Культивування клітин і тканин: особливості та цікаві факти

Культивування клітин сильно залежить від умов. Вони змінюються для кожного типу клітин, але зазвичай складаються з відповідного посудини з субстратом або середовищем, які забезпечують необхідні поживні речовини (амінокислоти, вуглеводи, вітаміни, мінерали), фактори росту, гормони й гази (CO2, O2) і регулюють фізико-хімічну середу (буфер рН, осмотичний тиск, температуру). Більшість клітин вимагають 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 відноситься до культивування клітин, отриманих з багатоклітинних еукаріотів, особливо тваринних клітин, на відміну від інших типів культури. Історичний розвиток і методи культивування тісно пов’язані з культурою тканин та 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 області були зроблені вченими з Єльського університету.

Прорив у середині століття

Спочатку отримання та культивування клітин практикувалося для того, щоб знайти панацею від безлічі небезпечних вірусів. Рядом дослідників було відкрито, що багато штами 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 начебто шимпанзе. Всі ці відкриття були зроблені 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 легко бути очищені від крові, однак тільки білі клітини здатні до росту в культурі. Клітини можуть бути виділені з твердих тканин шляхом перетравлення позаклітинного матриксу з використанням ферментів, таких як коллагеназа, трипсин або проназа, перед перемішуванням тканини для вивільнення клітин в суспензію. Альтернативно шматочки тканини можуть бути поміщені у ростові середовища, а клітини, які ростуть, доступні для культури. Цей метод відомий як культура експлантатів.

Дивіться також:  Оточення проекту - це... Економіка, фактори, управління і приклади

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 иммортализованная клітинна лінія набула здатність 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 і інших продуктів біотехнології. Культура стовбурових клітин людини використовується для розширення їх кількості і диференціації клітин на різні типи, придатні для трансплантації. Культивування клітин людини (стовбурових) також використовується для збору молекул і экзосом, що вивільняються стовбуровими клітинами для цілей терапевтичного використання.

Зв’язок з генетикою

Біологічні продукти, отримані за допомогою технології рекомбінантної ДНК (рДНК) в культурах тварин, містять ферменти, синтетичні гормони, імунобіологічні (моноклональні антитіла, інтерлейкіни, лімфокіни) і протиракові агенти. Хоча багато більш прості білки можуть бути отримані з використанням рДНК в бактеріальних культурах, більш складні білки, які гликозилированы (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 по створенню таких складних білків у клітинах комах або на вищих рослинах. Використання окремих ембріональних соматичних клітин і ембріонів в якості джерела прямого переносу генів шляхом бомбардування частками, 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. Зазвичай цей процес полегшується з використанням рідкої, напівтвердої або твердої середовища росту, такий як бульйон або агар. Тканинна культура зазвичай відноситься до культури тваринних клітин та тканин, при цьому для рослин використовується більш конкретний термін – культивування клітин і тканин рослин. Термін «тканинна культура» був придуманий американським патологом Монтроузом Томасом Берроузом.

Дивіться також:  Мінерал ортоклаз: різновиди, властивості та характеристики

Історія тканинної культури

У 1885 році Вільгельм Ру зняв ділянку медуллярной 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 в середовищі згорнулася лімфи. У 1913 році Е. Штайнхардт, C. Ісраель і Р. А. Ламберт вирощували вірус коров’ячої віспи у фрагментах рогової тканини морської свинки. Це вже було щось куди більш просунутим, ніж культивування клітин рослин.

Від минулого до майбутнього

Готліб Хаберландт 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 затвердження Хаберланда були реалізовані, методи тканинної та клітинної культури стали активно застосовуватися, що призвело до нових відкриттів у біології та медицині. Його первісна ідея, представлена в 1902 році, називалася тотипотенциальностью: «Теоретично все рослинні клітини здатні породити повне рослина». Культивування культур клітин в той час просунулося різко вперед.

В сучасному використанні тканинна культура зазвичай відноситься до росту клітин з тканини многоклеточного організму in vitro. Умови культивування клітин при цьому не дуже важливі. Ці клітини можуть бути виділеними з донорського організму, первинними клітинами або иммортализованной клітинною лінією. Клітини омивають культуральної середовищем, що містить поживні речовини і джерела енергії, необхідні для їх виживання. Термін “тканинна культура” часто використовується взаємозамінно з клітинної культурою.

Застосування

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

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

У культурі тканин тварин клітини можна вирощувати у вигляді двовимірних моношарів (звичайна культура) або всередині волокнистих лісів або гелів для досягнення більш натуралістичних тривимірних тканеподобных структур (3D-культура). Ерік Саймон у доповіді гранту NIH SBIR 1988 року показав, що электроспиннинг можна використовувати для одержання волокнистих полімерних каркасів нано – і субмикронного масштабу, спеціально призначених для використання в якості клітинних і тканинних субстратів in vitro.

Дивіться також:  Генеалогія - це наука, що вивчає родинні звязки. Джерела науки генеалогії

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 відзначено, що, на відміну від сплюснутої морфології, зазвичай спостерігається в 2D-культурі, клітини, вирощені на электрошнурных волокнах, демонструють більш округлу 3-мірну морфологію, зазвичай спостерігаються в тканинах in vivo.

Культура рослинної тканини, зокрема, пов’язана з вирощуванням цілих рослин з дрібних шматочків рослинних волокон, культивованих в середовищі.

Відмінності в моделях

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

Від просування полімерної технології виникла сучасна стандартна пластикова посуд для двовимірної 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 тим, які використовуються в одноразових біореакторах.

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

Культури рослинних клітин зазвичай вирощують у вигляді культур клітинної суспензії в рідкому середовищі або в культурах каллюса на твердому середовищі. Культура недиференційованих рослинних клітин і каллі вимагає належного балансу гормонів росту рослин-ауксину і цитокініна.