Celcultuur

Celcultuur in een petrischaal

Bij een celcultuur laat men cellen groeien onder gecontroleerde omstandigheden. De cellen worden geïsoleerd uit de weefsels van dieren of planten. In een juist voedingsmedium kunnen ze vervolgens groeien en in leven blijven. Het uiteindelijke product van een celcultuur is een cellijn: een kweek identieke cellen, die vele weken of maanden in leven kunnen worden gehouden. Het werken met celculturen is een fundamenteel gegeven in de moleculaire biologie, klinische wetenschappen en biotechnologie.

Om cellen in een petrischaaltje (in vitro) levend te houden, moeten de omgevingscondities precies juist zijn. Deze verschillen per celtype en per soort. Factoren waarmee men rekening moet houden zijn de samenstelling van het voedingsmedium, de toevoeging van groeifactoren, temperatuur, en gebruik van buffers om een juiste pH en osmotische druk te handhaven. De meeste cellen hechten zich aan het oppervlak van de voedingsbodem en vormen een monolaag (één enkele cel dik). Andere cellen worden drijvend in een medium gekweekt als een suspensiecultuur.[1]

Geschiedenis

De techniek om cellen los van hun oorspronkelijke weefsel in leven te houden en zelfs te laten groeien, werd in de 19e eeuw ontwikkeld.[2]

Een van de eersten die onderzoek deed naar dit verschijnsel was de Britse fysioloog Sydney Ringer. Hij ontwikkelde een zoutoplossing met daarin de chloriden van natrium, kalium, magnesium en calcium, waarmee een dierenhart buiten het lichaam door kon blijven kloppen.[3] In 1885 verwijderde Wilhelm Roux een deel van de lichaamscellen van een kippenembryo, en wist deze in een warme fysiologische zoutoplossing enkele dagen in leven te houden. Daarmee werd de basis gezet voor weefselcultuur.[4] Ross Granville Harrison ontwikkelde dit principe verder, en publiceerde zijn resultaten tussen 1907 en 1910.[5]

Celcultuurtechnieken werden verder ontwikkeld in de jaren 40 en 50 van de 20e eeuw, om zo het onderzoek naar virussen te ondersteunen. Virussen laten groeien in een celcultuur stelde onderzoekers instaat om deze te kweken voor de productie van vaccinaties. Een van de eerste massageproduceerde vaccins via celcultuur was het poliovaccin ontwikkeld door Jonas Salk. De celcultuur die hiervoor nodig was werd onder andere ontwikkeld door John Franklin Enders, Thomas Huckle Weller, en Frederick Chapman Robbins, die voor hun werk de Nobelprijs kregen.

Methode

Kweekflessen voor dierlijke cellen, met roodgekleurd medium

De meeste plantaardige en dierlijke cellen kunnen – in een geschikt medium – in een petrischaaltje leven, zich vermenigvuldigen en zelfs differentiëren. De cellen kunnen onder de microscoop worden bekeken en biochemisch worden onderzocht, bijvoorbeeld door specifieke moleculen aan het kweekmedium toe te voegen, zoals hormonen of groeifactoren. Uit de cellen kunnen relatief eenvoudig eiwitten of nucleïnezuren worden gezuiverd voor preciezere analyse.

Celculturen die rechtstreeks uit het weefsel van een organisme worden gemaakt, heten primaire culturen. Meestal wordt het opgroeien van primaire cellen voorafgegaan door een fractioneringsstap om gewenste celtypes van ongewenste cellen te scheiden. Over het algemeen kunnen de cellen van een primaire culturen uit de kweekschaal worden verwijderd en opnieuw in kweek worden gebracht, de zogenaamde secundaire culturen. Op deze manier kunnen deze cellen gedurende weken of maanden herhaaldelijk worden gesubcultiveerd (het 'doorzetten' van cellen).

Cellen voor een in vitro-cultuur zijn op meerdere manieren te verkrijgen, zoals purificatie (in geval van bloedcellen), via enzymen die de extracellulaire matrix afbreken, of door weefsel te laten groeien op een voedingsbodem. Cellen die direct vanaf weefsel in een cultuur worden gebracht heten primaire cellen. Deze hebben doorgaans geen lang leven maar kunnen zich wel vermenigvuldigen via celdeling. De nieuwe cellen gaan langer mee. Ze worden ook wel secundaire cellen genoemd.

De cellen in een celcultuur worden onder optimale omstandigheden bewaard. Voor diercellen is dat bijvoorbeeld een temperatuur van 37 graden Celsius en een koolstofdioxideconcentratie van 5%. Behalve temperatuur en gasconcentratie is ook het soort voedingsbodem een bepalende factor. Deze kunnen variëren in pH-concentratie, glucoseconcentratie, en de soorten voedingsstoffen. Door dezelfde celcultuur onder verschillende omstandigheden te laten groeien, kunnen verschillende fenotypen tot uiting komen. Tijdens het groeien van een celcultuur dient erop toegezien te worden dat de cultuur niet besmet raakt met andere cellen dan degene die men wil laten groeien. Zo’n 15 tot 20% van alle celculturen raakt verontreinigd met verkeerde cellen.[6][7]

Toepassingen

Massaproductie van dierlijke cellen via celculturen is fundamenteel voor de ontwikkeling van vaccins en andere biotechnologische producten, zoals enzymen, synthetische hormonen, en recombinant DNA. Onder andere vaccins voor polio, mazelen, waterpokken, de bof, en rodehond worden via celculturen verkregen.

Cellijnen

De levensduur van de meeste cellen is genetisch bepaald. Sommige celkweekcellen zijn "getransformeerd" in onsterfelijke cellijnen die zich voor onbepaalde tijd zullen voortplanten als de optimale omstandigheden worden geboden. Bekende cellijnen die worden verkregen via celculturen zijn:

Menselijke cellijnen
Primaat cellijnen
Rat tumorcellijnen
Muis cellijnen
Plantcellijnen