Zellkultur

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Als Zellkultur wird die Kultivierung tierischer oder pflanzlicher Zellen in einem Nährmedium außerhalb des Organismus bezeichnet. Zelllinien sind Zellen einer Gewebeart, die sich im Lauf dieser Zellkultur unbegrenzt fortpflanzen können. Es werden sowohl immortalisierte (unsterbliche) Zelllinien als auch primäre Zellen kultiviert (Primärkultur). Als Primärkultur bezeichnet man eine nicht immortalisierte Zellkultur, die direkt aus einem Gewebe gewonnen wurde. Zellkulturen finden breite Verwendung in der biologischen und medizinischen Forschung, Entwicklung und Produktion.

Geschichte[Bearbeiten]

Seit den Anfängen der naturwissenschaftlichen Forschung gab es Bestrebungen, Zellen und Gewebe auch außerhalb eines Organismus am Leben zu erhalten, um sie so nähergehend untersuchen zu können. Wilhelm Roux gelang es erstmals 1885, embryonale Hühnerzellen für mehrere Tage in einer Salzlösung am Leben zu erhalten und so das grundlegende Prinzip zu demonstrieren. Im Jahr 1913 zeigte Alexis Carrel, dass Zellen auch länger in Zellkultur wachsen können, insofern sie gefüttert und aseptisch gehalten werden.

Die älteste tierische Zelllinie ist vermutlich das Sticker-Sarkom, ein infektiöser Tumor natürlichen Ursprungs, der vor etwa 200 bis 2500 Jahren entstand.[1] In den Jahren 1951/1952 wurde erstmals eine unsterbliche menschliche Zelllinie aus einem Cervixkarzinom etabliert, welche später unter dem Namen HeLa bekannt wurde. In den folgenden Jahrzehnten wurden insbesondere Nährmedien, Wachstumsfaktoren und Bedingungen weiterentwickelt und neue Zelllinien etabliert. César Milstein und Georges Köhler entdeckten 1975 die Möglichkeit zur Bildung monoklonaler Antikörper durch Zellfusion von Lymphozyten mit Krebszellen. Weiterhin wurde in diesen Jahren Methoden zur gezielten Einführung und Expression von Genen in Zellen, die sogenannte Transfektion, entwickelt.[2]

Körperzellen, die noch nicht ausdifferenziert sind - sogenannte Stammzellen, wurden erstmals 1981 aus Blastozysten einer embryonalen Maus isoliert. Sie neigen in vitro dazu, spontan zu differenzieren. Dies kann durch Faktoren unterbunden werden, welche die Selbsterneuerung der Zellen fördern. Mehrere solcher Stoffe wurden seit Ende der 1980er Jahre identifiziert. Die Forschung in diesem Feld konzentriert sich derzeit auf die Kultivierung und gezielte Ausdifferenzierung von sowohl embryonalen als auch adulten Stammzellen.

Ablauf[Bearbeiten]

Das Anlegen von Primärkulturen kann aus unterschiedlichen Geweben erfolgen, beispielsweise aus ganzen Embryonen oder einzelnen Organen wie Haut, Niere usw. Das Gewebe wird mit einer Protease, beispielsweise Trypsin, behandelt, die die Proteine abbaut, die den Zellverband aufrechterhalten. Dadurch werden die Zellen vereinzelt. Durch Zugabe von Wachstumsfaktoren können gezielt manche Zelltypen zur Teilung angeregt werden.

Die einem tierischen oder humanen Gewebe entnommenen Tumorzellen werden nach anfänglichem Wachstum auf einem Nährboden durch Analyse von Oberflächenantigenen (Immunzytologie) oder des Genoms (PCR und Sequenzierung) analysiert und ausgewählt, um dann einen großen Tumorzellklon in Kultur zu bringen. Die Zellen können auch durch Einschleusung eines Plasmids als Vektor genetisch verändert werden. Von der Stammkultur (stock) werden Zellen abgenommen und in flüssigem Stickstoff tiefgekühlt und stehen so dem Versand an andere Forschungseinrichtungen zur Verfügung.

Die meisten Zellen besitzen eine eingeschränkte Lebensdauer, mit Ausnahme von einigen von Tumoren abstammenden Zellen. Nach einer bestimmten Anzahl von Verdopplungen gehen diese Zellen in die Seneszenz und teilen sich nicht mehr. Etablierte oder unsterbliche Zelllinien haben die Fähigkeit erlangt, sich unendlich zu teilen - entweder durch zufällige Mutation (in Tumorzellen), oder durch gezielte Veränderung (beispielsweise durch die künstliche Expression des Telomerase-Gens).

Man unterscheidet auch adhärent (auf Oberflächen) wachsende Zellen, beispielsweise Fibroblasten, Endothelzellen, Knorpelzellen, und Suspensionszellen, die frei im Nährmedium schwimmend wachsen, wie zum Beispiel Lymphozyten. Die Kulturbedingungen unterscheiden sich stark zwischen den einzelnen kultivierten Zelllinien. Die verschiedenen Zelltypen bevorzugen dabei unterschiedliche Nährmedien, die spezifisch zusammengestellt werden, beispielsweise der pH, der Anteil an Aminosäuren oder Nährstoffen. In der Regel wachsen Säugerzellen bei 37 °C mit einer Atmosphäre von 5 % CO2 in speziellen Inkubatoren. Je nach Teilungsrate und Dichte der Zellen werden die Zellverbände alle paar Tage gelöst und auf neue Gefäße verteilt ("splitting" genannt).

Anwendung[Bearbeiten]

Zellkulturen finden besonders in Forschung und Entwicklung breite Anwendung. Der Stoffwechsel, die Teilung und viele weitere zelluläre Prozesse können so in der Grundlagenforschung untersucht werden. Weiterhin werden kultivierte Zellen als Testsysteme eingesetzt, beispielsweise bei der Untersuchung der Wirkung von Substanzen auf die Signaltransduktion und Toxizität der Zelle. Hierbei wird auch die Anzahl von Tierversuchen drastisch reduziert.

Für die Herstellung von etlichen biotechnischen Produkten haben Zellkulturen ebenfalls hohe Bedeutung. Beispielsweise werden monoklonale Antikörper für Forschung und therapeutische Anwendung in der Medizin mittels Zellkultur hergestellt. Obwohl einfache Proteine mit weniger Aufwand auch in Bakterien produziert werden können, müssen komplexere Proteine in der Zellkultur hergestellt werden, da nur hier die passenden Glykosylierungen der Proteine erfolgen. Ein Beispiel hierfür ist Erythropoetin (EPO). Auch viele Impfstoffe werden in der Zellkultur hergestellt. Für die Entwicklung und die Realisierung von industriellen Zellkulturprozessen werden Bioreaktoren eingesetzt. Dabei sind für die Herstellung von biopharmazeutischen Produkten Einweg-Bioreaktoren von vermehrtem Interesse.

In der Pflanzenvermehrung erzeugt man bei der Pflanzlichen Gewebekultur aus Zellkulturen komplette Pflanzen.

Zellkultur-Linien[Bearbeiten]

Zelllinie Bedeutung Ursprungsspezies Ursprungsgewebe Morphologie Link
293-T Mensch Niere (Embryo) Derivative von HEK-293 Epithel ATCC: The Global Bioresource Center
A431 Mensch Haut Epithel Biotech institute
A-549 Mensch Lungenkarzinom Epithel DSMZ
BCP-1 Mensch Blut Lymphoblast ATCC
bEnd.3 brain endothelial Maus Gehirn / cerebral Cortex Endothel ATCC
BHK-21 syrian baby hamster kidney Hamster Niere (embryonal) Fibroblast DSMZ
BxPC-3 Mensch Pankreas, Andenokarzinom Epithel ATCC
BY-2 Bright Yellow-2 Tabak Am Keimling induzierter Kallus DSMZ
CHO Chinese hamster ovary Hamster Ovarien Epithel ICLC
CMT canine mammary tumor Hund Brustdrüse Epithel
COS-7 Cercopithecus aethiops, origin-defective SV-40 Affe - Cercopithecus aethiops (Grüne Meerkatze) Niere Fibroblast ATCC
HDMEC human dermal microvascular endothelial cells Mensch Vorhaut Endothel Journal of Investigative Dermatology[3]
HEK-293 human embryonic kidney Mensch Niere (embryonal) Epithel ATCC
HeLa Henrietta Lacks Mensch Zervixkarzinom (Gebärmutterhalskrebs) Epithel DSMZ
HepG2 human hepatocellular carcinoma Mensch Leberzellkarzinom Epithel ATCC
HL-60 human leukemia Mensch Promyeloblasten Blutzellen DSMZ
HMEC-1 immortalized human microvascular endothelial cells Mensch Vorhaut Endothel Journal of Investigative Dermatology [4]
HUVEC human umbilical vein endothelial cells Mensch Nabelschnurvene Endothel ICLC
HT1080 Mensch Fibrosarkom Bindegewebszellen Cancer[5] ATCC
Jurkat Mensch T-Zell-Leukämie Blutzellen DSMZ
K562 Mensch älteste Leukämie-Zelllinie des Menschen myeloische Blutzellen, etabliert 1975 DSMZ
LNCaP Mensch Prostata Adenokarzinom Epithel ATCC
MCF-7 Mensch Brust, Adenokarzinom Epithel ATCC
MCF-10A Michigan Cancer Foundation Mensch Brustdrüse Epithel ATCC
MDCK II Madin Darby canine kidney Hund Niere Epithel ATCC
MTD-1A Maus Epithel
MyEnd myocardial endothelial Maus Endothel
NIH-3T3 NIH, 3-day transfer, inoculum 3 x 105 cells Maus Embryo Fibroblast ATCC
PANC-1 pancreas 1 Mensch Pankreas, Andenokarzinom Epithel ATCC
Peer Mensch T cell leukemia DSMZ
RTL-W1 rainbow-trout liver - waterloo1 Regenbogenforelle (Oncorhynchus mykiss) Fibroblast (wahrscheinlich)
Sf-9 Spodoptera frugiperda Insekt - Spodoptera frugiperda (Nachtfalter) Ovar DSMZ
Saos-2 Mensch Osteosarkom Epithel ATCC
T2 Mensch T cell leukemia /B cell line hybridoma DSMZ
T84 Mensch Kolorektales Karzinom / Lungenmetastase Epithel ATCC
U-937 Mensch Burkitt-Lymphom monozytär Int J Cancer[6]

Siehe auch[Bearbeiten]

Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen - bietet verschiedene Tests an, um die Identität und Sauberkeit von Zellkulturen zu überprüfen.

Literatur[Bearbeiten]

  • Schmitz, Sabine: Der Experimentator: Zellkultur. Spektrum Akademischer Verlag; 1. Auflage 2007. ISBN 3827415640
  • Lindl, Toni und Gstraunthaler, Gerhard: Zell- und Gewebekultur. Von den Grundlagen zur Laborbank. Spektrum Akademischer Verlag; 6. Auflage 2008. ISBN 978-3-8274-1776-3
  • W.W. Minuth und L. Denk (2011): Advanced Culture Experiments with Adherent Cells. - From single cells to specialized tissues in perfusion culture. Open access publishing, Universität Regensburg, ISBN Nr. 978-3-88246-330-9

Referenzen[Bearbeiten]

  1. C. Murgia, J. K. Pritchard, S. Y. Kim, A. Fassati, R. A. Weiss: Clonal origin and evolution of a transmissible cancer. In: Cell (2006), Band 126(3), S. 477-87. PMID 16901782; PMC 2593932 (freier Volltext).
  2. Landmarks
  3. Zbigniew Ruszczak, Michael Detmar u. a.: Effects of rIFN Alpha, Beta, and Gamma on the Morphology, Proliferation, and Cell Surface Antigen Expression of Human Dermal Microvascular Endothelial Cells In Vitro. In: Journal of Investigative Dermatology. 95, 1990, S. 693–699, doi:10.1111/1523-1747.ep12514496.
  4. Edwin W. Ades, Francisco J. Candal u. a.: HMEC-1: Establishment of an Immortalized Human Microvascular Endothelial Cell Line. In: Journal of Investigative Dermatology. 99, 1992, S. 683–690, doi:10.1111/1523-1747.ep12613748.
  5. Rasheed S, Nelson-Rees WA, Toth EM, Arnstein P, Gardner MB.: Characterization of a newly derived human sarcoma cell line (HT-1080) Cancer. 1974 Apr;33(4):1027-33. PMID 4132053.
  6. Christer Sundström, Kenneth Nilsson: Establishment and characterization of a human histiocytic lymphoma cell line (U-937) Int J Cancer. 1976 May 15;17(5):565-77.