Культивирование тканей и клеток в искусственной среде.

Введение

Выращивание тканей или клеток в искусственной среде, отделенной от родительского организма.

Культура тканей – это выращивание тканей или клеток в искусственной среде, отделенной от родительского организма. Этот метод также называют микроклонированием. Обычно это достигается с использованием жидкой, полутвердой или твердой питательной среды, такой как бульон или агар. Культура тканей обычно относится к культивированию клеток и тканей животных, при этом для растений используется более конкретный термин – культура тканей растений. Термин "культура тканей" был введен американским патологом Монтроузом Томасом Берроузом. Это возможно только при определенных условиях и требует повышенного внимания. Проводится она только в генетических лабораториях с использованием различных химических веществ.

Историческое использование

В 1885 году Вильгельм Ру удалил фрагмент медуллярной пластины эмбриона курицы и поддерживал его в теплом солевом растворе в течение нескольких дней, заложив основы культуры тканей. В 1907 году зоолог Росс Гранвилл Харрисон продемонстрировал рост эмбриональных клеток лягушки, способных дифференцироваться в нервные клетки, в среде из свернувшейся лимфы. В 1913 году Э. Стейнхардт, К. Израиль и Р. А. Ламберт вырастили вирус вакцины на фрагментах роговицы морской свиньи. В 1996 году регенеративная ткань впервые была использована для замещения небольшого участка уретры, что позволило понять, что метод получения образцов ткани, культивирования вне организма без каркаса и последующей имплантации применим лишь для небольших расстояний – менее 1 см. Готлиб Хаберландт первым указал на возможность культивирования изолированных тканей, в том числе растительных. Он предположил, что с помощью культуры тканей можно определить потенциал отдельных клеток, а также взаимное влияние тканей друг на друга. С момента первоначальных утверждений Хаберландта методы культивирования тканей и клеток были разработаны и реализованы, что привело к значительным открытиям в биологии и медицине. Его первоначальная идея, предложенная в 1902 году, получила название тотипотентности: «Теоретически все растительные клетки способны дать начало целому растению».

Современное использование

В современном понимании, «культура тканей» обычно относится к росту клеток из многоклеточного организма in vitro. Эти клетки могут быть изолированы от организма-донора (первичные клетки) или происходить из иммортизированной клеточной линии. Клетки находятся в питательной среде, содержащей необходимые питательные вещества и источники энергии для их выживания. Таким образом, в широком смысле, термины «культура тканей» и «культура клеток» часто используются как взаимозаменяемые. С другой стороны, в строгом смысле «культура тканей» относится к культивированию фрагментов ткани, то есть культуре эксплантатов. Культура тканей является важным инструментом для изучения биологии клеток многоклеточных организмов, предоставляя in vitro модель ткани в четко определенной среде, которую можно легко манипулировать и анализировать. В животной культуре клеток клетки могут выращиваться в виде двухмерных монослоев (традиционная культура) или внутри волокнистых каркасов или гелей для получения более естественных трехмерных структур, подобных тканям (3D-культура). Эрик Саймон в отчете о гранте NIH SBIR 1988 года показал, что электроспиннинг можно использовать для создания нано- и субмикронных полимерных волокнистых каркасов, специально предназначенных для использования в качестве субстратов для клеток и тканей in vitro. Это раннее применение электроспиннинговых волокнистых матриц для клеточной культуры и тканевой инженерии показало, что различные типы клеток способны прикрепляться и пролиферировать на поликарбонатных волокнах. Отмечено, что в отличие от плоской морфологии, обычно наблюдаемой в 2D-культуре, клетки, выращенные на электроспиннинговых волокнах, демонстрируют более округлую трехмерную морфологию, характерную для тканей in vivo. Культура растительных тканей, в частности, связана с выращиванием целых растений из небольших фрагментов растительной ткани, культивируемых в питательной среде. Метод культуры растительных тканей, то есть культивирование растительных клеток или тканей в искусственной среде, дополненной необходимыми питательными веществами, имеет множество применений в эффективном клональном размножении (сохраняющем тип или близком к нему), которое может быть затруднено традиционными методами селекции. Культура тканей используется для создания генетически модифицированных растений, поскольку она позволяет ученым вводить изменения в ДНК растительной ткани с помощью Agrobacterium tumefaciens или генной пушки, а затем регенерировать полноценное растение из этих модифицированных клеток. Поскольку растительные клетки тотипотентны, добавление гормонов роста в среду может стимулировать развитие клеток каллуса в корни, побеги и целые растения.

In modern usage, "Tissue culture" generally refers to the growth of cells from a multicellular organism in vitro. These cells may be cells isolated from a donor organism (primary cells) or an immortalised cell line. The cells are bathed in a culture medium, which contains essential nutrients and energy sources necessary for the cells' survival. Thus, in its broader sense, "tissue culture" is often used interchangeably with "cell culture". On the other hand, the strict meaning of "tissue culture" refers to the culturing of tissue pieces, i. e. explant culture. Tissue culture is an important tool for the study of the biology of cells from multicellular organisms. It provides an in vitro model of the tissue in a well defined environment which can be easily manipulated and analysed. In animal tissue culture, cells may be grown as two dimensional monolayers (conventional culture) or within fibrous scaffolds or gels to attain more naturalistic three dimensional tissue like structures (3D culture). Eric Simon, in a 1988 NIH SBIR grant report, showed that electrospinning could be used to produce nano and submicron scale polymeric fibrous scaffolds specifically intended for use as in vitro cell and tissue substrates. This early use of electrospun fibrous lattices for cell culture and tissue engineering showed that various cell types would adhere to and proliferate upon polycarbonate fibers. It was noted that as opposed to the flattened morphology typically seen in 2D culture, cells grown on the electrospun fibers exhibited a more rounded 3 dimensional morphology generally observed of tissues in vivo. Plant tissue culture in particular is concerned with the growing of entire plants from small pieces of plant tissue, cultured in medium. The technique of plant tissue culture, i. e., culturing plant cells or tissues in artificial medium supplemented with required nutrients, has many applications in efficient clonal propagation (true to the type or similar) which may be difficult via conventional breeding methods. Tissue culture is used in creating genetically modified plants, as it allows scientists to introduce DNA changes to plant tissue via Agrobacterium tumefaciens or a gene gun and then generate a full plant from these modified cells. Because plant cells are totipotent, adding growth hormones to the media can trigger the callus cells to develop roots, shoots and entire plants.

Культура тканей животных

Существует три распространенных метода для получения клеточной культуры из животных. Первый – культура органов, при которой для инициирования культуры органов in vitro используются целые органы из эмбрионов или частичные органы взрослых особей. Эти клетки сохраняют свой дифференцированный характер и функциональную активность в культуре органов. Второй метод – первичная эксплантационная культура, в которой фрагменты, полученные из тканей животных, прикрепляются к поверхности с использованием компонента внеклеточного матрикса (ECM), такого как коллаген или плазменный сгусток. Эта культура известна как первичный эксплантант, а мигрирующие клетки – как отростки. Этот метод использовался для анализа характеристик роста раковых клеток в сравнении с их нормальными аналогами. Третий метод – культура клеток, которая подразделяется на три типа: (1) культура клеток-предшественников, то есть недифференцированные клетки, которые должны дифференцироваться; (2) культура дифференцированных клеток, то есть полностью дифференцированные клетки, утратившие способность к дальнейшей дифференцировке; и (3) культура стволовых клеток, то есть недифференцированные клетки, способные развиваться в клетки любого типа.

Субкультура

Субкультура – это пересев клеток из одной культуры для создания новой. В процессе этого делящиеся клетки разделяют, формируя новые клеточные линии.

Технология стволовых клеток

Наиболее передовые исследования в области культуры тканей сейчас сосредоточены на стволовых клетках, которые можно использовать для замены тканей или органов. Стволовая клетка – это примитивный тип клеток, обладающий способностью дифференцироваться во все 220 типов клеток, присутствующих в человеческом организме. Стволовые клетки можно получать из крови, мозга или мышечной ткани, но наиболее важным источником являются ранние эмбрионы, способные дифференцироваться в любой другой тип клеток.