Journal of microbiology, epidemiology and immunobiologyJournal of microbiology, epidemiology and immunobiologyЖурнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии0372-93112686-7613Central Research Institute for Epidemiology1656610.36233/0372-9311-421xsaecyREVIEWSОБЗОРЫResearch ArticleThe cell cultures in virology: from the past to the futureКлеточные культуры в вирусологии: от прошлого к будущемуhttps://orcid.org/0000-0002-4315-6959KuznetsovaTatyana A.КузнецоваТатьяна Алексеевна
Russian Federation

D. Sci. (Med.), main researcher, Laboratory of diagnostic preparates, G.P. Somov Institute of Epidemiology and Microbiology

д.м.н., г.н.с. лаб. диагностических препаратов, НИИ эпидемиологии и микробиологии им. Г.П. Сомова

takuznets@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2760-9778BesednovaNatalia N.БеседноваНаталия Николаевна
Russian Federation

D. Sci. (Med.), Professor, Academician of RAS, main researcher, Laboratory of diagnostic preparates, G.P. Somov Institute of Epidemiology and Microbiology

д.м.н., проф., академик РАН, г.н.с. лаб. диагностических препаратов НИИ эпидемиологии и микробиологии им. Г.П. Сомова

besednoff_lev@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1676-1405AlievMaxim R.АлиевМаксим Романович
Russian Federation

laboratory researcher, Laboratory of diagnostic preparates, G.P. Somov Institute of Epidemiology and Microbiology

лаборант-исследователь лаб. диагностических препаратов НИИ эпидемиологии и микробиологии им. Г.П. Сомова

maximaliev63@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-8610-7623ShchelkanovMichail Y.ЩелкановМихаил Юрьевич
Russian Federation

D. Sci. (Biol.), Director, G.P. Somov Institute of Epidemiology and Microbiology

д.б.н., директор НИИ эпидемиологии и микробиологии им. Г.П. Сомова

adorob@mail.ruG.Р. Somov Institute of Epidemiology and Microbiology of RospotrebnadzorНаучно-исследовательский институт эпидемиологии и микробиологии им. Г.П. Сомова13032024101114315327072023Copyright ©; 2024, Kuznetsova T.A., Besednova N.N., Aliev M.R., Shchelkanov M.Y.Copyright ©; 2024, Кузнецова Т.А., Беседнова Н.Н., Алиев М.Р., Щелканов М.Ю.2024Kuznetsova T.A., Besednova N.N., Aliev M.R., Shchelkanov M.Y.Кузнецова Т.А., Беседнова Н.Н., Алиев М.Р., Щелканов М.Ю.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://microbiol.crie.ru/jour/article/view/16566

The aim of the review is to give a brief characteristic of cell cultures obtained from mammalian tissues and to consider the current possibilities and prospects for their use in virology.

The analysis of the literature data presented in the main databases, such as Web of Science, PubMed, Scopus, Elsevier, Google Scholar and RSCI (as of July 2023), indicates that various types of cell cultures are currently used in virological studies. The use of cell culture has a number of advantages over other in vitro and in vivo methods of virological research. The review provides numerous examples on the development of new methods of obtaining cell cultures for the cultivation of viruses. Among them are sensitive and reporter cell systems, the design of which can be a promising tool for diagnostics of existing and new unknown viral infections. Cell cultures are characterized as potential in vitro models in virology for developing new diagnostic test-systems and antiviral drugs. An important area of cell cultures application is their use as a substrate for the production of culture-derived vaccines. Another aspect of the cell cultures application is also highlighted, such as the study of the effect of the viruses on the host immune system or the mechanisms of immunopathogenesis of viral infections. It is concluded that the use of cell cultures remains currently and in the near future one of the most important methods in practical virology and in scientific research.

Цель обзора — дать краткую характеристику клеточных культур, полученных их тканей млекопитающих, и рассмотреть текущие возможности и перспективы их использования в вирусологии.

Анализ литературы, представленной в основных базах данных (Web of Science, PubMed, Scopus, Elsevier, Google Scholar и РИНЦ) по состоянию на июль 2023 г., свидетельствует о том, что в вирусологических исследованиях используются различные виды и типы клеточных культур, применение которых имеет ряд преимуществ перед другими методами исследования in vitro и in vivo. В обзоре приведены многочисленные примеры разработки новых методов получения клеточных культур для культивирования вирусов, в том числе описаны чувствительные и репортёрные клеточные системы, конструирование которых может быть многообещающим инструментом для диагностики существующих и неизвестных вирусных инфекций. Клеточные культуры охарактеризованы как потенциальные модели in vitro в вирусологии для разработки диагностических тест-систем и новых лекарственных противовирусных препаратов, как субстрат для производства культуральных вакцин. Описано применение культур клеток для исследования влияния вирусов на иммунную систему макроорганизма или механизмов иммунопатогенеза вирусных инфекций. Сделан вывод о том, что использование клеточных культур остаётся одним из важнейших методов в практической вирусологии и в научных исследованиях.

reviewcell culturesvirological researchreporter cell linesvaccinescytokinesimmunopathogenesisобзорклеточные культурывирусологические исследованиярепортёрные клеточные линиивакциныцитокиныиммунопатогенезDavis P.K., Ho A., Dowdy S.F. Biological methods for cell-cycle synchronization of mammalian cells. Bitechniques. 2001;30(6):1322–31. DOI: https://doi.org/10.2144/01306rv01WHO. Use of cell culture in Virology for developing countries in the South-East Asia region;2017.Uysal O., Sevimli T., Sevimli M., et al. Cell and tissue culture: the base of biotechnology. In: Barh D., Azevedo V., eds. Omics Technologies and Bio-Engineering. Towards Improving Quality of Life. Volume 1. Elsevier;2018:391–429. DOI: https://doi.org/10.1016/b978-0-12-804659-3.00017-8Hematian A., Sadeghifard N., Mohebi R., et al. Traditional and modern cell culture in virus diagnosis. Osong. Public Health Res. Perspect. 2016;7(2):77–82. DOI: https://doi.org/10.1016/j.phrp.2015.11.011Aarattuthodi S., Dharan V., Koshy M. Fish cell cultures — uses and prospects. J. Aquac. Res. Dev. 2021;13:667. DOI: https://doi.org/10.35248/2155-9546.22.13.667Гаврилов Л.А., Гаврилова Н.С. Культура диплоидных клеток как объект изучения молекулярных механизмов старения. Успехи современной биологии. 1978;85(2):267–83. Gavrilov L.A., Gavrilova N.S. Diploid cell cultures as an object for the study of the molecular mechanisms of aging. Successes of Modern Biology. 1978;85(2):267–83.Нагиева Ф.Г., Баркова Е.П., Лисаков А.Н. и др. Практические аспекты выявления, культивирования и характеристики изолятов вируса Varicella-zoster. Инфекция и иммунитет. 2020;10(2):387–96. Nagieva F.G., Barkova E.P., Lisakov A.N., et al. Practical aspects on identification, cultivation and characteristics of Varicella-zoster virus isolates. Russian Journal of Infection and Immunity. 2020;10(2):387–96. DOI: https://doi.org/10.15789/2220-7619-PAO-1211 EDN: https://elibrary.ru/ptnvteShridhar Rao P.N. Diploid cells culture. Microbiol notes; 2006. URL: http://microrao.com/micronotes/diploid_cell_culture.htmFletcher M.A. Human diploid cell strains (HDCS) viral vaccines. Dev. Biol. Stand. 1998;93:97–107.Петручук Е.М., Шалунова Н.В., Олефир Ю.В. и др. Культуры клеток в заместительной терапии. БИОпрепараты. Профилактика, диагностика, лечение. 2017;17(4):197–206. Petruchuk E.M., Shalunova N.V., Olefir Yu.V., et al. Cell cultures in replacement therapy. Biological Products. Prevention, Diagnosis, Treatment. 2017;17(4):197–206. EDN: https://elibrary.ru/zxgljpКаталог Всероссийской коллекции клеточных культур. СПб.: Наука; 1991. Catalog of the Russian Collection of Cell Cultures. St. Petersburg: Nauka;1991.Каталог Российской коллекции клеточных культур (РККК). СПб., Омск;1999. Catalog of the Russian Collection of Cell Cultures (RKKK). St. Petersburg, Omsk;1999.Parodi B. Human and Animal Cell Lines Catalogue. Geneva;1993.Dolskiy A.A., Grishchenko I.V., Yudkin D.V. Cell cultures for virology: usability, advantages, and prospects. Int. J. Mol. Sci. 2020;21(21):7978. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms21217978Ju X., Zhu Y., Wang Y., et al. A novel cell culture system modeling the SARS-CoV-2 life cycle. PLoS Pathog. 2021;17(3):e1009439. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1009439Wu W., Orr-Burks N., Karpilow J., Tripp R.A. Development of improved vaccine cell lines against rotavirus. Sci. Data. 2017;4:1–12. DOI: https://doi.org/10.1038/sdata.2017.21Werstuck G., Bilan P., Capone J.P. Enhanced infectivity of herpes simplex virus type 1 viral DNA in a cell line expressing the trans-inducing factor Vmw65. J. Virol. 1990;64:984–91. DOI: https://doi.org/10.1128/JVI.64.3.984-991.1990Даниленко Д.М., Смирнова Т.Д., Гудкова Т.М. и др. Сравнительное изучение чувствительности клеточных линий различного происхождения к вирусам пандемического гриппа H1N1, вирусам гриппа птиц, свиней, человека. Вопросы вирусологии. 2011;56(6):14–9. Danilenko D.M., Smirnova T.D., Gudkova T.M., et al. Comparative study of the differential susceptibility of different cell lines to pandemic H1N1V influenza viruses and avian influenza, swine influenza, and human influenza viruses. Problems of Virology. 2011;56(6):14–9. EDN: https://elibrary.ru/ooqzshЛьвов Д.К., Бурцева Е.И., Щелканов М.Ю. и др. Распространение нового пандемического вируса гриппа A(H1N1) в России. Вопросы вирусологии. 2010;55(3):4–9. L'vov D.K., Burtseva E.I., Shchelkanov M.Yu., et al. Spread of new pandemic influenza A(H1N1) virus in Russia. Problems of Virology. 2010;55(3):4–9. EDN: https://elibrary.ru/muekipЗахарова Ю.А., Остапчук А.В., Василевский В.В. и др. Характеристика чувствительности новых клеточных культур животного происхождения к вирусам Coxsackievirus B5 и Herpes simplex virus-1. БИОпрепараты. Профилактика, диагностика, лечение. 2023;23(1):102–10. Zakharova Yu.A., Ostapchuk A.V., Vasilevskiy V.V, et al. Characterisation of new animal cell cultures’ sensitivity to Coxsackievirus B5 and Herpes simplex virus-1. Biological Products. Prevention, Diagnosis, Treatment. 2023;23(1):102–10. DOI: https://doi.org/10.30895/2221-996X-2023-23-1-7-15Chan J.F.W., Yip C.C.Y., Tsang J.O.L., et al. Differential cell line susceptibility to the emerging Zika virus: Implications for disease pathogenesis, non-vector-borne human transmission and animal reservoirs. Emerg. Microbes Infect. 2016;5(8):e93. DOI: https://doi.org/10.1038/emi.2016.99Пименова Е.В., Храпова Н.П., Замарина Т.В. Модели in vitro для изучения вируса Зика. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2020;97(2):159–64. Pimenova E.V., Khrapova N.P., Zamarina T.V. In vitro models for the study of Zika virus. Journal of Microbiology, Epidemiology and Immunobiology. 2020;97(2):159–64. DOI: https://doi.org/10.36233/0372-9311-2020-97-2-159-164 EDN: https://elibrary.ru/wltpwuDulbecco R. Production of plaques in monolayer tissue cultures by single particles of an animal virus. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 1952;38:747–52. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.38.8.747Lee J.C., Tseng C., Chen K.J., et al. A cell-based reporter assay for inhibitor screening of hepatitis C virus RNA-dependent RNA polymerase. Anal. Biochem. 2010;403(1-2):52–62. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ab.2010.04.004Lutz A., Dyall J., Olivo P.D., Pekosz A. Virus-inducible reporter genes as a tool for detecting and quantifying influenza A virus replication. J. Virol. Methods. 2005;126(1-2):13–20. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jviromet.2005.01.016Kainulainen M.H., Nichol S.T., Albariño C.G., Spiropoulou C.F. Rapid determination of ebolavirus infectivity in clinical samples using a novel reporter cell line. J. Infect. Dis. 2017;216:1380–85. DOI: https://doi.org/10.1093/infdis/jix486Wang G., Suzutani T., Yamamoto Y., et al. Generation of a reporter cell line for detection of infectious varicella-zoster virus and its application to antiviral studies. Antimicrob. Agents Chemother. 2006;50(9):3142–5. DOI: https://doi.org/10.1128/AAC.00342-06Lee J.C., Chang C.F., Chi Y.H., et al. A reporter-based assay for identifying hepatitis C virus inhibitors based on subgenomic replicon cells. J. Virol. Methods. 2004;116(1):27–33. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jviromet.2003.10.007Felber B.K., Pavlakis G.N. A quantitative bioassay for HIV-1 based on trans-activation. Science. 1988;239(4836):184–7. DOI: https://doi.org/10.1126/science.3422113Kimpton J., Emerman M. Detection of replication-competent and pseudotyped human immunodeficiency virus with a sensitive cell line on the basis of activation of an integrated beta-galactosidase gene. J. Virol. 1992;66(4):2232–9. DOI: https://doi.org/10.1128/JVI.66.4.2232-2239.1992Froggatt H.M., Heaton B.E., Heaton N.S. Development of a fluorescence-based, high-throughput SARS-CoV-2 3CLpro reporter assay. J. Virol. 2020;94(22):e01265–20. DOI: https://doi.org/10.1128/JVI.01265-20Rawson J.M.O., Duchon A., Nikolaitchik O.A., et al. Development of a cell-based luciferase complementation assay for identification of SARS-CoV-2 3CLpro inhibitors. Viruses. 2021;13(2):173. DOI: https://doi.org/10.3390/v13020173Kohl C., Brinkmann A., Dabrowski P.W., et al. Protocol for metagenomic virus detection in clinical specimens. Emerg. Infect. Dis. 2015;21(1):48–57. DOI: https://doi.org/10.3201/eid2101.140766Hudu S.A., Alshrari A.S., Syahida A., Sekawi Z. Cell culture, technology: enhancing the culture of diagnosing human diseases. J. Clin. Diagn. Res. 2016;10(3):DE01–5. DOI: https://doi.org/10.7860/JCDR/2016/15837.7460Hematian A., Sadeghifard N., Mohebi R., et al. Traditional and modern cell culture in virus diagnosis. Osong Public Health Res. Perspect. 2016;7(2):77–82. DOI: https://doi.org/10.1016/j.phrp.2015.11.011Dronina J., Samukaite-Bubniene U., Ramanavicius A. Advances and insights in the diagnosis of viral infections. J. Nanobiotechnology. 2021;19(1):348. DOI: https://doi.org/10.1186/s12951-021-01081-2Демидова Н.А., Климова Р.Р., Кущ А.А. и др. Получение и характеристика моноклональных антител к G-белку респираторно-синцитиального вируса. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2020;97(1):7–14. Demidova N.A., Klimova R.R., Kushch A.A., et al. Obtaining and characterization of the monoclonal antibodies against G-protein of the respiratory syncytial virus. Journal of microbiology epidemiology and immunobiology. 2020;97(1):7–14. DOI: https://doi.org/10.36233/0372-9311-2020-97-1-7-14 EDN: https://elibrary.ru/fxehvqLeland D.S., Ginocchio C.C. Role of cell culture for virus detection in the age of technology. Clin. Microbiol. Rev. 2007;20(1):49–78. DOI: https://doi.org/10.1128/CMR.00002-06Genzel Y. Designing cell lines for viral vaccine production: Where do we stand? Biotechnol. J. 2015;10(5):728–40. DOI: https://doi.org/10.1002/biot.201400388Graham B.S. Advances in antiviral vaccine development. Immunol. Rev. 2013;255(1):230–42. DOI: https://doi.org/10.1111/imr.12098Varan G., Unal S. Three-dimensional cell culture methods in infectious diseases and vaccine research. Future Pharmacol. 2023;3(1):48–60. DOI: https://doi.org/10.3390/futurepharmacol3010004Миронова Л.Л. Разные аспекты применения культур клеток в вакцинологии. Фундаментальные исследования. 2009;(9):60–2. Mironova L.L. Different aspects of the use of cell cultures in vaccinology. Fundamental Research. 2009;(9):60–2. EDN: https://elibrary.ru/kxpzdxБархалёва О.А., Ладыжинская И.П., Воробьёва М.С. и др. «Витагерпавак» — первая отечественная вакцина на перевиваемой линии клеток Vero (B). Вопросы вирусологии. 2009;54(5):33–7. Barkhaleva O.A., Ladyzhinskaya I.P., Vorob'eva M.S., et al. Vitaherpavac is the first Russian herpes simplex virus vaccine obtained on the Vero B continuous cell line. Problems of Virology. 2009;54(5):33–7. EDN: https://elibrary.ru/lajyjbFang Z., Lyu J., Li J., et al. Application of bioreactor technology for cell culture-based viral vaccine production: рresent status and future prospects. Front. Bioeng. Biotechnol. 2022;10:921755. DOI: https://doi.org/10.3389/fbioe.2022.921755Andersen P.I., Ianevski A., Lysvand H., et al. Discovery and development of safe-in-man broad-spectrum antiviral agents. Int. J. Infect. Dis. 2020;93:268–76. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijid.2020.02.018Bojkova D., Reus P., Panosch L., et al. Identification of novel antiviral drug candidates using an optimized SARS-CoV-2 phenotypic screening platform. iScience. 2023;26(2):105944. DOI: https://doi.org/10.1016/j.isci.2023.105944Dittmar M., Lee J.S., Whig K., et al. Drug repurposing screens reveal cell-type-specific entry pathways and FDA-approved drugs active against SARS-CoV-2. Cell Reports. 2021;35(1):108959. DOI: https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.108959Kumar S., Sarma P., Kaur H., et al. Clinically relevant cell culture models and their significance in isolation, pathogenesis, vaccine development, repurposing and screening of new drugs for SARS-CoV-2: a systematic review. Тissue Cell. 2021;70:101497. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tice.2021.101497Krylova N.V., Silchenko A.S., Pott A.B., et al. In vitro anti-orthohantavirus activity of the high-and low-molecular-weight fractions of fucoidan from the brown alga Fucus evanescens. Mar. Drugs. 2021;19(10):577. DOI: https://doi.org/10.3390/md19100577Нагиева Ф.Г., Баркова Е.П., Федотов А.Ю. и др. Перспективная культуральная модель для контроля биологической активности интерферонов человека. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2015;92(5):39–44. Nagieva F.G., Barkova E.P., Fedotov A.Yu., et al. A perspective cultural model for control of biological activity of human interferons. Journal of Microbiology, Epidemiology and Immunobiology. 2015;92(5):39–44. EDN: https://elibrary.ru/zqjydrАлпатова Н.А., Гайдерова Л.А., Яковлев А.К. и др. Особенности определения специфической активности биотехнологических лекарственных средств. БИОпрепараты. Профилактика, диагностика, лечение. 2017;17(1):13–26. Alpatova N.A., Gayderova L.A., Yakovlev A.K., et al. Assessment of biotechnological products specific activity. Biological Products. Prevention, Diagnosis, Treatment. 2017;17(1):13–26. EDN: https://elibrary.ru/yhssglEmeny J.M., Morgan M.J. Regulation of the interferon system: evidence that Vero cells have a genetic defect in interferon production. J. Gen. Virol. 1979;43(1):247–52. DOI: https://doi.org/10.1099/0022-1317-43-1-247Pires De Souza G.A., Le Bideau M., Boschi C., et al. Choosing a cellular model to study SARS-CoV-2. Front. Cell. Infect. Microbiol. 2022;12:1003608. DOI: https://doi.org/10.3389/fcimb.2022.1003608Spiegel M., Weber F. Inhibition of cytokine gene expression and induction of chemokine genes in non-lymphatic cells infected with SARS coronavirus. Virol. J. 2006;3:17. DOI: https://doi.org/10.1186/1743-422X-3-17Dolci M., Signorini L., D’Alessandro S., et al. In vitro SARS-CoV-2 infection of microvascular endothelial cells: effect on pro-inflammatory cytokine and chemokine release. Int. J. Mol. Sci. 2022;23(7):4063. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms23074063Волкова И.М., Коровина Д.Г. Трёхмерные матриксы природного и синтетического происхождения для клеточной биотехнологии. Биотехнология. 2015;31(2):8–26. Volkova I.M., Korovina D.G. Three-dimensional matrixes of natural and synthetic origin for cell biotechnology. Biotechnology. 2015;51(9):841–56. DOI: https://doi.org/10.1134/S0003683815090082 EDN: https://elibrary.ru/vajqzxБобринетский И.И., Морозов Р.А., Селезнёв А.С. и др. Исследование пролиферативной активности и жизнеспособности клеток фибробласта и глиобластомы на различных типах углеродных нанотрубок. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2012;153(2):227–31. Bobrinetsky I.I., Morozov R.A., Seleznev A.S., et al. Proliferative activity and viability of fibroblast and glioblastoma cell on various types of carbon nanotubes. Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2012; 153(2):259–62. DOI: https://doi.org/10.1007/s10517-012-1690-z EDN: https://elibrary.ru/dzkwcoKuznetsova T.A., Andryukov B.G., Besednova N.N., et al. Marine algae polysaccharides as basis for wound dressings, drug delivery, and tissue engineering: a review. J. Mar. Sci. Eng. 2020;8(7):481. DOI: https://doi.org/10.3390/jmse8070481 EDN: https://elibrary.ru/xevojaVolarevic V., Markovic B.S., Gazdic M., et al. Ethical and safety issues of stem cell-based therapy. Int. J. Med. Sci. 2018;15(1):36–45. DOI: https://doi.org/10.7150/ijms.21666Ghaedi M., Niklason L.E. Human Pluripotent Stem Cells (iPSC) generation, culture, and differentiation to lung progenitor cells. In: Turksen L., ed. Organoids. Methods in Molecular Biology, Volume 1576. New York;2019:55–92. DOI: https://doi.org/10.1007/7651_2016_11Song W.K., Park K.M., Kim H.J., et al. Treatment of macular degeneration using embryonic stem cell-derived retinal pigment epithelium: preliminary results in Asian patients. Stem. Cell Rep. 2015;4(5):860–72. DOI: https://doi.org/10.1016/j.stemcr.2015.04.005