mini|MDCK-Zellen, manche davon in der Mitose, mit grünen Mitosespindeln und Zytoskelett, roten Chromosomen und blauen Zellkernen
MDCK-Zellen (von ) sind eine Zelllinie, die aus der Niere eines Hundes abstammt.
Eigenschaften Es existieren verschiedene Stämme von MDCK-Zellen: die parentale Linie, MDCK I, MDCK II, MDCK.1, MDCK.2, Superdome und Supertube. Sie sind aufgrund einer verzweigenden Morphogenese eine der wenigen Zellkultur-Modelle für die Entstehung von Gewebe und geeignet für die 3D-Zellkultur.L. E. O’Brien, M. M. Zegers, K. E. Mostov: Opinion: Building epithelial architecture: insights from three-dimensional culture models. In: Nature reviews. Molecular cell biology. Band 3, Nummer 7, Juli 2002, S. 531–537, , PMID 12094219. MDCK-Zellen werden für verschiedene Versuche von Epithelzellen in Zellkultur verwendet, wie Proteintransport, Zellpolarität und Zellkontakte (Tight Junctions, Adherens Junctions, Desmosomen und Gap Junctions).J. D. Dukes, P. Whitley, A. D. Chalmers: The MDCK variety pack: choosing the right strain. In: BMC cell biology. Band 12, Oktober 2011, S. 43, , PMID 21982418, . Weiterhin werden sie für Untersuchungen des Transports von Arzneistoffen in und durch Zellen verwendet.D. A. Volpe: Drug-permeability and transporter assays in Caco-2 and MDCK cell lines. In: Future Medicinal Chemistry. Band 3, Nummer 16, Dezember 2011, S. 2063–2077, , PMID 22098353. Sie sind in der Virologie typische Zellen, die zum Plaque-Assay und zum Neutralisationstest verwendet werden.A. J. Eisfeld, G. Neumann, Y. Kawaoka: Influenza A virus isolation, culture and identification. In: Nature protocols. Band 9, Nummer 11, November 2014, S. 2663–2681, , PMID 25321410. Ebenso können sie zur Virusanzucht bei der Produktion von Influenzaimpfstoffen eingesetzt werden.J. P. Gregersen, H. J. Schmitt, H. Trusheim, M. Bröker: Safety of MDCK cell culture-based influenza vaccines. In: Future microbiology. Band 6, Nummer 2, Februar 2011, S. 143–152, , PMID 21366415. Der Influenzaimpfstoff Optaflu wird in MDCK-Zellen hergestellt.A. Doroshenko, S. A. Halperin: Trivalent MDCK cell culture-derived influenza vaccine Optaflu (Novartis Vaccines). In: Expert review of vaccines. Band 8, Nummer 6, Juni 2009, S. 679–688, , PMID 19485748. Die Infizierbarkeit (Permissivität) durch Viren umfasst bei MDCK-Zellen Influenzaviren, Humanes Coxsackie-Virus B3, Humanes Coxsackie-Virus B4, Humanes Coxsackie-Virus B 5, Reovirus Typ 2, Adeno-assoziiertes Virus 4, Adeno-assoziiertes Virus 5, Vacciniavirus, Vesicular stomatitis Indiana virus und Humanes Poliovirus 2.
Geschichte mini|MDCK-Zellen wachsen in relativ dichten Kolonien Nachdem Stewart H. Madin und Norman B. Darby, Jr. 1958 erstmals Epithelzellen aus den Nierenkanälchen eines erwachsenen weiblichen Cocker Spaniels isoliert hatten, wurde die Zelllinie als Modell für die Virusinfektion von Säugetierzellen verwendet.Irving J. Green: Serial Propagation of Influenza B (Lee) Virus in a Transmissible Line of Canine Kidney Cells. In: Science. 1962, Band 138, Nummer 3536, S. 42–43 .J. E. Moulton, Linda M. Frazier: Deoxyribonucleic acid and protein changes in dog kidney cells infected with infectious canine hepatitis virus. In: Virology. 1961 . Tatsächlich wählten sie die Isolierung von Nierentubuli mit genau diesem Ziel, da sie bereits zuvor mit der Virusinfektion von Zellen aus Nierentubuli anderer Säugetiere erfolgreich gewesen waren, und nicht ein neues Modellsystem für die Epithelzellbiologie zu schaffen. Erst 1970 veröffentlichte das Labor von Zbynek Brada eine Arbeit, in der MDCK-Zellen als repräsentative Zelllinie beschrieben wurden, die Merkmale von Nierentubulusepithelzellen aufwiesen.Joseph Leighton, Larry W. Estes, Sunder Mansukhani, Zbynek Brada: A cell line derived from normal dog kidney (MDCK) exhibiting qualities of papillary adenocarcinoma and of renal tubular epithelium. In: Cancer. 1970, Band 26, Nummer 5, S. 1022–1028 . Sie begründeten diese Schlussfolgerung mit der Flüssigkeitstransportaktivität der aus MDCK-Zellen gebildeten Monoschichten, dem Vorhandensein von Mikrovilli auf ihrer apikalen (oberen) Oberfläche und ihrer Fähigkeit, sich selbst zu organisieren, wenn sie in 3D zu Hohlkugeln gezüchtet werden. In ihrem Bericht spekulierten die Autoren, dass die „histotypische Expression“, durch die MDCK-Zellen Strukturen bildeten, die an ihr Ursprungsgewebe erinnerten, auch für die Untersuchung anderer Gewebe fruchtbar gemacht werden könnte. Die folgenden Jahrzehnte haben ihnen weitgehend Recht gegeben, auch wenn sich das Repertoire zur Untersuchung der Organisation und des Verhaltens von Zellen innerhalb von Geweben erheblich erweitert hat.E. R. Shamir, A. J. Ewald: Three-dimensional organotypic culture: experimental models of mammalian biology and disease. In: Nature reviews. Molecular cell biology. Band 15, Nummer 10, Oktober 2014, S. 647–664, , PMID 25237826, .
mini|Verzweigende Entwicklung: Hohlkugel (links), und zwei Tage mit Hepatocyte Growth Factor später sind sie verzweigt (rechts) In den 1970er Jahren fand die MDCK-Zelllinie neue Verwendung als Modell für Säugetierepithelgewebe. Im Jahr 1982 zeigten Mina Bissell und Kollegen, dass MDCK-Monolayer auf die Zugabe einer Kollagenschicht (eine so genannte „Sandwich-Kultur“) mit Proliferation und der Bildung hohler Röhren reagierten,H. G. Hall, Deborah A. Farson, Mina J. Bissell: Lumen formation by epithelial cell lines in response to collagen overlay: a morphogenetic model in culture. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. 1982, Band 79, Nummer 15, S. 4672–4676 . was zum ersten Mal darauf hindeutete, dass die Zelllinie auf eine 3D-Umgebung reagieren würde, indem sie sich selbst zu einer entsprechenden 3D-Struktur organisierte, die an Nierentubuli erinnerte. In den folgenden Jahren wurde gezeigt, dass die Kultur von MDCK-Zellen, die vollständig in Kollagen eingebettet waren, Hohlkugeln oder Acini hervorbrachteEliah R. Shamir, Andrew J. Ewald: Three-dimensional organotypic culture: experimental models of mammalian biology and disease. In: Nature Reviews Molecular Cell Biology. 2014, Band 15, Nummer 10, S. 647–664 . – einfache epitheliale Monoschichten mit einem definierten Inneren und Äußeren. Die Tatsache, dass MDCK-Zellen unter diesen Bedingungen keine Tubuli bildeten, blieb jedoch bis zu einem späteren Zeitpunkt unerklärt.
Zur gleichen Zeit in den 1980er Jahren waren Biologen, die sich mit der Zellmotilität befassten, auf ein interessantes und reproduzierbares Verhalten von Zellen in Kultur gestoßen: die Streuungsreaktion. Epithelzellen wachsen in der Kultur normalerweise in engen Clustern. Sie konnten jedoch dazu gebracht werden, Zell-Zell-Kontakte zu unterbrechen und sich zu strecken und zu bewegen, wenn sie einem Streufaktor ausgesetzt waren, der von mesenchymalen Zellen wie den Schweizer 3T3-Fibroblasten abgesondert wurde.Michael Stoker, Marion Perryman: An epithelial scatter factor released by embryo fibroblasts. In: Journal of Cell Science. 1985, Band 77, Nummer 1, S. 209–223 . Dies wurde 1987 von der Gruppe von Julia Gray am besten beschrieben.Michael Stoker, Ermanno Gherardi, Marion Perryman, J. A. Gray: Scatter factor is a fibroblast-derived modulator of epithelial cell mobility. In: Nature. 1987, Band 327, Nummer 6119, S. 239–242 . Zur gleichen Zeit, Mitte der 1980er Jahre, wurde von der Gruppe von Walter Birchmeier berichtet, dass ein monoklonaler Antikörper Zell-Zell-Kontakte unterbricht und die Polarität von Zellen in Kultur von vorne nach hinten verändert.J. Behrens, Walter Birchmeier, Steven L. Goodman, Beat A. Imhof: Dissociation of Madin-Darby canine kidney epithelial cells by the monoclonal antibody anti-arc-1: mechanistic aspects and identification of the antigen as a component related to uvomorulin. In: Journal of Cell Biology. 1985, Band 101, Nummer 4, S. 1307–1315 .Beat A. Imhof, H. Peter Vollmers, Simon J. Goodman, Walter Birchmeier: Cell-cell interaction and polarity of epithelial cells: Specific perturbation using a monoclonal antibody. In: Cell. 1983 . Das Ziel dieses Antikörpers wurde später als eine Komponente von Zell-Zell-Verbindungen, E-Cadherin, identifiziert.J. Behrens, Marcus Mareel, F. Van Roy, Walter Birchmeier: Dissecting tumor cell invasion: epithelial cells acquire invasive properties after the loss of uvomorulin-mediated cell-cell adhesion. In: Journal of Cell Biology. 1989, Band 108, Nummer 6, S. 2435–2447 . Diese unterschiedlichen Beobachtungen fügten sich schließlich zu einem widerstandsfähigen Paradigma für Zellmotilität und Zellpolarität zusammen. Epithelzellen sind in der Regel nicht beweglich, können aber durch Hemmung der Zell-Zell-Verbindungen oder durch Zugabe von Wachstumsfaktoren, die eine Streuung bewirken, beweglich werden.Jean Paul Thiery, Hervé Acloque, Ruby Yun-Ju Huang, M. Angela Nieto: Epithelial-Mesenchymal Transitions in Development and Disease. In: Cell. 2009, Band 139, Nummer 5, S. 871–890 . Beide Vorgänge sind reversibel, und in beiden Fällen werden die Zell-Zell-Verbindungen aufgebrochen.
1991 berichteten Lelio Orci und Kollegen erstmals über die Reaktion von MDCK-Acini in 3D-Kultur auf den Streufaktor.Ruggero Montesano, Gerhard Schaller, Lelio Orci: Induction of epithelial tubular morphogenesis in vitro by fibroblast-derived soluble factors. In: Cell. 1991, Band 66, Nummer 4, S. 697–711 . Sie kultivierten Acini von MDCK-Zellen in Kollagengelen mit oder ohne Schweizer 3T3-Fibroblasten, in denen Medien ausgetauscht werden konnten, die Zelltypen aber nicht in direktem Kontakt standen. Diese als Kokultur bezeichnete Zellkulturstrategie veranlasste die MDCK-Acini zu einer verzweigten Morphogenese, bei der sich die Zellen zu einem Netzwerk miteinander verbundener Röhren anordnen, das der Entwicklung vieler Gewebe ähnelt.Markus Affolter, Rolf Zeller, Emmanuel Caussinus: Tissue remodelling through branching morphogenesis. In: Nature Reviews Molecular Cell Biology. 2009, Band 10, Nummer 12, S. 831–842 . Im selben Jahr wurde nachgewiesen, dass es sich bei dem Streufaktor um ein bereits zuvor beschriebenes Protein handelt, das von Fibroblasten sezerniert wird, den Hepatozyten-Wachstumsfaktor (HGF).Kerstin Weidner, Naokatu Arakaki, Gerd K. Hartmann, Joël Vandekerckhove, S. Weingart, Hans L. Rieder, C. Fonatsch, Hirohito Tsubouchi, Tomoyuki Hishida, Yasushi Daikuhara: Evidence for the identity of human scatter factor and human hepatocyte growth factor. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. 1991, Band 88, Nummer 16, S. 7001–7005 . Diese Arbeit löste ein herausragendes Rätsel der MDCK-Kultur, da das Gewebe, aus dem diese Zellen stammen, röhrenförmig ist, sie sich jedoch zuvor nur in 3D-Kultur zu kugelförmigen Azini entwickelt hatten. Über dieses unmittelbare Paradoxon hinaus wurde ein entscheidender Zusammenhang zwischen der akuten Induktion der Zellmotilität in der 2D-Kultur durch den Streufaktor und seiner Auswirkung auf die räumliche Organisation von Geweben in 3D hergestellt. Diese Verbindung ist nach wie vor von Bedeutung, da sie ein Bindeglied zwischen genau definierten Mechanismen der Zellmotilität in 2D und komplexen Umstrukturierungen in 3D darstellt, deren Regulierung noch nicht vollständig geklärt ist.
Verzweigende Zellentwicklung