Zellkulturen

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.