Zellkulturen

Organotypische Schnittkultur, CA1, Immunofloureszenz, gefärbt für GFAP, © Karl Kafitz
Autor: Maike Niet

Die Hirnforschung nutzt verschiedene wissenschaftliche Methoden. Hier stellen wir Ihnen zentrale Arbeitstechniken vor. Zum Beispiel die Zellkultur

Wissenschaftliche Betreuung: Cordian Beyer

Veröffentlicht: 01.08.2016

Das Wichtigste in Kürze
  • Zellkulturen eignen sich dazu, molekulare und zelluläre Prozesse zu beobachten und Diagnoseverfahren und Arzneimittel zu entwickeln.
  • Für eine Zellkultur werden tierische oder humane Zellen aus dem Gewebeverband herausgelöst und in vitro, das heißt außerhalb des Organismus unter sterilen und standardisierten Bedingungen gezüchtet.
  • Kulturen können in begrenztem Rahmen alternativ zu Tierversuchen eingesetzt werden, um zum Beispiel Nebenwirkungen von neuen Substanzen zu testen.
  • Das wohl größte technische Problem in der Zellkulturtechnik sind Kontaminationen durch Bakterien, Pilze und Mykoplasmen.
  • Durch die Züchtung von implantationsfähigem Ersatzgewebe (tissue engineering), möchte man eines Tages geschädigtes menschliches Gewebe ergänzen oder völlig ersetzen.

Forscher möchten verstehen, welche Vorgänge innerhalb einer Zelle ablaufen. Mit der Zellkulturtechnik können Stoffwechsel, Zellteilung und viele weitere zelluläre Prozesse untersucht werden. Die Zell– und Gewebekultur ist einer der wichtigsten Arbeitstechniken in der biologischen und medizinischen Forschung. Auch in der Neurowissenschaft schafft man Nervenzellen ein künstliches Zuhause, um kleinere Funktionseinheiten des Zentralnervensystems zu untersuchen. Neuronale Zellkulturen eignen sich besonders, um molekulare und zelluläre Aspekte zu erforschen beziehungsweise Arzneimittel und Diagnoseverfahren zu entwickeln, um Verletzungen und Erkrankungen des Zentralnervensystems zu erkennen und zu therapieren.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Funktionsweise

Um eine Zellkultur anzulegen, verwendet man Teile eines Gewebes, ein sogenanntes Explantat. Dazu werden tierische oder humane Zellen aus dem Gewebeverband herausgelöst und außerhalb des Organismus in vitro kultiviert. Um Kulturen menschlicher Zellen anzulegen – zum Beispiel von Leber oder Haut – können Zellen aus Gewebeproben oder chirurgischen Eingriffen, von Verstorbenen, aber auch aus Nachgeburten und Nabelschnüren entnommen werden. Auch aus den verschiedenen Hirnarealen lassen sich Zellen gewinnen und kultivieren. Nervenzellkulturen sind jedoch im Vergleich zu anderen Körperzellen sehr empfindlich und längst nicht so wachstumsfreudig. Sie sterben leicht in einer künstlichen Umgebung ab. Um extra robuste und gut auswachsende Nervenzellen zu erhalten, verwendet man oft Nervenzellen aus dem Gehirngewebe von Mäuseembryonen. Besonders gut eignet sich Hirngewebe aus dem Hippocampus oder aus dem Kleinhirn. Die Nervenzellen werden dann auf einer Zellkulturschale ausgebracht und bei 37°C warm gehalten. Natürlich sind die Lebensbedingungen, die man Zellen im Labor bieten kann, längst nicht so gut wie im lebenden Organismus oder einem echten Gehirn. Damit die isolierten Zellen wachsen – proliferieren –, und sich wenn möglich sogar differenzieren und spezifische Zellfunktionen ausüben, muss deren reale Umgebung bestmöglich nachgebildet werden. Bestimmte Kulturparameter, wie etwa die Temperatur oder der pH-​Wert werden dafür genau festgelegt und aufeinander abgestimmt. Zudem werden die Zellen permanent mit einem Zellkulturmedium bedeckt, das Nährstoffe und Wachstumszellen enthält. Ebenso muss der Sauerstoffgehalt ständig optimal gehalten werden.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Hippocampus

Hippocampus/Hippocampus/hippocampual formatio

Der Hippocampus ist der größte Teil des Archicortex und ein Areal im Temporallappen. Er ist zudem ein wichtiger Teil des limbischen Systems. Funktional ist er an Gedächtnisprozessen, aber auch an räumlicher Orientierung beteiligt. Er umfasst das Subiculum, den Gyrus dentatus und das Ammonshorn mit seinen vier Feldern CA1-​CA4.

Veränderungen in der Struktur des Hippocampus durch Stress werden mit Schmerzchronifizierung in Zusammenhang gebracht. Der Hippocampus spielt auch eine wichtige Rolle bei der Verstärkung von Schmerz durch Angst.

Cerebellum

Kleinhirn/Cerebellum/cerebellum

Das Cerebellum (Kleinhirn) ist ein wichtiger Teil des Gehirns, an der Hinterseite des Hirnstamms und unterhalb des Okzipitallappens gelegen. Es besteht aus zwei Kleinhirnhemisphären, die vom Kleinhirncortex (Kleinhirnrinde) bedeckt werden und spielt unter anderem eine wichtige Rolle bei automatisierten motorischen Prozessen.

Einsatzgebiete

Zellkulturen eignen sich dazu, das Verhalten von Zellen auf bestimmte Reize zu analysieren, ohne die Auswirkungen auf den Gesamtorganismus berücksichtigen zu müssen. Man kann die Struktur und Funktion des Nervensystems analysieren oder beobachten, wie Neurone wachsen, welche Proteine sie herstellen, wie sie auf bestimmte Substanzen reagieren oder wie sich die Aktivität von Genen auf das Verhalten der Nervenzellen auswirkt. Man erhält nervenzelltypische Informationen zum Beispiel über Transmitterausschüttung, neurotoxische Wirkungen oder Differenzierungsvorgänge, wie die Bildung von Axonen und Dendriten. Die Forscher erhoffen sich dadurch neben Grundlagenwissen neue Erkenntnisse zur Herstellung von Arzneimitteln im Bereich etwa der Parkinson-​Krankheit, der Epilepsien und der Schmerzforschung.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Gen

Gen/-/gene

Informationseinheit auf der DNA. Den Kernbestandteil eines Gens übersetzen darauf spezialisierte Enzyme in so genannte Ribonukleinsäure (RNA). Während manche Ribonukleinsäuren selbst wichtige Funktionen in der Zelle ausführen, geben andere die Reihenfolge vor, in der die Zelle einzelne Aminosäuren zu einem bestimmten Protein zusammenbauen soll. Das Gen liefert also den Code für dieses Protein. Zusätzlich gehören zu einem Gen noch regulatorische Elemente auf der DNA, die sicherstellen, dass das Gen genau dann abgelesen wird, wenn die Zelle oder der Organismus dessen Produkt auch wirklich benötigen.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

Axon

Axon/-/axon

Das Axon ist der Fortsatz der Nervenzelle, der für die Weiterleitung eines Nervenimpulses zur nächsten Zelle zuständig ist. Ein Axon kann sich vielfach verzweigen, und so eine Vielzahl nachgeschalteter Nervenzellen erreichen. Seine Länge kann mehr als einen Meter betragen. Das Axon endet in einer oder mehreren Synapse(n).

Historie

Schon zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts bemühten sich Forscher, Zellen und Gewebe außerhalb eines Organismus am Leben zu erhalten. Auch wenn die ersten Versuche mit der heutigen Technik nichts gemein haben, leistete Wilhelm Roux bereits 1885 Pionierarbeit. Ihm gelang die erste Zellkultur, indem er embryonale Hühnerzellen für mehrere Tage in einer Salzlösung am Leben hielt. Damals gab es weder Sicherheitswerkbänke noch hatte man Antibiotika und Antimykotika zur Verfügung, um Infektionen der Zellen mit Bakterien und Pilzen zu vermeiden. Die Pioniere kämpften vergebens gegen die zahlreichen Kontaminationen. Erst mit der Entdeckung wirksamer Antimykotika und des Penicillins 1928 durch Sir Alexander Fleming wurde eine in-​vitro-​Kultivierung von Zellen in großem Maßstab und deren weltweiter Einzug in die Labore möglich. Einen weiteren Meilenstein setzten Anfang der 1960er Jahre Leonard Hayflick und Paul Moorhead, als sie die Lehrmeinung der damaligen zellbiologischen Forschung widerlegten. Sie entdeckten, dass kultivierte menschliche und tierische Zellen nicht unbegrenzt teilungsfähig sind, sondern nach etwa 50 Zellverdopplungen absterben. Bis dahin glaubte man, dass sich Zellen unter Kulturbedingungen unbegrenzt teilen. Dieses Verhalten von in vitro kultivierten Zellen wird daher als das Hayflick-​Limit bezeichnet.

Vor– und Nachteile

Der entscheidende Vorteil bei der Zell– und Gewebekultur ist, dass man äußere Einflussfaktoren wie Temperatur oder Nährstoffversorgung exakt kontrollieren und standardisieren kann. Die Reduktion der komplexen In-​vivo-​Situation vereinfacht die Analyse bestimmter Prozesse. In solch einer künstlichen Umgebung lassen sich homogene Zellpopulationen züchten, mit denen man vergleichbare und reproduzierbare Versuchsergebnisse erhalten kann. Oft lassen sich außerhalb eines Organismus grundlegende Fähigkeiten der Zellbausteine auch schneller und effektiver als im Körper untersuchen. Zudem können die Kulturen alternativ zu Tierversuchen zum Testen für neue Substanzen genutzt werden, um mögliche Nebenwirkungen zu analysieren.

Die Kulturtechniken haben aber auch Grenzen. Auch wenn sich Forscher bemühen, die Zellkulturbedingungen bestmöglich an die Situation im Organismus anzugleichen, bleibt die In-​vitro-​Kultivierung immer ein künstliches System mit möglichen Fehlerquellen. Zellkulturen unterliegen etwa einer besonderen Dynamik und können sich unter den gewählten Kulturbedingungen adaptiv verändern. Oder es werden bestimmte Zelltypen unbewusst selektiert. Daher muss die Übertragbarkeit von In-​vitro-​Experimenten auf die In-​vivo-​Situation im Einzelfall überprüft werden. Auch Aussagen über das Verhalten von komplexeren Strukturen sind nur bedingt und über höhere Hirnfunktionen sogar gar nicht möglich. Dazu gibt es spezielle Fragestellungen, die nur an einem Tiermodell untersucht werden können. Auch für die Herstellung bestimmter Seren und Zusätze müssen weiterhin Tiere ihr Leben lassen. Das wohl größte Problem stellen unerwünschte Gäste wie Bakterien, Pilze und Mykoplasmen dar, die sich in der Zellkultur einnisten und die Zellen schädigen. Solche Kontaminationen sind sehr verbreitet und gelangen durch eine nicht sterile Arbeitstechnik in die Zellkultur.

Kombinationsmöglichkeiten

Die Zellkulturtechnik kann mit neuromorphologischen Untersuchungen (elektronenmikroskopischer Analyse), mit neurochemischen Methoden (Rezeptorfunktion, Signaltransduktion oder Neurotransmitterfreisetzung), mit elektrophysiologischen Methoden (pharmakologische Beeinflussung und Patch Clamp) oder mit der In-​situ-​Hybridisierung kombiniert werden.

Ausblick

Innovative Fortschritte in der Zellkulturtechnik setzen Trends für die angewandte Zellkultur. Der Einsatz von dreidimensionalen Zellkulturen etwa kommt den In-​vivo-​Bedingungen so nahe wie möglich. Die dadurch erhobenen In-​vitro-​Daten entsprechen mehr den physiologischen und pathophysiologischen Gegebenheiten im Patienten und sind besser auf die In-​vivo-​Situation übertragbar. Auch die Laborautomation gewinnt für die Zellkulturroutine an Bedeutung. Dank zunehmender Automation im Labor reduzieren sich Personal-​, Zeit– und Geldaufwand sowie menschliche Fehler. Besonders die Fortschritte beim tissue engineering, bei dem es um die Züchtung von implantationsfähigem Ersatzgewebe geht, schüren Hoffnungen bei der Therapie von Krankheiten. Ziel ist es, eines Tages geschädigtes menschliches Gewebe durch das Ersatzgewebe aus dem Labor zu ergänzen oder sogar völlig zu ersetzen.

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