Учебно-методическое пособие к практическому занятию по теме: «Культивирование клеток и моделирование повреждения клеточной мембраны»

Методическое пособие разработано на кафедре патофизиологии лечебного факультета МГМСУ в соответствии с планом реализации Проекта №2 «Клеточные биотехнологии в современной медицине» инновационно-образовательной программы «Разработка и внедрение в образовательный и лечебный процессы МГМСУ инновационных здоровье- и ресурсосберегающих технологий»

Цель занятия: Знакомство с теоретическими и практическими основами культивирования клеток, и моделирование повреждения клеточной мембраны.

Культивирование клеток

(Теоретическая часть занятия)

Культивирование клеток тканей впервые было разработано в начале прошлого века (Harrison, 1907; Carrel, 1912) как метод для изучения in vitro структурных и функциональных изменений клеток, которые могут происходить, как в нормальном организме, так и при развитии той или иной патологии.

Термин культура клеток тканей обозначает методы культуры органов и культуры клеток. Термин культура органов подразумевает трехмерную культуру недезагрегированной ткани, которая сохраняет некоторые или все гистологические особенности ткани in vivo. Термин культура клеток имеет отношение к культуре дисперсионных (изолированных) клеток, полученных из первичной ткани или из клеточного штамма ферментным, механическим или химическим дезагрегированием.

Интерес медицинской науки к культуре клеток животных связан с возможностью изучения патологических процессов на клеточном и молекулярном уровне, с возможностью разработки новых способов диагностики и эффективных методов лечения. Интерес к ткани человека и человеческим клеточным линиям (например, HeLa) связан с необходимостью вирусологов и молекулярных генетиков работать именно на человеческом материале. Как только были разработаны различные бессывороточные среды для культивирования клеток, таких как эпидермальные кератиноциты, бронхиальный эпителий и сосудистый эндотелий, культивирование клеток человека приобрело широкое распространение.

Культуры клеток и тканей имеют уникальные преимущества при исследовании:

(1) внутриклеточной активности процессов репликации и транскрипции ДНК, синтеза белка, энергетического обмена и метаболизма лекарственных веществ;

(2) внутриклеточных изменений локализации комплексов рецептора и гормона, сигнальной трансдукции, проводимости мембраны;

(3) взаимодействия с окружающей средой, цитотоксичности, канцерогенеза, взаимодействия с лекарствами и взаимодействия лиганд – рецептор;

(4) межклеточных взаимодействий, например, морфогенеза, паракринного контроля, пролиферации, адгезии и подвижности клетки, моделей для медицинского протезирования;

(5) генетики, включая исследование генома в норме и при патологии;

(6) продуктов секреции клетки и,

(7) при разработках клеточных биотехнологий.

Разработка методов культивирования клеток в значительной степени была обязана двум направлениям медицинских исследований: производству противовирусных вакцин и изучению патогенеза неоплазии. Стандартизация линий клеток и возможность культивирования большого количества клеток обеспечили необходимые условия для развития современных медицинских клеточных биотехнологий, например, технологий получения больших количеств гормона роста человека, инсулина и интерферона генетически модифицированными прокариотическими и эукариотическими клетками или использование культуры стволовых клеток человека для получения культуры нейронов. Культура клеток значительно способствовала изучению иммунологии и проникновению в суть механизма действия антител. Благодаря культуре клеток был достигнут большой прогресс в изучении клеточных взаимодействий и механизмов контроля дифференцировки и развития.

Технология культуры клеток имеет широкое распространение в медицине. Например, хромосомный анализ клеток, полученных из матки, с помощью амниоцентеза, помогает диагностировать генетические нарушения у ребенка в чреве матери. Кроме того, в анализах in vitro может быть установлено качество питьевой воды и могут быть измерены токсические эффекты фармацевтических веществ и загрязняющих агентов окружающей среды. Большие перспективы использования культивирования клеток при решении медицинских проблем возникли после того, как было показано, что культуры эпидермальных клеток формируют функционально дифференцированные слои, а эндотелиальные клетки могут образовывать капилляры. Это создало предпосылки для разработки клеточных биотехнологий в аллотрансплантации и реконструктивной хирургии, с использованием собственных клеток пациента, особенно при серьезных ожогах. Биотехнологии вставки нормальных генов в генетически дефектные клетки позволили пересаживать такие “скорректированные” клетки обратно в организм с терапевтическими целями. Например, доказана техническая возможность трансфекции (вставки) нормального гена инсулина в культивируемые in vitro β-островные клетки (инсулоциты), предварительно, полученные от больного диабетом. Также показана возможность пересадки нормальных эмбриональных нейронов пациентам с болезнью Паркинсона.