Soluviljely on erittäin riippuvainen olosuhteista. Ne vaihtelevat solutyypeittäin, mutta koostuvat yleensä sopivasta astiasta, jossa on substraatti tai väliaine, joka tarjoaa tarvittavat ravintoaineet (aminohapot, hiilihydraatit, vitamiinit, kivennäisaineet), kasvutekijät, hormonit ja kaasut (CO2, O2) ja säätelee fysikaalista toimintaa. -kemiallinen ympäristö (puskurin pH, osmoottinen paine, lämpötila). Useimmat solut vaativat pinta- tai keinotekoista substraattia (liima- tai yksikerroksinen viljelmä), kun taas toisia voidaan vapaasti lisätä viljelyväliaineessa (suspensioviljelmä). Useimpien solujen elinikä määräytyy geneettisesti, mutta jotkin soluviljelmät on muunnettu kuolemattomiksi soluiksi, jotka lisääntyvät loputtomasti, jos optimaaliset olosuhteet luodaan.
Määritelmä
Smääritelmä tässä on melko yksinkertainen. Käytännössä termi "soluviljelmä" viittaa nyt monisoluisista eukaryooteista peräisin olevien solujen, erityisesti eläinsolujen, viljelyyn, toisin kuin muun tyyppisten viljelmien. Historiallinen kehitys ja viljelymenetelmät liittyvät läheisesti kudosviljelyyn ja elinviljelyyn. Virusviljelmä liitetään myös soluihin virusisäntänä.
Historia
Laboratoriotekniikat alkuperäisestä kudoslähteestä erotettujen solujen saamiseksi ja viljelemiseksi vahvistuivat 1900-luvun puolivälissä. Tärkeimmät läpimurrot tällä alalla tekivät Yalen yliopiston tutkijat.
Vuosisadan puolivälin läpimurto
Alunperin solujen hankkimista ja viljelyä harjoitettiin, jotta löydettiin ihmelääke monille vaarallisille viruksille. Useat tutkijat ovat havainneet, että monet viruskannat voivat turvallisesti elää, menestyä ja lisääntyä keinotekoisesti kasvatetuissa eläinsoluissa tai jopa kokonaisissa elimissä, joita säilytetään itsenäisesti erityisissä pulloissa. Yleensä tällaisiin testeihin käytetään eläinten elinten soluja, jotka ovat mahdollisimman lähellä ihmistä - esimerkiksi korkeammat kädelliset, kuten simpanssit. Kaikki nämä löydöt tehtiin 1940-luvulla, jolloin ihmisillä tehdyt kokeet olivat tietyistä syistä tärkeimpiä.
Metodologia
Soluja voidaan eristää kudoksista ex vivo -viljelyä varten useilla tavoilla. Ne voidaan helposti puhdistaa verestä, mutta vain valkosolut kykenevät kasvamaan viljelmässä. Solut voivateristetään kiinteistä kudoksista pilkkomalla ekstrasellulaarinen matriisi käyttämällä entsyymejä, kuten kollagenaasia, trypsiiniä tai pronaasia, ennen kuin kudosta ravistetaan solujen vapauttamiseksi suspensioksi. Vaihtoehtoisesti kudospalat voidaan sijoittaa kasvualustaan ja kasvavat solut ovat saatavilla viljelyyn. Tämä menetelmä tunnetaan eksplanttiviljelynä.
Soluja, joita viljellään suoraan kohteesta, kutsutaan primäärisoluiksi. Joitakin kasvaimista peräisin olevia soluja lukuun ottamatta useimpien primäärisoluviljelmien elinikä on rajallinen.
Kuolemattomat ja kantasolut
Vakiintunut tai immortalisoitu solulinja on saanut kyvyn lisääntyä loputtomasti joko satunnaisen mutaation tai tarkoituksellisen modifioinnin, kuten telomeraasigeenin keinotekoisen ilmentämisen, kautta. Lukuisat solulinjat tunnetaan hyvin tyypillisinä solutyypeinä.
Eläinsolulinjojen massaviljely on olennaista virusrokotteiden ja muiden bioteknologiatuotteiden tuotannossa. Ihmisen kantasolujen viljelyä käytetään kasvattamaan niiden lukumäärää ja erottamaan solut eri tyypeiksi, jotka soveltuvat siirtoon. Ihmisen (kanta)soluviljelmää käytetään myös kantasolujen vapauttamien molekyylien ja eksosomien keräämiseen hoitotarkoituksiin.
Yhteys genetiikkaan
Eläinviljelmissä yhdistelmä-DNA-tekniikalla (rDNA) valmistettuja biologisia tuotteita ovat mm.entsyymit, synteettiset hormonit, immunobiologiset (monoklonaaliset vasta-aineet, interleukiinit, lymfokiinit) ja syöpälääkkeet. Vaikka monia yksinkertaisempia proteiineja voidaan valmistaa käyttämällä rDNA:ta bakteeriviljelmissä, monimutkaisempia proteiineja, jotka ovat glykosyloituja (hiilihydraateilla modifioituja), on tällä hetkellä valmistettava eläinsoluissa.
Tärkeä esimerkki tällaisesta monimutkaisesta proteiinista on erytropoietiinihormoni. Nisäkässoluviljelmien kasvattamisen kustannukset ovat korkeat, joten tutkimusta tällaisten monimutkaisten proteiinien luomiseksi hyönteissoluissa tai korkeammissa kasveissa on meneillään. Yksittäisten alkiosolujen ja somaattisten alkioiden käyttö suoran geeninsiirron lähteenä partikkelipommituksella, ohimenevien geenien ilmentämisellä ja konfokaalimikroskopialla on yksi sen sovelluksista. Kasvisoluviljely on tämän käytännön yleisin muoto.
Kudoskulttuurit
Kudosviljelmä on organismista erotettujen kudosten tai solujen viljelyä. Tätä prosessia helpotetaan tavallisesti käyttämällä nestemäistä, puolikiinteää tai kiinteää kasvualustaa, kuten liemi tai agaria. Kudosviljelmällä tarkoitetaan yleensä eläinsolujen ja kudosten viljelyä, ja tarkempaa termiä käytetään kasveille, kasvisolu- ja kudosviljelmille. Termi "kudoskulttuuri" loi amerikkalainen patologi Montrose Thomas Burroughs.
Kudosviljelyn historia
Vuonna 1885 Wilhelm Roux poisti osan ydinytimestäsikiön kanan levyille ja pidettiin sitä lämpimässä suolaliuoksessa useita päiviä, mikä vahvisti kudosviljelyn perusperiaatteen. Vuonna 1907 eläintieteilijä Ross Granville Harrison osoitti alkion sammakkosolujen kasvua, jotka synnyttäisivät hermosoluja hyytyneessä imusolmukkeessa. Vuonna 1913 E. Steinhardt, C. Israel ja R. A. Lambert viljelivät vacciniavirusta marsun sarvikudoksen fragmenteissa. Se oli jo jotain paljon edistyneempää kuin kasvisoluviljely.
Mennestä tulevaisuuteen
Gotlieb Haberlandt huomautti ensimmäisenä mahdollisuudesta viljellä eristettyjä kasvikudoksia. Hän ehdotti, että tämä menetelmä voisi määrittää yksittäisten solujen kyvyt kudosviljelmän kautta sekä kudosten keskinäisen vaikutuksen toisiinsa. Kun Haberlandin alkuperäiset väitteet toteutuivat, kudos- ja soluviljelytekniikoita alettiin soveltaa aktiivisesti, mikä johti uusiin löytöihin biologiassa ja lääketieteessä. Hänen vuonna 1902 esittämänsä alkuperäinen idea kutsuttiin totipotentiaalisuudeksi: "Teoriassa kaikki kasvisolut pystyvät tuottamaan kokonaisen kasvin." Soluviljelmien viljely edistyi tuolloin dramaattisesti.
Nykyaikaisessa käytössä kudosviljelmällä tarkoitetaan yleensä solujen kasvua monisoluisen organismin kudoksesta in vitro. Soluviljelyolosuhteet eivät ole kovin tärkeitä tässä tapauksessa. Nämä solut voidaan eristää luovuttajaorganismista, primaarisoluista tai immortalisoidusta solulinjasta. Solut peseytyvätviljelyalusta, joka sisältää niiden selviytymiseen tarvittavat ravinteet ja energialähteet. Termiä "kudosviljelmä" käytetään usein vaihtokelpoisesti soluviljelmän kanssa.
Hakemus
Kudosviljelmän kirjaimellinen merkitys viittaa kudospalojen viljelyyn, eli eksplanttiviljelmään.
Kudosviljelmä on tärkeä työkalu monisoluisten organismien solujen biologian tutkimiseen. Se tarjoaa in vitro -kudosmallin hyvin määritellyssä ympäristössä, jota voidaan helposti manipuloida ja analysoida.
Eläinkudosviljelmässä soluja voidaan kasvattaa 2D-yksikerroksisina (perinteinen viljelmä) tai kuitumaisten tukirakenteiden tai geelien sisällä luonnonmukaisempien 3D-kudosten k altaisten rakenteiden saavuttamiseksi (3D-viljelmä). Eric Simon osoitti vuoden 1988 NIH SBIR -apurahoitusraportissa, että sähkökehräystä voidaan käyttää nano- ja submikronin mittakaavan polymeerikuitutelineiden valmistukseen, jotka on erityisesti suunniteltu käytettäviksi solu- ja kudossubstraatteina in vitro.
Tämä sähköä johtavien kuituverkkojen varhainen käyttö soluviljelyyn ja kudostekniikkaan osoitti, että erityyppiset solut tarttuisivat ja lisääntyisivät polykarbonaattikuituihin. On havaittu, että toisin kuin litistynyt morfologia, joka tyypillisesti nähdään 2D-viljelmässä, sähköjohtokuiduilla kasvatetut solut osoittavat pyöreämpää 3D-morfologiaa, joka näkyy tyypillisesti in vivo -kudoksissa.
Kulttuurierityisesti kasvikudos liittyy kokonaisten kasvien kasvattamiseen kasvualustassa viljellyistä pienistä kasvikuitupaloista.
Erot malleissa
Kudostekniikan, kantasolujen ja molekyylibiologian tutkimukseen kuuluu ensisijaisesti soluviljelmien kasvattaminen litteillä muoviastioilla. Tämä menetelmä tunnetaan kaksiulotteisena (2D) soluviljelmänä, ja sen kehitti ensimmäisenä Wilhelm Roux, joka vuonna 1885 poisti osan alkiokanan ydinlevystä ja piti sitä lämpimässä suolaliuoksessa useita päiviä tasaisella lasilla.
Polymeeriteknologian kehityksestä on syntynyt nykyaikainen vakiomuovimalja kaksiulotteiseen soluviljelyyn, joka tunnetaan yleisesti nimellä petrimalja. Julius Richard Petri, saksalainen bakteriologi, jota tieteellisessä kirjallisuudessa yleensä mainitaan tämän keksinnön keksijänä, työskenteli Robert Kochin assistenttina. Nykyään useat tutkijat käyttävät myös viljelypulloja, kartioita ja jopa kertakäyttöisiä pusseja, kuten kertakäyttöisissä bioreaktoreissa käytettyjä.
Vakiintuneiden immortalisoitujen solulinjojen viljelyn lisäksi monien organismien primäärisistä soluista peräisin olevia soluja voidaan viljellä rajoitetun ajan, kunnes herkkyys ilmaantuu. Viljeltyjä primäärisoluja on käytetty laajasti tutkimuksessa, kuten kalan keratosyyttien tapauksessa soluvaellustutkimuksissa. Soluviljelyalustaa voidaan käyttää useimmissaerilainen.
Kasvisoluviljelmiä kasvatetaan tavallisesti solususpensioviljelminä nestemäisissä elatusaineissa tai kallusviljelmissä kiinteällä alustalla. Erilaistumattomien kasvisolujen ja kalluksen viljely vaatii oikean tasapainon kasvien kasvuhormonien, auksiinin ja sytokiniinin välillä.
