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Lexikon der Biologie: Zellkultur

Zellkultur w, Isolierung von Zellen aus spezifischem Gewebe bzw. einem Zellverband und ihre anschließende Vermehrung. Hierbei müssen die physiologischen Prozesse der Zellen außerhalb des Ausgangsgewebes aufrechterhalten werden. Zwar vereinfacht dieser methodische Ansatz die Analyse bestimmter Prozesse durch die Reduktion der komplexen in-vivo-Situation, doch muß man sich der möglichen Fehlerquellen durch die artifiziellen Bedingungen in vitro bewußt sein. Oftmals müssen daher die erhaltenen Versuchsergebnisse – soweit möglich – anhand von in-vivo-Experimenten (in vivo) verifiziert werden. 1) Zoologie: Kultivierung von Zellen eukaryotischer Vielzeller (Eucyte) unter sterilen Bedingungen in halbsynthetischen Medien im allgemeinen in flacher Schicht (Monolayer) am Boden spezieller Kulturgefäße ( vgl. Abb. ). Man unterscheidet primäre von sekundären und permanenten Kulturen. Primäre Zellkulturen (Primärkulturen) werden direkt aus frisch isolierten Zellen angezüchtet. Diese Zellen besitzen meist noch die volle metabolische Kapazität des Ursprungsorgans bzw. -gewebes, welche sich aber mit der Zeit verliert. Auch ist die Teilungsfähigkeit der Zellen einer Primärkultur begrenzt (Seneszenz). Selektiert man aus Primärkulturen bzw. deren Subkulturen (Sekundärkulturen) Zellen, die ein mehrmaliges Passagieren überleben, erhält man Zellinien ( vgl. Tab. 1 ), deren Zellen sich ihre Teilungsfähigkeit erhalten haben. Meist sind jedoch auch diese Zellinien nur von limitierter Lebensdauer. Ob dies den natürlichen Alterungsprozeß (Altern) im Organismus widerspiegelt, wird zur Zeit diskutiert. Permanente, unbeschränkt wachstumsfähige Zellkulturen entstehen durch spontane oder induzierte Zelltransformation. Beim Arbeiten mit Zellkulturen entfallen interindividuelle Unterschiede, da immer wieder die selbe Zellinie verwendet werden kann, die nur von einem Individuum abstammt. Um die Zellen lebensfähig zu halten, werden sie bei sehr tiefen Temperaturen (–196 °C) in flüssigem Stickstoff eingefroren. Die Kulturmedien sind gepuffert und enthalten neben anderen Agenzien Aminosäuren, Nucleotide, Salze und Vitamine sowie meist den Zusatz eines Serums (in der Regel fetales oder postnatales Kälberserum; bei empfindlicheren Zellen auch Pferde- oder Humanserum; vgl. Tab. 2 ). Zur Bestimmung spezifischer Wachstumsfaktoren oder zur Anzucht bestimmter Zelltypen wurden chemisch definierte Medien erstellt (Nährlösung), denen je nach Bedarf spezifische Wachstumsfaktoren (Proteine) zugesetzt werden können. Da Zellkulturen meist geschlossene Systeme sind, sinkt der pH-Wert in Abhängigkeit von der Stoffwechselaktivität der Zellen stetig, so daß der optimale pH-Wert von 7,2–7,4 durch einen regelmäßigen Mediumwechsel erhalten werden muß. Die besten Puffersysteme (Puffer) liefern CO2/Hydrogencarbonat, Tris (Trometamol) sowie 2-[4-(2-Hydroxyethyl)-1-piperazinyl]-ethansulfonsäure (HEPES). Zu den Einsatzmöglichkeiten tierischer Zellkulturen gehört die Erforschung des intrazellulären Stoffwechsels, der Zellbiochemie und der Zellökologie. Ferner können Cytotoxizitätstests mittels Zellkulturen die sonst notwendigen Tierversuche ersetzen. Ein neues Kulturverfahren bieten sog. Biochips – Systeme, die sich zu stationären Zellkulturen eignen und durch spezielle verfahrenstechnische Vorrichtungen einen optimalen Stoffaustausch zwischen den Zellen und dem Medium garantieren, wodurch sich die Stoffwechselproduktion dauerhaft erhöht. 2) Humanmedizin: Während die klassische Zell- und Gewebekultur ein relativ altes Verfahren darstellt, entwickelt sich seit einigen Jahren ein neues Wissenschaftsfeld im Bereich der Biomedizin: das tissue engineering, welches das Ziel verfolgt, eine Vielzahl an Geweben und Organoiden auf der Basis lebender körpereigener (autologer) Zellen mit neuartigen Zellkulturtechniken herzustellen (Gewebezüchtung), um diese dann dem menschlichen Spender wieder reimplantieren zu können (Auto-Transplantation). Für einfache Gewebe wird diese Methode bereits in der Klinik angewandt. Unter diesem Gesichtspunkt sind die embryonalen Stammzellen (Stammzellen [Abb.]) ein wichtiges Thema, da sich aus diesen noch nicht ausdifferenzierten Zellen theoretisch beliebige Zelltypen entwickeln können (Pluripotenz). In der ersten Stammzellenbank der Welt, die am 1. Januar 2003 in Großbritannien eröffnet wurde, wird eine Ansammlung von bis zu 4000 humanen Zellinien angestrebt, die als Ausgangsmaterial für die Erforschung und Behandlung menschlicher Erkrankungen eingesetzt werden sollen. Von großer Bedeutung für die Krebsforschung sind Tumorzellinien (Krebs, Tumor). HeLa-Zellen. 3) Botanik: Auch bei Pflanzen können Zellen in vitro kultiviert werden, doch ist die Kultur von isolierten Einzelzellen hier eher schwierig. Die Zellkulturen ( vgl. Abb. ) werden als Kalluskulturen (Kallus) auf Agar oder in Form von Suspensionen als kleinere Zellaggregate bis hin zu Einzelzellen angezogen. Die Einzelzellen erhält man mechanisch durch Schütteln oder über den enzymatischen Abbau der Zellwände als Protoplasten. Dabei werden die Zellwände während der weiteren Zellkultur wieder regeneriert. Da sowohl Kalli als auch Zellsuspensionen multizelluläre Systeme darstellen, ist die Kultur von Protoplasten als Einzelzellsystem besonders gut für eine Mutanten-Selektion geeignet. Als Explantate für pflanzliche Zellkulturen eignen sich verschiedenste Organe intakter Pflanzen, wie Blätter und Sproßachsen, aber auch Knollen, Fruchtknoten, Antheren, Wurzelspitzen und andere Pflanzenteile. Normalerweise kommt es nach der Präparation von Zellen aus einem komplexen Organismus und deren Kultivierung mit Hilfe der Zell- oder Gewebekultur zur Ausbildung relativ homogener, parenchymatischer (Grundgewebe) Zellmassen. Diese können sich unbegrenzt durch Teilungen vermehren und wirken somit der Alterung entgegen. Da isolierte pflanzliche Zellen in der Regel heterotroph (Heterotrophie) sind, benötigen sie neben den notwendigen anorganischen Makro- (Makronährstoffe) und Mikroelementen (Mikronährstoffe) sowie Vitaminen auch Glucose oder Saccharose als Kohlenstoffquelle im – normalerweise synthetisch hergestellten – Nährmedium (Nährboden). Eine besondere Bedeutung haben bei der pflanzlichen Zellkultur die Phytohormone, die je nach Art und Konzentration das Wachstum beeinflussen können. Man kann mit den jeweiligen Hormonverhältnissen im Medium verschiedene Differenzierungsprozesse induzieren und damit das Kulturergebnis lenken. Aufgrund der Omnipotenz der Pflanzenzellen lassen sich aus den Zellkulturen wieder intakte, fortpflanzungsfähige Pflanzen regenerieren (Regeneration). Daher werden pflanzliche Zellkulturen auch für die Erforschung von Differenzierungsvorgängen (Differenzierung) eingesetzt ( vgl. Infobox ). Zudem werden genetische Untersuchungen der Regeneration intakter, homozygoter (Homozygotie) Pflanzen aus haploiden Pollenzellen an ihnen vorgenommen. Darüber hinaus dienen pflanzliche Zellkulturen der Gewinnung bestimmter Substanzen, wie z.B. pharmazeutisch-therapeutischer Arzneistoffe (Biotransformation), der vegetativen Vermehrung besonderer Zuchtstämme und der Erzeugung intergenerischer Hybride durch Protoplastenfusion. Generell ermöglichen solche Kulturen die Erschaffung und Konservierung virus- oder pilzfreier, resistenter Zellinien. Klonierung; Regeneration . 4) Mikrobiologie: Gleichermaßen lassen sich Mikroorganismen mittels Zellkultur anzüchten. (Bei Mikroorganismen wird anstelle des Begriffs Zellkultur die Bezeichnung Kultur verwendet; mikrobielles Wachstum). Oft werden sie zur Aufklärung der Pathogenese von Infektionskrankheiten und zum Nachweis von Infektionserregern gebraucht sowie zur Herstellung von Impfstoffen eingesetzt. Daher benutzt man für die Kulturen meist Zellen, die möglichst sichtbare Schädigungen durch das jeweilige Pathogen erleiden (cytopathogener Effekt, CPE; Virusinfektion). Bakterien, Biotechnologie, Konservierung, kontinuierliche Kultur, Kultur (Tab.), Mischkultur, Reinkultur, statische Kultur, Viren.

L.M./H.L./S.Gä.

Lit.: Neumann, K.H.: Pflanzliche Zell- und Gewebekulturen. Stuttgart 1995.



Zellkultur

1 Interferenzkontrastaufnahme von BHK-Zellkulturen (Hamsterfibroblasten); a Einzelzellen, b beginnende Konfluenz und Kontaktinhibition. 2 Lichtmikroskopische Aufnahme einer Kultur pflanzlicher Zellen. Die Zellen zeigen ein sehr heterogenes Aussehen und kommen als Einzelzellen oder in Aggregaten vor.

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