Strategies for “minimal growth maintenance” of cell cultures: A perspective on management for extended duration experimentation in the microgravity environment of a space station

Abstract

How cells manage without gravity and how they change in the absence of gravity are basic questions that only prolonged life on a Space station will enable us to answer. We know from investigations carried out on various kinds of Space vehicles and stations that profound physiological effects can and often do occur. We need to know more of the basic biochemistry and biophysics both of cells and of whole organisms in conditions of reduced gravity. The unique environment of Space affords plant scientists an unusual opportunity to carry out experiments in microgravity, but some major challenges must be faced before this can be done with confidence. Various laboratory activities that are routine on Earth take on special significance and offer problems that need imaginative resolution before even a relatively simple experiment can be reliably executed on a Space station. For example, scientists might wish to investigate whether adaptive or other changes that have occurred in the environment of Space are retained after return to Earth-normal conditions. Investigators seeking to carry out experiments in the low-gravity environment of Space using cultured cells will need to solve the problem of keeping cultures quiescent for protracted periods before an experiment is initiated, after periodic sampling is carried out, and after the experiment is completed. This review gives an evaluation of a range of strategies that can enable one to manipulate cell physiology and curtail growth dramatically toward this end. These strategies include cryopreservation, chilling, reduced oxygen, gel entrapment strategies, osmotic adjustment, nutrient starvation, pH manipulation, and the use of mitotic inhibitors and growth-retarding chemicals. Cells not only need to be rendered quiescent for protracted periods but they also must be recoverable and further grown if it is so desired. Elaboration of satisfactory procedures for management of cells and tissues at “near zero or minimal growth” will have great value and practical consequences for experimentation on Earth as well as in Space. All of the parameters and conditions and procedural details needed to meet all the specific objectives will be the basis of the design and fabrication of cell culture units for use in the Space environment. It is expected that this will be an evolutionary process.

РЕЗЮМЕ

Стратегии по „содерж анию минимального ро ста“ клеточных культур: перспектива по управ лению длительных экс периментов в условиях микрогравитации на к осмической станции.

Как клетки сушествую т в невесомости и как о ни изменяются в отсутст вии притяжения, являются основными вопросами, на которые можно будет только ответить посл е длительного пребыв ания на космической станции. Нам известно, из приоб ретённого опыта, полу ченного в результате исследований, провед ённых на различных ко смических кораблях, что существенные физиол огические изменения возможны и происходят довольно часто. Необходимо узн ать больше основной б иохимии и биофизики клеток и целых организмов в у словиях ограниченно й гравитации. Необычна я среда космоса позволяет уч еным по растениям про водить опыты в условиях микрогравитации, одн ако некоторые важные сложные задачи должны быть решены перед заверше нием опытов с уверенн остью. Различные рутинные исследования на Земл е приобретают особое значение и ставят проблемы, которые необходимо р ешить до того, как прос тейший эксперимент может быть с уверенностью п роведён на космическ ой станции. Например, учёные желают провести иссл едование по адаптаци и или по другим изменениям, которые произошли в у словиях космоса, и опр еделить будут ли эти изменения продолжат ься в наземных услови ях. Исследователи, пытаю щиеся провести эксперимен ты на выращенных клет ках в условиях низкой гравитации космоса, д олжны решить проблем у сохранения неподвиж ности культуры на продолжи тельные периоды: до на чала эксперимента, а также во время периодическог о отбора проб, и после о кончания эксперимента. В данном обзоре даётся оценка ряда стратеги й позволяющих как упра влять физиологией клетки, т ак и значительно сокр ащать её рост до полного прекращения. Это вклю чает криоконсерваци ю (низкотемпературное сохранение), охлажден ие, понижение кислоро да, стратегии погружени я в гель, осмотическое приспо собление, питательно е голодание, манипуляции рН, а также использование митотических замедл ителей и росто-задерживающих химических препарат ов. Необходимо привед ение клеток не только в неподвижное состоян ие на продолжительны е периоды, но в то же время, если потребуется, их в осстановление и прод олжение дальнейшего роста. Разработка удовлетв орительного образа д ействия в управлении клеток и тканей в условиях „ми нимального роста или роста близко нуля“ будет иметь большое значен ие и практические пос ледствия в экспериментах, проведённых на Земле, и также в Космосе. Все п араметры, условия и детали разработок, ко торые должны соответ ствовать определённым целям, будут лежать в основе разработки и создани я элементов клеточной культуры для использ ования в космической среде. Ожидается, что это пройдёт эволюционны м способом.