес зазвичай полегшується з використанням рідкого, напівтвердого або твердого середовища росту, такого як бульйон або агар. Тканинна культура зазвичай належить до культури тварин клітин і тканин, при цьому для рослин використовується більш конкретний термін - культивування клітин і тканин рослин. Термін «тканинна культура» був придуманий американським патологом Монтроузом Томасом Берроузом.

Історія тканинної культури

У 1885 році Вільгельм Ру зняв ділянку медулярної пластини ембріональної курки і кілька днів підтримував її в теплому сольовому розчині, встановлюючи основний принцип тканинної культури. У 1907 році зоолог Росс Гранвілл Харрісон продемонстрував зростання ембріональних клітин жаби, які призвели б до виникнення нервових клітин у середовищі лімфи, що згорнулася. У 1913 році Е.Штайнхардт, C. Ісраель і Р. А. Ламберт вирощували вірус коров'ячої віспи в фрагментах рогової тканини морської свинки. Це вже було чимось куди більш просунутим, ніж культивування клітин рослин.

Від минулого до майбутнього

Готліб Хабвіт вперше вказав на можливість культивування ізольованих тканин рослин. Він припустив, що цим методом можна визначити можливості окремих клітин через тканинну культуру, а також взаємний вплив тканин один на одного. Оскільки оригінальні твердження Хаб^ а були реалізовані, методи тканинної і клітинної культури стали активно застосовуватися, що призвело до нових відкриттів у біології та медицині. Його початкова ідея, представлена 1902 року, називалася тотипотенційністю: «Теоретично всі рослинні клітини здатні породити повну рослину». Культивування культур клітин у той час просунулося різко вперед.

У сучасному використанні тканинна культура зазвичай відноситься до зростання клітин з тканини багатоклітинного організму in vitro. Умови культивування клітин при цьому не дуже важливі. Ці клітини можуть бути виділені з донорського організму, первинними клітинами або імморталізованою клітинною лінією. Клітини омивають культуральним середовищем, яке містить поживні речовини та джерела енергії, необхідні для їх виживання. Термін «» тканинна культура «» часто використовується взаємозамінно з клітинною культурою.

Застосування

Буквальне значення культури тканин відноситься до культивування шматочків тканини, тобто до експлантаційної культури.

Тканинна культура є важливим інструментом для вивчення біології клітин з багатоклітинних організмів. Вона забезпечує in vitro модель тканини в чітко визначеному середовищі, якою можна легко маніпулювати і аналізувати її.

У культурі тканин тварин клітини можна вирощувати у вигляді почесних моношарів (звичайна культура) або всередині волокнистих лісів або гелів для досягнення більш натуралістичних тривимірних тканеподібних структур (3D-культура). Ерік Саймон у доповіді гранту NIH SBIR 1988 року показав, що електроспінінг можна використовувати для отримання полімерних волокнистих каркасів нано- і субмікронного масштабу, спеціально призначених для використання як клітинних і тканинних субстратів in vitro.

Це раннє використання електропровідних волокнистих решіток для клітинної культури і тканинної інженерії показало, що різні типи клітин будуть прилипати і розмножуватися на полікарбонатних волокнах. Було зазначено, що, на відміну від сплюснутої морфології, зазвичай спостерігається в 2D-культурі, клітини, вирощені на електрошнурних волокнах, демонструють більш округлу 3-мірну морфологію, зазвичай спостерігається в тканинах in vivo.

Культура рослинної тканини, зокрема, пов'язана з вирощуванням цілих рослин з дрібних шматочків рослинних волокон, що культивуються в середовищі.

Відмінності в моделях

Дослідження в тканинній інженерії, в області стовбурових клітин і молекулярної біології в першу чергу включають в себе вирощування клітинних культур на плоских пластикових стравах. Цей метод відомий як почесна (2D) клітинна культура і вперше був розроблений Вільгельмом Ру, який у 1885 році видалив частину медулярної платівки ембріональної курки і підтримував її в теплому фізіологічному розчині протягом декількох днів на плоскому склі.

Від просування полімерної технології виник сучасний стандартний пластиковий посуд для почесної клітинної культури, широко відома як чашка Петрі. Юлій Ріхард Петрі, німецький бактеріолог, як правило, згадується в науковій літературі як автор цього винаходу, працював помічником Роберта Коха. Сьогодні різні дослідники також використовують культуральні лабораторні колби, конічні і навіть одноразові мішки, подібні до тих, які використовуються в одноразових біореакторах.

Крім культури добре усталених імморталізованих клітинних ліній, клітини з первинних експлантів безлічі організмів можуть культивуватися протягом обмеженого періоду часу до появи чутливості. Культурні первинні клітини широко використовувалися в дослідженнях, як у випадку кератоцитів риб в дослідженнях міграції клітин. Середовища для культивування клітин можуть використовуватися різні.

Культури рослинних клітин зазвичай вирощують у вигляді культур клітинної суспензії в рідкому середовищі або в культурах калюса на твердому середовищі. Культура недифференційованих рослинних клітин і каллі вимагає належного балансу гормонів зростання рослин ауксину і цитокініну.



Матеріали по темі