Культура тканей — это рост тканей или клеток в искусственной среде, отдельной от родительского организма. Этот метод также называется микроразмножением . Этому обычно способствуют использование жидкой, полутвердой или твердой питательной среды , такой как бульон или агар . Культура тканей обычно относится к культуре клеток и тканей животных, при этом для растений используется более конкретный термин « культура тканей растений ». Термин «культура ткани» был придуман американским патологом Монтроузом Томасом Берроузом . [1] Это возможно только при определенных условиях. Это также требует большего внимания. Это можно сделать только в генетических лабораториях с использованием различных химикатов.
В 1885 году Вильгельм Ру удалил часть мозговой пластинки куриного эмбриона и выдержал его в теплом солевом растворе в течение нескольких дней, установив основной принцип культуры тканей. В 1907 году зоолог Росс Грэнвилл Харрисон продемонстрировал рост эмбриональных клеток лягушки, которые дали начало нервным клеткам в среде свернувшейся лимфы . В 1913 г. Э. Стейнхардт, К. Израэль и Р. А. Ламберт вырастили вирус коровьей оспы во фрагментах ткани роговицы морской свинки . [2] В 1996 году впервые была использована регенеративная ткань для замены небольшой длины уретры, что привело к пониманию того, что техника получения образцов ткани, выращивания ее вне тела без каркаса и повторного применения может использовать только на небольших расстояниях менее 1 см. [3]
Готлиб Хаберландт первым указал на возможности культуры изолированных тканей, культуры тканей растений . [4] Он предположил, что с помощью этого метода можно определить потенциальные возможности отдельных клеток посредством культуры тканей, а также взаимное влияние тканей друг на друга. Со времени первоначальных утверждений Хаберландта были реализованы методы культивирования тканей и клеток, что привело к значительным открытиям в биологии и медицине. Его первоначальная идея, выдвинутая в 1902 году, называлась тотипотенциальностью: «Теоретически все растительные клетки способны дать начало целому растению». [5] [6] [7]
В современном использовании термин «культура ткани» обычно относится к росту клеток многоклеточного организма in vitro . Эти клетки могут представлять собой клетки, выделенные из организма-донора ( первичные клетки ) или иммортализованную клеточную линию . Клетки погружают в культуральную среду, которая содержит необходимые питательные вещества и источники энергии, необходимые для выживания клеток. [8] Таким образом, в более широком смысле «культура ткани» часто используется как синоним « культуры клеток ». С другой стороны, строгое значение термина «культура ткани» относится к культивированию кусочков ткани, т.е. к культуре эксплантатов .
Культура тканей — важный инструмент для изучения биологии клеток многоклеточных организмов. Он обеспечивает модель ткани in vitro в четко определенной среде, которой можно легко манипулировать и анализировать. В культуре тканей животных клетки можно выращивать в виде двумерных монослоев (традиционная культура) или внутри волокнистых каркасов или гелей для получения более натуралистичных трехмерных тканеподобных структур (3D-культура). Эрик Саймон в отчете о гранте NIH SBIR 1988 года показал, что электропрядение можно использовать для производства полимерных волокнистых каркасов нано- и субмикронного размера, специально предназначенных для использования в качестве клеточных и тканевых субстратов in vitro . Это раннее использование электропряденых волокнистых решеток для клеточной культуры и тканевой инженерии показало, что различные типы клеток будут прикрепляться к поликарбонатным волокнам и размножаться на них. Было отмечено, что в отличие от уплощенной морфологии, обычно наблюдаемой в 2D-культуре, клетки, выращенные на волокнах электропрядения, демонстрировали более округлую трехмерную морфологию, обычно наблюдаемую в тканях in vivo . [9]
Культура тканей растений, в частности, связана с выращиванием целых растений из небольших кусочков растительной ткани, культивируемых в среде. [10] Методика культуры растительных тканей, т.е. культивирование растительных клеток или тканей в искусственной среде, дополненной необходимыми питательными веществами, имеет множество применений для эффективного клонального размножения (верного типа или подобного), что может быть затруднительно с помощью традиционных методов селекции. Культура тканей используется при создании генетически модифицированных растений , поскольку она позволяет ученым вносить изменения ДНК в растительную ткань с помощью Agrobacterium tumefaciens или генной пушки , а затем генерировать полноценное растение из этих модифицированных клеток. [11]
Поскольку растительные клетки тотипотентны, добавление гормонов роста в среду может привести к тому, что клетки каллуса начнут развивать корни, побеги и целые растения. [12]
Существует три распространенных метода получения культуры клеток животных. Первый – это культура органов, при которой целые органы эмбрионов или части органов взрослого человека используются для инициирования культуры органов in vitro . Эти клетки сохраняют свой дифференцированный характер и функциональную активность в органной культуре. Второй метод — это первичная культура эксплантатов, при которой фрагменты, полученные из тканей животных, прикрепляются к поверхности с помощью компонента внеклеточного матрикса (ECM), такого как коллаген или сгусток плазмы. Эта культура известна как первичный эксплантат, а мигрирующие клетки известны как выросты. Это использовалось для анализа характеристик роста раковых клеток по сравнению с их нормальными аналогами. [13] Третий метод - это культура клеток, которая бывает трех типов: (1) культура клеток-предшественников, т.е. недифференцированные клетки, подлежащие дифференцировке, (2) культура дифференцированных клеток, т.е. полностью дифференцированные клетки, утратившие способность к дифференцировке. дальнейшая дифференцировка и (3) культура стволовых клеток, то есть недифференцированные клетки, которые могут развиться в клетки любого типа» [13] .
Культура клеток животных используется во многих исследовательских целях и коммерческом бизнесе, а также в качестве:
Клеточная линия может быть определена как постоянно созданная клеточная культура, которая будет размножаться вечно. Исследователи в основном получают клеточные линии от других исследователей или из банка клеток (Американская коллекция типовых культур), потому что это намного проще, чем создавать новые, но в особых случаях исследователи обязаны создать клеточную линию, для этого вы должны использовать одну из следующие ячейки:
Трансформированные клеточные линии, опухолевая ткань или трансформация нормальных клеток in vitro [14]
Субкультура – это перенос клеток из одной культуры в новую. Во время этого процесса пролиферирующие клетки подразделяются с образованием новых клеточных линий. [15]
Самая передовая наука о культуре тканей сейчас сосредоточена на стволовых клетках. Стволовые клетки можно использовать для замены тканей или органов. Стволовые клетки — это примитивный тип клеток, способный дифференцироваться во все 220 типов клеток, обнаруженных в организме человека. Стволовые клетки можно получить из крови, мозга или мышечной ткани, но наиболее важными являются клетки ранних эмбрионов, которые способны дифференцироваться в любые другие клетки. [14]