Medier til cellekultur: Et overblik

Inden for biovidenskab er en af de vigtigste metoder cellekultur. Udtagning af celler, væv eller organer fra et dyr eller en plante og efterfølgende implantation af disse celler, væv eller organer i et kunstigt miljø, der er gunstigt for deres overlevelse og/eller vækst, er det, der menes med udtrykket "cellekultur" De grundlæggende miljømæssige behov for optimal celleudvikling er kontrolleret temperatur, et substrat til cellevedhæftning, et passende vækstmedium og en inkubator, der opretholder den optimale pH og osmolalitet. Cellerne skal have disse betingelser for at kunne vokse til deres fulde potentiale.

Valget af et passende vækstmedium til in vitro-dyrkning er den fase i cellekulturen, der både er den mest kritiske og den mest afgørende. Et vækstmedie, også kendt som dyrkningsmedie, er en væske eller gel, der er formuleret til at fremme organismers udvikling i mikroskopisk, cellulær eller plantelignende skala. Mediet, der bruges til dyrkning af celler, indeholder ofte en tilstrækkelig forsyning af energi og stoffer, der styrer cellecyklussen. Hovedkomponenterne i et dyrkningsmedie omfatter aminosyrer, vitaminer, uorganiske salte, glukose og serum. Serummet tilsættes mediet, fordi det fungerer som en kilde til vækstfaktorer, hormoner og vedhæftningsfaktorer. Ud over at levere næringsstoffer bidrager mediet også til at opretholde pH- og osmolalitetsniveauer.

Typer af medier, der bruges i cellekultur

Både menneske- og dyreceller har potentiale til at blive dyrket i enten et kunstigt eller syntetisk medium eller et helt naturligt medium, der er suppleret med naturlige elementer. I det følgende giver vi dig et overblik over de forskellige medietyper, der er tilgængelige i øjeblikket.

Naturlige medier

Kun biologiske væsker, der findes i deres naturlige tilstand, kan findes i naturlige medier. Naturlige medier er meget nyttige og nemme at bruge til dyrkning af en lang række dyrecelletyper. Den manglende forståelse af de præcise komponenter, der indgår i naturlige medier, er den primære faktor, der bidrager til den lave repeterbarhed af resultater, der opnås ved hjælp af naturlige medier.

Kunstige medier

Fremstilling af kunstige eller syntetiske medier indebærer tilsætning af næringsstoffer (både organiske og uorganiske), serumproteiner, kulhydrater, cofaktorer, vitaminer og salte samt O2- og CO2-gasfaser [1].

Forskellige typer kunstige medier er blevet udviklet for at opfylde en eller flere af de følgende funktioner: 1) Umiddelbar overlevelse (en afbalanceret saltopløsning med en præcis pH-værdi og osmotisk tryk). 2) Langvarig overlevelse (en afbalanceret saltopløsning suppleret med forskellige formuleringer af organiske kemikalier og/eller serum). 3) Ubestemt udvikling. 4) Specialiserede funktioner.

Der er fire forskellige klassifikationer for kunstige medier:

Serumholdige medier

Den hyppigste form for tilskud, der findes i medier, der bruges til dyrkning af dyreceller, er føtalt bovint serum. Det tilsættes til dyrkningsmediet som et billigt supplement for at opnå de bedst mulige vækstbetingelser. Ud over at fungere som transportør eller chelator for næringsstoffer, der er ustabile eller uopløselige i vand, hormoner og vækstfaktorer, proteasehæmmere og andre stoffer, binder og neutraliserer serummet også skadelige molekyler.

Serumfrit medium

Tilstedeværelsen af serum i medierne har en række ulemper og har potentiale til at forårsage store fortolkningsfejl i immunologisk forskning [2, 3]. Der er blevet udviklet en række forskellige serumfri medier [4, 5]. Disse medier er generelt specifikt formuleret til at understøtte dyrkningen af en enkelt celletype, såsom Knockout Serum Replacement og Knockout DMEM fra Thermo Fisher Scientific, og mTESR medium fra Stem Cell Technologies [6], til stamceller [7].

Derudover indeholder disse medier definerede mængder af oprensede vækstfaktorer, lipoproteiner og andre proteiner, som ellers typisk leveres af serummet [8]. Disse medier omtales ofte som "definerede kulturmedier", da de komponenter, der udgør disse medier, er velkendte.

Kemisk definerede medier

Disse medier omfatter ultrarene uorganiske og organiske komponenter, der ikke er blevet forurenet af nogen form for kontaminering. De kan også indeholde rene proteintilsætninger som f.eks. vækstfaktorer.

den genetiske modifikation af bakterier eller gær sammen med tilsætning af bestemte fedtsyrer, vitaminer, kolesterol og aminosyrer resulterer i produktion af deres bestanddele [9].

Proteinfrie medier

Proteinfrie medier er dem, der slet ikke indeholder noget protein, men i stedet kun indeholder ikke-proteinelementer. Sammenlignet med medier med tilsat serum fremmer brugen af medier uden tilsat protein større celleproliferation og proteinudtryk og gør det lettere at oprense ethvert produkt, der genereres i en downstream-proces [10-12]. Protein er ikke inkluderet i formuleringer som MEM og RPMI-1640. Der kan dog gives et proteintilskud, hvis det er nødvendigt.

Kulturmedier og deres grundlæggende komponenter

Kommercielle dyrkningsmedier kan købes som pulver eller væske og indeholder ofte en række næringsstoffer som aminosyrer, glukose, salte, vitaminer og andre kosttilskud.

Behovene for disse komponenter er forskellige for hver cellelinje, og disse variationer er ansvarlige for det store antal forskellige formuleringer af medier. Hver komponent er ansvarlig for en bestemt funktion, som vil blive beskrevet i de følgende afsnit:

Buffersystemer

For at opretholde optimale vækstbetingelser skal pH-værdien kontrolleres, hvilket ofte sker ved hjælp af et af to buffersystemer:

Naturligt buffersystem

CO2/H2CO3-forholdet i atmosfæren er det samme som i mediet, hvilket skaber en naturlig buffermekanisme. For at bevare den naturlige buffermekanisme skal kulturer holdes i et luftmiljø med 5-10 % CO2, hvilket ofte opnås ved at bruge en CO2-inkubator. En af de bedste ting ved at bruge en naturlig buffer er, hvor billig og sikker den er.

HEPES

Kemisk buffering ved hjælp af zwitterionen HEPES har en større bufferkapacitet i pH-området 7,2-7,4 og behøver ikke et reguleret gasformigt miljø. For bestemte celletyper kan en større dosis HEPES være skadelig. Medier, der indeholder HEPES, er også meget mere modtagelige for de fototoksiske virkninger af fluorescerende lys [13].

Fenolrød

PH-indikatoren fenolrødt er ofte inkluderet i kommercielt tilgængelige dyrkningsmedier, hvilket giver mulighed for kontinuerlig overvågning af pH. Ved at udvide cellerne forårsager de metabolitter, der produceres af disse celler, et skift i pH og derfor en farveændring i mediet. Fenolrødt har en dobbelt effekt på et mediums farve, idet det bliver gult ved sur pH og lilla ved basisk pH. pH 7,4, den optimale værdi for cellekultur, får mediet til at fremstå fluorescerende rødt.

Men fenolrødt har et par ulemper: For det første er fenolrødt i stand til at simulere virkningen af en række steroidhormoner, primært østrogen [14]. Når man studerer østrogenfølsomme celler som brystvæv, anbefales det derfor at bruge et medium uden fenolrødt. Natrium-kalium-balancen forstyrres af tilstedeværelsen af fenolrødt i flere serumfrie formuleringer. Tilsætning af serum eller bovint hypofysehormon til mediet kan modvirke denne effekt [15]. For det tredje forhindres detektion i flowcytometriske eksperimenter af tilstedeværelsen af fenolrødt.

Uorganiske salte

Medier, der indeholder uorganiske salte, såsom natrium-, kalium- og calciumioner, hjælper med at opretholde den osmotiske ligevægt og regulere membranpotentialet.

Aminosyrer

Da aminosyrer er de grundlæggende komponenter i protein, er de en vigtig komponent i hvert eneste cellevækstmedie, der nogensinde er blevet udtænkt. Da celler ikke er i stand til selv at producere visse aminosyrer, er det vigtigt, at dyrkningsmediet indeholder essentielle aminosyrer. De er nødvendige for cellernes spredning, og den koncentration, de er til stede i, bestemmer den maksimale celletæthed, der kan opnås. Især L-glutamin, som er en essentiel aminosyre, er afgørende.

L-glutamin fungerer som en sekundær energikilde til stofskiftet og bidrager med nitrogen til produktionen af NAD, NADPH og nukleotider. Da L-glutamin er en ustabil aminosyre, der med tiden ændrer sig til en form, som cellerne ikke kan udnytte, skal den gives til mediet.

Desuden kan der tilføres ikke-essentielle aminosyrer til mediet for at genopbygge dem, der er blevet brugt op i løbet af vækstprocessen. Cellernes vækst boostes, og deres levedygtighed øges, når vækstmediet suppleres med ikke-essentielle aminosyrer.

Kulhydrater

Kulhydrater i form af sukkerarter er den vigtigste energikilde. Mange af medierne indeholder også maltose og fruktose ud over de mere almindelige sukkerarter glukose og galaktose.

Proteiner og peptider

Albumin, transferrin og fibronektin er de mest almindeligt anvendte proteiner og peptider. De er især vigtige i medier, der ikke indeholder serum. Albumin, transferrin, aprotinin, fetuin og fibronektin er nogle af de proteiner, der kan findes i serum, som er en rig kilde til protein.

Albumin er det primære protein i blodet, og dets funktion er at binde og transportere forskellige stoffer, herunder vand, salte, frie fedtsyrer, hormoner og vitaminer, mellem forskellige organer og celler. Albumins evne til at binde sig til kemikalier gør det til en effektiv kandidat til at fjerne skadelige forbindelser fra det medium, som cellerne dyrkes i.

Aprotinin er et beskyttende middel i cellekultursystemer, da det er stabilt ved neutral og sur pH samt modstandsdygtigt over for høje temperaturer og den ødelæggelse, der kan forårsages af proteolytiske enzymer. Det er i stand til at hæmme en række serinproteaser, herunder bl.a. trypsin.

Fetuin er et glykoprotein, der kan påvises i større mængder i serum fra fostre og nyfødte dyr sammenlignet med voksnes serum. Derudover fungerer det som en serinproteasehæmmer. Proteinet fibronektin er en vigtig komponent i processen med celleadhæsion. Transferrin er et protein, der transporterer jern og er ansvarlig for at levere jern til cellernes membraner.

Fedtsyrer og lipider

De spiller en afgørende rolle i det serumfrie medium, når der ikke er noget serum.

Vitaminer

Mange vitaminer er nødvendige for cellernes udvikling og spredning. Vitaminer kan ikke produceres i tilstrækkelige mængder af cellerne og er derfor vigtige i vævskulturer som kosttilskud.

I cellekulturer er serum den primære kilde til vitaminer, men medierne behandles også med forskellige vitaminer for at gøre dem egnede til en bestemt celletype. Typisk bruges B-vitaminerne til vækststimulering.

Sporstoffer

Kemiske elementer som kobber, zink, selen og tricarboxylsyreintermediater er kendt som sporstoffer. Sporstoffer tilsættes ofte til medier, der ikke indeholder serum, for at erstatte dem, der typisk er til stede i serum. Disse elementer er vigtige kemiske komponenter, som er nødvendige for en sund celleudvikling. Mange biokemiske reaktioner er afhængige af visse mikronæringsstoffer, f.eks. enzymaktivitet.

Medietilskud

Det fulde vækstmedie, der foreslås til visse cellelinjer, har brug for ekstra komponenter, som ikke findes i basismediet og serum. Disse kosttilskud understøtter cellevækst og passende metabolisk funktion.

Selvom hormoner, vækstfaktorer og signalmolekyler er afgørende for en passende spredning af bestemte cellelinjer, skal følgende forholdsregler altid tages: Da tilsætning af kosttilskud kan ændre osmolaliteten i det komplette vækstmedium, hvilket kan hæmme celleudviklingen, anbefales det altid at kontrollere osmolaliteten efter tilsætning af kosttilskud. For de fleste cellelinjer ligger den optimale osmolalitet mellem 260 og 320 mOSM/kg.

Antibiotika

Antibiotika bruges ofte til at hæmme udviklingen af bakterie- og svampeforureninger [16], selvom de ikke er afgørende for cellevækst. Da antibiotika kan skjule forurening med mycoplasma og resistente bakterier, anbefales det ikke at bruge dem rutinemæssigt til celledyrkning [17, 18].

Desuden kan antibiotika forstyrre metabolismen i overfølsomme celler. Penicillin-streptomycin-kombinationerne fra MilliporeSigma og Life Technologies bruges ofte. Plasmocin er blevet brugt til dyrkning af gliomcellelinjerne TS603, TS516 og BT260 (19), og det har vist sig at være effektivt til at fjerne mycoplasmaforurening (20).

Serum

Albuminer, vækstfaktorer og væksthæmmere er alle til stede i serum. Serum er en af de vigtigste komponenter i cellekulturmediet, fordi det indeholder aminosyrer, proteiner, vitaminer (især fedtopløselige vitaminer som A, D, E og K), kulhydrater, lipider, hormoner, vækstfaktorer, mineraler og sporstoffer.

Serum fra fostre og kalve anvendes ofte til at fremme udviklingen af dyrkede celler. Fosterserum er en rigelig kilde til vækstfaktorer og er velegnet til cellekloning og udvikling af følsomme celler. På grund af dets mindre vækstfremmende egenskaber anvendes kalveserum i kontaktinhiberingsforsøg. Normale vækstmedier indeholder ofte 2-10 % serum. Tilsætning af serum til dyrkningsmediet tjener følgende formål [21]:

  • Serummet leverer de essentielle næringsstoffer til cellerne (både i opløsning og bundet til proteiner).

  • Flere vækstfaktorer og hormoner, der er involveret i vækstfremme og specialiseret celleaktivitet, er inkluderet i serum.

  • Det indeholder mange bindende proteiner, som albumin og transferrin, der transporterer andre kemikalier ind i cellen. For eksempel leverer albumin fedtstoffer, vitaminer, hormoner osv. ind i cellerne.

  • Det indeholder også proteiner som fibronektin, der øger cellernes vedhæftning til underlaget. Derudover producerer det spredningselementer, der hjælper med celleudvidelse før deling.

  • Det leverer proteasehæmmere, som forhindrer proteolyse i cellerne.

  • Det indeholder også mineraler som Na+, K+, Zn2+ og Fe2+.

  • Det øger mediets viskositet og beskytter dermed cellerne mod mekanisk skade under omrøring af suspensionskulturen.

  • Det er også en buffer.

Referencer

[1] Morgan J, Morton H, Parker R. Ernæring af dyreceller i vævskultur; indledende undersøgelser af et syntetisk medium. Proc Soc Exp Biol Med. 1950;73:1-8

[2] Kerbel R, Blakeslee D. Hurtig adsorption af en føtal kalveserumkomponent af pattedyrsceller i kultur. En potentiel kilde til artefakter i undersøgelser af antisera mod cellespecifikke antigener. Immunology. 1976;31:881-91

[3] Sula K, Draber P, Nouza K. Tilsætning af serum til det medium, der anvendes til fremstilling af cellesuspensioner, som en mulig kilde til artefakter i cellemedierede reaktioner undersøgt ved hjælp af den popliteale lymfeknudetest. J Immunogenet. 1980;7:483-9

[4] Mariani E, Mariani A, Monaco M, Lalli E, Vitale M, Facchini A. Kommercielle serumfrie medier: vækst af hybridomer og produktion af monoklonale antistoffer. J Immunol Methods. 1991;145:175-83

[5] Barnes D, Sato G. Metoder til vækst af dyrkede celler i serumfrit medium. Anal Biochem. 1980;102:255-70

[6] Yu H, Lu S, Gasior K, Singh D, Vazquez Sanchez S, Tapia O,et al. HSP70 chaperoner RNA-fri TDP-43 ind i anisotropiske intranukleare flydende sfæriske skaller. Videnskab. 2021;371:

[7] Meharena H, Marco A, Dileep V, Lockshin E, Akatsu G, Mullahoo J,et al. Down-syndrome-induceret senescens forstyrrer den nukleare arkitektur af neurale progenitorer. Cell Stem Cell. 2022;29:116-130.e7

[8] Iscove N, Melchers F. Fuldstændig erstatning af serum med albumin, transferrin og sojabønne-lipid i kulturer af lipopolysaccharid-reaktive B-lymfocytter. J Exp Med. 1978;147:923-33

[9] Stoll T, Muhlethaler K, von Stockar U, Marison I. Systematisk forbedring af et kemisk defineret proteinfrit medium til vækst af hybridomer og produktion af monoklonale antistoffer. J Biotechnol. 1996;45:111-23

[10] Darfler F. Et proteinfrit medium til vækst af hybridomer og andre celler i immunsystemet. In Vitro Cell Dev Biol. 1990;26:769-78

[11] Barnes D, Sato G. Serumfri cellekultur: en samlende tilgang. Cell. 1980;22:649-55

[12] Hamilton W, Ham R. Klonal vækst af cellelinjer fra kinesisk hamster i proteinfrie medier. In Vitro. 1977;13:537-47

[13] Zigler J, Lepe Zuniga J, Vistica B, Gery I. Analyse af de cytotoksiske virkninger af lyseksponeret HEPES-holdigt kulturmedium. In Vitro Cell Dev Biol. 1985;21:282-7

[14] Berthois Y, Katzenellenbogen J, Katzenellenbogen B. Fenolrødt i vævskulturmedier er et svagt østrogen: implikationer vedrørende studiet af østrogenresponsive celler i kultur. Proc Natl Acad Sci U S A. 1986;83:2496-500

[15] Karmiol S. Udvikling af serumfrie medier. In: Master JRW, editor. Animal Cell culture, 3. udgave. Oxford:Oxford University Press; 2000.

[16] Perlman D. Brug af antibiotika i cellekulturmedier. Methods Enzymol. 1979;58:110-6

[17] McGarrity G. Spredning og kontrol af mykoplasmainfektion i cellekulturer. In Vitro. 1976;12:643-8

[18] Masters J, Stacey G. Changing medium and passaging cell lines. Nat Protoc. 2007;2:2276-84

[19] Chakraborty A, Laukka T, Myllykoski M, Ringel A, Booker M, Tolstorukov M,et al. Histone demethylase KDM6A senses directly 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. Cytotechnology. 2011;63:609-20

[21] Kragh Hansen U. Molekylære aspekter af ligandbinding til serumalbumin. Pharmacol Rev. 1981;33:17-53

Vi har opdaget, at du befinder dig i et andet land eller bruger et andet browsersprog end det, der er valgt i øjeblikket. Vil du acceptere de foreslåede indstillinger?

Luk