Zellkultur

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

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.

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 ^[1].

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

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

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 Meristemvermehrung aus Meristemzellkulturen komplette Pflanzen.

Zellkultur-Linien

Zelllinie	Bedeutung	Ursprungsspezies	Ursprungsgewebe	Morphologie	Link
293-T		Mensch	Niere (Embryo) Derivative von HEK-293	Epithel	[1]
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	[2]
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	[3]
HUVEC	human umbilical vein endothelial cells	Mensch	Nabelschnurvene	Endothel	ICLC
HT1080		Mensch	Fibrosarkom	Bindegewebszellen	[2] 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	[3]

Siehe auch

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

Literatur

• 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

Referenzen

1. ↑ Landmarks
2. ↑ 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.
3. ↑ 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.