La coltura cellulare dipende fortemente dalle condizioni. Variano per ogni tipo di cellula, ma di solito sono costituiti da un recipiente adatto con un substrato o mezzo che fornisce i nutrienti necessari (aminoacidi, carboidrati, vitamine, minerali), fattori di crescita, ormoni e gas (CO2, O2) e regola il fisico -ambiente chimico (pH tampone, pressione osmotica, temperatura). La maggior parte delle cellule richiede una superficie o un substrato artificiale (coltura adesiva o monostrato), mentre altre possono essere propagate liberamente in un mezzo di coltura (coltura in sospensione). La durata della vita della maggior parte delle cellule è determinata geneticamente, ma alcune colture cellulari sono state trasformate in cellule immortali che si riprodurranno indefinitamente se vengono create condizioni ottimali.
Definizione
Sla definizione qui è piuttosto semplice. In pratica, il termine "coltura cellulare" si riferisce ora alla coltivazione di cellule derivate da eucarioti multicellulari, in particolare cellule animali, al contrario di altri tipi di coltura. Lo sviluppo storico e i metodi di coltura sono strettamente correlati alla coltura di tessuti e alla coltura di organi. La coltura del virus è anche associata alle cellule come host per i virus.
Cronologia
Le tecniche di laboratorio per ottenere e coltivare cellule separate dalla fonte di tessuto originale sono diventate più solide a metà del XX secolo. Le principali scoperte in quest'area sono state fatte dagli scienziati della Yale University.
Svolta di metà secolo
In origine, si praticava l'ottenimento e la coltura di cellule per trovare una panacea per molti virus pericolosi. Numerosi ricercatori hanno scoperto che molti ceppi di virus possono vivere, prosperare e moltiplicarsi in sicurezza su cellule animali cresciute artificialmente o persino su organi interi che sono tenuti autonomamente in fiasche speciali. Di norma, per tali test vengono utilizzate cellule di organi di animali il più vicino possibile all'uomo, ad esempio primati superiori come gli scimpanzé. Tutte queste scoperte sono state fatte negli anni '40, quando gli esperimenti sulle persone erano più rilevanti per determinati motivi.
Metodologia
Le cellule possono essere isolate dai tessuti per la coltura ex vivo in diversi modi. Possono essere facilmente eliminati dal sangue, ma solo i globuli bianchi sono in grado di crescere in coltura. Le cellule possonoessere isolato dai tessuti solidi mediante digestione della matrice extracellulare utilizzando enzimi come collagenasi, tripsina o pronasi prima di agitare il tessuto per rilasciare le cellule in sospensione. In alternativa, pezzi di tessuto possono essere collocati in mezzi di crescita e le cellule che crescono sono disponibili per la coltura. Questo metodo è noto come cultura dell'espianto.
Le cellule coltivate direttamente dal soggetto sono conosciute come cellule primarie. Con l'eccezione di alcune derivate da tumori, la maggior parte delle colture cellulari primarie ha una durata di vita limitata.
Immortali e cellule staminali
Una linea cellulare stabilita o immortalata ha acquisito la capacità di riprodursi indefinitamente, sia attraverso mutazioni casuali che modifiche deliberate, come l'espressione artificiale del gene della telomerasi. Numerose linee cellulari sono ben note come tipi cellulari tipici.
La coltura di massa di linee cellulari animali è fondamentale per la produzione di vaccini virali e altri prodotti biotecnologici. La coltura di cellule staminali umane viene utilizzata per espandere il loro numero e differenziare le cellule in diversi tipi adatti al trapianto. La coltura di cellule umane (staminali) viene utilizzata anche per raccogliere molecole ed esosomi rilasciati dalle cellule staminali per scopi terapeutici.
Connessione con la genetica
I prodotti biologici prodotti dalla tecnologia del DNA ricombinante (rDNA) nelle colture animali includonoenzimi, ormoni sintetici, immunobiologici (anticorpi monoclonali, interleuchine, linfochine) e agenti antitumorali. Mentre molte proteine più semplici possono essere prodotte usando l'rDNA nelle colture batteriche, le proteine più complesse che sono glicosilate (modificate dai carboidrati) devono essere attualmente prodotte nelle cellule animali.
Un esempio importante di una proteina così complessa è l'ormone eritropoietina. I costi per la coltivazione di colture cellulari di mammiferi sono elevati, quindi sono in corso ricerche per creare proteine così complesse nelle cellule degli insetti o nelle piante superiori. L'uso di singole cellule embrionali ed embrioni somatici come fonte di trasferimento genico diretto mediante bombardamento di particelle, espressione di geni transitori e microscopia confocale è una delle sue applicazioni. La coltura cellulare vegetale è la forma più comune di questa pratica.
Colture tissutali
La coltura tissutale è la coltivazione di tessuti o cellule separate da un organismo. Questo processo è solitamente facilitato utilizzando un mezzo di crescita liquido, semisolido o solido come brodo o agar. La coltura tissutale si riferisce generalmente alla coltura di cellule e tessuti animali, con il termine più specifico utilizzato per piante, cellule vegetali e colture di tessuti. Il termine "cultura tissutale" è stato coniato dal patologo americano Montrose Thomas Burroughs.
Storia della coltura tissutale
Nel 1885, Wilhelm Roux rimosse una sezione del midollopiatti di pollo fetale e mantenuti in una soluzione salina calda per diversi giorni, stabilendo il principio di base della coltura tissutale. Nel 1907, lo zoologo Ross Granville Harrison dimostrò la crescita di cellule embrionali di rana che darebbero origine a cellule nervose nella linfa coagulata. Nel 1913, E. Steinhardt, C. Israel e RA Lambert coltivarono il virus del vaccinia in frammenti di tessuto di corno di cavia. Era già qualcosa di molto più avanzato della coltura di cellule vegetali.
Dal passato al futuro
Gotlieb Haberlandt è stato il primo a sottolineare la possibilità di coltivare tessuti vegetali isolati. Ha suggerito che questo metodo potrebbe determinare le capacità delle singole cellule attraverso la coltura dei tessuti, nonché l'influenza reciproca dei tessuti l'uno sull' altro. Quando le affermazioni originali di Haberland furono realizzate, le tecniche di coltura di tessuti e cellule iniziarono ad essere applicate attivamente, portando a nuove scoperte in biologia e medicina. La sua idea originale, presentata nel 1902, si chiamava totipotenzialità: "Teoricamente, tutte le cellule vegetali sono in grado di produrre una pianta completa". La coltivazione delle colture cellulari a quel tempo avanzava notevolmente.
Nell'uso moderno, la coltura tissutale si riferisce generalmente alla crescita di cellule dal tessuto di un organismo multicellulare in vitro. Le condizioni della coltura cellulare non sono molto importanti in questo caso. Queste cellule possono essere isolate da un organismo donatore, da cellule primarie o da una linea cellulare immortalata. Le cellule si stanno lavandoun mezzo di coltura che contiene le sostanze nutritive e le fonti di energia necessarie per la loro sopravvivenza. Il termine "coltura tissutale" è spesso usato in modo intercambiabile con la coltura cellulare.
Applicazione
Il significato letterale di coltura tissutale si riferisce alla coltivazione di pezzi di tessuto, ad es. coltura espianto.
La coltura tissutale è uno strumento importante per studiare la biologia delle cellule di organismi multicellulari. Fornisce un modello di tessuto in vitro in un ambiente ben definito che può essere facilmente manipolato e analizzato.
Nella coltura di tessuti animali, le cellule possono essere coltivate come monostrati 2D (coltura convenzionale) o all'interno di scaffold o gel fibrosi per ottenere strutture 3D simili a tessuti più naturali (coltura 3D). Eric Simon, in un rapporto di sovvenzione NIH SBIR del 1988, ha dimostrato che l'elettrofilatura potrebbe essere utilizzata per produrre scaffold in fibra polimerica su scala nanometrica e submicronica specificamente progettati per l'uso come substrati cellulari e tissutali in vitro.
Questo uso precoce di griglie di fibre elettricamente conduttive per la coltura cellulare e l'ingegneria dei tessuti ha mostrato che diversi tipi di cellule aderivano e proliferavano sulle fibre di policarbonato. È stato osservato che, in contrasto con la morfologia appiattita tipicamente osservata nella coltura 2D, le cellule cresciute su fibre di cordone elettrico mostrano una morfologia 3D più arrotondata tipicamente osservata nei tessuti in vivo.
Culturail tessuto vegetale, in particolare, è associato alla crescita di piante intere da piccoli pezzi di fibre vegetali coltivate in un mezzo.
Differenze nei modelli
La ricerca nell'ingegneria dei tessuti, nelle cellule staminali e nella biologia molecolare coinvolge principalmente la coltivazione di colture cellulari su piatti piatti di plastica. Questo metodo è noto come coltura cellulare bidimensionale (2D) e fu sviluppato per la prima volta da Wilhelm Roux, che nel 1885 rimosse parte della placca midollare di un pollo embrionale e la tenne in una soluzione salina calda per diversi giorni su vetro piano.
Dal progresso della tecnologia dei polimeri, è emersa la moderna piastra di plastica standard per la coltura cellulare bidimensionale, comunemente nota come piastra di Petri. Julius Richard Petri, un batteriologo tedesco, solitamente accreditato nella letteratura scientifica come l'inventore di questa invenzione, lavorò come assistente di Robert Koch. Oggi, vari ricercatori usano anche flaconi di coltura, coni e persino sacchetti usa e getta come quelli usati nei bioreattori usa e getta.
Oltre alla coltura di linee cellulari immortalate ben consolidate, le cellule degli espianti primari di molti organismi possono essere coltivate per un periodo di tempo limitato fino a quando non si verifica la suscettibilità. Le cellule primarie coltivate sono state ampiamente utilizzate nella ricerca, come nel caso dei cheratociti di pesce negli studi sulla migrazione cellulare. I mezzi di coltura cellulare possono essere utilizzati nella maggior parte dei casidiverso.
Le colture cellulari vegetali vengono solitamente coltivate come colture in sospensione cellulare in mezzi liquidi o in colture di calli su mezzi solidi. La coltura di cellule vegetali indifferenziate e calli richiede un corretto equilibrio degli ormoni della crescita delle piante auxina e citochinina.
