תרבית תאים

תרבית תאים (באנגלית: Cell culture) היא תהליך שבו תאים אאוקריוטיים או פרוקריוטיים גדלים בתנאים מבוקרים. באופן מעשי, המונח "תרבית תאים" מתייחס ברוב המקרים לגידול תאים אאוקריוטיים שהופקו מאורגניזמים רב-תאיים, בייחוד בעלי חיים וצמחים. גידול תאים בתרבית הפך לשיטה מעבדתית שגרתית החל משנות ה-50 של המאה ה-20.

ניתן לחלק את תרביות התאים לתרביות תאים נצחיות ותרביות תאים שאינן נצחיות, תרביות נצחיות - שורת תאים (Cell line) ניתן לגדל ללא הגבלת זמן, בעוד שתאי תרביות בלתי נצחיות חדלים להתחלק לאחר זמן מה בתרבית ולאחר מכן מתים, לרוב מוות תאי מתוכנן (אפופטוזה). בתנאים מסוימים ניתן להתמיר תאים בלתי נצחיים לתאים נצחיים על ידי החדרת מספר גנים, לרוב על ידי נגיפים.

היסטוריה

בשנות השמונים של המאה ה-19 פיתח הפיזיולוג האנגלי סידני רינגר (Ringer) תמיסת יונים המכילה נתרן, אשלגן, סידן ומגנזיום המאפשרת את המשך פעילותו של לב לאחר בידודו מן הגוף - תמיסת רינגר. במקביל, הפריד ב-1885 וילהלם רו (Wilhelm Roux) חלק מעובר תרנגולת והחזיק אותו בתמיסה פיזיולוגית מחוממת למשך מספר ימים, בכך ביסס את עיקרון תרבית התאים. בתחילת המאה ה-20 פרסם רוס גרנביל הריסון את עיקרי השיטות המשמשות גידול תאים בתאים כאשר הוא משתמש בתאים שהופקו מעוברי חולייתנים.

על אף הידע שנצבר בתחום, לא הובן הפוטנציאל המדעי והרפואי הגלום בתרביות תאים עד שנות הארבעים והחמישים של המאה ה-20, כאשר בשנים אלו החל השימוש בתרביות תאים במטרה ליצור נגיפים המשמשים כחיסון. אחד החיסונים הראשונים שיוצרו בעזרת תרבית תאים היה תרכיב בחיסון של סאלק נגד מחלת הפוליו, נגיפים ששימשו לחיסון זה יוצרו בתרבית של תאי כליית קוף.

תרביות תאים של יונקים

בידוד התאים

ניתן לבודד תאים מרקמות לצורך גידולם בתרבית "Ex vivo" (כלומר מחוץ לגוף) בכמה אופנים. ניתן לנקות בקלות תאים מהדם, אולם רק תאי דם לבנים מסוגלים לגדול בתרבית. ניתן לשחרר תאים מרקמה עדינה באמצעות עיכול אנזימטי עם אנזימים כדוגמת קולגנאז, טריפסין ופרונאז, אשר מאפשרים ניתוק התא מהמשתית החוץ תאית, כלומר, התאים מופרדים ליחידות בודדות ומאבדים מפורמולת של הרקמה. אפשרות חלופית, היא גידול חלקים מרקמה במדיום גידול והתאים הגדלים שם ישמשו ליצירת התרבית. שיטה זו ידועה כתרבית אקספלנט (Explant culture).

התרבית הנלקחת ישירות מבעל חיים או מאדם נקראת תרבית ראשונית (Primary culture). לאחר העברת התאים מהתרבית הראשונית לכלי גידול חדש מתקבלת תרבית שניונית (Secondary culture). עם הזמן, משתנה הרכב אוכלוסיית התאים בתרביות בשל התנאים הספציפיים, הבוררים את סוגי התאים. למעט יוצאי דופן שנגזרו מגידולים, רוב התאים בתרבית הם בעלי תוחלת חיים מוגבלת, ולאחר מספר חלוקות מסוים עוברים התאים תהליך של הזדקנות תאית (Senescence) ומפסיקים להתחלק.

שורות תאים המסוגלות להתרבות ללא הגבלה (ידועות גם כקווי תאים רציפים) מתפתחות בעקבות מוטציה ספונטנית או שינוי מכוון, כדוגמת ביטוי מלאכותי של גן טלומראז. תאים אלה הם תאים שעברו התמרה. קיימות מספר שורות תאים המייצגות סוגים שונים של תאים.

תחזוקת התאים בתרבית

התאים גדלים ונשמרים בטמפרטורה מתאימה ובתערובת גז (לרוב 37 מעלות צלזיוס ו-5% CO₂) באינקובטור. תנאי התרבית משתנים בין תרביות של סוגי תאים שונים, ושינויים בתנאי הגידול של סוג תא מסוים עשויים לגרום לפנוטיפים שונים להתבטא.

בנוסף לערבוב הגז ולטמפרטורה, במערכות תרבית שונות נעשה שימוש במדיום גידול שונה. במדיומי גידול שונים קיימים הבדלים בתנאי ה-pH, ריכוזי הגלוקוז, פקטורי גידול, ונוכחותם של חומרים מזינים נוספים. פקטורי הגידול המשמשים כתוספת למדיה ומופקים לעיתים קרובות מדם בעלי חיים, כדוגמת סרום של עגל. מרכיבים אלו מגבירים את הסיכויים לזיהום של מוצרים בנגיפים ובפריונים. כיום נעשים מאמצים למזער או אף להוציא משימוש מרכיבים אלו היכן שניתן.

חלק מהתאים חיים באופן טבעי בלי צורך במשטח תומך, כדוגמת תאים הנמצאים בזרם הדם. תרבית תאים מסוג זה נקראת תרבית תרחיף תאים (Suspension cultures). לעומתם תאים אחרים, כדוגמת רוב התאים הנלקחים מרקמות מוצקות, דורשים משטח תומך ואלו נקראים תאים דורשי תאחיזה. תאים אלו, ניתן לגדל על פלסטיק לתרבית רקמה שניתן לצפותו במרכיבי משתית חוץ תאית (כגון קולגן או פיברונקטין) להגברת תכונות התמיכה שלו וכדי שיספק תנאים נוספים החיוניים לגידול.

טיפול בתאי תרבית

התחלקות התאים בתרבית בדרך כלל נמשכת עד שהם גדלים על כל השטח או הנפח הזמין. בעקבות זאת עלולות להתעורר מספר בעיות:

הידלדלות חומרי המזון במדיום הגידול
הצטברות של תאים מתים שעברו אפופטוזה או נקרוזה
מגע בין תאים עשוי לגרות עצירה של מחזור התא, ועצירת התחלקות התאים (ידוע כ-Contact inhibition)
מגע בין תאים עשוי לגרום להתמיינות תאים בלתי רצויה

ניתן להתמודד עם סוגיות אלו באמצעות שיטות המתבססות על טכניקה סטרילית. שיטות אלה מכוונות כדי למנוע זיהום של חיידקים או שמרים אשר עלולים להתחרות עם תאי היונק על חומרי המזון במצע, ו/או לגרום להדבקה של התאים ולמותם. אחת השיטות למניעת זיהום של מיקרואורגניזמים היא שימוש במנדף ביולוגי (Laminar flow cabinet - תא שבו מוזרם אוויר מסונן). אמצעי נוסף למניעת זיהום הוא הוספת אנטיביוטיקה למדיום הגידול.

טיפולים מקובלים שנעשים בתרביות תאים כוללים שינויים במדיום הגידול, העברת תאים וטרנספקציה (כלומר החדרה של חומר גנטי זר לתאים).

שינויים במדיום הגידול - מטרת השינויים במדיום היא לחדש את מלאי חומרי המזון במצע וכדי למנוע הצטברות של תוצרים מטבוליים שעשויים להזיק, או של תאים מתים. במקרה של תרביות תרחיף, ניתן להפריד את התאים ממדיום הגידול באמצעות סרכוז, והרחפה מחדש במדיום טרי. במקרה של תרביות של תאים דורשי תאחיזה ניתן להרחיק את המצע הנוזלי ולהחליפו במצע טרי.
העברת תאים (פיצול תאים) - העברת תאים פירושה העברה של מספר מצומצם של תאים לכלי חדש. תאים יכולים להיות מגודלים בתרבית לזמן רב יותר אם הם מופרדים בקביעות, מכיוון שכך נמנעת הזדקנות תאית הקשורה בצפיפות גבוהה של תאים בזמן ממושך. תרביות תרחיף מועברות בקלות באמצעות לקיחה של כמות קטנה מהתרבית שכוללת מספר תאים, ומיהולה בנפח גדול של מצע טרי. לתרביות של תאים דורשי תאחיזה, יש קודם לנתק את התאים; באופן היסטורי הניתוק נעשה באמצעות תערובת של טריפסין ו-EDTA, אולם כיום קיימות תערובות אנזימים נוספות המשמשות למטרה זו. כמות קטנה של תאים שנותקו יכולים לשמש כגרעין לתרבית חדשה.
טרנספקציה - שיטת טיפול נוספת שמקובלת בגידול תרביות היא טרנספקציה שבה מוחדר דנ"א זר לתאים. לעיתים קרובות נעשית הטרנספקציה כדי לגרום לתאים לבטא חלבון רצוי. בשנים האחרונות, טרנספקציה של תבניות RNAi החלה לשמש כמנגנון נוח כדי לדכא ביטוי של גן או חלבון מסוים. ניתן להחדיר דנ"א לתאים גם באמצעות נגיפים, בשיטות של טרנסדוקציה והדבקה או באמצעות טרנספורמציה.

שורות תאים אנושיות

שורות תאים שנוצרו מבני אדם מעוררות סוגיות ביואתיות, מאחר שהם יכולים להאריך ימים מעבר לחייו של אורגניזם האב ויכולים לשמש בהמשך בגילוי טיפולים רפואיים רווחיים. בהחלטה תקדימית בנושא בית המשפט העליון של קליפורניה קבע ב-1990 כי לפציינטים אין בעלות על שורות תאים שמקורם מאיברים שהוסרו בהסכמתם^[1].

ייצור היברודומות

ניתן למזג תאים רגילים עם תאים מקווי תאים רציפים אשר מתרבים ללא הגבלה. שיטה זו משמשת לייצור נוגדנים חד-שבטיים (מונוקלונליים). כך, לימפוציטים שבודדו מדם של חייה מחוסנת מאוחים עם תאים סרטניים ומגודלים במדיום גדילה סלקטיבי: כך שורדים בסופו של דבר רק התאים שהתמזגו.

שימושים בתרביות תאים

שימוש נרחב בתרביות תאים מבעלי חיים נעשה בתעשיית הביוטכנולוגיה לייצור חיסונים ויראליים ומוצרים נוספים. תרבית MRC-5 מבן אדם מנוצלת בחיסונים שונים. חומרים ביולוגים שמיוצרים בעזרת טכנולוגיה של דנ"א רקומביננטי (rDNA) בתרבית תאים מבעלי חיים כוללים אנזימים, הורמונים, ביוחומרים חיסוניים (נוגדנים חד-שבטיים, אינטרלויקינים, לימפוקינים) וחומרים לטיפול בסרטן. על אף שניתן לייצר חלבונים פשוטים רבים באמצעות rDNA בתרביות חיידקיות, אין אפשרות לייצר חלבונים מורכבים שעוברים גליקוזילציות בתאים חיידקיים ולכן נעשה בשימוש בתאים מבעלי חיים. דוגמה לחלבון מורכב שכזה הוא ההורמון אריתרופויאטין. עלות גידולם של תאי יונקים גבוהה, ולפיכך נעשים מאמצי מחקר לשם ייצור חלבונים מורכבים כאלו בתאי חרקים או בתאי צמחים.

בשר מתורבת

ערך מורחב – בשר מתורבת

בראשית המאה ה-21 החלו מדענים ברחבי העולם לפתח 'בשר מתורבת' (מלשון תרבית) המיוצר מתאים של בעלי חיים המתרבים בתנאי מעבדה עד לכדי קבלת נתחי בשר השואפים לחקות את נתחי הבשר המופקים מבשר בעלי החיים. הראשון להפיק בשר מתורבת מתאי בעלי חיים היה הפרופ' ההולנדי מארק פוסט מאוניברסיטת מאסטריכט, שפיתח בשר מתורבת ב-2013. הביופסיה שממנה הופקה קציצת הבשר שייצר נלקחה משריר כתף של פרה מבית מטבחיים. אותה הפיק מתאי לוויין שגידל על מצע נוזלי עשיר בחומרי הזנה, חמצן והורמונים שהופקו מעוברי פרות. לאחר התרבות והתמיינות התאים הם הועברו לצלחות פלסטיק קטנות עם קולגן. תאי הלוויין הפכו לתאי שריר שהסתדרו על גבי ה'פיגומים' שיצר הקולגן, וחוברו יחד בצלחות. תהליך זה ארך כשלושה חודשים, ועלותו נאמדה בכ-250,000 אירו^[2].

בשנים שלאחר מכן הוקמו מספר חברות הזנק ששמו להן למטרה לפתח בשר מתורבת שיחליף את בשר הבהמה הרגיל, ובכך יפתור מספר רב של בעיות בתחום הכלכלי^[3], הבריאותי^[4], האתי^[5] וההלכתי^[6] הכרוכות בתעשיית המזון מן החי.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא תרבית תאים בוויקישיתוף

ATCC, המרכז הבינלאומי למשאבים ביולוגים, כולל תרביות תאים, חיידקים, נגיפים, זרעי צמחים ועוד
פרוטוקול בעברית לטיפול בתרביות תאים
תרבית תאים, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)

הערות שוליים

^ [1]
^ אדוה אופיר וליקסון, נקי, סינתטי או מתורבת?, באתר זווית, ‏19/06/2017
^ הורדת מחירי הבשר באופן משמעותי עקב יכולת לייצר בזמן קצר מיליארדי נתחי בשר מבהמה אחת או מספר בודד של בהמות.
^ ייצור בשר בתנאי מעבדה, וללא תוספת אנטיביוטיקות וחומרים נוספים המצויים בבשר הבהמה המתועשת.
^ גידול ותובלת מיליארדי בהמות בתנאים רעועים הכרוכים בצער בעלי חיים.
^ פתרון לצער בעלי החיים הגדלים לתעשייה, מתן אפשרות להשגת בשר שנשחט, נוקר ונבדק באופן מהודר ובמחיר נמוך, בשל מיעוט מערך המשגיחים הנדרש כדי לפקח על שחיטת מספר בודד של בהמות.

[1] [1]

[2] אדוה אופיר וליקסון, נקי, סינתטי או מתורבת?, באתר זווית, ‏19/06/2017

[3] הורדת מחירי הבשר באופן משמעותי עקב יכולת לייצר בזמן קצר מיליארדי נתחי בשר מבהמה אחת או מספר בודד של בהמות.

[4] ייצור בשר בתנאי מעבדה, וללא תוספת אנטיביוטיקות וחומרים נוספים המצויים בבשר הבהמה המתועשת.

[5] גידול ותובלת מיליארדי בהמות בתנאים רעועים הכרוכים בצער בעלי חיים.

[6] פתרון לצער בעלי החיים הגדלים לתעשייה, מתן אפשרות להשגת בשר שנשחט, נוקר ונבדק באופן מהודר ובמחיר נמוך, בשל מיעוט מערך המשגיחים הנדרש כדי לפקח על שחיטת מספר בודד של בהמות.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]