Celcultuur is sterk afhankelijk van omstandigheden. Ze verschillen per celtype, maar bestaan meestal uit een geschikt vat met een substraat of medium dat zorgt voor de nodige voedingsstoffen (aminozuren, koolhydraten, vitamines, mineralen), groeifactoren, hormonen en gassen (CO2, O2) en de fysico reguleert. -chemische omgeving (buffer pH, osmotische druk, temperatuur). De meeste cellen hebben een oppervlak of kunstmatig substraat nodig (kleef- of monolaagcultuur), terwijl andere cellen vrij kunnen worden vermeerderd in een kweekmedium (suspensiecultuur). De levensduur van de meeste cellen is genetisch bepaald, maar sommige celculturen zijn getransformeerd in onsterfelijke cellen die zich voor onbepaalde tijd zullen voortplanten als optimale omstandigheden worden gecreëerd.
Definitie
Sde definitie hier is vrij eenvoudig. In de praktijk verwijst de term "celkweek" nu naar het kweken van cellen die zijn afgeleid van meercellige eukaryoten, in het bijzonder dierlijke cellen, in tegenstelling tot andere soorten kweken. Historische ontwikkelings- en kweekmethoden zijn nauw verwant aan weefselkweek en orgaankweek. Viruscultuur wordt ook geassocieerd met cellen als gastheren voor virussen.
Geschiedenis
Laboratoriumtechnieken voor het verkrijgen en kweken van cellen gescheiden van de oorspronkelijke weefselbron werden halverwege de 20e eeuw robuuster. De belangrijkste doorbraken op dit gebied zijn gemaakt door wetenschappers van de Yale University.
Midden-eeuwse doorbraak
Oorspronkelijk werd het verkrijgen en kweken van cellen beoefend om een wondermiddel te vinden voor veel gevaarlijke virussen. Een aantal onderzoekers heeft ontdekt dat veel virusstammen veilig kunnen leven, gedijen en zich kunnen vermenigvuldigen op kunstmatig gekweekte dierlijke cellen of zelfs hele organen die autonoom in speciale kolven worden bewaard. Voor dergelijke tests worden in de regel cellen van organen van dieren gebruikt die zo dicht mogelijk bij de mens staan, bijvoorbeeld hogere primaten zoals chimpansees. Al deze ontdekkingen werden gedaan in de jaren veertig, toen experimenten op mensen om bepaalde redenen het meest relevant waren.
Methodologie
Cellen kunnen op verschillende manieren uit weefsels worden geïsoleerd voor ex vivo-kweek. Ze kunnen gemakkelijk van bloed worden ontdaan, maar alleen witte bloedcellen kunnen in kweek groeien. Cellen kunnenworden geïsoleerd uit vaste weefsels door digestie van de extracellulaire matrix met behulp van enzymen zoals collagenase, trypsine of pronase voordat het weefsel wordt geroerd om de cellen in suspensie te brengen. Als alternatief kunnen stukjes weefsel in groeimedia worden geplaatst en zijn de cellen die groeien beschikbaar voor kweek. Deze methode staat bekend als explantcultuur.
Cellen die rechtstreeks uit de proefpersoon worden gekweekt, staan bekend als primaire cellen. Met uitzondering van sommige die van tumoren zijn afgeleid, hebben de meeste primaire celculturen een beperkte levensduur.
Onsterfelijken en stamcellen
Een gevestigde of onsterfelijke cellijn heeft het vermogen gekregen om zich voor onbepaalde tijd te reproduceren, hetzij door willekeurige mutatie of opzettelijke modificatie, zoals kunstmatige expressie van het telomerase-gen. Talrijke cellijnen staan bekend als typische celtypes.
Massacultuur van dierlijke cellijnen is van fundamenteel belang voor de productie van virale vaccins en andere biotechnologische producten. Het kweken van menselijke stamcellen wordt gebruikt om hun aantal uit te breiden en cellen te differentiëren in verschillende typen die geschikt zijn voor transplantatie. Menselijke (stam)celcultuur wordt ook gebruikt voor het verzamelen van moleculen en exosomen die door stamcellen worden afgegeven voor therapeutische doeleinden.
Verband met genetica
Biologische producten geproduceerd door middel van recombinant-DNA (rDNA)-technologie in dierculturen zijn onder meer:enzymen, synthetische hormonen, immunobiologische (monoklonale antilichamen, interleukinen, lymfokinen) en middelen tegen kanker. Hoewel veel eenvoudigere eiwitten kunnen worden gemaakt met rDNA in bacterieculturen, moeten momenteel complexere eiwitten die geglycosyleerd zijn (gemodificeerd door koolhydraten) in dierlijke cellen worden gemaakt.
Een belangrijk voorbeeld van zo'n complex eiwit is het hormoon erytropoëtine. De kosten van het kweken van zoogdiercelculturen zijn hoog, dus er wordt onderzoek gedaan om dergelijke complexe eiwitten in insectencellen of in hogere planten te maken. Het gebruik van enkele embryonale cellen en somatische embryo's als een bron van directe genoverdracht door deeltjesbombardement, expressie van voorbijgaande genen en confocale microscopie is een van de toepassingen. Plantencelcultuur is de meest voorkomende vorm van deze praktijk.
Weefselkweken
Weefselkweek is het kweken van weefsels of cellen gescheiden van een organisme. Dit proces wordt gewoonlijk vergemakkelijkt door gebruik te maken van een vloeibaar, halfvast of vast groeimedium zoals bouillon of agar. Weefselkweek verwijst in het algemeen naar het kweken van dierlijke cellen en weefsels, waarbij de meer specifieke term wordt gebruikt voor planten, plantencel- en weefselkweek. De term "weefselkweek" is bedacht door de Amerikaanse patholoog Montrose Thomas Burroughs.
Geschiedenis van weefselkweek
In 1885 verwijderde Wilhelm Roux een deel van de medullairplaten van foetale kip en deze gedurende enkele dagen in een warme zoutoplossing bewaard, waarmee het basisprincipe van weefselkweek werd vastgesteld. In 1907 toonde zoöloog Ross Granville Harrison de groei aan van embryonale kikkercellen die aanleiding zouden geven tot zenuwcellen in geklonterde lymfe. In 1913 kweekten E. Steinhardt, C. Israel en R. A. Lambert het vacciniavirus in fragmenten van hoornweefsel van cavia's. Het was al iets veel geavanceerder dan plantencelcultuur.
Van verleden naar toekomst
Gotlieb Haberlandt was de eerste die wees op de mogelijkheid om geïsoleerde plantenweefsels te kweken. Hij suggereerde dat deze methode de mogelijkheden van individuele cellen door weefselkweek zou kunnen bepalen, evenals de wederzijdse invloed van weefsels op elkaar. Toen Haberlands oorspronkelijke beweringen werden gerealiseerd, begonnen weefsel- en celkweektechnieken actief te worden toegepast, wat leidde tot nieuwe ontdekkingen in de biologie en de geneeskunde. Zijn oorspronkelijke idee, gepresenteerd in 1902, heette totipotentialiteit: "Theoretisch zijn alle plantencellen in staat om een complete plant te produceren." Het kweken van celculturen ging in die tijd enorm vooruit.
In modern gebruik verwijst weefselkweek in het algemeen naar de groei van cellen uit het weefsel van een meercellig organisme in vitro. De celkweekomstandigheden zijn in dit geval niet erg belangrijk. Deze cellen kunnen worden geïsoleerd uit een donororganisme, primaire cellen of een onsterfelijk gemaakte cellijn. Cellen wasseneen kweekmedium dat de voedingsstoffen en energiebronnen bevat die nodig zijn voor hun overleving. De term "weefselkweek" wordt vaak door elkaar gebruikt met celkweek.
Toepassing
De letterlijke betekenis van weefselkweek verwijst naar het kweken van stukjes weefsel, oftewel explantatiekweek.
Weefselkweek is een belangrijk hulpmiddel voor het bestuderen van de biologie van cellen van meercellige organismen. Het biedt een in vitro weefselmodel in een goed gedefinieerde omgeving die gemakkelijk kan worden gemanipuleerd en geanalyseerd.
In dierlijke weefselkweek kunnen cellen worden gekweekt als 2D-monolagen (conventionele cultuur) of in vezelachtige steigers of gels om meer naturalistische 3D-weefselachtige structuren te verkrijgen (3D-cultuur). Eric Simon toonde in een NIH SBIR-subsidierapport uit 1988 aan dat elektrospinning kan worden gebruikt om polymeervezelsteigers op nano- en submicronschaal te produceren die specifiek zijn ontworpen voor gebruik als cel- en weefselsubstraten in vitro.
Dit vroege gebruik van elektrisch geleidende vezelroosters voor celcultuur en weefselmanipulatie toonde aan dat verschillende soorten cellen zich zouden hechten aan en zich vermenigvuldigen op polycarbonaatvezels. Er is waargenomen dat, in tegenstelling tot de afgeplatte morfologie die typisch wordt gezien in 2D-cultuur, cellen die op elektrische snoervezels zijn gekweekt, een meer afgeronde 3D-morfologie vertonen die typisch wordt gezien in in vivo weefsels.
CultuurVooral plantenweefsel wordt geassocieerd met het kweken van hele planten uit kleine stukjes plantenvezels die in een medium zijn gekweekt.
Verschillen in modellen
Onderzoek in tissue engineering, stamcellen en moleculaire biologie omvat voornamelijk het kweken van celculturen op platte plastic scha altjes. Deze methode staat bekend als tweedimensionale (2D) celcultuur en werd voor het eerst ontwikkeld door Wilhelm Roux, die in 1885 een deel van de medullaire plaat van een embryonale kip verwijderde en deze enkele dagen in een warme zoutoplossing op vlak glas hield.
Vanuit de vooruitgang van de polymeertechnologie is de moderne standaard plastic schaal voor tweedimensionale celcultuur ontstaan, algemeen bekend als de petrischaal. Julius Richard Petri, een Duitse bacterioloog, die in de wetenschappelijke literatuur gewoonlijk wordt genoemd als de uitvinder van deze uitvinding, werkte als assistent van Robert Koch. Tegenwoordig gebruiken verschillende onderzoekers ook kweekkolven, kegels en zelfs wegwerpzakken zoals die worden gebruikt in wegwerpbioreactoren.
Naast het kweken van gevestigde onsterfelijke cellijnen, kunnen cellen van primaire explantaten van veel organismen gedurende een beperkte periode worden gekweekt totdat gevoeligheid optreedt. Gekweekte primaire cellen zijn op grote schaal gebruikt in onderzoek, zoals in het geval van viskeratocyten in celmigratiestudies. Celkweekmedia kunnen in de meesteanders.
Plantencelculturen worden meestal gekweekt als celsuspensieculturen in vloeibare media of in callusculturen op vaste media. Het kweken van ongedifferentieerde plantencellen en calli vereist een juiste balans van de plantengroeihormonen auxine en cytokinine.
