Среда за клетъчни култури: Преглед
В областта на науките за живота една от най-важните методологии е клетъчната култура. С израза "клетъчна култура" се означава вземането на клетки, тъкани или органи от животно или растение и последващото имплантиране на тези клетки, тъкани или органи в изкуствена среда, която е благоприятна за тяхното оцеляване и/или растеж Основните нужди на околната среда за оптимално развитие на клетките са контролирана температура, субстрат за прикрепване на клетките, подходяща среда за растеж и инкубатор, който поддържа оптимално рН и осмолалност. Клетките трябва да разполагат с тези условия, за да могат да развият пълния си потенциал.
Изборът на подходяща хранителна среда за ин витро култивиране е етапът в клетъчната култура, който е едновременно най-критичен и най-важен. Растежната среда, известна също като хранителна среда, е течност или гел, формулирана така, че да насърчава развитието на организмите в микроскопичен, клетъчен или растителен мащаб. Средата, използвана за култивиране на клетки, често съдържа достатъчен запас от енергия и вещества, които контролират клетъчния цикъл. Основните компоненти на средата за култивиране включват аминокиселини, витамини, неорганични соли, глюкоза и серум. Серумът се добавя към средата, защото действа като източник на растежни фактори, хормони и фактори на прикрепване. В допълнение към осигуряването на хранителни вещества, средата допринася и за поддържането на нивата на рН и осмолалност.
Видове среди, използвани в клетъчните култури
Както човешките, така и животинските клетки имат възможност да бъдат отглеждани в изкуствена или синтетична среда или в изцяло естествена среда, която е допълнена с природни елементи. По-долу ще ви представим преглед на различните налични в момента видове среди.
Естествени среди
В естествените среди могат да се намират само биологични течности, които съществуват в естественото си състояние. Естествените среди са много полезни и лесни за култивиране на голямо разнообразие от животински клетъчни типове. Липсата на разбиране за точните компоненти, които съставляват естествените среди, е основният фактор, допринасящ за ниската повторяемост на резултатите, получени при използване на естествени среди.
Изкуствени среди
Приготвянето на изкуствени или синтетични среди включва добавянето на хранителни вещества (органични и неорганични), серумни протеини, въглехидрати, кофактори, витамини и соли, както и газови фази O2 и CO2 [1].
Разработени са различни видове изкуствени среди, за да изпълняват една или повече от следните функции: 1) Незабавно оцеляване (балансиран солен разтвор с точно определено рН и осмотично налягане). 2) Продължително оцеляване (балансиран солен разтвор, допълнен с различни формулировки на органични химикали и/или серум). 3) Неограничено развитие. 4) Специализирани функции.
Съществуват четири различни класификации за изкуствените среди:
Среда, съдържаща серум
Най-честият вид добавка, която се среща в среда, използвана за отглеждане на животински клетки, е фетален говежди серум. Той се добавя към средата за култивиране като евтина добавка, за да се постигнат възможно най-добрите условия за растеж. Освен че действа като преносител или хелатор за хранителни вещества, които са нестабилни или неразтворими във вода, хормони и растежни фактори, протеазни инхибитори и други вещества, серумът също така свързва и неутрализира вредни молекули.
Среда без серум
Наличието на серум в средата има редица недостатъци и е в състояние да доведе до сериозни грешки в интерпретацията при имунологичните изследвания [2, 3]. Създадени са множество различни безсерумни среди [4, 5]. Тези среди обикновено са специално разработени за поддържане на култивирането на един тип клетки, като например Knockout Serum Replacement и Knockout DMEM на Thermo Fisher Scientific и mTESR среда на Stem Cell Technologies [6], за стволови клетки [7].
Освен това тези среди включват определени количества пречистени растежни фактори, липопротеини и други протеини, които иначе обикновено се осигуряват от серума [8]. Тези среди често се наричат "дефинирани културни среди", тъй като компонентите, които ги изграждат, са добре познати.
Химически определени среди
Тези среди включват свръхчисти неорганични и органични компоненти, които не са били замърсени от какъвто и да е вид замърсяване. Те могат да включват и чисти протеинови добавки, като например растежни фактори.
генетичната модификация на бактерии или дрожди, заедно с добавянето на определени мастни киселини, витамини, холестерол и аминокиселини, води до производството на техните съставни части [9].
Среда без протеини
Безпротеинови среди са тези, които не включват никакви протеини, а вместо това включват само непротеинови елементи. В сравнение с хранителните среди с добавен серум, използването на хранителни среди без добавен протеин насърчава по-голямо разпространение на клетките и експресия на протеини и улеснява пречистването на всеки продукт, получен в процеса надолу по веригата [10-12]. Протеинът не е включен в състави като MEM и RPMI-1640. Въпреки това, ако е необходимо, може да се прилага протеинова добавка.
Културна среда и нейните основни компоненти
Търговската хранителна среда за култивиране може да бъде закупена като прах или течност и често включва различни хранителни вещества, като аминокиселини, глюкоза, соли, витамини и други хранителни добавки.
Нуждите от тези компоненти са различни за всяка клетъчна линия и тези вариации са причина за големия брой различни формулировки на средите. Всеки компонент отговаря за определена функция, която ще бъде описана в следващите параграфи:
Буферни системи
За да се поддържат оптимални условия на отглеждане, трябва да се контролира рН, което често се прави чрез една от двете буферни системи:
Естествена буферна система
Съотношението CO2/H2CO3 в атмосферата е равно на това в средата, което създава естествен буферен механизъм. За да се запази естественият буферен механизъм, културите трябва да се държат във въздушна среда с 5-10 % CO2, което често се постига чрез използване на инкубатор с CO2. Едно от най-хубавите неща при използването на естествен буфер е колко евтин и безопасен е той.
HEPES
Химическото буфериране с помощта на цвитериона HEPES има по-голяма буферна способност в диапазона на рН 7,2-7,4 и не се нуждае от регулирана газова среда. За определени типове клетки по-голяма доза HEPES може да бъде вредна. Средите, съдържащи HEPES, също така са много по-чувствителни към фототоксичните ефекти на флуоресцентната светлина [13].
Фенолово червено
Индикаторът за рН фенол червено често се включва в наличните в търговската мрежа среди за култивиране, което позволява непрекъснат мониторинг на рН. При разширяване на клетките произведените от тях метаболити предизвикват промяна в рН и следователно промяна в цвета на средата. Феноловото червено има двоен ефект върху цвета на средата, като я оцветява в жълто при киселинно рН и в лилаво при алкално рН. рН 7,4, оптималната стойност за клетъчна култура, предизвиква появата на флуоресцентно червено в средата.
Но феноловото червено има няколко недостатъка: Първо, феноловото червено е в състояние да симулира действието на редица стероидни хормони, най-вече на естрогена [14]. Ето защо, когато се изследват чувствителни към естрогени клетки като тъканта на гърдата, се препоръчва среда, която не съдържа фенолово червено. Натриево-калиевият баланс се нарушава от наличието на фенолово червено в няколко безсерумни формулировки. Добавянето на серум или хормон на хипофизата на едрия рогат добитък към средата може да неутрализира този ефект [15]. На трето място, наличието на фенолово червено затруднява откриването при флоуцитометрични експерименти.
Неорганични соли
Средата, съдържаща неорганични соли, като натриеви, калиеви и калциеви йони, подпомага поддържането на осмотичното равновесие и регулира мембранния потенциал.
Аминокиселини
Тъй като аминокиселините са основните компоненти на белтъчините, те са основен компонент на всяка една среда за клетъчен растеж, която някога е била създадена. Тъй като клетките не са в състояние сами да произвеждат някои аминокиселини, е важно хранителната среда да включва незаменими аминокиселини. Те са необходими за размножаването на клетките и концентрацията, в която присъстват, определя максималната клетъчна плътност, която може да бъде постигната. Особено важен е L-глутаминът, който е незаменима аминокиселина.
L-глутаминът функционира като вторичен източник на енергия за метаболизма и допринася за производството на азот от NAD, NADPH и нуклеотиди. Поради факта, че L-глутаминът е нестабилна аминокиселина, която с времето се променя във форма, която клетките не могат да използват, той трябва да се дава в средата.
Освен това в средата могат да се доставят неесенциални аминокиселини, за да се попълнят тези, които са били използвани в процеса на растеж. Растежът на клетките се ускорява и тяхната жизнеспособност се увеличава, когато растежната среда се допълва с неесенциални аминокиселини.
Въглехидрати
Въглехидратите под формата на захари са основният източник на енергия. Много от хранителните среди включват и малтоза и фруктоза в допълнение към по-често срещаните захари - глюкоза и галактоза.
Протеини и пептиди
Албуминът, трансферинът и фибронектинът са най-често използваните белтъци и пептиди. Те са особено важни в средите, които не включват серум. Албуминът, трансферинът, апротининът, фетуинът и фибронектинът са някои от протеините, които могат да бъдат открити в серума, който е богат източник на протеини.
Албуминът е основният белтък, който се намира в кръвта, и неговата функция е да свързва и пренася различни вещества, включително вода, соли, свободни мастни киселини, хормони и витамини, между различни органи и клетки. Способността на албумина да се свързва с химикали го прави ефективен кандидат за отстраняване на вредни съединения от средата, в която се култивират клетките.
Апротининът е защитен агент в системите за клетъчни култури, тъй като е стабилен при неутрално и киселинно рН, както и устойчив на високи температури и разрушения, които могат да бъдат причинени от протеолитични ензими. Той е способен да инхибира редица серинови протеази, включително трипсин, наред с други.
Фетуинът е гликопротеин, който може да бъде открит в по-големи количества в серума на плода и новородените животни в сравнение със серума на възрастните. Освен това той действа като инхибитор на серинови протеази. Протеинът фибронектин е съществен компонент в процеса на клетъчна адхезия. Трансферинът е белтък, който пренася желязо и отговаря за доставянето му до мембраните на клетките.
Мастни киселини и липиди
Те играят решаваща роля в безсерумната среда, когато липсва серум.
Витамини
Многобройни витамини са необходими за развитието и пролиферацията на клетките. Витамините не могат да се произвеждат в достатъчни количества от клетките и затова са от съществено значение в тъканните култури като хранителни добавки.
При клетъчните култури серумът е основният източник на витамини; въпреки това средите също се обработват с различни витамини, за да се направят подходящи за определен тип клетки. Най-често за стимулиране на растежа се използват витамините от група В.
Микроелементи
Химични елементи като мед, цинк, селен и междинни продукти на трикарбоксилната киселина са известни като микроелементи. Микроелементите често се добавят към среди, които не включват серум, за да заместят тези, които обикновено присъстват в серума. Тези елементи са важни химични компоненти, които са необходими за здравословното развитие на клетките. Много биохимични реакции зависят от определени микроелементи, като например активността на ензимите.
Добавки към средата
Пълната среда за растеж, предложена за определени клетъчни линии, се нуждае от допълнителни компоненти, които отсъстват в изходната среда и серума. Тези хранителни добавки подпомагат клетъчния растеж и подходящата метаболитна функция.
Въпреки че хормоните, растежните фактори и сигналните молекули са от съществено значение за подходящото размножаване на определени клетъчни линии, винаги трябва да се вземат следните предпазни мерки: Тъй като добавянето на добавки може да промени осмолалитета на пълната среда за растеж, което може да потисне развитието на клетките, винаги е препоръчително да се проверява осмолалитетът след добавянето на добавки. За повечето клетъчни линии оптималният осмолалитет варира между 260 и 320 mOSM/kg.
Антибиотици
Антибиотиците често се използват за потискане на развитието на бактериални и гъбични замърсители [16], въпреки че те не са от съществено значение за клетъчния растеж. Тъй като антибиотиците могат да скрият замърсяване с микоплазма и резистентни бактерии, рутинната им употреба не се предлага за клетъчни култури [17, 18].
Освен това антибиотиците могат да нарушат метаболизма на свръхчувствителните клетки. Често се използват комбинациите от пеницилин и стрептомицин, произвеждани от MilliporeSigma и Life Technologies. Плазмоцинът е използван при култивирането на глиомни клетъчни линии TS603, TS516 и BT260 [19] и е доказано, че е ефективен за отстраняване на замърсяването с микоплазма (20).
Серум
В серума се съдържат албумини, растежни фактори и инхибитори на растежа. Серумът е един от най-значимите компоненти на средата за клетъчни култури, тъй като осигурява аминокиселини, протеини, витамини (особено мастноразтворими витамини като А, D, Е и К), въглехидрати, липиди, хормони, растежни фактори, минерали и микроелементи.
Серумът от ембрионални и телешки източници често се използва за насърчаване на развитието на култивираните клетки. Феталният серум е изобилен източник на растежни фактори и е подходящ за клониране на клетки и развитие на чувствителни клетки. Поради намалените си възможности за стимулиране на растежа телешкият серум се използва при експерименти за контактно инхибиране. Нормалните среди за растеж често включват от 2 до 10 % серум. Добавянето на серум към хранителната среда служи за следните цели [21]:
-
Серумът доставя основните хранителни вещества за клетките (както в разтвор, така и прикрепени към протеините).
-
Няколко растежни фактора и хормони, участващи в насърчаването на растежа и специализираната клетъчна активност, са включени в серума.
-
Той предлага много свързващи протеини, като албумин и трансферин, които пренасят други химикали в клетката. Например албуминът доставя мазнини, витамини, хормони и др. в клетките.
-
Той осигурява и протеини, като фибронектин, които увеличават адхезията на клетките към субстрата. Освен това произвежда разпръскващи се елементи, които подпомагат разширяването на клетките преди делене.
-
Той доставя инхибитори на протеазите, които предотвратяват протеолизата в клетките.
-
Съдържа и минерали като Na+, K+, Zn2+ и Fe2+.
-
Той повишава вискозитета на средата, като по този начин предпазва клетките от механично нараняване по време на разбъркването на суспензионните култури.
-
Той също така е буфер.
Препратки
[1] Morgan J, Morton H, Parker R. Nutrition of animal cells in tissue culture; initial studies on a synthetic medium (Хранене на животински клетки в тъканни култури; първоначални изследвания на синтетична среда). Proc Soc Exp Biol Med. 1950;73:1-8
[2] Kerbel R, Blakeslee D. Rapid adsorption of a foetal calf serum component by mammalian cells in culture (Бърза адсорбция на компонент от фетален телешки серум от клетки на бозайници в култура). Потенциален източник на артефакти при изследвания на антисеруми към клетъчно-специфични антигени. Immunology. 1976;31:881-91
[3] Sula K, Draber P, Nouza K. Добавяне на серум към средата, използвана за приготвяне на клетъчни суспензии, като възможен източник на артефакти при клетъчно-медиирани реакции, изследвани чрез теста на поплитеалния лимфен възел. J Immunogenet. 1980;7:483-9
[4] Mariani E, Mariani A, Monaco M, Lalli E, Vitale M, Facchini A. Търговски среди без серум: растеж на хибридоми и производство на моноклонални антитела. J Immunol Methods. 1991;145:175-83
[5] Barnes D, Sato G. Methods for growth of cultured cells in serum-free medium (Методи за растеж на култивирани клетки в безсерумна среда). Anal Biochem. 1980;102:255-70
[6] Yu H, Lu S, Gasior K, Singh D, Vazquez Sanchez S, Tapia O,et al. HSP70 chaperones RNA-free TDP-43 into anisotropic intranuclear liquid spherical shells. Science. 2021;371:
[7] Meharena H, Marco A, Dileep V, Lockshin E, Akatsu G, Mullahoo J,et al. Down-syndrome-induced senescence disrupts nuclear architecture of neural progenitors. Cell Stem Cell. 2022;29:116-130.e7
[8] Iscove N, Melchers F. Пълно заместване на серума с албумин, трансферин и соев липид в култури от липополизахарид-реактивни В лимфоцити. J Exp Med. 1978;147:923-33
[9] Stoll T, Muhlethaler K, von Stockar U, Marison I. Systematic improvement of a chemically-defined protein-free medium for hybridoma growth and monoclonal antibody production (Системно подобряване на химически дефинирана среда без протеини за растеж на хибридоми и производство на моноклонални антитела). J Biotechnol. 1996;45:111-23
[10] Darfler F. A protein-free medium for the growth of hybridom and other cells of the immune system (Среда без белтъци за растеж на хибридоми и други клетки на имунната система). In Vitro Cell Dev Biol. 1990;26:769-78
[11] Barnes D, Sato G. Serum-free cell culture: a unifying approach (Безсерумна клетъчна култура: обединяващ подход). Cell. 1980;22:649-55
[12] Hamilton W, Ham R. Clonal growth of chinese hamster cell lines in protein-free media (Клоналният растеж на клетъчни линии от китайски хамстер в безпротеинови среди). In Vitro. 1977;13:537-47
[13] Zigler J, Lepe Zuniga J, Vistica B, Gery I. Analysis of the cytotoxic effects of light-exposed HEPES-containing culture medium (Анализ на цитотоксичните ефекти на HEPES-съдържаща хранителна среда, изложена на светлина). In Vitro Cell Dev Biol. 1985;21:282-7
[14] Berthois Y, Katzenellenbogen J, Katzenellenbogen B. Phenol red in tissue culture media is a weak estrogen: implications concerning the study of estrogen-responsive cells in culture. Proc Natl Acad Sci U S A. 1986;83:2496-500
[15] Karmiol S. Development of serum free media (Разработване на безсерумни среди). In: Master JRW, редактор. Животински клетъчни култури, 3-то издание. Оксфорд: Oxford University Press; 2000.
[16] Perlman D. Use of antibiotics in cell culture media (Използване на антибиотици в среди за клетъчни култури). Methods Enzymol. 1979;58:110-6
[17] McGarrity G. Spread and control of mycoplasmal infection of cell cultures (Разпространение и контрол на микоплазмена инфекция на клетъчни култури). In Vitro. 1976;12:643-8
[18] Masters J, Stacey G. Changing medium and passaging cell lines (Смяна на средата и пасиране на клетъчни линии). Nat Protoc. 2007;2:2276-84
[19] Chakraborty A, Laukka T, Myllykoski M, Ringel A, Booker M, Tolstorukov M,et al. Histone demethylase KDM6A directly senses oxygen to control chromatin and cell fate. Science. 2019;363:1217-1222
[20] Molla Kazemiha V, Azari S, Amanzadeh A, Bonakdar S, Shojaei Moghadam M, Habibi Anbouhi M,et al. Efficiency of Plasmocin™ on various mammalian cell lines infected by mollicutes in comparison with commonly used antibiotics in cell culture: a local experience. Цитотехнология. 2011;63:609-20
[21] Kragh Hansen U. Molecular aspects of ligand binding to serum albumin (Молекулярни аспекти на свързването на лиганди със серумния албумин). Pharmacol Rev. 1981;33:17-53
