Rakukultuurikeskkond: Ülevaade

Bioteaduste valdkonnas on üks olulisemaid meetodeid rakukultuur. Rakkude, kudede või elundite eemaldamine loomalt või taimelt ja nende rakkude, kudede või elundite hilisem siirdamine kunstlikku keskkonda, mis on nende ellujäämiseks ja/või kasvuks soodne, on see, mida mõeldakse väljendi "rakukultuur" all Rakkude optimaalse arengu põhilised keskkonnavajadused on kontrollitud temperatuur, substraat rakkude kinnitumiseks, sobiv kasvusubstraat ja inkubaator, mis säilitab optimaalse pH ja osmolaalsuse. Rakkudel peavad olema need tingimused, et nad saaksid kasvada täies ulatuses.

In vitro kasvatamiseks sobiva kasvusubstraadi valik on rakukultuuri kõige kriitilisem ja olulisem etapp. Kasvukeskkond, mida nimetatakse ka kasvukeskkonnaks, on vedelik või geel, mis on koostatud organismide arengu soodustamiseks mikroskoopilisel, rakulisel või taimede tasandil. Rakkude kasvatamiseks kasutatav kasvusöötme sisaldab sageli piisavat energiavarustust ja aineid, mis kontrollivad rakutsüklit. Kultuurkeskkonna peamised komponendid on aminohapped, vitamiinid, anorgaanilised soolad, glükoos ja seerum. Seerum lisatakse söötmesse, sest see toimib kasvufaktorite, hormoonide ja kinnistumisfaktori allikana. Lisaks toitainete pakkumisele aitab söötme keskkond säilitada ka pH ja osmolaalsuse taset.

Rakukultuuris kasutatavad söötme tüübid

Nii inimese kui ka loomade rakke on võimalik kasvatada kas kunstlikus või sünteetilises söötmes või täielikult looduslikus söötmes, mida on täiendatud looduslike elementidega. Järgnevalt anname ülevaate erinevatest praegu kättesaadavatest söötme tüüpidest.

Looduslikud söötmed

Looduslikes keskkondades võib leida ainult bioloogilisi vedelikke, mis eksisteerivad loomulikus olekus. Looduslikud meediumid on väga kasulikud ja lihtsad paljude erinevate loomsete rakutüüpide kasvatamiseks. Puudulik arusaam sellest, millistest komponentidest täpselt looduslikud meediumid koosnevad, on peamine tegur, mis aitab kaasa looduslikke meediume kasutades saadud tulemuste vähesele korratavusele.

Kunstlikud söötmed

Kunstlike või sünteetiliste keskkondade valmistamine hõlmab toitainete (nii orgaaniliste kui ka anorgaaniliste), seerumivalkude, süsivesikute, kofaktorite, vitamiinide ja soolade, samuti O2- ja CO2-gaasifaaside lisamist [1].

On välja töötatud mitmesuguseid kunstlikke keskkondi, et täita ühte või mitut järgmistest funktsioonidest: 1) kohene ellujäämine (tasakaalustatud soolalahus, millel on täpne pH ja osmootiline rõhk). 2) Pikaajaline ellujäämine (tasakaalustatud soolalahus, mida on täiendatud orgaaniliste kemikaalide ja/või seerumi erinevate preparaatidega). 3) Piiramatu areng. 4) Spetsialiseeritud funktsioonid.

Kunstlike keskkondade puhul on neli erinevat klassifikatsiooni:

Seerumit sisaldav keskkond

Kõige sagedamini leidub loomarakkude kasvatamiseks kasutatavas söötmes lisandeid, milleks on veise loote seerum (fetal bovine serum). Seda lisatakse kasvukeskkonda odava lisana, et saavutada parimad võimalikud kasvutingimused. Lisaks sellele, et seerum toimib ebastabiilsete või vees mittelahustuvate toitainete, hormoonide ja kasvufaktorite, proteaasi inhibiitorite ja muude ainete transporterina või kelaatorina, seob seerum ka kahjulikke molekule ja neutraliseerib neid.

Seerumivaba keskkond

Seerumi sisaldusel keskkondades on mitmeid puudusi ja see võib põhjustada suuri tõlgendusvigu immunoloogilistes uuringutes [2, 3]. On loodud mitmesuguseid erinevaid seerumivabu keskkondi [4, 5]. Need meediumid on tavaliselt spetsiaalselt koostatud ühe rakutüübi kasvatamise toetamiseks, näiteks Thermo Fisher Scientific'i Knockout Serum Replacement ja Knockout DMEM ning Stem Cell Technologies'i mTESR meedium [6] tüvirakkude jaoks [7].

Lisaks sisaldavad need söötmed kindlaksmääratud kogustes puhastatud kasvufaktoreid, lipoproteiine ja muid valke, mida muidu tavaliselt annab seerum [8]. Neid keskkondi nimetatakse sageli "määratletud kultuurikeskkonnaks", kuna nende komponentide koostis on hästi teada.

Keemiliselt määratletud keskkond

Need söötmed sisaldavad ülipuhtaid anorgaanilisi ja orgaanilisi komponente, mis ei ole saastunud mingi saasteainega. Need võivad sisaldada ka puhtaid valgulisandeid, näiteks kasvufaktoreid.

bakterite või pärmi geneetiline muundamine koos teatavate rasvhapete, vitamiinide, kolesterooli ja aminohapete lisamisega annab tulemuseks nende komponentide tootmise [9].

Valguvabad söötmed

Valguvabad söötmed on need, mis ei sisalda üldse valke, vaid ainult mittevalgulisi elemente. Võrreldes lisatud seerumit sisaldavate keskkondadega soodustab valgu lisamata keskkondade kasutamine rakkude suuremat paljunemist ja valkude ekspressiooni ning lihtsustab järgneva protsessi käigus tekkivate toodete puhastamist [10-12]. Valgu ei sisaldu sellistes preparaatides nagu MEM ja RPMI-1640. Vajaduse korral võib siiski manustada valgu lisandit.

Kultuurikeskkond ja selle põhikomponendid

Kommertskultuurikeskkonda võib osta pulbri või vedelikuna ja see sisaldab sageli mitmesuguseid toitaineid, nagu aminohappeid, glükoosi, soolasid, vitamiine ja muid toidulisandeid.

Vajadused nende komponentide järele on iga rakuliini puhul erinevad ja need erinevused põhjustavad meediumide suure hulga erinevate koostiste olemasolu. Iga komponent vastutab teatud funktsiooni eest, mida kirjeldatakse järgmistes lõigetes:

Puhvrisüsteemid

Optimaalsete kasvutingimuste säilitamiseks tuleb pH-d reguleerida, mida sageli tehakse ühega kahest puhversüsteemist:

Looduslik puhverdussüsteem

CO2/H2CO3 suhe atmosfääris on võrdne keskkonna suhtega, mis loob loomuliku puhvrimehhanismi. Loomuliku puhvrimehhanismi säilitamiseks tuleb kultuure hoida 5-10% CO2 sisaldavas õhukeskkonnas, mis saavutatakse sageli CO2-inkubaatori abil. Üks parimaid asju loodusliku puhvri kasutamise juures on see, kui odav ja ohutu see on.

HEPES

Keemiline puhverdamine tvitteriooni HEPES abil on suurema puhverdamisvõimega pH-vahemikus 7,2-7,4 ja ei vaja reguleeritud gaasilist keskkonda. Teatud rakutüüpide puhul võib suurem HEPESi annus olla kahjulik. Samuti on HEPESi sisaldav keskkond palju tundlikum fluorestseeriva valguse fototoksilise mõju suhtes [13].

Fenoolpunane

Kaubanduslikult saadaolevas kultuurkeskkonnas kasutatakse sageli pH-indikaatorit fenoolpunast, mis võimaldab pH pidevat jälgimist. Rakkude laienedes põhjustavad nende rakkude poolt toodetud metaboliidid pH muutuse ja seega ka keskkonna värvuse muutuse. Fenoolpunasel on kahekordne mõju söötme värvusele, muutes selle happelise pH korral kollaseks ja aluselise pH korral lillaks. pH 7,4, mis on rakukultuuride jaoks optimaalne väärtus, põhjustab söötme fluorestseeruva punase värvuse.

Kuid fenoolpunasel on mõned puudused: Esiteks suudab fenoolpunane simuleerida mitmete steroidhormoonide, eelkõige östrogeeni toimimist [14]. Seetõttu soovitatakse östrogeenitundlike rakkude, näiteks rinnakoe uurimisel kasutada fenoolpunast vaba söötme. Naatrium-kaaliumi tasakaalu häirib fenoolpunase olemasolu mitmetes seerumivabades preparaatides. Seerumi või veiste hüpofüüsihormooni lisamine söötmesse võib sellele mõjule vastu töötada [15]. Kolmandaks takistab fenoolpunase olemasolu tuvastamist voolutsütomeetrilistes katsetes.

Anorgaanilised soolad

Anorgaanilisi soolasid, nagu naatrium-, kaalium- ja kaltsiumiioonid, sisaldav keskkond aitab säilitada osmootilist tasakaalu ja reguleerida membraanipotentsiaali.

Aminohapped

Kuna aminohapped on valkude põhikomponendid, on nad iga kunagi loodud rakukasvatussubstraadi oluline koostisosa. Kuna rakud ei suuda teatud aminohappeid ise toota, on oluline, et kasvukeskkond sisaldaks asendamatuid aminohappeid. Need on vajalikud rakkude paljunemiseks ja nende sisaldus määrab maksimaalse rakutiheduse, mida on võimalik saavutada. Eriti oluline on L-glutamiin, mis on asendamatu aminohape.

L-glutamiin toimib ainevahetuse sekundaarse energiaallikana ja aitab kaasa lämmastiku tootmisele NAD, NADPH ja nukleotiidide tootmiseks. Kuna L-glutamiin on ebastabiilne aminohape, mis aja jooksul muutub selliseks, mida rakud ei suuda kasutada, tuleb seda anda keskkonda.

Lisaks võib söötmesse anda mitteolulisi aminohappeid, et täiendada neid, mis on kasvuprotsessi jooksul ära kasutatud. Rakkude kasv hoogustub ja nende elujõulisus suureneb, kui kasvukeskkonda lisatakse mitteolemuslikke aminohappeid.

Süsivesikud

Süsivesikud suhkrute kujul on peamine energiaallikas. Paljud kasvukeskkonnad sisaldavad lisaks tavalisematele suhkrutele glükoosile ja galaktoosile ka maltoosi ja fruktoosi.

Valgud ja peptiidid

Albumiin, transferriin ja fibronektiin on kõige sagedamini kasutatavad valgud ja peptiidid. Need on eriti olulised keskkondades, mis ei sisalda seerumit. Albumiin, transferriin, aprotiniin, fetuiin ja fibronektiin on mõned valgud, mida võib leida seerumis, mis on valgurikas varu.

Albumiin on peamine veres leiduv valk, mille ülesanne on siduda ja transportida erinevaid aineid, sealhulgas vett, soolasid, vabu rasvhappeid, hormoone ja vitamiine erinevate organite ja rakkude vahel. Albumiini võime seonduda kemikaalidega muudab selle tõhusaks kandidaadiks kahjulike ühendite eemaldamiseks keskkonnas, milles rakke kasvatatakse.

Aprotiniin on kaitsevahend rakukultuurisüsteemides, kuna see on stabiilne neutraalses ja happelises pH-s, samuti vastupidav kõrgetele temperatuuridele ja proteolüütiliste ensüümide poolt põhjustatud hävitamisele. See on võimeline inhibeerima mitmeid seriinproteaase, sealhulgas muu hulgas trüpsiini.

Fetuiin on glükoproteiin, mida võib loote- ja vastsündinute seerumis tuvastada suuremates kogustes kui täiskasvanud loomade seerumis. Lisaks sellele toimib see seriinproteaasi inhibiitorina. Fibronektiin on oluline komponent rakkude adhesiivsuse protsessis. Transferriin on valk, mis transpordib rauda ja vastutab raua toimetamise eest rakumembraanidele.

Rasvhapped ja lipiidid

Neil on oluline roll seerumivabas keskkonnas, kui seerum puudub.

Vitamiinid

Arvukad vitamiinid on vajalikud rakkude arenguks ja paljunemiseks. Vitamiine ei saa rakud ise piisavas koguses toota ja seetõttu on need koekultuuris olulised toidulisanditena.

Rakukultuuris on esmane vitamiinide allikas seerum; siiski töödeldakse söötmeid ka erinevate vitamiinidega, et muuta need konkreetsele rakutüübile sobivaks. Kõige tüüpilisemalt kasutatakse B-rühma vitamiine kasvu stimuleerimiseks.

Mikroelemendid

Keemilisi elemente, nagu vask, tsink, seleen ja trikarboksüülhappe vaheühendid, nimetatakse mikroelementideks. Mikroelemente lisatakse sageli keskkonda, mis ei sisalda seerumit, et asendada neid elemente, mis tavaliselt on seerumis olemas. Need elemendid on olulised keemilised komponendid, mis on vajalikud rakkude tervislikuks arenguks. Paljud biokeemilised reaktsioonid sõltuvad teatud mikrotoitainetest, näiteks ensüümide aktiivsus.

Keskkonnaallikate lisandid

Teatavate rakuliinide jaoks soovitatud täielik kasvukeskkond vajab lisakomponente, mis puuduvad baaskeskkonnas ja seerumis. Need toidulisandid toetavad rakkude kasvu ja asjakohast ainevahetuse toimimist.

Kuigi hormoonid, kasvufaktorid ja signaalimolekulid on teatud rakuliinide asjakohase paljunemise jaoks olulised, tuleb alati järgida järgmisi ettevaatusabinõusid: Kuna toidulisandite lisamine võib muuta täieliku kasvusöötme osmolaalsust, mis võib pärssida rakkude arengut, on alati soovitatav kontrollida osmolaalsust pärast toidulisandite lisamist. Enamiku rakuliinide puhul jääb optimaalne osmolaalsus vahemikku 260-320 mOSM/kg.

Antibiootikumid

Antibiootikume kasutatakse sageli bakteriaalsete ja seenhaiguste arengu pärssimiseks [16], kuigi need ei ole rakkude kasvuks hädavajalikud. Kuna antibiootikumid võivad varjata saastumist mükoplasma ja resistentsete bakteritega, ei soovitata nende rutiinset kasutamist rakukultuuride puhul [17, 18].

Lisaks võivad antibiootikumid häirida ülitundlike rakkude ainevahetust. Sageli kasutatakse MilliporeSigma ja Life Technologies'i toodetud penitsilliini ja streptomütsiini kombinatsioone. Plasmotsiini on kasutatud glioomi rakuliinide TS603, TS516 ja BT260 kasvatamisel [19] ning see on osutunud tõhusaks mükoplasmakontaminatsiooni eemaldamisel (20).

Seerum

Seerumis leidub albumiini, kasvufaktoreid ja kasvu inhibiitoreid. Seerum on rakukultuurisöötme üks olulisemaid komponente, sest see sisaldab aminohappeid, valke, vitamiine (eriti rasvlahustuvaid vitamiine nagu A, D, E ja K), süsivesikuid, lipiide, hormoone, kasvufaktoreid, mineraalaineid ja mikroelemente.

Kultiveeritud rakkude arengu soodustamiseks kasutatakse sageli loote- ja vasikaveise seerumit. Loote seerum sisaldab rohkesti kasvufaktoreid ja sobib rakkude kloonimiseks ja tundlike rakkude arendamiseks. Vähenenud kasvu soodustavate omaduste tõttu kasutatakse vasikaseerumit kontaktide inhibeerimise katsetes. Tavalised kasvukeskkonnad sisaldavad sageli 2% kuni 10% seerumit. Seerumi lisamine kasvukeskkonda teenib järgmisi eesmärke [21]:

  • Seerum annab rakkudele vajalikke toitaineid (nii lahusena kui ka valkudega seotud).

  • Seerumis sisalduvad mitmed kasvufaktorid ja hormoonid, mis on seotud kasvu edendamise ja rakkude spetsialiseeritud aktiivsusega.

  • See pakub palju seonduvaid valke, nagu albumiin ja transferriin, mis transpordivad teisi kemikaale rakku. Näiteks albumiin toimetab rakkudesse rasvu, vitamiine, hormoone jne.

  • Samuti pakub see valke, nagu fibronektiin, mis suurendavad rakkude adhesiivsust substraadi külge. Lisaks sellele toodab see levituselemendid, mis aitavad kaasa raku laienemisele enne jagunemist.

  • See annab proteaasi inhibiitoreid, mis takistavad rakkude proteolüüsi.

  • See sisaldab ka mineraalaineid, nagu Na+, K+, Zn2+ ja Fe2+.

  • See suurendab söötme viskoossust, kaitstes seega rakke mehaaniliste vigastuste eest suspensioonikultuuri liigutamise ajal.

  • See on ka puhver.

Viited

[1] Morgan J, Morton H, Parker R. Nutrition of animal cells in tissue culture; initial studies on a synthetic medium. Proc Soc Exp Biol Med. 1950;73:1-8

[2] Kerbel R, Blakeslee D. Loote vasikaseerumi komponendi kiire adsorptsioon imetajarakkude kultuuris. Võimalik artefaktide allikas rakuspetsiifiliste antigeenide antiseerumite uuringutes. Immunology. 1976;31:881-91

[3] Sula K, Draber P, Nouza K. Seerumi lisamine rakususpensioonide valmistamiseks kasutatavale söötmele kui võimalik artefaktide allikas rakuvahendatud reaktsioonides, mida uuritakse popliteaalsete lümfisõlmede testiga. J Immunogenet. 1980;7:483-9

[4] Mariani E, Mariani A, Monaco M, Lalli E, Vitale M, Facchini A. Kaubanduslikud seerumivabad söötmed: hübriidoomide kasv ja monoklonaalsete antikehade tootmine. J Immunol Methods. 1991;145:175-83

[5] Barnes D, Sato G. Kultuuritud rakkude kasvatamise meetodid seerumivabas keskkonnas. Anal Biochem. 1980;102:255-70

[6] Yu H, Lu S, Gasior K, Singh D, Vazquez Sanchez S, Tapia O,et al. HSP70 chaperoneerib RNA-vaba TDP-43 anisotroopsetesse intranukleaarsetesse vedeliku sfäärilistesse kestadesse. Science. 2021;371:

[7] Meharena H, Marco A, Dileep V, Lockshin E, Akatsu G, Mullahoo J,et al. Down-sündroomi põhjustatud vananemine häirib neuronaalsete progenitoride tuumaarhitektuuri. Cell Stem Cell. 2022;29:116-130.e7

[8] Iscove N, Melchers F. Seerumi täielik asendamine albumiini, transferriini ja sojalipidiga lipopolüsahhariidiga reageerivate B-lümfotsüütide kultuurides. J Exp Med. 1978;147:923-33

[9] Stoll T, Muhlethaler K, von Stockar U, Marison I. Hübriidoomide kasvu ja monoklonaalsete antikehade tootmise keemiliselt määratletud valguvaba söötme süstemaatiline täiustamine. J Biotechnol. 1996;45:111-23

[10] Darfler F. Valguvaba keskkond hübriidoomade ja teiste immuunsüsteemi rakkude kasvatamiseks. In Vitro Cell Dev Biol. 1990;26:769-78

[11] Barnes D, Sato G. Seerumivaba rakukultuur: ühendav lähenemisviis. Cell. 1980;22:649-55

[12] Hamilton W, Ham R. Hiina hamsteri rakuliinide klooniline kasv valguvabas keskkonnas. In Vitro. 1977;13:537-47

[13] Zigler J, Lepe Zuniga J, Vistica B, Gery I. Valgusega eksponeeritud HEPES-i sisaldava kasvukeskkonna tsütotoksilise toime analüüs. In Vitro Cell Dev Biol. 1985;21:282-7

[14] Berthois Y, Katzenellenbogen J, Katzenellenbogen B. Fenoolpunane koekultuurikeskkonnas on nõrk östrogeen: mõju östrogeenile reageerivate rakkude uurimisele kultuuris. Proc Natl Acad Sci U S A. 1986;83:2496-500

[15] Karmiol S. Seerumivaba keskkonna arendamine. In: Master JRW, editor. Animal Cell culture, 3rd ed. Oxford: Oxford University Press; 2000.

[16] Perlman D. Antibiootikumide kasutamine rakukultuurikeskkondades. Methods Enzymol. 1979;58:110-6

[17] McGarrity G. Mükoplasmainfektsiooni levik ja kontroll rakukultuurides. In Vitro. 1976;12:643-8

[18] Masters J, Stacey G. Keskkonna muutmine ja rakuliinide passageerimine. Nat Protoc. 2007;2:2276-84

[19] Chakraborty A, Laukka T, Myllykoski M, Ringel A, Booker M, Tolstorukov M,et al. Histoondemetülaas KDM6A tajub otseselt hapnikku, et kontrollida kromatiini ja raku saatust. Science. 2019;363:1217-1222

[20] Molla Kazemiha V, Azari S, Amanzadeh A, Bonakdar S, Shojaei Moghadam M, Habibi Anbouhi M,et al. Plasmocin™ tõhusus erinevatel mollikute poolt nakatunud imetajate rakuliinidel võrreldes tavaliselt kasutatavate antibiootikumidega rakukultuuris: kohalik kogemus. Cytotechnology. 2011;63:609-20

[21] Kragh Hansen U. Seerumi albumiiniga seonduvate ligandide molekulaarsed aspektid. Pharmacol Rev. 1981;33:17-53

Oleme tuvastanud, et asute teises riigis või kasutate hetkel valitud keelest erinevat brauseri keelt. Kas soovite nõustuda soovitatud seadistustega?

Sulge