Culture - Tumor

Japanese: 培養 - ばいよう

The process of keeping alive, developing or multiplying organs, tissues, cells, etc. separated from animals or plants or from animal or plant embryos in an artificial environment. Culturing also includes maintaining and multiplying genetically homogeneous populations of microorganisms and protozoa. In the case of culturing microorganisms, culturing only one species without mixing with other species is called pure culture. Culture is widely used in biology, medicine, pharmacy and agriculture to study the physiological and biochemical characteristics of various tissue cells, including cancer cells, the mechanisms of cell differentiation, the development and proliferation of organs and tissues, interactions between tissues, the principles of tissue construction, etc., as well as to test the responsiveness of cells to drugs, and as a basic technique for developmental engineering and genetic engineering. Culture is usually classified into cell culture, tissue culture and organ culture, since specific methods are used for each subject. In any case, the success of culture depends on whether an environment as close as possible to the environment in which the subject was originally placed can be reproduced. For this reason, all equipment used in culture, including petri dishes and flasks, are sterilized to prevent bacterial contamination, and temperature, light, and gas phase (partial pressure of oxygen and carbon dioxide, etc.) are also kept under meticulous and precise control; the liquid environment that the cells come into direct contact with is designed to be as close as possible to the environment inside the body.

[Shigeo Takeuchi]

Culture method and culture medium

All animal cells live in lymph or blood lymph, which dissolves a variety of substances, so liquids with similar compositions have been devised and used as culture media. Culture media generally have the following basic requirements: they must have the same osmotic pressure as the cells (isotonic), contain appropriate proportions of inorganic salts (sodium chloride, potassium chloride, calcium chloride, etc.), maintain a hydrogen ion concentration (pH) of 7.2 to 7.4, and contain a good balance of various nutrients such as glucose, amino acids, and vitamins. In addition, various hormones and growth factors may be added to the culture media.

Because plant cells have cell walls and can produce their own nutrients through photosynthesis, simple solutions such as Knopp's solution, which contains small amounts of inorganic salts and simple nitrogen compounds, are used for culturing plant tissue, while more complex culture solutions (devised by researchers such as Murashige-Skoog and Linsmeyer-Skoog) which contain other ingredients such as vitamins are used for culturing plant cells.

Culture fluid is filtered and sterilized before use, but antibiotics such as penicillin and streptomycin are usually added to prevent contamination by bacteria during cultivation. Culture fluids made only with chemicals with clearly defined chemical properties are called synthetic culture fluids or synthetic media, and are distinguished from natural media extracted from living organisms and whose chemical composition is unknown. To date, many researchers have formulated various excellent synthetic media, but none have been able to completely reproduce the environment inside a living body. Bacteria, plant organs and tissues, and amphibian embryonic tissues can often be cultured in synthetic media, but it is very rare for animal cells and tissues to be cultured only in synthetic media, and in most cases, about 5 to 20% serum is usually added. Even in such culture fluids containing serum, it is difficult to continue culturing cells that have just been extracted from normal tissue while maintaining their properties and functions. For this reason, most cells that have been subcultured and commercialized are obtained from cancerous tissues or embryonic tissues of mammals. Cultured cells that are subcultured in this way can be distinguished from normal tissue cells as cells with some special properties. Even among embryonic cells, fibroblasts of mesodermal origin tend to become cultured cells more easily than other tissue cells. In animal cell culture, buffering effects of carbon dioxide and sodium bicarbonate are often used to prevent the culture medium from becoming acidic due to metabolic activity during culture, and for this reason, culture devices that maintain the carbon dioxide in the air at a level of 5 to 10% are used.

Further conditions are required for tissue and organ culture. A support is required to maintain the integrity of the tissue or organ without disrupting the three-dimensional arrangement of the several types of cells that make up the tissue or organ. For this reason, agar is added to the culture solution to make it of an appropriate hardness, or solid media such as coagulated plasma may be used. In addition, lens paper (loosely filtered long cellulose fibers), membrane filters (a mixture of cellulose and cellulose acetate with many small holes), collagen gel (gelled collagen, a protein found in animal connective tissue), etc. may be used for culture in liquid media. In this case, in order to constantly supply fresh culture solution to the inside of tissue or organ pieces that cannot receive nutrients from blood vessels and to remove waste products, a rotary culture method, in which the test tube during culture is rotated so that the culture solution flows around the culture pieces, or a high-speed rotary culture method may be used. In addition, air with a high partial pressure of oxygen may be circulated to ensure a sufficient supply of oxygen. Despite these efforts, however, the cultivation of tissues or organs excised from animals has not yet been fully successful. On the other hand, in the case of plant cells, it has been successful to cultivate and grow a single isolated cell, and then create a new individual, i.e., a cloned plant. Recently, a technique for fusing cells with different properties to create cell hybrids has been used as a method of cell engineering. For example, the propensity of cultured cells to proliferate easily can be introduced into cells that produce a particular antibody, allowing them to be mass-grown and used to obtain a single antibody.

[Shigeo Takeuchi]

"Life in a Test Tube: An Introduction to Cell Research" by Setsuto Okada (Iwanami Shinsho)" ▽ "The Mechanism of Development" by Michel Sigaud, translated by Tsuyoshi Mizuno (Hakusuisha, Que sais-je Bunko)

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

動植物体あるいは動植物の胚(はい)より切り離された器官、組織、細胞などを人工的な環境のもとで生かし続け、発生あるいは増殖させたりすること。また微生物や原生動物の遺伝的に単一な集団を維持、増殖することも培養に含められる。微生物の培養では、他の種を混じえず一種だけ培養することを、純粋培養あるいは純培養とよぶ。培養は癌(がん)細胞を含め各種の組織細胞の生理・生化学的特質、細胞分化の機構、器官や組織の発育と細胞増殖、組織間の相互作用、組織構築の原理などの研究や、また薬物に対する細胞の反応性の検査、あるいは発生工学、遺伝工学などの基礎技術として、生物学、医学、薬学、農学で広く用いられている。培養は、その対象によりそれぞれ特有の方法が講じられているため、細胞培養、組織培養、器官培養と区別されるのが普通である。いずれにせよ培養の成功は、培養される対象が本来置かれていた環境にできるだけ近い環境を再現できるか否かによる。このため、シャーレ、フラスコをはじめ培養に使用される器具などは、細菌類の汚染を防ぐためすべて無菌化され、温度、光、気相（酸素、二酸化炭素の分圧など）も細心・緻密(ちみつ)な管理のもとに置かれ、細胞などが直接触れる液的環境は、体内での環境になるべく近いようにくふうされている。

［竹内重夫］

培養法と培養液（培地）

動物細胞はすべて、さまざまな物質群を溶かしているリンパ液あるいは血リンパ液中で生活しているので、これとよく似た組成をもつ液体がくふうされ、培養液（培地）として使用される。培養液は総じて細胞と浸透圧が同じ（等張）であること、適当な割合で無機塩類（塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化カルシウムなど）を含むこと、水素イオン濃度（pH）を7.2～7.4に維持できること、ブドウ糖をはじめアミノ酸類、ビタミンなど各種の栄養をバランスよく含むことなどを基本条件としている。このほか、培養液中に各種ホルモン、成長因子などが加えられることがある。

　植物細胞は細胞壁があり光合成により栄養を自給できるので、植物組織の培養には少量の無機塩類と簡単な窒素化合物を含む組成の単純なクノップ液などが、植物細胞の培養にはビタミンなど他の成分も加えた、より複雑な培養液（ムラシゲ‐スクーグ、リンスマイヤ‐スクーグなどの研究者が考案したもの）が用いられる。

　培養液は濾過(ろか)され無菌化して使用されるが、培養中の雑菌などによる汚染を防ぐためペニシリン、ストレプトマイシンなどの抗生物質が加えられるのが普通である。このように化学的性質がはっきりしている薬品類だけでつくられた培養液を合成培養液とか合成培地とよび、生物体から抽出し化学的な組成が不明の天然培地と区別する。現在までに、多くの研究者によりさまざまな優れた合成培地が処方されているが、完全に生体内の環境を再現しているものはまだできていない。細菌、植物の器官や組織、両生類の胚組織などは合成培地で培養可能な場合が多いが、動物の細胞や組織などは、合成培地のみで培養できる例はごくまれで、多くは5～20％程度の血清などを加えるのが普通である。このような血清を含んだ培養液でも、正常な組織から取り出したばかりの細胞の性質、機能をそのままに培養し続けることはむずかしい。このため、継代培養され商品化されている細胞の多くは、哺乳(ほにゅう)動物の癌化した組織か、胚の組織から得られたものである。このように継代培養される培養細胞はなにか特別の性質をもつ細胞として、正常な組織細胞から区別されることがある。胚の細胞でも、中胚葉起源の繊維芽細胞は、ほかの組織細胞に比べて培養細胞になりやすい傾向がある。動物の細胞培養では、培養中その代謝作用により培養液が酸性になるのを防ぐため、二酸化炭素と重曹による緩衝作用を利用することが多く、このため空気中の二酸化炭素を5～10％のレベルに保つ培養装置が用いられる。

　組織培養、器官培養にはさらに別な条件が要求される。組織、器官を構成する数種の細胞の三次元的な配列を乱さず、組織、器官の統一性を維持する支持体が必要である。このため、培養液に寒天を加え適当な固さにしたものや、凝固した血漿(けっしょう)など固形培地とよばれるものを使うことがある。また、レンズペーパー（長いセルロース繊維を緩く漉(す)いたもの）、メンブランフィルター（セルロースとセルロースアセテートの混合物で、小孔が多数ある）、コラーゲン・ゲル（動物結合組織にあるタンパクのコラーゲンをゲル化したもの）などを支持体として用い液体培地内で培養されることもある。この際、血管による栄養補給のできない組織や器官片の内部に、つねに新鮮な培養液を供給し老廃物を除去するため、培養液が培養片の周囲を流れるように、培養中の試験管などを回転させる回転培養法、あるいは高速回転培養法などが採用されることがある。また、酸素の十分な供給のため酸素分圧を高めた空気を流すようなことも行われる。しかし、これらのくふうにもかかわらず、動物体から切り出した組織なり器官の培養は十分な成功を得るまでに至っていない。一方、植物の細胞では、単離された1個の細胞を培養、増殖させ、それから新しい個体、すなわちクローン植物をつくりあげることに成功している。最近いろいろな性質をもつ細胞を融合させ細胞の雑種をつくりだす技術が細胞工学の一手段として利用されている。たとえば培養細胞の増殖しやすい性質を、特別な抗体をつくりだす細胞に導入して大量に増殖させ、単一の抗体を入手するのに利用するなどがその例である。

［竹内重夫］

『岡田節人著『試験管のなかの生命――細胞研究入門』（岩波新書）』▽『ミシェル・シゴー著、水野丈夫訳『発生のしくみ』（白水社・文庫クセジュ）』

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

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