Historia rozwoju hodowli tkanek


Dorota Olszewska-Słonina

1. Rys historyczny

Komórka to najmniejszy samoodtwarzający się, żywy układ biologiczny; stanowi ona podstawę budowy wszystkich tkanek roślin i zwierząt. Zbudowana jest z protoplazmy zamkniętej błoną komórkową (Stedman’s Medical Dictionary W&W, 1982). Komórka jest podstawową jednostką morfologiczną i czynnościową żyjącego organizmu. Występują osobniki składające się z jednej tylko komórki – organizmy jednokomórkowe oraz osobniki zbudowane z wielu komórek - organizmy wielokomórkowe. Poglądy o złożonej budowie organizmów znane są z fragmentów dzieła „O przyrodzie” Anaksagorasa z Kladzomen (ok. 500 p.n.e – ok. 428 p.n.e.) atomisty i filozofa greckiego. Poglądy Anaksagorasa rozwinął Rzymianin Titus Lukretius Carus. Lukretius napisał poemat zatytułowany "O naturze wszechrzeczy", w którym zawarł przemyślenia dotyczące struktury świata. Wszystkie zjawiska tłumaczył przy pomocy teorii atomistycznych. Dzięki jego pracy poglądy Demokryta i Epikura przeniknęły i utrwaliły się w Cesarstwie Rzymskim. W 1665 roku R. Hooke ulepszając mikroskop odkrył komórki roślinne badając korek W badanym korku zaobserwował tylko ściany komórkowe jako najmniejsze kompartmenty, które nazwał komórkami. Swoje badania opublikował w dziele „Mikrografia”. Pierwszą komórkę obserwowano w mikroskopie dopiero 185 lat później.

M. Schleiden (1838) i T. Schwann (1839) sformułowali „teorię komórkową”, w której stwierdzili, iż wszystkie organizmy zbudowane są z komórek oraz to, że komórka jest najmniejszym elementem strukturalnym i funkcjonalnym organizmu. R. Virchow (1859) uzupełnił założenia „ teorii komórkowej” m. in. stwierdzeniem, że każda komórka może powstać jedynie z żywej komórki. Teoria komórkowa jest jednym z ważniejszych osiągnięć naukowych biologii końca XIX wieku, które wywarło duży wpływ na dalszy rozwój biologii komórki, a w późniejszym okresie na powstanie i rozwój inżynierii tkankowej. Teoria komórkowa przyczyniła się również do rozwoju histologii i wyjaśniła powiązania strukturalne i czynnościowe na poziomie mikroskopowym, submikroskopowym i molekularnym.

Twórcą histologii jest M.F.X. Bichat, który w XVIII wieku przy pomocy lupy dokonał pierwszej klasyfikacji tkanek, uzupełnionej i unowocześnionej następnie przez C. Mayera (1819), który wprowadził termin histologia. C. Mayer przedstawił nowy podział tkanek, bardzo zbliżony do współczesnego. Z biegiem lat zrodziła się idea hodowania komórek i tkanek poza organizmem. Termin „hodowla tkankowa” jest pojęciem uniwersalnym i odnosi się zarówno do hodowli komórkowych, hodowli linii komórkowych, jak i eksplantów tkankowych oraz do hodowli narządów. Próbę hodowli komórek zwierzęcych podjął lekarz A. Vulpian. W 1859 roku wyizolował on fragmenty ogona kijanki i hodował je w wodzie. Mimo, iż komórki przeżyły, nie namnażały się poza organizmem. Próby namnażania komórek in vitro zostały uwieńczone sukcesem w roku 1903. Francuz, J. Jolly (1870-1953) wykorzystując prace botanika niemieckiego G. Haberlanda opracował medium do hodowli jądrzastych krwinek czerwonych trytona. Po 15 dniach hodowli rytm podziałów komórkowych stopniowo ulegał zwolnieniu, a po kilku miesiącach zatrzymaniu.

W 1907 roku w Stanach Zjednoczonych R. G. Harrison wyhodował in vitro zróżnicowane komórki nerwowe nerwu promieniowego embrionów płazów (komórki zwierząt zmiennocieplnych nie są „wymagające” w hodowli in vitro).

A. Carrel, chirurg i eksperymentator zajmujący się transplantacją tkanek i całych narządów utrzymywał hodowlę ciągłą poprzez regularne pasażowanie komórek. Wprowadził zasady aseptyki, dzięki którym nie dochodziło do zakażeń hodowli tkanek drobnoustrojami. W odpowiednim medium hodował m.in. fibroblasty z serca kurczaka. Zastosował medium podstawowe, jakim było osocze krwi, do którego dodał wyekstrahowane z płodów kurczaka czynniki wzrostu. Opracowane przez A. Carrela techniki hodowli komórkowej dały m.in. podstawy badaniom wirusologicznym i stworzeniu szczepionek przeciwko wirusowi poliomyelitis i wirusowi odry. W 1912 roku A. Carrel otrzymał nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny. Początkowo pracowano nad namnażaniem komórek poza organizmem w celu wyhodowania jednej warstwy komórek. Nie tworzyły one jednak tkanki o określonej strukturze, jaką tworzą komórki w narządzie zwierzęcym, a stanowiły eksplant, który początkowo ulegał dezorganizacji, a następnie obumierał. Są to hodowle komórkowe (histotypowe), a nie hodowle tkankowe. Udoskonalenie metod hodowli komórek zwierząt stałocieplnych w latach 50-tych XX wieku przyczyniło się do szybkiego rozwoju technik hodowli tkanek człowieka. Hodowla tkanek in vitro umożliwia utrzymanie przy życiu żywych komórek, fragmentów tkanek, a także narządów ponad 24 godziny. Odróżnia się krótkotrwałe hodowle tkanek od kilkunastu godzinnej inkubacji komórek. O hodowli tkanek mówi się również wówczas, gdy komórki przyczepiają się do podłoża w krótszym czasie niż po 24 godzinach, np. już po 12 godzinach. É. Wolff i K. Haffen (1952) udowodnili, że hodowlę tkanek i narządów zwierząt można założyć z małych fragmentów narządów lub kilkumilimetrowych organów płodu. É. Wolff (embriolog i teratolog) wdrożył technikę pozwalającą na hodowlę zawiązków organów izolowanych od bardzo młodych embrionów kurcząt do momentu całkowitego ich wykształcenia np. kończyny tylnej z kością piszczelową i kością udową, niektórych elementów szkieletu oraz narządów i przewodów płciowych w odpowiednim medium. Hodował także komórki nowotworowe człowieka, niezależne od ich pochodzenia i typu histologicznego. Do hodowli komórek nowotworowych stosował również media syntetyczne.

Hodowle ciągłe komórek nowotworowych utrzymuje się w wielu laboratoriach na całym świecie przez dziesiątki lat. Najpopularniejszymi z nich są dwie linie komórkowe: KB, izolowana prze H. Eagle z ludzkiego nabłoniaka jamy ustnej i linia HeLa, wyizolowana przez G.O. Gey z raka nabłonkowego szyjki macicy. Komórki HeLa pochodzą z raka szyjki macicy amerykańskiej pacjentki Henrietty Lacks, od imienia której wywodzi się ich nazwa. Ich złośliwość pozostaje niezmieniona po kolejnych pasażach przez ponad 50 lat. Hodowle organotypowe (narządów) pozwalają zachować struktury hodowanych tkanek, np. hodowle komórek nowotworowych wątroby, nowotworu przewodu pokarmowego (Z200) oraz nabłoniaka błony śluzowej jelita zstępującego (Z 516). Komórki te w hodowli proliferują intensywnie. Teorię genetycznie zaprogramowanego procesu starzenia się stworzył w latach 60 ubiegłego stulecia biolog L. Hayflick ze współpracownikami. L. Hayflick i P. Moorehead badając fibroblasty zarodka ludzkiego (1961r.) udowodnili doświadczalnie, że każda komórka nienowotworowa jest zaprogramowana na określoną liczbę podziałów (około 50). Po przekroczeniu tej liczby podziałów, komórka ginie. Jedynie transformowane komórki nowotworowe w hodowli ciągłej zdolne są do nieskończonej ilości podziałów. Wykorzystanie tej właściwości komórek nowotworowych pozwoliło na przeprowadzenie fuzji pomiędzy komórkami prawidłowymi i nowotworowymi techniką hybrydyzacji komórkowej (K. Okada, 1962) w celu wyprodukowania przeciwciał monoklonalnych. Zadaniem inżynierii tkankowej jest także przywrócenie funkcji narządom poprzez dostarczenie żywych komórek, które zostają włączone do organizmu. Inżynieria tkankowa znajduje zastosowanie w medycynie regeneracyjnej (reparacyjnej).

2. Zastosowanie hodowli komórkowych w badaniach podstawowych i biotechnologii

Hodowle komórkowe wykorzystuje się m.in.:
w badaniach chromosomów (analiza kariotypu płodu i osób dorosłych),
do odtwarzania zniszczonej tkanki, np. hodowla keratynocytów, do autoprzeszczepów przy rozległych oparzeniach,
w hodowli wirusów (produkcja szczepionek lub diagnostyka),
do badań aktywności wewnątrzkomórkowej poprzez syntezę DNA i białek, wytwarzanie energii, badanie funkcji receptorów i enzymów oraz metabolitów,
do badania wpływu leków, kinetyki wzrostu komórek,
do badania interakcji międzykomórkowych - podziały, hamowanie wzrostu, przyleganie.


Dzięki hodowli tkankowej rozwinęły się trzy istotne gałęzie biotechnologii:
produkcja szczepionek, leków, hormonów i innych związków chemicznych,
badania nad karcynogenezą,
ocena wrażliwości komórek i tkanek na leki.
Duże znaczenie miało rozwinięcie techniki fuzji komórek (hybrydy) oraz zastosowanie metod inżynierii genetycznej do transferu DNA i produkcji białek, a w szczególności przeciwciał (Ab).
Lata 90-te XX wieku i początek XXI wieku to rozwój inżynierii tkankowej stwarzającej wiele nowych możliwości, takich jak:
- przeszczepy komórek autologicznych (Autologous Cell Transplantation - ACT), a w szczególności komórek macierzystych (Stem Cells) - (ogniska niedokrwienia w sercu, cukrzycy, ubytki powierzchni stawów),
- konstrukcje narządów zastępczych - „neo-bladder”, „neo-skin” , „neo-vessels” itd.,
- klonowanie terapeutyczne.


3. Piśmiennictwo

1. Carrel A. 1912. On the permanent life of tissue outside the organism. J. Exp. Med., 15: 516-28.
2. Carrel A. 1992. The preservation of tissues and its applications in surgery. Clin Orthop. (278):2-8.
3. Eagle W.R., Schilling E. L., Stark T. H., Straus N. P., Brown M. F., Shelton E. 1943. Production of malignacy in vitro. IV. The mouse fibroblast cultures and changes seen in the living cell. J. Natl. Cancer Inst. 4:165-212.
4. Gey i wsp. 1952. „Tissue culture studies of the proliferative capacity of cervical carcinoma and normal epithelium”.
5. Harrisson R.G. 1907. Observations on the living developing nerve fiber. Proc. Soc. Exp.Biol. Med., 4: 140-43.
6. Hayflick L. 1989. Antecedents of cell aging research. Exp. Gerontol., 24: 355-369.
7. Hayflick L., Moorehead P.S. 1961. The serial cultivation of human diploid cell strains. Exp. Cell Res, 25: 585-621.
8. Langer R., Vacanti J.P. 1993. Tissue engineering. Science 260 (5110): 920-926.,
9. Vacanti J.P., Langer R. 1999. Tissue engineering: the design and fabrication of living replacement devices for surgical reconstruction and transplantation. Lancet 354, Suppl 1:SI32-4.


Kierunki badań
Zobacz więcej...


Powstanie portalu tissue-engineering.org.pl
Archiwum   Archiwum...