کشت بافت جانوری چیست؟

معرفی، بررسی و پیشینه کشت بافت جانوری با تمرکز بر پستاندارن

فناوری کشت بافت جانوری اکنون به الگویی قابل توجه برای بسیاری از دانشمندان در زمینه های مختلف زیست شناسی و پزشکی تبدیل شده است. علیرغم پیشرفت های مختلف در شناخت سلول و کشت بافت جانوری از اواخر دهه ۱۸۰۰، تا اوایل دهه ۱۹۵۰ پیشرفت در کشت بافت جانوری به دلیل در دسترس نبودن لاین سلولی مناسب متوقف شد.

کشت سلولی با منشا انسانی

 در اوایل دهه ۱۹۵۰ رشد موفقیت آمیز سلول های ناشی از سرطان دهانه رحم خانم هنریتا لاکس (Henrietta Lacks) در محیط In-Vitro برای اولین بار انجام شد. این پیشرفت با استفاده از سلول‌های خانم هنریتا لاکس در محیط کشت، تحقیقات پزشکی و بیولوژیکی را با موفقیت متحول کرد و امکان اکتشافات سلولی، مولکولی و درمانی متعددی از جمله اولین واکسن فلج اطفال موثر را فراهم کرد [۱، ۲].

 

 

 این محیط کشت در حال حاضر HeLa نامیده می شود که تا سال ۲۰۱۷ بیش از ۶۰۰۰۰ مقاله بر روی تحقیق کرده و منتشر شده است که در بسیاری از نوآوری های برندگان جایزه نوبل نقش داشته است. [۲-۴].

کشت سلولی جانوری ابزار مهمی برای تحقیقات زیست شناسی است. اهمیت فناوری کشت سلولی در این علم از مدت ها پیش نمایان شده بود. آزمایش‌های قبلی مبتنی بر تمایز زدایی سلول‌ها به دلیل رشد بیش از حد انتخابی فیبروبلاست‌ها منجر به افزایش تکنیک‌های کشت شد.

جداسازی اولیه سلول ها

کشت سلولی حیوانی شامل جداسازی سلول ها از بافت، قبل از ایجاد کشت در محیط مصنوعی مناسب است. جداسازی اولیه سلول ها از بافت ها را می توان با جداسازی با استفاده از روش های آنزیمی یا مکانیکی به دست آورد. منبع سلول های جدا شده معمولاً یک محیط in vivo است، اما گاهی اوقات سلول ها نیز از یک رده سلولی یا سویه سلولی موجود مشتق می شوند. کشت سلول های جانوری سیستم های مدل مناسبی را برای بررسی عوامل زیر ارائه می دهد:

• غربالگری و توسعه داروها
• جهش زایی و سرطان زایی.
• فیزیولوژی طبیعی و بیوشیمی سلول ها.
• اثرات بالقوه داروها و ترکیبات سمی بر روی سلول ها

نیازهای محیط کشت جانوری

تکنیک کشت بافت جانوری نتایج قابل اعتماد و تکرار پذیری را در تحقیقات ممکن می سازد. بنابراین به عنوان یک سیستم مدل مهم در زیست شناسی سلولی و مولکولی در نظر گرفته می شود. کشت سلولی پستانداران به محیطی بهینه برای رشد نیاز دارد. شرایط محیطی به نیازهای تغذیه ای و نیازهای فیزیکوشیمیایی تقسیم می شود. نیازهای تغذیه ای شامل بستر یا محیطی است که شرایط و مواد مغذی ضروری مانند اسیدهای آمینه، کربوهیدرات ها، ویتامین ها، مواد معدنی، فاکتورهای رشد، هورمون ها و گازها (O2، CO2) را فراهم می کند.

 

 

همه این عوامل، عوامل فیزیکی و شیمیایی مانند pH، فشار اسمزی و دما را کنترل می کنند. در کشت بافت حیوانی، اکثر سلول ها anchorage-dependent هستند و بنابراین به یک تکیه گاه جامد یا نیمه جامد به شکل سوبسترا (کشت چسبنده یا تک لایه) نیاز دارند. این در حالی است که سایر سلول ها را می توان در محیط کشتی قرارداد که به آن کشت سوسپانسیون می گویند.

کشت بافت جانوری، گیاهی و میکروبی

 فن‌آوری‌های کشت سلولی به‌ عنوان ابزاری برای ارزیابی اثربخشی و سمیت داروهای جدید، واکسن‌ها و بیوداروها ظاهر شده‌اند. همچنین نقش مهمی در فناوری کمک باروری دارند. کشت سلول های حیوانی یکی از تکنیک های مهم و متنوع در روندهای تحقیقاتی کنونی است. سلول های حیوانی پیچیده تر از میکروارگانیسم ها هستند. به دلیل پیچیدگی ژنتیکی آنها، تعیین نیازهای بهینه مواد مغذی سلول های حیوانی که در شرایط آزمایشگاهی کشت می شوند، دشوار است. سلول‌های حیوانی در مقایسه با میکروارگانیسم‌ها به مواد مغذی بیشتری نیاز دارند و معمولاً تنها زمانی رشد می‌کنند که به سطوح با پوشش مخصوص متصل شوند. با وجود این چالش ها، انواع مختلف سلول های حیوانی، از جمله سلول های تمایز نیافته و تمایز یافته، می توانند با موفقیت کشت شوند.

کشت بافت گیاهی نیز در مقایسه با کشت بافت جانوری (حیوانی) دارای پیچیدگی های کمتری است. وجود منابع ژنتیکی فراوان، بی خطر بودن جهش های ژنتیکی، تکرار پذیری بالا عدم وجود محدودیت ها و خطوط قرمز اخلاقی، سبب شده تا کشت بافت گیاهی و کشت سلولی میکروارگانیسم ها در مقایسه با کشت بافت پستانداران با هزینه کمتر و سرعت بالاتری به سوی تجاری سازی حرکت کنند.

 

 

پیشینه تحقیقات

کشت بافت شامل نگهداری در شرایط آزمایشگاهی و تکثیر سلول ها در شرایط بهینه است. کشت سلول ها، بافت ها یا اندام های حیوانی در یک محیط مصنوعی کنترل شده، کشت بافت حیوانی نامیده می شود. اهمیت کشت بافت حیوانی در ابتدا در طول توسعه واکسن فلج اطفال با استفاده از سلول های اولیه کلیه  (Kidney) میمون مشخص شد.

 (واکسن فلج اطفال اولین محصول تجاری تولید شده با استفاده از کشت سلولی پستانداران بود). این سلول های کلیوی اولیه میمون با معایب زیادی همراه بود [۵-۸].

معایب کشت بافت جانوری

هر فناوری مزایا و تهدیدهای خاص خود را دارد. نکته مهم در پذیرش فناوری، مطالعه و بهبود آن است. همان طور که اشاره شد، کشت سلولی پستانداران، بسته به نوع کشت و هدف استفاده از آن دارای خطرات بالقوه ای است، برای مثال، واکسن فلج اطفال که نخستین محصول تجاری تولید شده با روش کشت سلولی پستانداران بود، در زمان تولید دارای خطرات بود که برخی از آن ها به شرح ذیل بود:

• احتمال آلودگی با عوامل ناخواسته (خطر آلودگی به ویروس های مختلف میمون که به راحتی به انسان منتقل می شود).
• اکثر سلول‌های پستانداران هنگام کشت وابسته به تکیه گاه (لنگر) هستند و تنها زمانی می‌توانند به طور موثر کشت شوند که به یک بستر جامد یا نیمه جامد (رشد سلولی اجباری چسبنده) متصل شوند.
• کمبود حیوانات اهدایی که در آستانه انقراض هستند.

 

مهمترین نقاط تاریخی کشت بافت جانوری

پایه و اساس کشت بافت حیوانی را می توان در سال ۱۸۸۰ در نظر گرفت، زمانی که آرنولد نشان داد که لکوسیت ها می توانند در خارج از بدن تقسیم شوند [۹]. سپس، در اوایل قرن نوزدهم، جولی رفتار سلول های حیوانی را در لنف سرم بررسی کرد [۹]. توسعه کشت بافت حیوانی در سال ۱۹۰۷ با کشت بافت قورباغه توسط هریسون آغاز شد. به همین دلیل هریسون به عنوان پدر کشت بافت در نظر گرفته شد. او در آزمایش خود بافتی را از جنین قورباغه وارد لخته های لنفاوی قورباغه کرد و نشان داد که نه تنها بافت زنده مانده است، بلکه رشته های عصبی نیز از سلول ها رشد می کنند.

در اواسط قرن بیستم، سلول های فیبروبلاست دیپلوئید انسانی توسط هایفلیک و مورهد [۱۰] ایجاد شد. آنها این رده سلولی را MRC-5 (یک رده سلولی از فیبروبلاست های مشتق شده از بافت ریه) نامیدند. بعدها، ویکتور و همکاران (۱۹۶۴) استفاده از این رده سلولی را در تولید ویروس هاری (Rabies) برای تولید واکسن بررسی کردند [۱۱]. پس از چند سال، آنها یک پروتکل تولید در مقیاس بزرگ همراه با روشی برای ارزیابی ایمنی زایی واکسن هاری خالص شده پیشنهاد کردند. در همان زمان، سلول های BHK-21 (C13) (سلول های کلیه بچه همستر) ایجاد شد. این سلول ها نسبت به آدنوویروس D انسانی، رئو ویروس ۳ (Reoviruses ) و ویروس استوماتیت تاولی حساس هستند.

تولید تجاری با استفاده از کشت بافت جانوری

تولید تجاری واکسن بیماری پا و دهان غیرفعال (یک بیماری ویروسی که باعث ایجاد زخم در دهان و بثورات در دست و پای کودکان می شود) با استفاده از فرآیند تعلیق آغاز شد [۱۲]. در سال ۱۹۱۴، Losee و Ebeling [13] اولین سلول های سرطانی را کشت دادند و پس از چند دهه اولین خط سلولی پیوسته جوندگان توسط Earle (1943) [14] ایجاد شد. در سال ۱۹۵۱، گی ثابت کرد که سلول های تومور انسانی می توانند خطوط سلولی پیوسته ایجاد کنند. همانطور که در ابتدای این مقاله ذکر شد رده سلولی در نظر گرفته شده به عنوان اولین رده سلولی پیوسته انسانی از یک بیمار سرطانی به نام Henrietta Lacks گرفته شده و سلول های HeLa هنوز به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند.

 رده های سلولی پیوسته مشتق شده از سرطان های انسانی پرکاربردترین منبع در آزمایشگاه مدرن هستند. کشف HeLa با تایید FDA برای تولید اینترفرون از رده های سلولی HeLa دنبال شد [۱۵]. علاوه بر پیشرفت در زمینه کشت سلولی، محیط‌ های مختلفی مورد بررسی قرار گرفته‌ اند که معمولاً بر اساس نیازهای تغذیه‌ ای سلولی هستند، مانند محیط‌ های بدون سرم که با محیط کاملاً تعریف شده Ham در سال ۱۹۶۵ شروع شد. در دهه ۱۹۷۰، سرم- محیط های آزاد با افزودن هورمون ها و فاکتورهای رشد بهینه شدند. در حال حاضر هزاران رده سلولی موجود است و برای ایجاد و نگهداری این خطوط سلولی محیط های زیادی در دسترس است.

 

منابع:

• IOP Science | Introduction to animal tissue culture science
• Rodríguez-Hernández C O, Torres-Garcia S E, Olvera-Sandoval C, Ramirez-Castillo F Y, Muro A L and Avelar-Gonzalez F J ۲۰۱۴ Cell culture: history, development and prospects Int. J. Curr. Res. Acad. Rev. ۲ ۱۸۸–۲۰۰
• [۲]del Carpio A ۲۰۱۴ The good, the bad, and the HeLa Berkley Sci. Rev. ۵
• [۳]Masters J R ۲۰۰۲ HeLa cells 50 years on: the good, the bad and the ugly Nat. Rev. Cancer ۲ ۳۱۵–۹
• [۴]Schwarz E, Freese U K, Gissmann L, Mayer W, Roggenbuck B, Stremlau A and zur Hausen H ۱۹۸۵ Structure and transcription of human papillomavirus sequences in cervical carcinoma cells Nature ۳۱۴ ۱۱۱–۴
• [۵]Wezel A L, Steenis G, Hannik Ch A and Cohen H ۱۹۷۸ New approach to the production of concentrated and purified inactivated polio and rabies tissue culture vaccines Dev. Biol. Stand. ۴۱ ۱۵۹–۶۸
• [۶]Stones P B ۱۹۷۷ Production and control of live oral poliovirus vaccine in WI-38 human diploid cells Dev. Biol. Stand. ۳۷ ۲۵۱–۳
• [۷]Beale A J ۱۹۸۱ Cell substrate for killed poliovaccine production Dev. Biol. Stand. ۴۷ ۱۹–۲۳
• [۸]Steenis G, Wezel A L, Groot I G M and Kruijt B C ۱۹۸۰ Use of captive-bred monkeys for vaccine production Dev. Biol. Stand. ۴۵ ۹۹–۱۰۵
• [۹]Shenoy M ۲۰۰۷ Animal cell culture Animal Biotechnology ch 1, p  (New Delhi: Firewall)  ۳
• [۱۰]Hayflick L and Moorhead P S ۱۹۶۱ The serial cultivation of human diploid cell strains Exp. Cell Res. ۲۵ ۵۸۵–۶۲۱
• [۱۱]Wiktor T J, Fernandes M V and Koprowski H ۱۹۶۴ Cultivation of rabies virus in human diploid cell strain WI-38 J. Immunol. ۹۳ ۳۵۳–۶۶
• [۱۲]Capstick P B, Telling R C, Chapman W G and Stewart D L ۱۹۶۲ Growth of a cloned strain of hamster kidney cells in suspended cultures and their susceptibility to the virus of foot and mouth disease Nature ۱۹۵ ۱۱۶۳–۴
• [۱۳]Losee J R and Ebeling A H ۱۹۱۴ The cultivation of human sarcomatous tissue in vitro  J. Exp. Med. ۲۰ ۱۴۰–۸
• [۱۴]Earle W ۱۹۴۳ Production of malignancy in vitro. IV. The mouse fibroblast cultures and changes seen in the living cells J. Natl Cancer Inst. ۴ ۱۶۵–۲۱۲
• [۱۵]Pullen K, Johnston M D, Philips A W, Ball G D and Finter W B ۱۹۸۴ Very large scale suspension cultures of mammalian cells Dev. Biol. Stand. ۶۰ ۱۷۵–۷