Лекция 14. Культивирование клеток растений и животных в условиях in vitro.

Признание идеи о том, что клетки тканей высших животных можно выделить из организма и затем создать условия для роста и воспроизводства их in vitro, датируется первым десятилетием XX века. После того как стало известно, что подобные процессы реальны, наступил второй этап работ, начало которому положила демонстрация возможности выращивания и репродукции в таких клетках фильтрующихся инфекционных агентов—вирусов. Третий этап истории начинается со времени, когда была показана практическая возможность получения в клетках животных больших количеств вирусного материала для применения в вакцинных препаратах, и простирается до времени, когда: 1) стало возможным вставить в клетки специфические экзогенно полученные гены и получить их экспрессию и 2) подтверждена возможность выращивания в культуре из одиночной клетки целой популяции. Когда такие популяции получали из клетки, выделявшей в окружающую среду антитела, то все молекулы антител в надосадочной жидкости были одинаковыми. Причины и следствия этих двух феноменов в настоящее время интенсивно исследуются и они знаменуют собой начало четвертого этапа работ в данной области.

Чтобы показать способность клеток животных расти и делиться в культуре, потребовалось овладеть рядом подходов и методик. Особенности их приведены ниже.

1. Методики получения клеток, свободных от экзогенных прокариотов и грибов.

2. Методики разработки среды, в которых рост «вырезанных из ткани» или изолированных клеток не подавляется.

3. Методики наблюдения за клетками в динамике их развития.

4. Методики непрерывного культивирования культур клеток животных in vitro и поддержания их свободными от других биологических агентов.

Научную основу для разработки этих методик составляет представление о клетке как основном структурном элементе живых организмов животного и растительного происхождения. Идея о том, что клетки тканей животных можно выделить из организма и затем создать условия для роста и воспроизводства их in vitro возникла на базе концепции, принадлежащей Клоду Бернару. Он предположил, что не только живые организмы способны сохранять постоянство внутренних условий, вне зависимости от изменений в окружающей среде. Клетка вне организма животного тоже будет стремиться поддерживать свои внутренние условия. Если различия между внутренними и внешними условиями будут незначительными, то высока вероятность роста и деления клетки. Такое понимание явления приводит к необходимости разработки сред, способных поддерживать и стимулировать рост клеток вне организма.

Чуть позже, в 1885 году, У. Ру (W. Roux) показал возможность сохранения вне организма живых тканей на практике. Он сохранял в жизнеспособном состоянии оболочку куриного эмбриона в теплом физиологическом растворе. Впоследствии он стал автором, активно публиковавшимся по проблемам эмбриологии in vitro. Позднее, в 1897 г., Лёб (Loeb) поддерживал в жизнеспособном состоянии клетки крови и соединительной ткани в пробирках с сывороткой и плазмой крови. Льюнгрен (1898) показал возможность поддержания эксплантатов кожи человека в жизнеспособном состоянии в кислой среде с сохранением способности к реимплантации. Дополнительные эксперименты были проведены Джолли (1903), наблюдавшим деление клетки в висячей капле, содержащей лейкоциты саламандры, а Биб и Эвинг (1906) подтвердили это при пересадке лимфосаркомной ткани собаки.

Продолжая работы Ру, Росс Харрисон усовершенствовал методику «висячей капли». Он использовал небольшие кусочки ткани, отторгнутые от медуллярного сосуда лягушки к внедренные в ее лимфатический тромб, и выдерживал их в виде капли на нижней стороне покровного стекла, расположенного поверх углубления в предметном стекле. В 1907 г. ему удалось наблюдать с помощью такой «камеры» рост нервных клеток в течение нескольких недель; он установил, что скорость роста этих клеток составляет 20 мкм за 25 мин. В то время как эксперименты Харрисона были направлены на то, чтобы получить ответы на вопросы, относящиеся к физиологии нервных клеток лягушки, методика, которой он пользовался, была применена Барроузом для других клеток тканей теплокровных животных. Этот исследователь в 1910 г. вместо лимфатического тромба использовал тромб плазмы курицы.

В 1913 г. Алексис Каррель применил плазму крови, обогащенную экстрактом эмбриона. Добавка такого экстракта ускоряла рост тканей. Примененная методика обеспечивала значительно большую вероятность успеха, чем та, которую использовали Левис (1911) и Рид (1908 г. ). Рид готовила культуры клеток из костного мозга морской свинки и пыталась выращивать эксплантаты на среде определенного химического состава. Работа Карреля привлекла большое внимание, так как она была опубликована под интригующим названием — культивирование «бессмертных» клеток. Инкубация клеток сердца куриною эмбриона была начала 17 января 1912 г. Пересев клеток продолжил Эблинг, как он сам заявлял, работая с ними 34 года. Поскольку Каррель был хирургом и весьма сведущим в вопросах асептики, он смог внести существенный вклад в культивирование клеток животных in vitro. В то же время организация и технические условия проводимых экспериментов были очень громоздкими. Ассистенты Карреля были одеты в длиннополые резиновые халаты темного цвета с капюшонами для полного прикрытия головы. Процедуры были длительными и отягощенными многими деталями. В результате тех требований, которые выдвигались автором в отношении сложных мер предосторожности для предотвращения контаминации, вокруг данного предмета создалась атмосфера таинственности и исключительности, что скорее тормозило прогресс, чем способствовало ему. Тем не менее им было достигнуто многое. В частности, даже при отсутствии антибиотиков он добился успеха в пересадке клеток, используя хирургическую технику для отторжения отдельных колоний и переноса их в новые условия роста. Каррель также продемонстрировал своим коллегам научное значение тех наблюдений, которые могут быть сделаны в процессе пересадки клеток.

В ходе проделанных работ был внесен ряд поправок в рецептуру среды культивирования. В частности, Тирод модифицировал раствор Рингера и в дополнение к куриной сыворотке и эмбриональному экстракту стал использовать коагулят фибрина. Для наблюдения за делящимися клетками животных Канти в 1928 г. разработал метод кинофотомикрографии. В этот же период был разработан дополнительный и очень существенный подход в технике работы с клетками. Имеется в виду применение трипсина для высвобождения клеток из тканевой матрицы, в которой они находятся. Однако эта методика не находила признания до тех пор, пока в 1937 г. Симмс и Стидлман использовали ее для пассирования клеток между культурами плазмы. Эта методика дает возможность успешно применять в культурах индивидуальные клетки, а не ткани.

Впервые клоны клеток в культуре из одиночной клетки были получены Эрлом с сотрудниками в 1948 году. Игл (1955) систематически исследовал пищевые потребности клеток в условиях. До тех пор пока в 1961 г. Хейфлик и Мурхед не выделили линию диплоидных клеток человека (НДС) WI-38, считалось, что один раз установившаяся клеточная линия имеет неограниченное время жизни. Относительно линии WI-38 было показано, что период ее существования в культуре ограничивается приблизительно 50 удваиваниями популяции. Перед отмиранием популяции для клеток этой линии характерен феномен старения. Однако при отмирании эти клетки оставались диплоидными и не имели признаков злокачественных изменений. Клетки, выделенные из раковых опухолей или трансформированные в ходе культивирования, характеризуются «бессмертностью» и коррелируют с гетероплоидностью. Первые суспензионные культуры клеток животных, как правило, основывались на клетках злокачественных тканей. Это — клетки HeLa, выделенные из раковой опухоли шейки матки человека. Перевиваемая линия карциномы шейки матки была выделена еще в 1952 году Джеем с сотрудниками, она используется и в настоящее время во многих лабораториях мира.

Последующий этап в истории культивирования диплоидных клеток человека связан с установлением факта, что они являются генетически стабильными и свободными от всех известных латентных и онкогенных вирусов. Поэтому линии диплоидных клеток человека разрешено применять для получения продуктов, предназначаемых для людей. Эта догма остается действующей и в настоящее время, хотя новейшие открытия отчетливо показали присутствие в клетках, выделенных из нормальных тканей, потенциальных онкогенов, идентичных тем, которые найдены в таких известных онкогенных вирусах, как вирус саркомы Рауса и вирус саркомы Молони. Раус еще в 1910 году индуцировал опухоль, использовав профильтрованный экстракт куриной опухоли. Эта опухоль была индуцирована РНК-вирусом (вирус саркомы Рауса). Позднее было установлено, что ряд вирусов способен индуцировать возникновение опухолей, такие вирусы были названы онкогенными.

Животные ткани . Животные клетки выращивают in vitro либо прикрепленными к подходящей подложке, либо суспендированными в жидких питательных средах. Для масштабного выращивания клеток используют реакторы для промышленного культивирования микроорганизмов. Различают 3 типа культуры клеток: первичные культуры, получаемые практически из любого органа и существующие лишь до первого пересева; диплоидные культуры (см. диплоид), чаще получаемые из эмбриональных тканей и сохраняющие до 50 пересевов диплоидный набор хромосом, которые затем трансформируются в постоянные (перевиваемые) гетероплоидные культуры, существующие вне организма десятки лет. В отличие от культуры клеток, задачей культуры органов, осуществляемой с применением жидких или твердых сред в стеклянных капиллярах, на покровных стеклах и нитроцеллюлозных фильтрах, на агаре и т. п., является сохранение нормальной структуры тканей и нормального их развития.

Культуру животных тканей применяют для изучения механизмов роста и дифференцировки клеток, гистогенеза, межтканевых и межклеточных взаимодействий, обмена веществ и т. п. Культуры животных клеток являются важными продуцентами многих клеточных продуктов, например, противовирусного агента интерферона. На них выращивают вирусы для их идентификации и получения вакцин. Клеточные культуры часто применяют при тестировании и изучении механизма действия лекарственных и косметических средств, пестицидов, консервантов и т. п. Методы культуры клеток нашли широкое применение для реконструкции различных тканей и органов. Так, культура клеток кожи используется для заместительной терапии при ожогах, культура клеток эндотелия - для реконструкции стенок сосудов. Способность клеток к росту в культуре привела к развитию методов клонирования (см. клон), хранения и слияния клеток (см. клеточная инженерия), что, в свою очередь, вызвало становление новой области науки - генетики соматических клеток (см. сома). Органные культуры используются при изучении закономерностей развития органов, для изучения способов сохранения жизнеспособности изолированных органов, предназначенных для трансплантации.

Растительные ткани . Идея о возможности культивирования растительных клеток была высказана еще в конце 19 - начале 20 вв. немецкими учеными Х. Фехтингом (1892), С. Рехингером (1893) и Г. Габерландтом (1902). Однако лишь в 1922 американскому исследователю В. Роббинсу удалось в течение нескольких недель культивировать корневые меристемы томатов. Начало же успешному развитию метода культуры клеток и тканей растений положили работы Р. Готре (Франция) и Ф. Уайта (США), показавших в 30-е годы способность каллюсных культур (см. каллюс) к неограниченному росту. Американский ученый Ф. Стюард, работая с культурой изолированной флоэмы моркови, получил из нее в 1958 целые растения. Значительный вклад в развитие культуры клеток и тканей растений в нашей стране внесли исследования Р. Г. Бутенко и ее сотрудников, использовавших эти методы для изучения физиологии растительных клеток и морфогенеза растений.

В целом термин «культура клеток, органов, тканей» применяется к асептически выращиваемым частям растений:

1. каллусным тканям на агарированной среде;

2. суспензионной культуре клеток и небольших агрегатов в

жидкой среде;

3. культуре протопластов;

4. изолированным зародышам;

5. изолированным органам (кончиков корней, меристемам

побегов).

Тотипотентность растительной клетки. Методы культивирования изолированных фрагментов растений основаны на сследовании важного свойства растительной клетки – тотипотентности. Тотипотентность (лат. Totus – весь, potentia - сила) – это свойство клетки реализовать генетическую информацию, обеспечивающую её дифференцировку и развитие до целого организма. Тотипотентностью обладают оплодотворенные яйцеклетка растений и яйцо животных организмов. Что касается дифференцированных клеток, то у животных тотипотентность присуща только некоторым клеткам кишечнополостных. Так, соматические клетки гидры дают начало новому организму. У высших животных с ранних этапов эмбриогенеза, с началом специализации клеток, тотипотентность не реализуется. Однако клетки, изолированные из эм брионов млекопитающих, в условиях культивирования способны сохранять плюрипотентность – способность дифференцироваться во все типы клеток как собственно зародыша, так и экстраэмбриональных тканей. Такие клетки получили название эмбриональных стволовых клеток, с ними связывают решение проблемы пересадки тканей.

У растений в природных условиях тотипотентность могут проявлять и специализированные клетки. Пример тому – вегетативное размножение, в том числе наблюдения в результате развития растений из клеток листьев бегонии, каланхое и др. Тотипотентность у растений реализуется при заживлении ран; на раневой поверхности растений в результате неорганизованной пролиферации клеток происходит развитие каллуса (лат. Callus – мозоль, толстая кожа). Каллус способствует заживлению ран. Однако многие однодомные растений утратили способности к образованию каллуса и вегетативному размножению.

В экспериментальных условиях in vitro при выращивании фрагментов тканей, органов (эксплантов) или клеток на искусственных питательных средах возможна реализация супрессированной (подавленной) in vivo тотипотентности. Это осуществляется под действием регуляторов роста и развития фитогормонов. Реализация супрессированной in vivo тотипотентность легче всего осуществляется как при культивировании меристематических клеток, изолированных из кончиков корней и почек и использования сложных по составу культуральных сред, так и при культивировании каллуса. Эти подходы были удачно реализованы в 30-е годы в работах американского исследователя Филиппа Уайта и французского исследователя Роже Готре, которых принято считать родоначальниками современных методов культивирования изолированных органов и тканей растений.

Культивирование растительных клеток и тканей in vitro проводят на агаризованных либо жидких питательных средах, содержащих в качестве одного из основных компонентов фитогормоны. Разработаны способы выращивания отдельных клеток. Изменяя условия культивирования, прежде всего концентрацию и соотношение различных гормонов, можно либо длительно поддерживать неорганизованный рост каллюсной ткани, либо индуцировать в ней образование различных органов. Клетка из практически любой ткани растения, в отличие от животной клетки, способна в условиях in vitro к делению и дифференцировке с последующим формированием целого растения (см. тотипотентность). Важным этапом в развитии методов культуры клеток растений явилась разработка в 1960 профессором Ноттингемского университета Э. Коккингом (Великобритания) метода ферментативного изолирования протопластов, которые оказались способными в асептической культуре к регенерации в целое растение. Изолированные протопласты, по выражению американского исследователя А. Галстона, вывели растительную клетку из < деревянной тюрьмы> и открыли перспективы различных манипуляций с ней - клеточной инженерии.

Культура клеток, тканей и органов растений используется для выращивания клеточной биомассы растений, прежде всего лекарственных, с целью получения из нее ценных соединений, в генетико-селекционной работе, а также для изучения фундаментальных проблем физиологии и генетики растений, фитопатологии, онтогенеза растений и др. Для сохранения генофонда растений созданы банки меристемных тканей, хранящихся в условиях криоконсервации.