Cultura celulară depinde foarte mult de condiții. Ele variază pentru fiecare tip de celulă, dar de obicei constau dintr-un vas adecvat cu un substrat sau mediu care furnizează nutrienții necesari (aminoacizi, carbohidrați, vitamine, minerale), factori de creștere, hormoni și gaze (CO2, O2) și reglează starea fizică. -mediu chimic.(pH tampon, presiune osmotica, temperatura). Majoritatea celulelor necesită o suprafață sau un substrat artificial (cultură adezivă sau monostrat), în timp ce altele pot fi propagate liber într-un mediu de cultură (cultură în suspensie). Durata de viață a majorității celulelor este determinată genetic, dar unele culturi celulare au fost transformate în celule nemuritoare care se vor reproduce la infinit dacă se creează condiții optime.
Definiție
Sdefiniția aici este destul de simplă. În practică, termenul „cultură celulară” se referă acum la cultivarea celulelor derivate din eucariote multicelulare, în special celule animale, spre deosebire de alte tipuri de cultură. Dezvoltarea istorică și metodele de cultură sunt strâns legate de cultura de țesuturi și cultura de organe. Cultura de virusuri este, de asemenea, asociată cu celule ca gazde pentru viruși.
Istorie
Tehnicile de laborator pentru obținerea și cultivarea celulelor separate de sursa originală de țesut au devenit mai robuste la mijlocul secolului al XX-lea. Principalele descoperiri în acest domeniu au fost făcute de oamenii de știință de la Universitatea Yale.
Revoluție de la mijlocul secolului
Inițial, obținerea și cultivarea celulelor se practica pentru a găsi un panaceu pentru mulți viruși periculoși. O serie de cercetători au descoperit că multe tulpini de virusuri pot trăi, prospera și se pot multiplica în siguranță pe celule animale crescute artificial sau chiar pe organe întregi care sunt păstrate autonom în baloane speciale. De regulă, celulele organelor animalelor care sunt cât mai aproape de oameni sunt folosite pentru astfel de teste - de exemplu, primate superioare precum cimpanzeii. Toate aceste descoperiri au fost făcute în anii 1940, când experimentele pe oameni erau cele mai relevante din anumite motive.
Metodologie
Celulele pot fi izolate din țesuturi pentru cultura ex vivo în mai multe moduri. Ele pot fi curățate cu ușurință de sânge, dar numai celulele albe sunt capabile să crească în cultură. Celulele potsă fie izolate din țesuturile solide prin digestia matricei extracelulare folosind enzime precum colagenaza, tripsina sau pronaza înainte de a agita țesutul pentru a elibera celulele în suspensie. Alternativ, bucăți de țesut pot fi plasate în medii de creștere, iar celulele care cresc sunt disponibile pentru cultură. Această metodă este cunoscută sub numele de cultură de explant.
Celulele care sunt cultivate direct de la subiect sunt cunoscute ca celule primare. Cu excepția unora derivate din tumori, majoritatea culturilor de celule primare au o durată de viață limitată.
Nemuritori și celule stem
O linie celulară stabilită sau imortalizată a dobândit capacitatea de a se reproduce la infinit, fie prin mutație aleatorie, fie prin modificare deliberată, cum ar fi expresia artificială a genei telomerazei. Numeroase linii celulare sunt bine cunoscute ca tipuri de celule tipice.
Cultura în masă a liniilor celulare animale este fundamentală pentru producerea de vaccinuri virale și alte produse biotehnologice. Cultura de celule stem umane este utilizată pentru a-și extinde numărul și a diferenția celulele în diferite tipuri potrivite pentru transplant. Cultura de celule (stem) umane este, de asemenea, folosită pentru a colecta molecule și exozomi eliberați de celulele stem în scopuri terapeutice.
Conexiune cu genetica
Produsele biologice produse prin tehnologia ADN-ului recombinant (rDNA) în culturile animale includenzime, hormoni sintetici, imunobiologici (anticorpi monoclonali, interleukine, limfokine) si agenti anticancer. În timp ce multe proteine mai simple pot fi produse folosind ADNr în culturi bacteriene, proteinele mai complexe care sunt glicozilate (modificate de carbohidrați) trebuie să fie produse în prezent în celulele animale.
Un exemplu important al unei astfel de proteine complexe este hormonul eritropoietina. Costurile creșterii culturilor de celule de mamifere sunt mari, așa că cercetările sunt în curs de a crea astfel de proteine complexe în celulele de insecte sau în plantele superioare. Utilizarea celulelor embrionare unice și a embrionilor somatici ca sursă de transfer direct de gene prin bombardarea particulelor, expresia genelor tranzitorii și microscopia confocală este una dintre aplicațiile sale. Cultura de celule vegetale este cea mai comună formă a acestei practici.
Culturi de țesuturi
Cultura de țesuturi este cultivarea de țesuturi sau celule separate dintr-un organism. Acest proces este de obicei facilitat folosind un mediu de creștere lichid, semisolid sau solid, cum ar fi bulionul sau agarul. Cultura de țesut se referă, în general, la cultura de celule și țesuturi animale, termenul mai specific folosit pentru plante, celule vegetale și cultura de țesut. Termenul „cultură de țesut” a fost inventat de patologul american Montrose Thomas Burroughs.
Istoria culturii de țesuturi
În 1885, Wilhelm Roux a îndepărtat o secțiune a medularuluifarfurii de pui fetal și a menținut-o într-o soluție salină caldă timp de câteva zile, stabilind principiul de bază al culturii tisulare. În 1907, zoologul Ross Granville Harrison a demonstrat creșterea celulelor embrionare de broaște care ar da naștere la celule nervoase în limfa coagulată. În 1913, E. Steinhardt, C. Israel și R. A. Lambert au cultivat virusul vaccinia în fragmente de țesut de corn de cobai. Era deja ceva mult mai avansat decât cultura de celule vegetale.
Din trecut în viitor
Gotlieb Haberlandt a fost primul care a subliniat posibilitatea cultivării țesuturilor vegetale izolate. El a sugerat că această metodă ar putea determina capacitățile celulelor individuale prin cultura de țesut, precum și influența reciprocă a țesuturilor unul asupra celuil alt. Pe măsură ce afirmațiile originale ale lui Haberland au fost realizate, tehnicile de cultură de țesuturi și celule au început să fie aplicate în mod activ, ceea ce a condus la noi descoperiri în biologie și medicină. Ideea sa originală, prezentată în 1902, a fost numită totipotențialitate: „Teoretic, toate celulele vegetale sunt capabile să producă o plantă completă”. Cultivarea culturilor de celule la acel moment a avansat dramatic.
În uzul modern, cultura de țesut se referă în general la creșterea celulelor din țesutul unui organism multicelular in vitro. Condițiile de cultură celulară nu sunt foarte importante în acest caz. Aceste celule pot fi izolate dintr-un organism donor, celule primare sau o linie celulară imortalizată. Celulele se spalăun mediu de cultură care conține nutrienții și sursele de energie necesare supraviețuirii acestora. Termenul „cultură de țesut” este adesea folosit interschimbabil cu cultura celulară.
Aplicație
Semnificația literală a culturii de țesut se referă la cultivarea bucăților de țesut, adică cultura de explant.
Cultura de țesut este un instrument important pentru studiul biologiei celulelor din organisme multicelulare. Oferă un model de țesut in vitro într-un mediu bine definit, care poate fi ușor manipulat și analizat.
În cultura de țesut animal, celulele pot fi cultivate ca monostraturi 2D (cultură convențională) sau în interiorul unor schele fibroase sau geluri pentru a obține structuri asemănătoare țesuturilor 3D mai naturaliste (cultură 3D). Eric Simon, într-un raport de grant al NIH SBIR din 1988, a arătat că electrofilarea ar putea fi folosită pentru a produce schele din fibre polimerice la scară nano și submicronică special concepute pentru a fi utilizate ca substraturi celulare și tisulare in vitro.
Această utilizare timpurie a rețelelor de fibre conductoare electric pentru cultura celulară și ingineria țesuturilor a arătat că diferite tipuri de celule vor adera și vor prolifera pe fibrele de policarbonat. S-a observat că, spre deosebire de morfologia aplatizată observată în mod obișnuit în cultura 2D, celulele crescute pe fibrele cordonului electric prezintă o morfologie 3D mai rotunjită, observată de obicei în țesuturile in vivo.
Culturățesutul vegetal, în special, este asociat cu creșterea plantelor întregi din bucăți mici de fibre vegetale cultivate într-un mediu.
Diferențe între modele
Cercetarea în inginerie tisulară, celule stem și biologie moleculară implică în primul rând creșterea culturilor celulare pe vase plate de plastic. Această metodă este cunoscută sub numele de cultură celulară bidimensională (2D) și a fost dezvoltată pentru prima dată de Wilhelm Roux, care în 1885 a îndepărtat o parte din placa medulară a unui pui embrionar și a ținut-o în ser fiziologic cald timp de câteva zile pe sticlă plată.
Din progresul tehnologiei polimerilor, a apărut vasul de plastic standard modern pentru cultura celulară bidimensională, cunoscut în mod obișnuit ca vasul Petri. Julius Richard Petri, un bacteriolog german, de obicei creditat în literatura științifică drept inventatorul acestei invenții, a lucrat ca asistent al lui Robert Koch. Astăzi, diverși cercetători folosesc, de asemenea, baloane de cultură, conuri și chiar pungi de unică folosință, precum cele folosite în bioreactoarele de unică folosință.
Pe lângă cultura de linii celulare imortalizate bine stabilite, celulele din explantele primare ale multor organisme pot fi cultivate pentru o perioadă limitată de timp până când apare susceptibilitatea. Celulele primare cultivate au fost utilizate pe scară largă în cercetare, ca în cazul keratocitelor de pește în studiile de migrație celulară. Mediile de cultură celulară pot fi folosite în majoritateadiferit.
Culturile de celule vegetale sunt de obicei crescute ca culturi de suspensie de celule în mediu lichid sau în culturi de calus pe mediu solid. Cultura de celule vegetale nediferențiate și cali necesită un echilibru adecvat al hormonilor de creștere a plantelor auxină și citochinină.
