Seit der Veröffentlichung von Russel und Burch im Jahr 1959 sind die Vermeidung, Verringerung und Verbesserung von Tierversuchen (das 3-R-Prinzip) aus ethischen Gründen und im Sinne des Tierschutzes zu einem zentralen Grundsatz in der Wissenschaft geworden. Daher ist die Entwicklung und der Einsatz von In-vitro-Tests in vielen Forschungsbereichen eine wesentliche Aufgabe, um die zukünftige Verwendung lebender Organismen zu reduzieren und zu vermeiden. In-vitro-Tests basieren auf weniger komplexen Systemen wie Zellen, Geweben oder Organen, die den Nachweis spezifischer Effekte oder molekularer Signalwege ermöglichen. Andererseits führt dies zu einer eingeschränkten Übertragbarkeit der Ergebnisse auf einen ganzen Organismus.
Die Zellkultur bietet viele Vorteile für In-vitro Versuche. Zellen können aus verschiedenen Organismen oder Organen isoliert und dann unter speziell angepassten Bedingungen vermehrt werden. Man kann Zellen direkt aus Pflanzen, Tieren oder Menschen isolieren, um eine Primärkultur anzulegen. Diese Primärkultur kann durch Subkultivierung zu einer sekundären Zellkultur weiterentwickelt werden. Durch weitere Kultivierung werden nur noch Zellen selektiert, die außerhalb des Organismus teilungsfähig sind und aus denen Zelllinien gewonnen werden können. Nach mehreren Passagierungsschritten (Verdünnung und Aufteilung der Zellen in neue Kulturgefäße) beginnen die Zellen jedoch, sowohl ihre Eigenschaften im Vergleich zu Zellen aus dem Ursprungsorgan als auch ihre Vermehrungsfähigkeit zu verlieren. Als Vorsichtsmaßnahme können Zellen nach einer kurzen Kultivierungszeit in flüssigem Stickstoff eingefroren werden, um nach einer geringen Anzahl von Passagen wieder aufgetaut zu werden.
Zu den Bedingungen für die Zellkultivierung gehören das Arbeiten in einer sterilen Umgebung, der regelmäßige Wechsel des Zellmediums sowie die Zugabe spezifischer Seren (z. B. fötales Rinderserum). Da die Gewinnung von fötalem Rinderserum und der damit verbundene Einsatz von Tieren ethische Bedenken aufwirft, kommen chemisch definierte Medien zum Einsatz, in denen Zellen ohne die Zugabe tierischer Zusatzstoffe wachsen können. Steriles Arbeiten (z. B. an einem ibs tecnomara-Arbeitstisch, Abbildung 1) verhindert eine Kontamination der Zellkulturen und ist ein wesentlicher Bestandteil des Umgangs mit Zellkulturen. Die häufigste Art der Kontamination wird durch Bakterien verursacht, was durch den Einsatz von Antibiotika verhindert werden kann. Antibiotika sollten jedoch aufgrund des Risikos, eine Antibiotikaresistenz zu induzieren, nicht zu häufig verwendet werden. Ein weiterer wichtiger Aspekt der Zellkultivierung ist die Überprüfung des Zellwachstums, wodurch festgestellt werden kann, ob die Zellen gesund sind und normal wachsen oder Anomalien aufweisen. Zudem ermöglicht eine Zählkammer die Bestimmung der Zellzahl, sodass eine definierte Zelldichte in die Tests eingebracht werden kann. Die verschiedenen Kulturbedingungen (z. B. Nährstoffe, Wachstumsfaktoren, Hormone, Temperatur) variieren je nach Zelltyp. Adhärente Zellkulturen und Zellsuspensionen müssen in Inkubatoren aufbewahrt werden, um Temperatur, Luftfeuchtigkeit und CO₂-Konzentration für ein optimales Zellwachstum aufrechtzuerhalten.
Die genetische Modifikation von Zellen ist eine weitere Technik der Zellkultur, die für eine Vielzahl von Bioassays unverzichtbar ist. Beispielsweise nutzen bestimmte In-vitro-Zytotoxizitätstests genetisch veränderte Zellen, um toxische Wirkungen mithilfe von Reportergenen nachzuweisen.
