Weefselkweekbiologie

Weefselkweek, een methode van biologisch onderzoek waarbij weefselfragmenten van een dier of plant worden overgebracht naar een kunstmatige omgeving waarin ze kunnen blijven overleven en functioneren. Het gekweekte weefsel kan bestaan ​​uit een enkele cel, een populatie van cellen of een geheel of een deel van een orgaan. Cellen in cultuur kunnen zich vermenigvuldigen; grootte, vorm of functie wijzigen; gespecialiseerde activiteit vertonen (spiercellen kunnen bijvoorbeeld samentrekken); of interactie met andere cellen.

Historische ontwikkelingen

Een vroege poging tot weefselkweek werd in 1885 gedaan door de Duitse zoöloog Wilhelm Roux, die weefsel kweekte van een kippenembryo in een warme zoutoplossing. Het eerste echte succes kwam echter in 1907, toen de Amerikaanse zoöloog Ross G. Harrison de groei van kikkerzenuwcelprocessen in een medium van gestolde lymfe aantoonde. De Franse chirurg Alexis Carrel en zijn assistent Montrose Burrows verbeterden vervolgens de techniek van Harrison en rapporteerden hun eerste vorderingen in een reeks artikelen die in 1910–11 gepubliceerd waren. Carrel en Burrows bedachten de term weefselkweek en definieerden het concept. Daarna is het een aantal onderzoekers gelukt om dierlijke cellen te kweken, waarbij als kweekmedium een ​​verscheidenheid aan biologische vloeistoffen werd gebruikt, zoals lymfe, bloedserum, plasma en weefselextracten. In de jaren tachtig en negentig werden methoden ontwikkeld waarmee onderzoekers onder kunstmatige omstandigheden met succes embryonale stamcellen van zoogdieren konden kweken. Die doorbraken maakten uiteindelijk de oprichting en het onderhoud van menselijke embryonale stamcellijnen mogelijk, wat het inzicht van onderzoekers in de menselijke biologie bevorderde en de vooruitgang in therapeutica en regeneratieve geneeskunde aanzienlijk bevorderde.

Cultuuromgevingen

Cellen kunnen worden gekweekt in een kweekmedium van biologische oorsprong, zoals bloedserum of weefselextract, in een chemisch gedefinieerd synthetisch medium of in een mengsel van beide. Een medium moet de juiste hoeveelheden van de noodzakelijke voedingsstoffen bevatten voor de te bestuderen cellen en moet geschikt zuur of alkalisch zijn. Culturen worden meestal gekweekt als afzonderlijke cellagen op een glazen of plastic oppervlak of als een suspensie in een vloeibaar of halfvast medium.

Om een ​​kweek te initiëren, wordt een klein stukje weefsel op of in het medium gedispergeerd en wordt de kolf, buis of plaat die de kweek bevat vervolgens geïncubeerd, meestal bij een temperatuur die dicht bij die van de normale omgeving van het weefsel ligt. Er worden steriele omstandigheden gehandhaafd om besmetting met micro-organismen te voorkomen. Culturen worden soms gestart vanuit afzonderlijke cellen, wat resulteert in de productie van uniforme biologische populaties die klonen worden genoemd. Afzonderlijke cellen veroorzaken typisch kolonies binnen 10 tot 14 dagen nadat ze onder kweekomstandigheden zijn geplaatst.

Primaire culturen en gevestigde cellijnen

Er zijn twee hoofdtypen culturen: primaire (sterfelijke) culturen en culturen van gevestigde (onsterfelijke) cellijnen. Primaire culturen bestaan ​​uit normale cellen, weefsels of organen die rechtstreeks worden weggesneden uit weefsel dat is verzameld door biopsie van een levend organisme. Primaire culturen hebben het voordeel dat ze in wezen de natuurlijke functie van de bestudeerde cel, het weefsel of het orgaan modelleren. Hoe langer de monsters in cultuur worden gehouden, hoe meer mutaties ze ophopen, wat kan leiden tot veranderingen in de chromosoomstructuur en celfunctie. Bovendien zijn primaire culturen over het algemeen sterfelijk. Cellen ondergaan een verouderingsproces waarbij ze zich slechts 50 tot 100 generaties vermenigvuldigen, waarna de snelheid sterk afneemt. Het punt waarop cellen in primaire culturen stoppen met groeien of replicatieve veroudering ondergaan, markeert de zogenaamde Hayflick-limiet (genoemd naar zijn ontdekker, de Amerikaanse microbioloog Leonard Hayflick).

Daarentegen kunnen gevestigde cellijnen voor onbepaalde tijd worden voortgezet. Dergelijke cellijnen zijn over het algemeen afgeleid van tumorbiopten van patiënten, of ze kunnen worden gegenereerd uit primaire cellen die mutaties hebben ondergaan waardoor ze de Hayflick-limiet konden overwinnen en doorgaan met repliceren. Net als cellen in primaire culturen, accumuleren cellen in gevestigde lijnen mutaties in de loop van de tijd die hun karakter kunnen veranderen. Om onderzoekers van verschillende laboratoria de resultaten van experimenten met dezelfde cellijnen te laten vergelijken, moeten ze dus de identiteit van de cellen waarmee ze werken bevestigen. Celidentiteit wordt geverifieerd via een proces dat bekend staat als authenticatie, waarbij het DNA-profiel van de gekweekte cellen wordt vergeleken met het bekende of standaardprofiel voor die cellijn.