Технологии биотехнологии: клеточные культуры

Начало брошюры см. здесь.

Клеточные культуры

Технология клеточных культур заключается в выращивании клеток вне живых организмов.

Культуры растительных клеток

Культуры растительных клеток не только являются важным этапом создания трансгенных растений, но и экологически приемлемым и экономически оправданым источником природных продуктов, обладающих терапевтическими свойствами, как, например, паклитаксель (paclitaxel), содержащийся в тисовой древесине и выпускаемый как препарат для химиотерапии под названием Таксол (Taxol). Культуры растительных клеток также применяются для производства веществ, используемых пищевой промышленностью в качестве ароматизаторов и красителей.

Культуры клеток насекомых

Изучение и применение культур клеток насекомых расширяет возможности разработки и использования человеком биологических агентов, уничтожающих насекомых-вредителей, но не влияющих на жизнеспособность полезных насекомых, а также не накапливающихся в окружающей среде. Несмотря на то, что достоинства биологических методов борьбы с вредителями были известны уже давно, производство таких биологически активных веществ и патогенных для насекомых вирусов и микроорганизмов в промышленных количествах очень затруднено. Использование культур клеток насекомых способно полностью решить эту проблему. Кроме того, так же как и растительные клетки, клетки насекомых могут быть использованы для синтеза лекарственных препаратов. Эта перспектива в настоящее время активно изучается. Кроме того, изучается возможность использования клеток насекомых для производства VLP-вакцин (VLP – virus-like particle – вирусоподобные частицы) для лечения инфекционных заболеваний, таких как атипичная пневмония и грипп. Эта методика могла бы сильно снизить затраты и исключить проблемы безопасности, связанные с традиционным методом, использующим куриные яйца.

Культуры клеток млекопитающих

Клеточные культуры млекопитающих являются одним из главных инструментов, используемых специалистами племенного животноводства в течение уже не одного десятилетия. В лабораторных условиях яйцеклетки, полученные от коров, обладающих выдающимися качествами, оплодотворяются сперматозоидами соответствующих быков. Образующиеся при этом эмбрионы в течение нескольких дней выращиваются в пробирке, после чего имплантируются в матки суррогатных коров-матерей. Этот же прием является основой экстракорпорального оплодотворения человека.

В настоящее время использование культур клеток млекопитающих выходит далеко за рамки искусственного оплодотворения. Клетки млекопитающих могут дополнять, а возможно, когда-нибудь и заменят использование животных для тестирования безопасности и эффективности новых лекарственных препаратов. Кроме того, так же как клетки растений и насекомых, клетки млекопитающих могут быть использованы для синтеза лекарственных веществ, особенно некоторых животных белков, слишком сложных для того, чтобы синтезировать их с помощью генетически модифицированных микроорганизмов. Например, моноклональные антитела синтезируются именно культурами клеток млекопитающих.

Ученые также рассматривают возможность использования клеток млекопитающих для производства вакцин. В 2005 году Министерство здравоохранения и социальных услуг США заключило с компанией Sanofi Pasteur контракт на 97 миллионов долларов США. Задачей специалистов компании является разработка методик культивирования клеток млекопитающих с целью ускорения процесса разработки вакцин против гриппа и, соответственно, повышения готовности человечества к пандемии.

Методы терапии, основанные на использовании культур взрослых стволовых клеток, обнаруженных в некоторых тканях организма (костном мозге, жировой ткани, мозге и др.), также скоро займут достойное место в клинической практике. Исследователи установили, что стволовые клетки могут быть использованы организмом для восстановления поврежденных тканей. Взрослые гемопоэтические стволовые клетки уже давно используются в качестве трансплантатов костного мозга. Они необходимы для восстановления процессов созревания и формирования всех типов клеток крови. Такие клетки могут быть в больших количествах получены из пуповинной крови, однако их выделение является довольно сложным процессом.

В настоящее время исследователи работают над методами выделения стволовых клеток из плаценты и жировой ткани. Ряд специалистов занят разработкой методов клеточного ре-программирования – возвращения в недифференцированное состояние зрелых клеток организма, например, клеток кожи, и последующей стимуляции их дифференцирования в клетки необходимого типа ткани.

Эмбриональные стволовые клетки

Использование эмбриональных стволовых клеток также рассматривается в качестве потенциального метода терапии многих заболеваний. Как понятно из названия, эмбриональные клетки получают из эмбрионов, в частности, тех, что развиваются из яйцеклеток, оплодотворенных in vitro (в клиниках, занимающихся экстракорпоральным оплодотворением) и, с согласия доноров, переданных исследователям для использования в научных целях. Обычно используются бластоцисты – 4-5-дневные эмбрионы, выглядящие под микроскопом как шарики, состоящие из нескольких сотен клеток.

Для выделения человеческих эмбриональных стволовых клеток внутренняя клеточная масса бластоцисты переносится в богатую питательными веществами культуральную среду, где клетки начинают активно делиться. В течение нескольких дней клетки покрывают всю поверхность культуральной плашки. После этого исследователи собирают делящиеся клетки, делят их на части и помещают в новые плашки. Процесс перемещения клеток в новые плашки называется пересевом и может многократно повторяться в течение многих месяцев. Цикл пересева клеток называется пассаж. Эмбриональные стволовые клетки, просуществовавшие в культуре в течение шести и более месяцев без дифференцировки (т.е. остающиеся плюрипотентными – способными дифференцироваться в клетки любой ткани организма) и сохранившие нормальный набор генов, называются линией эмбриональных стволовых клеток.

Внутренняя поверхность культуральной плашки зачастую покрывается клетками кожи мышиных зародышей, генетически модифицированных на неспособность к делению. Эти клетки образуют фидерный слой – «питательную подложку», благодаря которой эмбриональные клетки прикрепляются к поверхности. Ученые пытаются усовершенствовать существующий метод и исключить необходимость использования мышиных клеток, так как их присутствие всегда привносит риск попадания в культуру человеческих клеток вирусных частиц и мышиных белков, способных вызвать аллергическую реакцию.

Максимальная ценность терапии с использованием стволовых клеток и тканевой инженерии может быть достигнута в том случае, если терапевтические стволовые клетки и ткани, выращенные из них, являются генетически идентичными клеткам реципиента. Поэтому, если сам пациент не является их источником, стволовые клетки должны быть модифицированы методом замещения их генетического материала генами реципиента и только потом дифференцированы в клетки специфического типа. На настоящее время процедура замещения генетического материала и ре-программирования может быть успешно проделана только с эмбриональными стволовыми клетками.