Zellkultur und die Etablierung von Zelllinien

Zellkultur und Zelllinien haben eine wichtige Rolle bei der Untersuchung physiologischer, pathophysiologischer und Differenzierungsprozesse bestimmter Zellen übernommen. Sie ermöglichen die Untersuchung schrittweiser Veränderungen der Struktur, der Biologie und des genetischen Aufbaus der Zelle unter kontrollierten Bedingungen. Dies ist besonders wertvoll für komplexe Gewebe wie die Bauchspeicheldrüse, die sich aus verschiedenen Zelltypen zusammensetzt, bei denen eine In-vivo-Untersuchung einzelner Zellen schwierig, wenn nicht gar unmöglich ist. Die extremen Schwierigkeiten bei der Isolierung und Reinigung einzelner Epithelzellen aus komplexen Geweben unter Beibehaltung ihrer nativen Eigenschaften haben unser Verständnis ihrer physiologischen, biologischen, Wachstums- und Differenzierungsmerkmale behindert.

Es wurden Versuche unternommen, fast jedes Gewebe zu kultivieren, einschließlich neuronaler Zellen, Knochen, Knorpel, Haarzellen usw. Im Allgemeinen können tierische Zellen, insbesondere Fibroblasten, erfolgreicher kultiviert werden als menschliche Zellen, und menschliche Fibroblasten sind leichter zu kultivieren als Epithelzellen. Außerdem reagieren verschiedene Epithelzellen unterschiedlich auf die Kulturbedingungen. Trotz Fortschritten bei den Kultivierungstechniken konnten menschliche Epithelzellen nicht über längere Zeiträume in Kultur gehalten werden. Das Problem liegt in der Tendenz menschlicher Zellen, nach einer bestimmten Zellteilung zu altern. Die Transfektion dieser Zellen mit dem E6E7-Gen des humanen Papillomavirus 16 oder mit dem kleinen und großen T-Antigen des Simian-Virus (SV) 40 hat die Seneszenz teilweise überwunden und die Langlebigkeit der Zellen in vitro erhöht, aber nicht zur Unsterblichkeit der Zellen geführt. Die daraus resultierenden genetischen Manipulationen schränken die Verwendung dieser Zellen für molekularbiologische Studien ein, insbesondere für die Bestimmung genetischer Veränderungen, die während der Zelldifferenzierung und -transformation auftreten. Die Einführung dieser Fremdgene verändert die Funktion der regulatorischen Gene des Wirts, einschließlich der Inaktivierung des Tumorsuppressorproteins p53 und des Retinoblastom-Proteins pRb. Obwohl diese Zelllinien in Weichagar nicht wachsen, was ein erstes Anzeichen für eine Transformation wäre, oder wenn sie in Nacktmäuse eingebracht werden, hat die zusätzliche Transfektion mit bestimmten Onkogenen wie k-ras zu einer malignen Transformation der Zellen geführt.

Die Qualität des Kulturmediums und die Zellpräparationstechnik sind für die Erhaltung menschlicher Epithelzellen in Kultur sehr wichtig. Durch die Verwendung eines definierten Kulturmediums und einer Zellseparationstechnik konnten menschliche Pankreasepithelzellen mehr als 10 Monate in Kultur gehalten werden. Eine weitere, erst kürzlich entdeckte Methode zur Verlängerung der Lebensdauer menschlicher Zellen ist die Infektion von Zellen mit Telomerase, einem Enzym, das den Telomerverlust durch de novo Addition verhindert. Es stellt die Länge der Telomere wieder her, die sich sonst bei jeder Zellvermehrung verkürzen und zur Seneszenz führen. Zu den bisherigen Erfolgen gehören immortalisierte Fibroblasten, Netzhaut- und Endothelzellen.

Es wurde versucht, Stammzellen bestimmter Gewebe zu identifizieren und zu kultivieren, da sich diese Zellen besser an die Umweltbedingungen anpassen und unter bestimmten Bedingungen eine Vielzahl von reifen Zellen hervorbringen können. So hat sich beispielsweise gezeigt, dass aus kultivierten Dickdarmzellen, die Stammzellen enthalten, entweder neuroendokrine Zellen, Dickdarmzellen oder eine Mischung aus beiden entstehen können. Daher bieten solche Kulturen reichlich Gelegenheit, die Differenzierungswege zu untersuchen, und stellen ein einzigartiges Instrument dar, um die Auswirkungen natürlicher und synthetischer Substanzen, einschließlich Zytokinen, Wachstumsfaktoren, Nährstoffen und physikalischen Faktoren, auf die Reifung oder den Tod der Zellen zu testen.

Die Mechanismen der malignen Transformation können in vitro unter Verwendung von Zelllinien untersucht werden, die mit einem Karzinogen oder Strahlung in Kultur behandelt wurden. Allmähliche phänotypische, genetische (z.B. DNA-Adduktspiegel, Alkylierungen, Mutationen) und chromosomale Veränderungen können untersucht werden. Spezifische Marker, die mit der Transformation in Verbindung stehen, können exprimiert werden, z. B. Tumorwachstumsfaktor-α (TGF-α) und Epithelwachstumsfaktor-Rezeptor (EGFR). Leider war es bisher nicht möglich, menschliche Epithelzellen in Kultur zu transformieren, so dass man weiterhin auf Tiermodelle angewiesen ist. Nagetiere sind viel anfälliger für Karzinogenität als Menschen.