การเพาะเลี้ยงเซลล์ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขอย่างมาก พวกมันแตกต่างกันไปตามแต่ละเซลล์ แต่มักจะประกอบด้วยภาชนะที่เหมาะสมกับสารตั้งต้นหรือสื่อที่ให้สารอาหารที่จำเป็น (กรดอะมิโน คาร์โบไฮเดรต วิตามิน แร่ธาตุ) ปัจจัยการเจริญเติบโต ฮอร์โมนและก๊าซ (CO2, O2) และควบคุมกายภาพ -สภาพแวดล้อมทางเคมี (บัฟเฟอร์ pH, แรงดันออสโมติก, อุณหภูมิ) เซลล์ส่วนใหญ่ต้องการพื้นผิวหรือสารตั้งต้นเทียม (การเพาะเลี้ยงแบบติดกาวหรือแบบชั้นเดียว) ในขณะที่เซลล์อื่นๆ สามารถแพร่กระจายได้อย่างอิสระในอาหารเลี้ยงเชื้อ (การเพาะเลี้ยงแบบแขวนลอย) อายุขัยของเซลล์ส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดยพันธุกรรม แต่การเพาะเลี้ยงเซลล์บางส่วนได้เปลี่ยนเป็นเซลล์อมตะที่จะขยายพันธุ์อย่างไม่มีกำหนดหากมีการสร้างเงื่อนไขที่เหมาะสม
คำจำกัดความ
สคำจำกัดความที่นี่ค่อนข้างง่าย ในทางปฏิบัติ คำว่า "การเพาะเลี้ยงเซลล์" ในปัจจุบันหมายถึงการเพาะเลี้ยงเซลล์ที่ได้จากยูคาริโอตหลายเซลล์ โดยเฉพาะเซลล์สัตว์ เมื่อเทียบกับการเพาะเลี้ยงประเภทอื่น การพัฒนาทางประวัติศาสตร์และวิธีการเพาะเลี้ยงมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อและการเพาะเลี้ยงอวัยวะ การเพาะไวรัสยังสัมพันธ์กับเซลล์ที่เป็นโฮสต์ของไวรัส
ประวัติศาสตร์
เทคนิคในห้องปฏิบัติการเพื่อให้ได้มาและเพาะเลี้ยงเซลล์ที่แยกจากแหล่งกำเนิดเนื้อเยื่อดั้งเดิมนั้นแข็งแกร่งขึ้นในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 ความก้าวหน้าครั้งสำคัญในด้านนี้เกิดจากนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยเยล
การพัฒนากลางศตวรรษ
เดิมมีการฝึกเพาะเลี้ยงเซลล์เพื่อหายาครอบจักรวาลสำหรับไวรัสอันตรายหลายชนิด นักวิจัยจำนวนหนึ่งค้นพบว่าไวรัสหลายสายพันธุ์สามารถมีชีวิตอยู่ เจริญเติบโต และขยายพันธุ์ได้อย่างปลอดภัยบนเซลล์ของสัตว์ที่โตแบบเทียม หรือแม้แต่อวัยวะทั้งหมดที่ถูกเก็บไว้ในขวดพิเศษแบบอิสระ ตามกฎแล้ว เซลล์ของอวัยวะของสัตว์ที่อยู่ใกล้กับมนุษย์มากที่สุดจะถูกใช้ในการทดสอบ เช่น ไพรเมตที่สูงกว่า เช่น ชิมแปนซี การค้นพบทั้งหมดเหล่านี้เกิดขึ้นในปี 1940 เมื่อการทดลองกับผู้คนมีความเกี่ยวข้องมากที่สุดด้วยเหตุผลบางประการ
วิธีการ
เซลล์สามารถแยกออกจากเนื้อเยื่อเพื่อการเพาะเลี้ยง ex vivo ได้หลายวิธี พวกเขาสามารถล้างเลือดได้ง่าย แต่มีเพียงเซลล์สีขาวเท่านั้นที่สามารถเติบโตในวัฒนธรรมได้ เซลล์สามารถแยกออกจากเนื้อเยื่อแข็งโดยการย่อยของเมทริกซ์นอกเซลล์โดยใช้เอ็นไซม์ เช่น คอลลาเจนเนส ทริปซิน หรือพรอเนส ก่อนที่จะกวนเนื้อเยื่อเพื่อปล่อยเซลล์ให้ตกตะกอน อีกทางหนึ่ง ชิ้นส่วนของเนื้อเยื่อสามารถวางไว้ในตัวกลางสำหรับการเจริญเติบโต และเซลล์ที่เติบโตก็พร้อมสำหรับการเพาะเลี้ยง วิธีนี้เรียกว่าการเพาะเลี้ยงเชื้อ
เซลล์ที่เพาะเลี้ยงโดยตรงจากตัวแบบเรียกว่าเซลล์ปฐมภูมิ การเพาะเลี้ยงเซลล์ปฐมภูมิส่วนใหญ่มีอายุการใช้งานที่จำกัด ยกเว้นบางที่ได้มาจากเนื้องอก
อมตะและสเต็มเซลล์
สายเซลล์ที่สร้างแล้วหรือเป็นอมตะได้รับความสามารถในการสืบพันธุ์อย่างไม่มีกำหนด ไม่ว่าจะผ่านการกลายพันธุ์แบบสุ่มหรือการดัดแปลงโดยเจตนา เช่น การแสดงออกของยีนเทโลเมอเรสที่ประดิษฐ์ขึ้นเอง เซลล์หลายสายรู้จักกันดีว่าเป็นเซลล์ทั่วไป
การเพาะเลี้ยงเซลล์จำนวนมากในสายเซลล์สัตว์เป็นพื้นฐานสำหรับการผลิตวัคซีนไวรัสและผลิตภัณฑ์เทคโนโลยีชีวภาพอื่นๆ การเพาะเลี้ยงเซลล์ต้นกำเนิดของมนุษย์ใช้เพื่อขยายจำนวนและแยกเซลล์ออกเป็นประเภทต่างๆ ที่เหมาะสมสำหรับการปลูกถ่าย การเพาะเลี้ยงเซลล์ของมนุษย์ (ต้นกำเนิด) ยังใช้เพื่อรวบรวมโมเลกุลและเอ็กโซโซมที่ปล่อยออกมาจากสเต็มเซลล์เพื่อวัตถุประสงค์ในการรักษา
เชื่อมต่อกับพันธุศาสตร์
ผลิตภัณฑ์ชีวภาพที่ผลิตโดยเทคโนโลยี recombinant DNA (rDNA) ในการเพาะเลี้ยงสัตว์ ได้แก่เอนไซม์ ฮอร์โมนสังเคราะห์ ภูมิคุ้มกัน (โมโนโคลนอลแอนติบอดี อินเตอร์ลิวกินส์ ลิมโฟไคน์) และสารต้านมะเร็ง แม้ว่าโปรตีนที่ง่ายกว่าหลายๆ อย่างสามารถทำได้โดยใช้ rDNA ในการเพาะเลี้ยงแบคทีเรีย แต่ในปัจจุบัน โปรตีนที่ซับซ้อนมากขึ้นที่มีไกลโคซิเลต (ดัดแปลงโดยคาร์โบไฮเดรต) จะต้องสร้างขึ้นในเซลล์ของสัตว์
ตัวอย่างที่สำคัญของโปรตีนที่ซับซ้อนดังกล่าวคือฮอร์โมนอีริโทรพอยอิติน ค่าใช้จ่ายในการเพาะเลี้ยงเซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมนั้นสูง ดังนั้นการวิจัยจึงกำลังดำเนินการเพื่อสร้างโปรตีนที่ซับซ้อนดังกล่าวในเซลล์แมลงหรือในพืชชั้นสูง การใช้เซลล์เอ็มบริโอเดี่ยวและโซมาติกเอ็มบริโอเป็นแหล่งของการถ่ายโอนยีนโดยตรงโดยการทิ้งระเบิดของอนุภาค การแสดงออกของยีนชั่วคราว และกล้องจุลทรรศน์คอนโฟคอลเป็นหนึ่งในการประยุกต์ใช้ การเพาะเลี้ยงเซลล์พืชเป็นรูปแบบที่พบบ่อยที่สุดของการปฏิบัตินี้
วัฒนธรรมเนื้อเยื่อ
การเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อคือการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อหรือเซลล์ที่แยกออกจากสิ่งมีชีวิต กระบวนการนี้มักจะอำนวยความสะดวกโดยใช้สื่อการเจริญเติบโตที่เป็นของเหลว กึ่งของแข็ง หรือของแข็ง เช่น น้ำซุปหรือวุ้น การเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อโดยทั่วไปหมายถึงการเพาะเลี้ยงเซลล์และเนื้อเยื่อของสัตว์ โดยมีคำเฉพาะเจาะจงมากขึ้นสำหรับพืช เซลล์พืช และการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อ คำว่า "วัฒนธรรมเนื้อเยื่อ" ได้รับการประกาศเกียรติคุณจากนักพยาธิวิทยาชาวอเมริกัน มอนโทรส โธมัส เบอร์โรห์
ประวัติศาสตร์การเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อ
ในปี 1885 วิลเฮล์ม รูซ์ได้นำส่วนของไขกระดูกออกจานไก่ของทารกในครรภ์และเก็บไว้ในน้ำเกลืออุ่น ๆ เป็นเวลาหลายวันซึ่งเป็นการสร้างหลักการพื้นฐานของการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อ ในปี 1907 นักสัตววิทยา Ross Granville Harrison ได้สาธิตการเติบโตของเซลล์กบตัวอ่อนที่จะก่อให้เกิดเซลล์ประสาทในน้ำเหลืองที่แข็งตัว ในปี 1913 E. Steinhardt, C. Israel และ R. A. Lambert เพาะเลี้ยงไวรัสวัคซีนในเศษเนื้อเยื่อเขาหนูตะเภา มันเป็นสิ่งที่ก้าวหน้ากว่าการเพาะเลี้ยงเซลล์พืชอยู่แล้ว
จากอดีตสู่อนาคต
Gotlieb Haberlandt เป็นคนแรกที่ชี้ให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของการปลูกเนื้อเยื่อพืชที่แยกได้ เขาแนะนำว่าวิธีนี้สามารถกำหนดความสามารถของแต่ละเซลล์ผ่านการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อ เช่นเดียวกับอิทธิพลร่วมกันของเนื้อเยื่อที่มีต่อกันและกัน เมื่อคำกล่าวอ้างดั้งเดิมของ Haberland เป็นจริง เทคนิคการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อและเซลล์ก็เริ่มถูกนำมาใช้อย่างจริงจัง นำไปสู่การค้นพบใหม่ในด้านชีววิทยาและการแพทย์ แนวคิดดั้งเดิมของเขาที่นำเสนอในปี 1902 เรียกว่า totipotentiality: "ในทางทฤษฎี เซลล์พืชทั้งหมดสามารถผลิตพืชที่สมบูรณ์ได้" การเพาะเลี้ยงเซลล์ในขณะนั้นก้าวหน้าอย่างมาก
ในการใช้งานสมัยใหม่ โดยทั่วไปการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อหมายถึงการเติบโตของเซลล์จากเนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ในหลอดทดลอง ในกรณีนี้เงื่อนไขการเพาะเลี้ยงเซลล์ไม่สำคัญมากนัก เซลล์เหล่านี้อาจถูกแยกออกจากสิ่งมีชีวิตผู้ให้ เซลล์ปฐมภูมิ หรือสายเซลล์อมตะ เซลล์กำลังล้างอาหารเลี้ยงเชื้อที่มีสารอาหารและแหล่งพลังงานที่จำเป็นสำหรับการอยู่รอด คำว่า "การเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อ" มักใช้แทนกันได้กับการเพาะเลี้ยงเซลล์
แอปพลิเคชัน
ความหมายตามตัวอักษรของการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อหมายถึงการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อ เช่น การเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อ
การเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อเป็นเครื่องมือสำคัญในการศึกษาชีววิทยาของเซลล์จากสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ มีแบบจำลองเนื้อเยื่อในหลอดทดลองในสภาพแวดล้อมที่กำหนดไว้อย่างดีซึ่งสามารถจัดการและวิเคราะห์ได้อย่างง่ายดาย
ในการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อสัตว์ เซลล์สามารถเติบโตได้แบบโมโนเลเยอร์ 2 มิติ (การเพาะเลี้ยงแบบธรรมดา) หรือภายในโครงหรือเจลที่มีเส้นใยเพื่อให้ได้โครงสร้างที่เหมือนเนื้อเยื่อ 3 มิติที่เป็นธรรมชาติมากขึ้น (การเพาะเลี้ยง 3 มิติ) Eric Simon ในรายงานการให้ทุน NIH SBIR ในปี 1988 แสดงให้เห็นว่าสามารถใช้อิเล็กโตรสปินนิ่งเพื่อผลิตโครงนั่งร้านเส้นใยโพลีเมอร์ระดับนาโนและระดับไมครอนที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับใช้เป็นพื้นผิวของเซลล์และเนื้อเยื่อในหลอดทดลองได้
การใช้กริดเส้นใยนำไฟฟ้าในช่วงแรกนี้สำหรับการเพาะเลี้ยงเซลล์และวิศวกรรมเนื้อเยื่อ แสดงให้เห็นว่าเซลล์ประเภทต่างๆ จะเกาะติดและขยายพันธุ์บนเส้นใยโพลีคาร์บอเนต มีการตั้งข้อสังเกตว่า เซลล์ที่เติบโตบนเส้นใยของสายไฟฟ้ามีลักษณะที่โค้งมนกว่าปกติที่เห็นในวัฒนธรรม 2 มิติ เซลล์ที่เติบโตบนเส้นใยของสายไฟฟ้าแสดงสัณฐานวิทยา 3 มิติที่กลมกว่าซึ่งมักพบในเนื้อเยื่อในร่างกาย
วัฒนธรรมโดยเฉพาะอย่างยิ่ง เนื้อเยื่อพืชมีความเกี่ยวข้องกับการปลูกทั้งต้นจากเส้นใยพืชชิ้นเล็กๆ ที่ปลูกในสื่อ
ความแตกต่างในรุ่น
การวิจัยด้านวิศวกรรมเนื้อเยื่อ สเต็มเซลล์ และอณูชีววิทยาเกี่ยวข้องกับการเพาะเลี้ยงเซลล์บนจานพลาสติกแบนเป็นหลัก วิธีนี้เรียกว่าการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบสองมิติ (2D) และได้รับการพัฒนาครั้งแรกโดยวิลเฮล์ม รูซ์ ซึ่งในปี พ.ศ. 2428 ได้นำชิ้นส่วนของแผ่นไขกระดูกของไก่ตัวอ่อนออกและเก็บไว้ในแก้วทรงแบนในน้ำเกลืออุ่นเป็นเวลาหลายวัน
จากความก้าวหน้าของเทคโนโลยีโพลีเมอร์ จานพลาสติกมาตรฐานสมัยใหม่สำหรับการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบสองมิติหรือที่รู้จักกันทั่วไปในชื่อจานเพาะเชื้อได้เกิดขึ้นแล้ว Julius Richard Petri นักแบคทีเรียวิทยาชาวเยอรมัน ซึ่งมักจะให้เครดิตในวรรณคดีทางวิทยาศาสตร์ว่าเป็นผู้ประดิษฐ์สิ่งประดิษฐ์นี้ เขาทำงานเป็นผู้ช่วยของ Robert Koch ทุกวันนี้ นักวิจัยหลายคนยังใช้ขวดเพาะเชื้อ กรวย และแม้แต่ถุงแบบใช้แล้วทิ้ง เช่นเดียวกับที่ใช้ในถังปฏิกรณ์ชีวภาพแบบใช้แล้วทิ้ง
นอกจากการเพาะเลี้ยงสายเซลล์อมตะที่ก่อตัวขึ้นอย่างมั่นคงแล้ว เซลล์จากการขยายพันธุ์หลักของสิ่งมีชีวิตจำนวนมากสามารถเพาะเลี้ยงได้ในระยะเวลาจำกัดจนกว่าจะเกิดความอ่อนไหว เซลล์ปฐมภูมิที่เพาะเลี้ยงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการวิจัย เช่นในกรณีของ keratocytes ของปลาในการศึกษาการย้ายถิ่นของเซลล์ สื่อเพาะเลี้ยงเซลล์สามารถใช้ได้ในส่วนใหญ่ต่างกัน
การเพาะเลี้ยงเซลล์พืชมักจะเติบโตเป็นการเพาะเลี้ยงเซลล์แขวนลอยในตัวกลางที่เป็นของเหลวหรือในการเพาะเลี้ยงแคลลัสบนตัวกลางที่เป็นของแข็ง การเพาะเลี้ยงเซลล์พืชที่ไม่แตกต่างกันและแคลลัสจำเป็นต้องมีความสมดุลที่เหมาะสมของฮอร์โมนการเจริญเติบโตของพืชออกซินและไซโตไคนิน
