CELCULTUUR EN IMMUNOCHEMIE
Eindcompetenties voor het onderdeel Celcultuur en ELISA:
- Je begrijpt de belangrijkste verschillen tussen continue en normale cellijnen.
- Je kan voor een biomedische toepassing een cellijn met bijhorende cultuuromstandigheden
(medium, serum, %CO2, buffer, ...) voorstellen.
- Je kan de verschillende detectiemethoden die gebruik maken van antilichamen
onderscheiden.
- Je kan een microbiologisch veiligheidskabinet correct gebruiken.
- Je kan aseptisch werken met celculturen.
- Je kan een primaire cultuur aanmaken.
- Je kan celculturen ontdooien, onderhouden en invriezen.
- Je kan een enzym immuno assay opstellen.
1. INLEIDING
1.1. Geschiedenis
De eerste dierlijke celculturen dateren van 1907 (Ross Harrison), maar de echte doorbraak is er pas
gekomen rond 1950. In deze periode werden drie belangrijke ontdekkingen gedaan.
- Ontdekking antibiotica (besmetting voorkomen)
- Het gebruikt van trypsine (cellen losmaken van elkaar)
- De ontwikkeling van chemisch gedefinieerde cultuurmedia
De vorderingen in deze drie domeinen betekenden een verhoogde interesse in celculturen.
exponentiële toename na 1970
Vb. In 1949 toonde Enders aan dat het poliovirus gekweekt kan worden in menselijke
embryonale cellen.
Een van de belangrijkste continue celculturen is de HeLa-cellijn. Deze is afkomstig van een vrouw die
in 1951 overleed aan baarmoederhals kanker, genaamd Henrietta Lacks. Haar cellen leven verder in
labo’s verspreid over de hele wereld en worden veelvuldig gebruikt voor onderzoek naar de
moleculaire basis van kanker en nieuwe kankertherapieën.
Vb. in 1975: hybridoma-technologie voor productie van monoklonale antilichamen door Köhler
en Milstein.
Een hybridoma Is een cel die ontstaat door fusie van een B-lymfocyt met een kankercel
(myeloma). Deze hybride cel combineert dus een myeloma met oneindige
levensduur en een antilichaam producerende B-lymfocyt.
Recent richt het biomedisch zich op cel- en weefseltechnologie. Met als doet het verkrijgen van
(bio)implantaten om uitgevallen of slecht werkende organen of weefsels als huid of bot te
ondersteunen of te vervangen.
,CELCULTUUR EN IMMUNOCHEMIE
1.2. Voordelen van cel- en weefselkweekculturen
1.2.1. Controle van de omgeving
Goede controle van fysicochemsiche (pH, temperatuur, osmotische druk, O2- en CO2-spanning) en
fysiologische parameters (voedingstoffen).
1.2.2. Goede karakteristiek en homogeniteit
Met uitzondering van orgaanculturen zijn cel- en weefselkweekculturen redelijk homogeen.
Vertrekkende van een heterogene cultuur neemt door subcultivatie de homogeniteit van de cellen toe.
Let op! Na verloop van tijd verschillen door mutaties. Daarom is het van belang om een goed
gekarakteriseerde cellijn in te vriezen als cryostock.
1.2.3. Kostprijs
Cel- en weefselculturen zijn goedkoper dan proefdierexperimenten. Miniaturisatie (microliter-niveau)
zorgt ervoor dat voor het onderzoek slecht kleine hoeveelheden monster en reagentia nodig zijn.
1.2.4. In vitro modellering van in vivo omstandigheden
De ontwikkeling van organotypische modellen is een belangrijke stap voorwaarts voor in vitro
modelering. Het gewicht van 1 menselijke cel is ongeveer gelijk aan 10 -9 gram.
1.3. Beperkingen van weefselculturen
1.3.1. Expertise
Cel- en weefselkweek moeten uitgevoerd worden onder strikt aseptische (steriele) omstandigheden,
want dierlijke cellen groeien trager dan de meeste bacteriën en schimmels.
1.3.2. Hoeveelheid
De hoeveelheid cellen die gekweekt kunnen worden op laboschaal is in de orde grootte van 10 9.
1.3.3. Instabiliteit
Instabiliteit is een groot probleem voor zowel normale als continue cellen. Bij normale cellen die een
beperkte levensduur hebben, is er een geleidelijk verlies aan gedifferentieerde eigenschappen, en
stoppen de cellen met delen tot ze uiteindelijk sterven (senescentie). Continue cellijnen bezitten een
aneuploïde aantal chromosomen.
1.3.4. Cultuuromgeving versus in vivo (!!!)
Een cel in cel- of weefselkweek gedraagt zich niet zo als in vivo omstandigheden. Een cel wordt
namelijk uit zijn driedimensionale matrix gehaald en verder gekweekt op een tweedimensionale
substraat. De specifieke celinteracties aanwezig in het oorspronkelijke weefsel zijn in vitro verdwenen.
De cellen zijn ook bewegelijk en het aantal delende cellen is in cultuur sterk toegenomen. Één of twee
celtypes blijven over.
Systematische verbindingen die in vivo betrokken zijn bij de homeostatische regelingsmechanismen,
zoals deze afkomstig van het zenuwstelsel en van de endocriene organen, zijn niet aanwezig in het
cultuurmedia (oversimplificatie van het cultuurmedium).
Het cellulaire metabolisme is meer constant in cultuur, maar is daarom niet representatief voor het
oorspronkelijke weefsel. Het energiemetabolisme is in vitro voornamelijk gebaseerd op de glycolyse,
met een minder belangrijke rol van de citroenzuurcyclus. Kort, is het cellulair metabolisme meer
constant.
,CELCULTUUR EN IMMUNOCHEMIE
2. CEL- EN WEEFSELKWEEKCULTUREN: DEFINITIES
2.1. Orgaanculturen
Orgaanculturen worden gemaakt van embryonale organen of weefselfragmenten waarbij de
driedimensionale weefselstructuur en de functie van het weefsel (gedeeltelijk) bewaard blijft.
Orgaanculturen worden rechtstreeks geïsoleerd uit het organisme en worden op een vloeistof-gas
interfase gekweekt.
Ze kunnen zelf niet delen, maar er kan wel differentiatie optreden van de cellen in het orgaan.
Daarnaast is het mogelijk om de weefsels goed te karakteriseren via histologie.
+ cellulaire interacties
- telkens vers weefsel nodig
- reproduceerbaarheid
2.2. Explant culturen
Explant culturen zijn afkomstig van weefsel die rechtstreeks geïsoleerd worden uit het organisme.
Vb. huidbiopten, spierbiopten en tumorweefsels (in principe uit elk weefsel)
Het weefsel kan worden verkregen via chirurgische handelingen of naadbiopsie. Het voordeel van
chirurgisch uitsnijden is dat een grote hoeveelheid weefsel verkregen kan worden. Om contaminatie
met bloed te verminderen kan het weefsel worden geperfuseerd, d.w.z. dat het weefsel gespoeld
wordt met een fysiologische zoutoplossing. Een naaldbioptie is daarentegen minder invasief, en kan
sneller gebeuren, maar geeft minder weefsel.
De weefsels worden onmiddellijk na isolatie in een steriele omgeving op een celkweek substraat
gebracht. De cellen in de weefsels krijgen voedingsstoffen doordat ze ondergedompeld worden in
cultuurmedium.
Voordelen van explant culturen zijn dat cel-cel en cel-matrix interacties behouden blijven zoals in het
organisme zelf. Bovendien zijn ze makkelijk manipuleerbaar. Nadelen zijn dat ze slechts beperkt
houdbaar zijn en zo hun gespecialiseerde functie kunnen verliezen.
2.3. Primaire culturen
Cellen in explant culturen kunnen worden losgemaakt uit de weefselstructuur en als individuele cellen
verder in cultuur gebracht worden; dit noemt men primaire culturen. Een primaire cultuur is mogelijk
voor vele celtypes. Doordat in het originele weefsel verschillende celtypes voorkomen is een primaire
cultuur meestal een heterogene mix van verschillende celtypes (~ een co-cultuur).
Het voordeel van een co-cultuur is dat de verschillende celtypes de mogelijheid behouden van cel-cel
interacties zoals die in vivo voorkomen. Het ene celtype kan ook factoren uitscheiden die het andere
celtype beïnvloeden, dit word paracrien effect genoemd (effect op de naaste cellen). Zo blijven de
eigenschappen van het oorspronkelijk weefsel bewaard.
Een belangrijk nadeel van primaire culturen is dat ze instabiel zijn. De onderlinge verhouding van de
celtypes wijzigt naarmate de cellen langer in cultuur blijven, de cellen kunnen de-differentiëren en
verouderen. Vaak heeft een bepaald celtype een groeivoordeel t.o.v. de andere aanwezige cellen,
waardoor de samenstelling van de primaire cultuur verandert. Uiteindelijk kunnen primaire cellen
slechts een beperkte tijd in cultuur gehouden worden.
, CELCULTUUR EN IMMUNOCHEMIE
2.4. Eindige celculturen
Strikt genomen is een primaire celcultuur die gesubcultiveerd wordt niet meer primair, maar we
spreken dan van een eindige celcultuur. Toch wordt de term primaire cellen soms ook gebruikt voor uit
weefsel geïsoleerde cellen die slecht beperkt in cultuur te houden zijn
Normale cellen kunnen maar een beperkt aantal keer delen, hierna treedt een proces op dat
senescentie heet. Door complexe veranderingen in de cel stopt de deling. Een belangrijke factor in dit
proces is de verkorting van de uiteinden van de chromosomen (de telomeren) na elke celdeling. Een
uitzondering hierop zijn de stamcellen (verhoogde expressie van telomerase).
Cellen van een eindige cellijn kunnen maximum maar een 60-tal keer delen (het aantal delingen
varieert per species), daarna zijn de telomeren te kort waardoor de cellen stoppen met delen.
Hayflick limiet.
2.5. Geïmmortaliseerde cellijnen
In een eindige cellijn mutaties optreden die ervoor zorgen dat de cellen niet meer verouderen en
eventueel onafhankelijk worden van celadhesie. Hierdoor kunnen deze cellen onbeperkt blijven delen.
Dit zijn geïmmortaliseerde of continue cellijnen. Deze genetische veranderingen kunnen reeds in vivo
ontstaan zijn (kankercellen), spontaan optreden gedurende de cultuur van primaire cellen of
geïnduceerd worden. Dit proces heet transformatie en kan leiden tot immortalisatie.
De meeste geïmmortaliseerde cellijnen groeien als monolaag op een substraat. Kunnen ook groeien
in suspensie wanneer geen aanhechting aan een celcultuur oppervlak meer nodig is. Cellen in
suspensie groeien sneller en kunnen in hoge celdensiteit groeien.
2.6. Organotypische celculturen
Primaire celculturen verliezen cel-cel en cel-matrix interacties die normaliter aanwezig zijn in vivo.
Omdat cellijnen monoculturen zijn, gaan ze geen cel-cel interacties aan met andere celtypes. Om
deze cel-cel interacties te kunnen bestuderen worden verschillende cellijnen soms bij elkaar in cultuur
gebracht in een driedimensionale structuur. Ook wel organotypische cultuur genoemd.
- Orgaankweek: mogelijkheid tot
differentiatie & intacte functie
- Weefselkweek: weefselstructuur hoeft
niet functioneel te zijn
- Celkweek: gedissocieerd van
oorspronkelijke weefsel door spontane
migratie of mechanische of
enzymatische methoden/ cellen
groeien als mono- of multilayers op
substraat of in suspensie.
Eindcompetenties voor het onderdeel Celcultuur en ELISA:
- Je begrijpt de belangrijkste verschillen tussen continue en normale cellijnen.
- Je kan voor een biomedische toepassing een cellijn met bijhorende cultuuromstandigheden
(medium, serum, %CO2, buffer, ...) voorstellen.
- Je kan de verschillende detectiemethoden die gebruik maken van antilichamen
onderscheiden.
- Je kan een microbiologisch veiligheidskabinet correct gebruiken.
- Je kan aseptisch werken met celculturen.
- Je kan een primaire cultuur aanmaken.
- Je kan celculturen ontdooien, onderhouden en invriezen.
- Je kan een enzym immuno assay opstellen.
1. INLEIDING
1.1. Geschiedenis
De eerste dierlijke celculturen dateren van 1907 (Ross Harrison), maar de echte doorbraak is er pas
gekomen rond 1950. In deze periode werden drie belangrijke ontdekkingen gedaan.
- Ontdekking antibiotica (besmetting voorkomen)
- Het gebruikt van trypsine (cellen losmaken van elkaar)
- De ontwikkeling van chemisch gedefinieerde cultuurmedia
De vorderingen in deze drie domeinen betekenden een verhoogde interesse in celculturen.
exponentiële toename na 1970
Vb. In 1949 toonde Enders aan dat het poliovirus gekweekt kan worden in menselijke
embryonale cellen.
Een van de belangrijkste continue celculturen is de HeLa-cellijn. Deze is afkomstig van een vrouw die
in 1951 overleed aan baarmoederhals kanker, genaamd Henrietta Lacks. Haar cellen leven verder in
labo’s verspreid over de hele wereld en worden veelvuldig gebruikt voor onderzoek naar de
moleculaire basis van kanker en nieuwe kankertherapieën.
Vb. in 1975: hybridoma-technologie voor productie van monoklonale antilichamen door Köhler
en Milstein.
Een hybridoma Is een cel die ontstaat door fusie van een B-lymfocyt met een kankercel
(myeloma). Deze hybride cel combineert dus een myeloma met oneindige
levensduur en een antilichaam producerende B-lymfocyt.
Recent richt het biomedisch zich op cel- en weefseltechnologie. Met als doet het verkrijgen van
(bio)implantaten om uitgevallen of slecht werkende organen of weefsels als huid of bot te
ondersteunen of te vervangen.
,CELCULTUUR EN IMMUNOCHEMIE
1.2. Voordelen van cel- en weefselkweekculturen
1.2.1. Controle van de omgeving
Goede controle van fysicochemsiche (pH, temperatuur, osmotische druk, O2- en CO2-spanning) en
fysiologische parameters (voedingstoffen).
1.2.2. Goede karakteristiek en homogeniteit
Met uitzondering van orgaanculturen zijn cel- en weefselkweekculturen redelijk homogeen.
Vertrekkende van een heterogene cultuur neemt door subcultivatie de homogeniteit van de cellen toe.
Let op! Na verloop van tijd verschillen door mutaties. Daarom is het van belang om een goed
gekarakteriseerde cellijn in te vriezen als cryostock.
1.2.3. Kostprijs
Cel- en weefselculturen zijn goedkoper dan proefdierexperimenten. Miniaturisatie (microliter-niveau)
zorgt ervoor dat voor het onderzoek slecht kleine hoeveelheden monster en reagentia nodig zijn.
1.2.4. In vitro modellering van in vivo omstandigheden
De ontwikkeling van organotypische modellen is een belangrijke stap voorwaarts voor in vitro
modelering. Het gewicht van 1 menselijke cel is ongeveer gelijk aan 10 -9 gram.
1.3. Beperkingen van weefselculturen
1.3.1. Expertise
Cel- en weefselkweek moeten uitgevoerd worden onder strikt aseptische (steriele) omstandigheden,
want dierlijke cellen groeien trager dan de meeste bacteriën en schimmels.
1.3.2. Hoeveelheid
De hoeveelheid cellen die gekweekt kunnen worden op laboschaal is in de orde grootte van 10 9.
1.3.3. Instabiliteit
Instabiliteit is een groot probleem voor zowel normale als continue cellen. Bij normale cellen die een
beperkte levensduur hebben, is er een geleidelijk verlies aan gedifferentieerde eigenschappen, en
stoppen de cellen met delen tot ze uiteindelijk sterven (senescentie). Continue cellijnen bezitten een
aneuploïde aantal chromosomen.
1.3.4. Cultuuromgeving versus in vivo (!!!)
Een cel in cel- of weefselkweek gedraagt zich niet zo als in vivo omstandigheden. Een cel wordt
namelijk uit zijn driedimensionale matrix gehaald en verder gekweekt op een tweedimensionale
substraat. De specifieke celinteracties aanwezig in het oorspronkelijke weefsel zijn in vitro verdwenen.
De cellen zijn ook bewegelijk en het aantal delende cellen is in cultuur sterk toegenomen. Één of twee
celtypes blijven over.
Systematische verbindingen die in vivo betrokken zijn bij de homeostatische regelingsmechanismen,
zoals deze afkomstig van het zenuwstelsel en van de endocriene organen, zijn niet aanwezig in het
cultuurmedia (oversimplificatie van het cultuurmedium).
Het cellulaire metabolisme is meer constant in cultuur, maar is daarom niet representatief voor het
oorspronkelijke weefsel. Het energiemetabolisme is in vitro voornamelijk gebaseerd op de glycolyse,
met een minder belangrijke rol van de citroenzuurcyclus. Kort, is het cellulair metabolisme meer
constant.
,CELCULTUUR EN IMMUNOCHEMIE
2. CEL- EN WEEFSELKWEEKCULTUREN: DEFINITIES
2.1. Orgaanculturen
Orgaanculturen worden gemaakt van embryonale organen of weefselfragmenten waarbij de
driedimensionale weefselstructuur en de functie van het weefsel (gedeeltelijk) bewaard blijft.
Orgaanculturen worden rechtstreeks geïsoleerd uit het organisme en worden op een vloeistof-gas
interfase gekweekt.
Ze kunnen zelf niet delen, maar er kan wel differentiatie optreden van de cellen in het orgaan.
Daarnaast is het mogelijk om de weefsels goed te karakteriseren via histologie.
+ cellulaire interacties
- telkens vers weefsel nodig
- reproduceerbaarheid
2.2. Explant culturen
Explant culturen zijn afkomstig van weefsel die rechtstreeks geïsoleerd worden uit het organisme.
Vb. huidbiopten, spierbiopten en tumorweefsels (in principe uit elk weefsel)
Het weefsel kan worden verkregen via chirurgische handelingen of naadbiopsie. Het voordeel van
chirurgisch uitsnijden is dat een grote hoeveelheid weefsel verkregen kan worden. Om contaminatie
met bloed te verminderen kan het weefsel worden geperfuseerd, d.w.z. dat het weefsel gespoeld
wordt met een fysiologische zoutoplossing. Een naaldbioptie is daarentegen minder invasief, en kan
sneller gebeuren, maar geeft minder weefsel.
De weefsels worden onmiddellijk na isolatie in een steriele omgeving op een celkweek substraat
gebracht. De cellen in de weefsels krijgen voedingsstoffen doordat ze ondergedompeld worden in
cultuurmedium.
Voordelen van explant culturen zijn dat cel-cel en cel-matrix interacties behouden blijven zoals in het
organisme zelf. Bovendien zijn ze makkelijk manipuleerbaar. Nadelen zijn dat ze slechts beperkt
houdbaar zijn en zo hun gespecialiseerde functie kunnen verliezen.
2.3. Primaire culturen
Cellen in explant culturen kunnen worden losgemaakt uit de weefselstructuur en als individuele cellen
verder in cultuur gebracht worden; dit noemt men primaire culturen. Een primaire cultuur is mogelijk
voor vele celtypes. Doordat in het originele weefsel verschillende celtypes voorkomen is een primaire
cultuur meestal een heterogene mix van verschillende celtypes (~ een co-cultuur).
Het voordeel van een co-cultuur is dat de verschillende celtypes de mogelijheid behouden van cel-cel
interacties zoals die in vivo voorkomen. Het ene celtype kan ook factoren uitscheiden die het andere
celtype beïnvloeden, dit word paracrien effect genoemd (effect op de naaste cellen). Zo blijven de
eigenschappen van het oorspronkelijk weefsel bewaard.
Een belangrijk nadeel van primaire culturen is dat ze instabiel zijn. De onderlinge verhouding van de
celtypes wijzigt naarmate de cellen langer in cultuur blijven, de cellen kunnen de-differentiëren en
verouderen. Vaak heeft een bepaald celtype een groeivoordeel t.o.v. de andere aanwezige cellen,
waardoor de samenstelling van de primaire cultuur verandert. Uiteindelijk kunnen primaire cellen
slechts een beperkte tijd in cultuur gehouden worden.
, CELCULTUUR EN IMMUNOCHEMIE
2.4. Eindige celculturen
Strikt genomen is een primaire celcultuur die gesubcultiveerd wordt niet meer primair, maar we
spreken dan van een eindige celcultuur. Toch wordt de term primaire cellen soms ook gebruikt voor uit
weefsel geïsoleerde cellen die slecht beperkt in cultuur te houden zijn
Normale cellen kunnen maar een beperkt aantal keer delen, hierna treedt een proces op dat
senescentie heet. Door complexe veranderingen in de cel stopt de deling. Een belangrijke factor in dit
proces is de verkorting van de uiteinden van de chromosomen (de telomeren) na elke celdeling. Een
uitzondering hierop zijn de stamcellen (verhoogde expressie van telomerase).
Cellen van een eindige cellijn kunnen maximum maar een 60-tal keer delen (het aantal delingen
varieert per species), daarna zijn de telomeren te kort waardoor de cellen stoppen met delen.
Hayflick limiet.
2.5. Geïmmortaliseerde cellijnen
In een eindige cellijn mutaties optreden die ervoor zorgen dat de cellen niet meer verouderen en
eventueel onafhankelijk worden van celadhesie. Hierdoor kunnen deze cellen onbeperkt blijven delen.
Dit zijn geïmmortaliseerde of continue cellijnen. Deze genetische veranderingen kunnen reeds in vivo
ontstaan zijn (kankercellen), spontaan optreden gedurende de cultuur van primaire cellen of
geïnduceerd worden. Dit proces heet transformatie en kan leiden tot immortalisatie.
De meeste geïmmortaliseerde cellijnen groeien als monolaag op een substraat. Kunnen ook groeien
in suspensie wanneer geen aanhechting aan een celcultuur oppervlak meer nodig is. Cellen in
suspensie groeien sneller en kunnen in hoge celdensiteit groeien.
2.6. Organotypische celculturen
Primaire celculturen verliezen cel-cel en cel-matrix interacties die normaliter aanwezig zijn in vivo.
Omdat cellijnen monoculturen zijn, gaan ze geen cel-cel interacties aan met andere celtypes. Om
deze cel-cel interacties te kunnen bestuderen worden verschillende cellijnen soms bij elkaar in cultuur
gebracht in een driedimensionale structuur. Ook wel organotypische cultuur genoemd.
- Orgaankweek: mogelijkheid tot
differentiatie & intacte functie
- Weefselkweek: weefselstructuur hoeft
niet functioneel te zijn
- Celkweek: gedissocieerd van
oorspronkelijke weefsel door spontane
migratie of mechanische of
enzymatische methoden/ cellen
groeien als mono- of multilayers op
substraat of in suspensie.
