Отидете на началната страница

Среди за клетъчни култури: Общ преглед

В областта на биологичните науки една от най-важните методики е клетъчната култура. Под „клетъчна култура“ се разбира извличането на клетки, тъкани или органи от животно или растение и последващото им имплантиране в изкуствена среда, благоприятна за тяхното оцеляване и/или растеж. Основните изисквания към средата за оптимално развитие на клетките са контролирана температура, субстрат за прикрепване на клетките, подходяща среда за растеж и инкубатор, който поддържа оптималното pH и осмолалност. Клетките трябва да разполагат с тези условия, за да могат да се развият до пълния си потенциал.

Изборът на подходяща среда за растеж за култивиране in vitro е етапът в клетъчната култура, който е едновременно най-критичен и най-важен. Средата за растеж, известна още като културална среда, е течност или гел, формулиран така, че да стимулира развитието на организмите на микроскопично, клетъчно или растително ниво. Средата, използвана за култивиране на клетки, често съдържа достатъчно количество енергия и вещества, които регулират клетъчния цикъл. Основните компоненти на културалната среда включват аминокиселини, витамини, неорганични соли, глюкоза и серум. Серумът се добавя към средата, тъй като действа като източник на растежни фактори, хормони и фактори за прикрепване. Освен че осигурява хранителни вещества, средата допринася и за поддържането на нивата на рН и осмолалността.

Видове среди, използвани в клетъчната култура

Както човешките, така и животинските клетки могат да се отглеждат както в изкуствена или синтетична среда, така и в изцяло естествена среда, допълнена с природни елементи. По-долу ще ви представим обзор на различните видове среди, които са налични към момента.

Естествени среди

В естествените среди се срещат само биологични течности, които съществуват в естественото си състояние. Естествените среди са много полезни и лесни за култивирането на широка гама от видове животински клетки. Липсата на разбиране за точните компоненти, съставляващи естествените среди, е основният фактор, допринасящ за ниската повторяемост на резултатите, получени при използването на естествени среди.

Изкуствени среди

Приготвянето на изкуствени или синтетични среди включва добавянето на хранителни вещества (както органични, така и неорганични), серумни протеини, въглехидрати, кофактори, витамини и соли, както и газови фази на O₂ и CO₂ [1].

Разработени са различни видове изкуствени среди, за да изпълняват една или повече от следните функции: 1) Незабавно оцеляване (балансиран солев разтвор с точно определено рН и осмотично налягане). 2) Продължително оцеляване (балансиран солев разтвор, допълнен с различни състави от органични химикали и/или серум). 3) Неограничено развитие. 4) Специализирани функции.

Съществуват четири различни класификации на изкуствените среди:

Среди, съдържащи серум

Най-често срещаният вид добавка в средите, използвани за отглеждане на животински клетки, е фетално телешко серум. То се добавя към културалната среда като евтина добавка, за да се постигнат възможно най-добрите условия за растеж. Освен че действа като преносител или хелатор на нестабилни или неразтворими във вода хранителни вещества, хормони и растежни фактори, инхибитори на протеази и други вещества, серумът също така свързва и неутрализира вредни молекули.

Среда без серум

Наличието на серум в средите има редица недостатъци и може да доведе до сериозни грешки при интерпретацията на резултатите в имунологичните изследвания [2, 3]. Създадени са различни видове безсерумни среди [4, 5]. Тези среди обикновено са специално формулирани, за да поддържат култивирането на един-единствен тип клетки, като например Knockout Serum Replacement и Knockout DMEM от Thermo Fisher Scientific, както и средата mTESR от Stem Cell Technologies [6], предназначена за стволови клетки [7].

Освен това тези среди съдържат определени количества пречистени растежни фактори, липопротеини и други протеини, които иначе обикновено се осигуряват от серума [8]. Тези среди често се наричат „дефинирани културални среди“, тъй като съставните им компоненти са добре изучени.

Химически дефинирани среди

Тези среди включват ултрачисти неорганични и органични компоненти, които не са били замърсени по никакъв начин. Те могат да включват и добавки от чисти протеини, 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].

Среди без протеини

Безпротеиновите среди са тези, които изобщо не съдържат протеини, а вместо това включват само непротеинови елементи. В сравнение със средите с добавен серум, използването на среди без добавени протеини спомага за по-голяма клетъчна пролиферация и протеинова експресия и улеснява пречистването на всеки продукт, получен в последващ процес [10–12]. Протеинът не се включва в формулировки като MEM и RPMI-1640. При необходимост обаче може да се добави протеинова добавка.

Културални среди и техните основни компоненти

Търговските културални среди могат да се закупят под формата на прах или течност и често съдържат разнообразни хранителни вещества, като аминокиселини, глюкоза, соли, витамини и други хранителни добавки. 

Нуждите от тези компоненти са различни за всяка клетъчна линия, а тези различия са причината за голямото разнообразие от формулировки на среди. Всеки компонент отговаря за определена функция, която ще бъде описана в следващите параграфи:

Буферни системи

За да се поддържат оптимални условия за растеж, pH трябва да се контролира, което често се извършва 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 този естествен буферен механизъм, културите трябва да се поддържат във въздушна среда с 5–10% CO₂, което често се постига чрез използване на CO₂ инкубатор. Едно от най-големите предимства на използването на естествен буфер е, че той е евтин и безопасен.

HEPES

Химичното буфериране с помощта на цвитериона HEPES има по-голяма буферна способност в диапазона на pH 7,2–7,4 и не изисква регулирана газова среда. За определени видове клетки по-голяма доза HEPES може да бъде вредна. Средите, съдържащи HEPES, са също така много по-податливи на фототоксичните ефекти на флуоресцентната светлина [13].

Фенол червено

Индикаторът за рН фенол червено често се включва в търговски достъпните културални среди, което позволява непрекъснато наблюдение на рН. При размножаването на клетките метаболитите, произвеждани от тях, предизвикват промяна в рН и съответно промяна в цвета на средата. Фенол червено оказва двоен ефект върху цвета на средата, като я оцветява в жълто при кисело pH и в лилаво при алкално pH. pH 7,4, оптималната стойност за клетъчна култура, кара средата да изглежда флуоресцентно червена.

Фенол червено обаче има няколко недостатъка: Първо, фенол червено може да имитира действието на редица стероидни хормони, предимно естроген [14]. Поради това при изследване на естроген-чувствителни клетки, като например тъкан от млечната жлеза, се препоръчва среда без фенол червено. Натриево-калиевият баланс се нарушава от присъствието на фенол червено в няколко безсерумни формулировки. Добавянето на серум или говежди хипофизен хормон към средите може да неутрализира този ефект [15]. На трето място, откриването при експерименти с проточна цитометрия се затруднява от присъствието на фенол червено.

Неорганични соли

Средите, съдържащи неорганични соли, като натриеви, калиеви и калциеви йони, спомагат за поддържането на осмотичното равновесие и регулират мембранния потенциал.

Аминокиселини

Тъй като аминокиселините са основните съставни части на протеините, те са незаменим компонент на всяка културална среда за клетъчен растеж, която някога е била създадена. Тъй като клетките не са в състояние сами да произвеждат определени аминокиселини, е важно културалната среда да съдържа незаменими аминокиселини. Те са необходими за пролиферацията на клетките, а концентрацията, в която се съдържат, определя максималната клетъчна плътност, която може да бъде постигната. По-специално, L-глутаминът, една незаменима аминокиселина, е от особено голямо значение.

L-глутаминът функционира като вторичен източник на енергия за метаболизма и доставя азот за производството на NAD, NADPH и нуклеотиди. Тъй като L-глутаминът е нестабилна аминокиселина, която с времето се превръща във форма, която клетките не могат да усвоят, той трябва да се добавя към средата.

Освен това в средата могат да се добавят неесенциални аминокиселини, за да се възстановят тези, които са били изразходвани по време на процеса на растеж. Растежът на клетките се ускорява, а жизнеспособността им се повишава, когато средата за растеж се допълва с неесенциални аминокиселини.

Въглехидрати

Въглехидратите под формата на захари са основният източник на енергия. Много от средите съдържат също малтоза и фруктоза, в допълнение към по-разпространените захари – глюкоза и галактоза.

Протеини и пептиди

Албуминът, трансферинът и фибронектинът са най-често използваните протеини и пептиди. Те са особено важни в среди, които не съдържат серум. Албуминът, трансферинът, апротининът, фетуинът и фибронектинът са някои от протеините, които могат да се открият в серума, който е богат източник на протеини.

Албуминът е основният протеин в кръвта и неговата функция е да свързва и транспортира различни вещества, включително вода, соли, свободни мастни киселини, хормони и витамини, между различните органи и клетки. Способността на албумина да се свързва с химични вещества го прави ефективен кандидат за отстраняване на вредни съединения от средата, в която се култивират клетките.

Апротининът е защитен агент в системите за клетъчна култура, тъй като е стабилен при неутрално и кисело рН, както и устойчив на високи температури и на разрушаването, което може да бъде причинено 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. В допълнение към това той действа като инхибитор на сериновите протеази. Протеинът фибронектин е основен компонент в процеса на клетъчната адхезия. Трансферинът е протеин, който транспортира желязо и отговаря за доставянето на желязо до клетъчните мембрани.

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 незаменими в тъканните култури като хранителни добавки.

При клетъчната култура серумът е основният източник на витамини; обаче средите се обогатяват и с различни витамини, за да бъдат подходящи за конкретен тип клетки. Най-често витамините от група В се използват за стимулиране на растежа.

Микроелементи

Химични елементи като мед, цинк, селен и междинни съединения на трикарбоксилната киселина са известни като микроелементи. Микроелементите често се добавят към среди, които не съдържат серум, за да заменят тези, които обикновено се съдържат в серума. Тези елементи са важни химични компоненти, необходими за здравословното развитие на клетките. Много биохимични реакции зависят от определени микроелементи, като например ензимната активност.

Добавки към средата

Пълната среда за растеж, препоръчвана за определени клетъчни линии, се нуждае от допълнителни компоненти, които липсват в базовите среди и серума. Тези хранителни добавки подпомагат клетъчния растеж и нормалната метаболитна функция.

Въпреки че хормоните, растежните фактори и сигналните молекули са от съществено значение за правилното размножаване на конкретни клетъчни линии, винаги трябва да се спазват следните предпазни мерки: Тъй като добавянето на добавки може да промени осмолалността на пълната среда за растеж, което може да попречи на развитието на клетките, винаги е препоръчително да се провери осмолалността след добавянето на добавки. За по-голямата част от клетъчните линии оптималната осмолалност варира между 260 и 320 mOSM/kg.

Антибиотици

Антибиотиците често се използват за потискане на развитието на бактериални и гъбични замърсители [16], въпреки че не са необходими за клетъчния растеж. Тъй като антибиотиците могат да прикрият замърсяване с микоплазма и резистентни бактерии, рутинното им използване не се препоръчва при клетъчни култури [17, 18].

Освен това антибиотиците могат да нарушат метаболизма на свръхчувствителните клетки. Често се използват комбинациите от пеницилин и стрептомицин, произведени от MilliporeSigma и Life Technologies. Плазмоцин е бил използван при култивирането на глиомните клетъчни линии TS603, TS516 и BT260 [19] и е доказано, че е ефективен при отстраняването на микоплазмена контаминация (20).

Серум

В серума се съдържат албумини, растежни фактори и инхибитори на растежа. Серумът е един от най-важните компоненти на средата за клетъчна култура, тъй като осигурява аминокиселини, протеини, витамини (особено мастноразтворими витамини като А, D, Е и К), въглехидрати, липиди, хормони, растежни фактори, минерали и микроелементи.

Често се използва серум от фетални и телешки източници, за да се стимулира развитието на култивираните клетки. Феталният серум е богат източник на растежни фактори и е подходящ за клониране на клетки и развитието на чувствителни клетки. Поради намалените си способности за стимулиране на растежа телешкият серум се използва в експерименти за контактна инхибиция. Обикновено културалните среди съдържат от 2% до 10% серум. Добавянето на серум към културалната среда служи за следните цели [21]:

  • Серумът доставя необходимите за клетките хранителни вещества (както в разтвор, така и свързани с протеини).

  • В серума са включени няколко растежни фактори и хормони, участващи в стимулирането на растежа и специализираната клетъчна активност.

  • То предоставя много свързващи протеини, като албумин и трансферин, които транспортират други химични вещества в клетката. Например, албуминът доставя мазнини, витамини, хормони и др. в клетките.

  • То осигурява също така протеини, като фибронектин, които увеличават клетъчната адхезия към субстрата. Освен това, то произвежда елементи за разпространение, които подпомагат разширяването на клетките преди деленето.

  • То доставя инхибитори на протеазите, които предотвратяват протеолизата в клетките.

  • Съдържа също минерали като Na+, K+, Zn2+ и Fe2+.

  • Той повишава вискозитета на средата, като по този начин предпазва клетките от механични увреждания по време на разбъркването на суспензионната култура.

  • Той действа и като буфер.

Източници

[1] Morgan J, Morton H, Parker R. Хранене на животински клетки в тъканна култура; първоначални проучвания върху синтетична среда. Proc Soc Exp Biol Med. 1950;73:1-8

[2] Kerbel R, Blakeslee D. Бърза адсорбция на компонент от фетално телешко серум от клетки на бозайници в култура. Потенциален източник на артефакти в проучванията на антисера срещу клетъчно-специфични антигени. Immunology. 1976;31:881-91

[3] Сула К., Драбер П., Нуза К. Добавянето на серум към средата, използвана за приготвяне на клетъчни суспензии, като възможен източник на артефакти при клетъчно-медиирани реакции, изследвани посредством теста с поплитеалния лимфен възел. J Immunogenet. 1980;7:483-9

[4] Мариани Е., Мариани А., Монако М., Лали Е., Витале М., Факини А. Търговски безсерумни среди: растеж на хибридоми и производство на моноклонални антитела. J Immunol Methods. 1991;145:175-83

[5] Barnes D, Sato G. Методи за отглеждане на култивирани клетки в безсерумна среда. Anal Biochem. 1980;102:255-70

[6] Ю Х., Лу С., Гасиор К., Сингх Д., Васкес Санчес С., Тапиа О. и др. Шапероните HSP70 пренасят TDP-43 без РНК в анизотропни интрануклеарни течни сферични обвивки. Science. 2021;371:

[7] Meharena H, Marco A, Dileep V, Lockshin E, Akatsu G, Mullahoo J, и др. Стареенето, предизвикано от синдрома на Даун, нарушава ядрената архитектура на невронните предшественици. Cell Stem Cell. 2022;29:116-130.e7

[8] Iscove N, Melchers F. Пълно заместване на серума с албумин, трансферин и соеви липиди в култури от В-лимфоцити, реагиращи на липополизахариди. J Exp Med. 1978;147:923-33

[9] Stoll T, Muhlethaler K, von Stockar U, Marison I. Систематично усъвършенстване на химически дефинирана среда без протеини за растеж на хибридоми и производство на моноклонални антитела. J Biotechnol. 1996;45:111-23

[10] Darfler F. Среда без протеини за растеж на хибридоми и други клетки на имунната система. In Vitro Cell Dev Biol. 1990;26:769-78

[11] Barnes D, Sato G. Клетъчна култура без серум: обединяващ подход. Cell. 1980;22:649-55

[12] Hamilton W, Ham R. Клонален 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. Анализ на цитотоксичните ефекти на изложена на светлина културална среда, съдържаща HEPES. In Vitro Cell Dev Biol. 1985;21:282-7

[14] Бертоа И., Каценеленбоген Ж., Каценеленбоген Б. Фенол червено в средите за тъканни култури е слаб естроген: последствия за изследването на естроген-чувствителни клетки в култура. Proc Natl Acad Sci U S A. 1986;83:2496-500

[15] Karmiol S. Разработване на безсерумни среди. В: Master JRW, редактор. Клетъчна култура на животни, 3-то изд. Оксфорд: Oxford University Press; 2000.

[16] Perlman D. Използване на антибиотици в среди за клетъчни култури. Methods Enzymol. 1979;58:110-6

[17] McGarrity G. Разпространение и контрол на микоплазмена инфекция в клетъчни култури. In Vitro. 1976;12:643-8

[18] Мастърс Дж., Стейси Г. Смяна на средата и пасажиране на клетъчни линии. Nat Protoc. 2007;2:2276-84

[19] Chakraborty A, Laukka T, Myllykoski M, Ringel A, Booker M, Tolstorukov M и др. Хистоновата деметилаза KDM6A директно усеща кислорода, за да контролира хроматина и съдбата на клетката. Science. 2019;363:1217-1222

[20] Мола Каземиха В., Азари С., Аманзаде А., Бонакдар С., Шоджаеи Могадам М., Хабиби Анбухи М. и др. Ефективност на Plasmocin™ върху различни клетъчни линии на бозайници, инфектирани с моликути, в сравнение с често използвани антибиотици в клетъчни култури: местен опит. Cytotechnology. 2011;63:609-20

[21] Краг Хансен У. Молекулни аспекти на свързването на лиганда със серумния албумин. Pharmacol Rev. 1981;33:17-53

Установихме, че се намирате в друга държава или използвате друг език на браузъра, различен от избрания в момента. Искате ли да приемете предложените настройки?

Затвори