細胞培養

細胞培養または組織培養は、細胞を制御された条件下で、一般的には自然環境の外で増殖させるプロセスである。目的の細胞を生体組織から分離した後、その後は注意深く制御された条件下で維持することができる。インキュベーター内で体温（37 °C）に保つ必要がある。^[1]これらの条件は細胞の種類ごとに異なるが、一般的には、必須栄養素（アミノ酸、炭水化物、ビタミン、ミネラル）、成長因子、ホルモン、ガス（CO ₂、O ₂）を供給し、生理化学的環境（pH緩衝液、浸透圧、温度）を調節する基質または栄養豊富な培地を備えた適切な容器で構成される。ほとんどの細胞は、単層（単一細胞の厚さ）として接着培養を形成するために表面または人工基質を必要とするが、他の細胞は懸濁培養として培地に浮遊して増殖させることができる。^{[2]これは通常、}ブロスや寒天などの液体、半固体、または固体の成長培地の使用によって促進される。組織培養は一般に動物の細胞や組織の培養を指し、植物にはより具体的な用語である植物組織培養が使用されます。ほとんどの細胞の寿命は遺伝的に決定されますが、一部の細胞培養細胞は不死細胞に「変換」されており、最適な条件が整えば無期限に再生します。

実際には、「細胞培養」という用語は、多細胞真核生物、特に動物細胞に由来する細胞の培養を指し、植物組織培養、真菌培養、微生物学的培養（微生物の培養）など、細胞を増殖させる他の種類の培養とは対照的です。細胞培養の歴史的発展と方法は、組織培養や器官培養の発展と方法と密接に関連しています。ウイルス培養も関連しており、細胞はウイルスの宿主となります。

生きた細胞株（単一の細胞から派生し、同じ遺伝子構成を持つ細胞の集団）を元の組織源から分離して維持する実験室技術は、20世紀半ばにさらに強固なものになりました。 ^{[3] [4]}

19世紀イギリスの生理学者シドニー・リンガーは、体外で隔離した動物の心臓の鼓動を維持するのに適したナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウムの塩化物を含む食塩水を開発した。 ^[5] 1885年、ヴィルヘルム・ルーはニワトリの胎児の髄板の一部を切り取り、温かい生理食塩水に数日間浸け置き、組織培養の基本原理を確立した。1907年、動物学者ロス・グランヴィル・ハリソンは、凝血リンパ液の培地で神経細胞を生み出すカエルの胎児細胞の成長を実証した。1913年、E・スタインハート、C・イズラエル、RAランバートは、モルモットの角膜組織の断片でワクシニアウイルスを培養した。^[6] 1996年に、再生組織が初めて尿道の短い部分を置き換えるために使用され、組織のサンプルを採取し、足場なしで体外で増殖させて再適用する技術は、1cm未満の短い距離にのみ使用できることが理解されました。^{[7] [8] [9]}ジョンズホプキンス大学医学部、その後イェール大学で働いていたロスグランビルハリソンは、1907年から1910年にかけての実験結果を発表し、組織培養の方法論を確立しました。^[10]

ゴットリープ・ハーバーラントは、最初に単離組織の培養、植物組織培養の可能性を指摘した。^[11]彼は、組織培養による個々の細胞の潜在能力と、組織同士の相互作用がこの方法によって決定できると示唆した。ハーバーラントの最初の主張以来、組織および細胞培養の方法が実現され、生物学および医学における重要な発見につながった。彼は1902年に独自の全能性の概念を提示し、「理論的にはすべての植物細胞は完全な植物を生み出すことができる」と述べた。^{[12] [13] [14]}組織培養という用語は、アメリカの病理学者モントローズ・トーマス・バロウズによって造られた。^[15]

細胞培養技術は、1940年代から1950年代にかけてウイルス学の研究を支えるために大きく進歩した。細胞培養でウイルスを増殖させることで、ワクチン製造用の精製ウイルスを調製することが可能になった。ジョナス・ソークが開発した注射用ポリオワクチンは、細胞培養技術を使用して大量生産された最初の製品の1つであった。このワクチンは、ジョン・フランクリン・エンダース、トーマス・ハックル・ウェラー、フレデリック・チャップマン・ロビンズの細胞培養研究によって可能になった。彼らは、サルの腎臓細胞培養でウイルスを増殖させる方法を発見したことでノーベル賞を受賞した。細胞培養は、多くの病気のワクチン開発に貢献してきた。^[1]

現代の用法では、「組織培養」は一般に、多細胞生物の組織から細胞を試験管内で増殖させることを指します。これらの細胞は、ドナー生物から分離された細胞（初代細胞）または不死化細胞株である可能性があります。細胞は、細胞の生存に必要な必須栄養素とエネルギー源を含む培養培地に浸されます。^[16]したがって、より広い意味では、「組織培養」は「細胞培養」と互換的に使用されることがよくあります。一方、「組織培養」の厳密な意味は、組織片の培養、つまり組織片培養を指します。

組織培養は、多細胞生物の細胞の生物学を研究するための重要なツールです。組織培養は、簡単に操作および分析できる明確に定義された環境における組織のin vitroモデルを提供します。動物組織培養では、細胞は 2 次元単層として (従来の培養) または繊維状の足場またはゲル内で成長して、より自然な 3 次元組織のような構造 (3D 培養) を得ることができます。1988 年の NIH SBIR 助成金レポートでは、電気紡糸を使用して、in vitro細胞および組織基質としての使用を特に目的としたナノおよびサブミクロン スケールのポリマー繊維状足場を製造できることが示されました。細胞培養および組織工学における電気紡糸繊維格子のこの初期の使用により、さまざまな細胞タイプがポリカーボネート繊維に付着して増殖することが示されました。2D 培養で一般的に見られる平坦な形態とは対照的に、電気紡糸繊維上で増殖した細胞は、生体内の組織で一般的に見られるより丸みを帯びた 3 次元形態を示すことが注目されました。^[17]

特に植物組織培養は、培地中で培養された植物組織の小片から植物全体を成長させることに関係している。 ^[18]

細胞は、体外培養のために組織からいくつかの方法で分離することができます。細胞は血液から簡単に精製できますが、培養で増殖できるのは白血球だけです。細胞は、コラーゲナーゼ、トリプシン、プロナーゼなどの酵素を使用して細胞外マトリックスを消化し、組織を撹拌して細胞を懸濁液中に放出することによって、固形組織から分離できます。^{[19] [20]あるいは、組織片を}増殖培地に置くと、増殖した細胞を培養に使用できます。この方法は、組織片培養として知られています。

対象から直接培養された細胞は、初代​​細胞と呼ばれます。腫瘍由来の一部を除き、ほとんどの初代細胞培養の寿命は限られています。

確立された細胞株または不死化細胞株は、ランダムな突然変異またはテロメラーゼ遺伝子の人工的発現などの意図的な改変を通じて、無限に増殖する能力を獲得しています。特定の細胞タイプを代表する細胞株として確立された細胞株は数多くあります。

単離された一次細胞の大部分は老化のプロセスを経て、一定数の集団倍加後に分裂を停止しますが、通常は生存能力を維持します（ヘイフリック限界として説明されます）。

温度とガス混合物の他に、培養システムで最も一般的に変更される要素は細胞増殖培地である。増殖培地のレシピは、pH、グルコース濃度、増殖因子、およびその他の栄養素の存在において変化する可能性がある。培地を補充するために使用される増殖因子は、多くの場合、ウシ胎児血清（FBS）、ウシ子牛血清、ウマ血清、およびブタ血清などの動物血液の血清に由来する。これらの血液由来成分の1つの問題は、特に医療バイオテクノロジー用途において、培養物がウイルスまたはプリオンで汚染される可能性があることである。現在の慣行では、可能な限りこれらの成分の使用を最小限に抑えるか排除し、ヒト血小板溶解物（hPL）を使用している。^[21]これにより、ヒト細胞にFBSを使用するときに種間汚染の心配がなくなります。hPLは、FBSまたは他の動物血清の直接的な代替品として、安全で信頼性の高い代替品として登場しました。さらに、化学的に定義された培地を使用して血清の痕跡（ヒトまたは動物）を排除できますが、これは異なる細胞タイプで常に達成できるとは限りません。代替戦略としては、米国、オーストラリア、ニュージーランドなど、BSE / TSEリスクが最小限の国から動物の血液を調達すること^[22]や、細胞培養に全動物血清の代わりに血清由来の精製栄養濃縮物を使用することなどが挙げられる^{[23] 。}

細胞密度（培養培地の体積あたりの細胞数）は、いくつかの細胞タイプにとって重要な役割を果たします。例えば、細胞密度が低いと顆粒膜細胞はエストロゲン産生を示し、細胞密度が高いとプロゲステロン産生の黄体形成細胞として現れます。^[24]

細胞は、浮遊培養または接着培養のいずれかで増殖させることができる。^[25]一部の細胞は、血流中に存在する細胞のように、表面に付着することなく自然に浮遊状態で生存する。また、浮遊培養で生存できるように改変された細胞株もあり、接着条件で可能な密度よりも高密度で増殖することができる。接着細胞には、組織培養プラスチックやマイクロキャリアなどの表面が必要であり、接着特性を高め、成長と分化に必要な他のシグナルを提供するために、細胞外マトリックス（コラーゲンやラミニンなど）成分でコーティングされている場合がある。固形組織由来の細胞のほとんどは接着性である。接着培養のもう1つのタイプは器官培養であり、2次元培養皿ではなく3次元（3-D）環境で細胞を増殖させる。この3D培養システムは、生化学的および生理学的に生体組織に似ているが、多くの要因（拡散など）のために維持するのが技術的に難しい。^[26]

生命科学の分野で日常的に使用されている細胞培養培地には、以下のものを含め、さまざまな種類があります。

• メム
• DMEM
• 1640 型
• ハムのF-12
• IMDM
• ライボヴィッツ L-15
• DMEM/F-12
• GMEM

細胞株の相互汚染は、培養細胞を扱う科学者にとって問題となる可能性がある。^[27]研究によると、実験に使用された細胞の15～20%は、他の細胞株と誤認されていたり、汚染されていたりすることが示唆されている。^{[28] [29] [30]}細胞株の相互汚染の問題は、薬物スクリーニング研究で日常的に使用されているNCI-60パネルの細胞株でも検出されている。 ^{[31] [32]}アメリカ培養細胞系統保存機関（ATCC）、欧州細胞培養コレクション（ECACC）、ドイツ微生物・細胞培養コレクション（DSMZ）などの主要な細胞株リポジトリは、研究者から誤って識別された細胞株の提出を受け取っている。^{[31] [33]}このような汚染は、細胞培養株を使用して行われる研究の質に問題を引き起こすため、主要なリポジトリでは現在、すべての細胞株の提出を認証している。^[34] ATCCは細胞株の認証にショートタンデムリピート（STR）DNAフィンガープリンティングを使用しています。 ^[35]

細胞株の交差汚染の問題に対処するため、研究者は細胞株の真正性を確立するために、継代培養の初期段階で細胞株を認証することが推奨されている。細胞株ストックを凍結する前、培養中は2か月ごと、細胞株を使用して生成された研究データを公表する前に、認証を繰り返す必要がある。細胞株の識別には、アイソザイム分析、ヒトリンパ球抗原（HLA）タイピング、染色体分析、核型分析、形態学、STR分析など、多くの方法が使用されている。^[35]

細胞株の交差汚染の重大な原因の 1 つは、不死のHeLa細胞株です。HeLa の汚染は、1960 年代初頭に米国でヒト以外の培養で初めて確認されました。種内汚染は 1970 年代に 19 の細胞株で発見されました。1974 年には、ソ連の 5 つのヒト細胞株が HeLa であることが判明しました。50 以上の細胞株を分析した追跡調査では、半分に HeLa マーカーがあったものの、汚染された HeLa が元の細胞株と交雑していたことが示されました。空気中の飛沫による HeLa 細胞の汚染が報告されています。1978 年のワクチン試験では、ジョナス・ソーク博士が知らないうちに被験者に HeLa を注入したこともあります。^[36]

細胞は培養中に分裂し続けるため、利用可能な領域または体積を満たすように成長します。これにより、次のようないくつかの問題が発生する可能性があります。

• 培地中の栄養素の枯渇
• 培養培地のpHの変化
• アポトーシス/壊死（死んだ）細胞の蓄積
• 細胞同士の接触は細胞周期の停止を刺激し、細胞分裂を停止させます。これを接触阻害と呼びます。
• 細胞同士の接触は細胞分化を刺激します。
• 遺伝的およびエピジェネティックな変化により、変化した細胞が自然淘汰され、分化が低下し増殖能力が増大した異常な培養適応細胞の過剰増殖につながる可能性がある。^[37]

培養培地の選択は、栄養素の組成と濃度の違いにより、細胞培養実験から得られた知見の生理学的関連性に影響を与える可能性がある。 ^[38]生成されたデータセットの系統的偏りは、CRISPRおよびRNAi 遺伝子サイレンシングスクリーン、^{[39]および癌}細胞株の代謝プロファイリングで最近示された。^[38]栄養素の生理学的レベルをより適切に表す増殖培地を使用することで、 in vitro研究の生理学的関連性を向上させることができ、最近ではPlasmax ^[40]やヒト血漿様培地（HPLM）^[41]などの培地タイプが開発されている。

培養細胞に対して行われる一般的な操作には、培地の交換、細胞の継代、細胞のトランスフェクションなどがあります。これらは通常、無菌技術に依存する組織培養法を使用して行われます。無菌技術は、細菌、酵母、またはその他の細胞株による汚染を避けることを目的としています。操作は通常、汚染微生物を排除するためにバイオセーフティキャビネットまたはラミナーフローキャビネット内で行われます。抗生物質（ペニシリンやストレプトマイシンなど）や抗真菌剤（アムホテリシンBや抗生物質抗真菌溶液など）も成長培地に添加できます。

細胞が代謝過程を経ると、酸が生成され、pH が低下します。多くの場合、栄養素の枯渇を測定するために、培地に pH 指示薬が追加されます。

接着培養の場合、培地は吸引によって直接除去され、その後交換されます。非接着培養における培地の交換には、培養物を遠心分離し、細胞を新鮮な培地に再懸濁することが含まれます。

継代（サブカルチャーまたは細胞分割とも呼ばれる）では、少数の細胞を新しい容器に移します。細胞を定期的に分割すると、長期間の高密度細胞に関連する老化を回避できるため、細胞をより長期間培養できます。浮遊培養は、大量の新鮮な培地で希釈された少数の細胞を含む少量の培養物で簡単に継代できます。接着培養の場合、最初に細胞を剥離する必要があります。これは通常、トリプシンとEDTAの混合物で行いますが、この目的で他の酵素ミックスも現在では利用できます。剥離した少数の細胞を使用して、新しい培養を播種できます。RAW 細胞などの一部の細胞培養は、ゴム製のスクレーパーを使用して容器の表面から機械的に削り取られます。

細胞を操作するもう 1 つの一般的な方法は、トランスフェクションによる外来 DNA の導入です。これは、細胞に目的の遺伝子を発現させるためによく行われます。最近では、 RNAi構造のトランスフェクションが、特定の遺伝子/タンパク質の発現を抑制する便利なメカニズムとして認識されています。DNA は、形質導入、感染、または形質転換と呼ばれる方法で、ウイルスを使用して細胞に挿入することもできます。寄生生物としてのウイルスは、これが通常の繁殖過程の一部であるため、細胞への DNA の導入に適しています。

人間由来の細胞株は、親生物よりも長く生き続け、後に利益の出る治療法の発見に利用される可能性があるため、生命倫理学では多少議論の的となっている。この分野における先駆的な判決として、カリフォルニア州最高裁判所は、ムーア対カリフォルニア大学理事会の訴訟において、患者の同意を得て摘出された臓器から得られた細胞株に対する所有権は患者にはないという判決を下した。^[42]

正常細胞を不死化細胞株と融合させることは可能です。この方法はモノクローナル抗体の生産に使用されます。簡単に言うと、免疫化された動物の脾臓（または血液）から分離されたリンパ球を不死化骨髄腫細胞株（B細胞系譜）と組み合わせ、一次リンパ球の抗体特異性と骨髄腫の不死性を持つハイブリドーマを生成します。選択増殖培地（HAまたはHAT）を使用して、融合していない骨髄腫細胞を選択します。一次リンパ球は培養中に急速に死滅し、融合細胞のみが生き残ります。これらは、通常は最初はプールで、次に単一クローニングの後に、必要な抗体の生産についてスクリーニングされます。

細胞株は、特定の特性や特徴を持つ細胞を選択またはクローニングすることで、一次培養または細胞株から得られる。細胞株は培養に適応した細胞であるが、細胞株とは異なり、有限の分裂能力を持つ。不死化されていない細胞は、40～60回の集団倍加後に分裂を停止し^[43]、その後は増殖能力を失う（遺伝的に決定される老化と呼ばれるイベント）。^[44]

動物細胞株の大量培養は、ウイルスワクチンやその他のバイオテクノロジー製品の製造に不可欠です。ヒト幹細胞の培養は、細胞数を増やし、移植用に細胞をさまざまな体細胞タイプに分化させるために使用されます。^[45]幹細胞培養は、治療開発の目的で幹細胞が放出する分子やエクソソームを採取するためにも使用されます。^[46]

動物細胞培養において組換えDNA（rDNA）技術によって生産される生物学的製品には、酵素、合成ホルモン、免疫生物学的製剤（モノクローナル抗体、インターロイキン、リンホカイン）、抗がん剤などがある。細菌培養においてrDNAを用いて多くのより単純なタンパク質を生産することができるが、糖鎖修飾されたより複雑なタンパク質は現在、動物細胞で作らなければならない。哺乳類細胞は、発現したタンパク質が正しく折り畳まれ、ヒトのような糖鎖修飾と翻訳後修飾を有することを保証している。^[47]そのような複雑なタンパク質の重要な例は、ホルモンのエリスロポエチンである。哺乳類細胞培養の増殖コストは高いため、昆虫細胞や高等植物でそのような複雑なタンパク質を生産する研究が進行中であり、粒子衝撃、トランジット遺伝子発現、共焦点顕微鏡観察による直接遺伝子導入のソースとして単一の胚細胞や体細胞胚を使用することはその応用例の1つである。また、体細胞胚の単一細胞起源と、そのプロセスを開始する最初の細胞分裂の非対称性を確認することも可能になります。

細胞培養は細胞農業の重要な技術でもあり、細胞や微生物から牛乳、 （培養）肉、香料、犀の角などの既存の農産物を生産する新しい方法と新製品を提供することを目指しています。そのため、動物を使わない農業を実現する手段の1つと考えられています。また、細胞生物学を教える中心的なツールでもあります。^[48]

組織工学、幹細胞、分子生物学の研究では、主に平らなプラスチック皿での細胞培養が行われます。この技術は2次元 (2D) 細胞培養として知られ、 1885年にウィルヘルム・ルーによって初めて開発されました。ルーは、ニワトリの胎児の髄板の一部を摘出し、平らなガラス皿の上で温かい生理食塩水に数日間浸しました。ポリマー技術の進歩により、今日の2D細胞培養の標準的なプラスチック皿が生まれ、一般にペトリ皿として知られています。ドイツの細菌学者であるユリウス・リヒャルト・ペトリは、ロベルト・コッホの助手として働いていたときにこの発明をしたと一般に考えられています。今日では、さまざまな研究者が培養用の実験用フラスコ、円錐形容器、さらには使い捨てバイオリアクターで使用されるような使い捨てバッグも利用しています。

ペトリ皿以外にも、科学者は長い間、コラーゲンやフィブリンなどの生物由来のマトリックス内で細胞を培養してきました。最近では、ポリアクリルアミドやPEGなどの合成ハイドロゲル上で細胞を培養しています。これは、従来の硬い基質では表現されない表現型を引き出すために行われています。マトリックスの硬さを制御することへの関心が高まっており、^[49]この概念は次のような分野での発見につながっています。

• 幹細胞の自己複製^{[50] [51]}
• 系統指定^[52]
• 癌細胞の表現型^{[53] [54] [55]}
• 線維症^{[56] [57]}
• 肝細胞機能^{[58] [59] [60]}
• 機械感覚^{[61] [62] [63]}

3次元での細胞培養は「生物学の新次元」ともてはやされている。^[64]現在、細胞培養の実践は、2Dでの単一または複数の細胞構造のさまざまな組み合わせに基づいている。^{[65]現在、}創薬、癌生物学、再生医療、ナノ材料評価、基礎生命科学研究などの研究分野で3D細胞培養の使用が増加している。 ^{[66] [67] [68]} 3D細胞培養は、スキャフォールドまたはマトリックスを使用して、またはスキャフォールドを使用しない方法で増殖させることができる。スキャフォールドベースの培養では、無細胞3Dマトリックスまたは液体マトリックスを使用する。スキャフォールドを使用しない方法は、通常、懸濁液で生成される。^[69] 3次元細胞構造の成長を促進するために使用されるプラットフォームには、ハイドロゲルマトリックス^[70]や固体スキャフォールドなどのスキャフォールドシステム、低接着プレート、ナノ粒子促進磁気浮上、^[71]ハンギングドロッププレート、^{[72] [73]}、回転式細胞培養などのスキャフォールドフリーシステムなど、さまざまなものがあります。 3Dで細胞を培養すると、遺伝子発現シグネチャに大きな変化がもたらされ、生理学的状態の組織を部分的に模倣します。^[74] 3D細胞培養モデルは、単層培養よりも生体内と同様の細胞増殖を示し、3つの培養はすべて細胞増殖を維持することができました。^[75] 3D培養が開発されるにつれて、腫瘍モデルの設計や悪性形質転換や転移の調査に大きな可能性があることがわかっており、3D培養は変化、相互作用、細胞シグナリングを理解するための優れたツールを提供できます。^[76]

エリック・サイモンは、1988 年の NIH SBIR 助成金報告書で、電気紡糸法を使用して、特にin vitro細胞基質として使用することを目的としたナノおよびサブミクロン スケールのポリスチレンおよびポリカーボネート繊維足場を製造できることを示しました。細胞培養および組織工学における電気紡糸繊維格子のこの初期の使用により、ヒト包皮線維芽細胞 (HFF)、形質転換ヒト癌 (HEp-2)、ミンク肺上皮 (MLE) などのさまざまな細胞タイプがポリカーボネート繊維に付着して増殖することが示されました。2D 培養で一般的に見られる平坦な形態とは対照的に、電気紡糸繊維上で増殖した細胞は、一般に生体内で観察される組織型の丸みを帯びた 3 次元形態を示すことが注目されました。^[17]

天然の細胞外マトリックス（ECM）は細胞の生存、増殖、分化、移動に重要であるため、天然のECM構造を模倣したさまざまなハイドロゲル培養マトリックスは、生体内に近い細胞培養への潜在的なアプローチと考えられています。^[77]ハイドロゲルは相互に連結した細孔で構成されており、高い保水性を備えており、栄養素やガスなどの物質を効率的に輸送することができます。動物のECM抽出ハイドロゲル、タンパク質ハイドロゲル、ペプチドハイドロゲル、ポリマーハイドロゲル、木材ベースのナノセルロースハイドロゲルなど、天然および合成材料からのさまざまな種類のハイドロゲルが3D細胞培養に利用できます。

磁気浮上法 (MLM) による 3D 細胞培養は、ネオジム磁気ドライバーを使用して空間的に変化する磁場内で磁性ナノ粒子アセンブリで処理した細胞を誘導し、細胞を標準ペトリ皿の空気/液体界面まで浮上させて細胞間の相互作用を促進することによって3D 組織を増殖させるアプリケーションです。磁性ナノ粒子アセンブリは、磁性酸化鉄ナノ粒子、金ナノ粒子、およびポリマーポリリジンで構成されています。3D 細胞培養は拡張可能で、500 個から数百万個の細胞、または単一の皿から高スループットの低容量システムまで培養できます。

細胞培養は、体外で細胞を増殖させ維持するための基礎を確立するため、組織培養と組織工学の基本的な要素です。ヒト細胞培養の主な用途は幹細胞産業で、間葉系幹細胞を培養し、将来の使用に備えて凍結保存することができます。組織工学は、年間数十万人の患者に低コストの医療ケアを劇的に改善する可能性があります。

ポリオ、麻疹、おたふく風邪、風疹、水痘のワクチンは現在、細胞培養で作られています。H5N1パンデミックの脅威のため、インフルエンザ ワクチンに細胞培養を使用する研究は米国政府によって資金提供されています。この分野の新しいアイデアには、ヒトアデノウイルス（風邪ウイルス）をベクターとして使用したものなどの組換えDNAベースのワクチンや^{[78] [79]} 、新しいアジュバントなどがあります 。^[80]

共培養の技術は、プレート上または 3D マトリックス内の 2 種類以上の細胞間の細胞クロストークを研究するために使用されます。異なる幹細胞の培養と免疫細胞の相互作用は、生体組織に似た in vitro モデルで調査できます。ほとんどの組織には複数の種類の細胞が含まれているため、それらの相互作用をより深く理解し、模倣組織を導入するには、3D 培養環境でそれらの相互作用を評価することが重要です。共培養には、直接と間接の 2 種類があります。直接相互作用では、細胞が同じ培養培地またはマトリックス内で直接接触しますが、間接相互作用では、シグナル伝達因子と可溶性因子が関与できる異なる環境が関係します。^{[15] [81]}

共培養システムを使用して、細胞間の相互作用中の組織モデルにおける細胞分化を研究し、癌腫瘍をシミュレートし、治療試験における薬剤の効果を評価し、治療試験における薬剤の効果を研究することができます。 3D モデルの共培養システムでは、微小環境が細胞の生物学的組織を定義している場合、化学療法や内分泌療法に対する反応を予測できます。

共培養法は組織工学において、複数の細胞が直接相互作用して組織を形成するために使用されます。^[82]

マイクロ流体技術は、通常ミクロン単位の流体内でプロセスを実行できるシステムを開発したものです。マイクロ流体チップはラボオンチップとも呼ばれ、反応物とスペースを節約しながら連続的な手順と反応ステップを実行できます。このようなシステムは、適切な生物学的アッセイと高感度検出技術と組み合わせることで、個々の細胞や分子の識別と分離を可能にします。^{[83] [84]}

OoCシステムは、マイクロ流体で組織を成長させることにより、細胞の微小環境を模倣し、制御します。組織工学、生体材料製造、細胞生物学を組み合わせることで、実験室で人間の病気を研究するための生体模倣モデルを確立する可能性を提供します。近年、3D細胞培養科学は大きな進歩を遂げ、OoCの開発につながっています。OoCは、製薬研究、医薬品開発、疾患モデル化に役立つ前臨床ステップと見なされています。^{[85] [86]} OoCは、動物実験と臨床研究のギャップを埋めることができる重要な技術であり、科学が達成した進歩により、薬物送達と病態生理学的研究のためのin vivo研究に代わる可能性があります。^[87]

確立された不死化細胞株の培養に加えて、多数の生物の一次組織片からの細胞は、老化が起こる前の限られた期間培養することができる（ヘイフリックの限界を参照）。培養された一次細胞は、細胞移動研究における魚類角化細胞の場合のように、研究で広く使用されている。^{[88] [48] [89]}

植物細胞培養は、通常、液体培地での細胞懸濁培養、または固体培地でのカルス培養として行われます。未分化植物細胞とカルスの培養には、植物成長ホルモンであるオーキシンとサイトカイニンの適切なバランスが必要です。^[要出典]

キイロショウジョウバエ由来の細胞（最も有名なのはシュナイダー2細胞）は、生化学研究やsiRNAを用いた研究など、生きたハエや幼虫では難しい実験に使用できる。ヨトウガ（Spodoptera frugiperda ）由来の細胞株（Sf9およびSf21を含む）や、イモムシ（Trichoplusia ni）由来の細胞株（ High Five細胞）は、バキュロウイルスを用いた組み換えタンパク質の発現によく使用される。^[90]

細菌や酵母の場合、少量の細胞は通常、寒天などのゲルに埋め込まれた栄養素を含む固体支持体上で培養されますが、大規模な培養では細胞を栄養ブロスに懸濁させて培養します。^{[引用が必要]}

ウイルスの培養には、ウイルスの成長と複製のための宿主として、哺乳類、植物、真菌、細菌由来の細胞の培養が必要です。適切な条件下では、野生型ウイルス全体、組み換えウイルス、またはウイルス産物が、自然宿主以外の細胞型で生成されることがあります。ウイルスの種類によっては、感染とウイルスの複製により、宿主細胞が溶解し、ウイルスプラークが形成されることがあります。^{[引用が必要]}

ヒト細胞株

• DU145（前立腺がん）
• H295R（副腎皮質癌）
• HeLa（子宮頸がん）
• KBM-7（慢性骨髄性白血病）
• LNCaP（前立腺がん）
• MCF-7（乳がん）
• MDA-MB-468（乳がん）
• PC3（前立腺がん）
• SaOS-2（骨癌）
• SH-SY5Y (神経芽腫、骨髄腫からクローン化)
• T-47D（乳がん）
• THP-1（急性骨髄性 白血病）
• U-87 MG（神経膠芽腫）
• 国立がん研究所の60種類のがん細胞株パネル（NCI60）

動物細胞株

• Vero（アフリカミドリザルChlorocebus腎上皮細胞株）
• BHK21細胞（ベビーハムスターの腎臓）
• MDBK細胞（マディン・ダービー牛腎臓）
• DF-1細胞（鶏線維芽細胞）

マウス細胞株

• MC3T3 (胎児頭蓋冠)

ラット腫瘍細胞株

• GH3（下垂体腫瘍）
• PC12（褐色細胞腫）

植物細胞株

• タバコ BY-2 細胞（細胞懸濁培養物として保存され、植物細胞のモデル系である）

他の種の細胞株

• 犬 MDCK腎臓上皮
• アフリカツメガエルA6腎臓上皮細胞
• ゼブラフィッシュ AB9

• 生物学的不死
• 細胞培養アッセイ
• 電気細胞-基質インピーダンスセンシング
• 汚染された細胞株のリスト
• NCI-60細胞株のリスト
• LL-100パネル細胞株のリスト
• 乳がん細胞株のリスト
• マイクロ生理測定

• Alberts 4th ed. の一般的な細胞株の表。
• 培養された癌細胞
• 細胞培養表面の進化
• 細胞株データベースのハイパーテキスト版
• 細胞培養アプリケーション - 細胞を培養するための理想的な環境を最初から作り出すためのアプリケーション ノートやプロトコルなどのリソース。
• 細胞培養の基礎 - 細胞培養の入門。実験室のセットアップ、安全性、無菌技術などのトピックを網羅し、基本的な細胞培養プロトコルやビデオトレーニングも含まれています。
• 細胞培養および関連研究の著名人データベース
• Coriell 細胞リポジトリ
• 細胞培養入門。このウェビナーでは、哺乳類細胞培養の歴史、理論、基本的な技術、潜在的な落とし穴について紹介します。
• インド、プネの国立細胞科学センター (NCCS)。細胞株/ハイブリドーマなどの国立リポジトリ。
• イングランド公衆衛生局Wayback Machineに 2022 年 6 月 7 日にアーカイブ、イングランド公衆衛生局文化コレクション (ECACC)