Mine kodulehele

Rakukultuurikeskkonnad: ülevaade

Eluteaduste valdkonnas on üks olulisemaid meetodeid rakukultuur. Mõiste „rakukultuur” tähendab rakkude, kudede või organite eemaldamist loomalt või taimelt ning nende rakkude, kudede või organite järgnevat siirdamist kunstlikku keskkonda, mis soodustab nende ellujäämist ja/või kasvu. Rakkude optimaalse arengu põhilised keskkonnatingimused on reguleeritud temperatuur, substraat rakkude kinnitumiseks, sobiv kasvukeskkond ning inkubaator, mis hoiab optimaalset pH-taset ja osmolalisust. Rakud vajavad neid tingimusi, et kasvada oma täieliku potentsiaali ulatuses.

Sobiva kasvukeskkonna valik in vitro kasvatamiseks on rakukultuuri protsessis kõige kriitilisem ja olulisem etapp. Kasvukeskkond, mida nimetatakse ka kultuurikeskkonnaks, on vedelik või geel, mis on koostatud soodustama organismide arengut mikroskoopilisel, rakulisel või taimelaadsel tasandil. Rakukultuuri kasvatamiseks kasutatav keskkond sisaldab sageli piisavat energiavarustust ja aineid, mis reguleerivad rakutsüklit. Kultuurikeskkonna peamised koostisosad on aminohapped, vitamiinid, anorgaanilised soolad, glükoos ja seerum. Seerum lisatakse keskkonnale, kuna see toimib kasvufaktorite, hormoonide ja kinnitumisfaktorite allikana. Lisaks toitainete pakkumisele aitab keskkond kaasa ka pH-taseme ja osmolalisuse säilitamisele.

Rakukultuuris kasutatavad keskkonna tüübid

Nii inim- kui ka loomarakke on võimalik kasvatada kas kunstlikus või sünteetilises keskkonnas või täiesti looduslikus keskkonnas, mida on täiendatud looduslike elementidega. Järgnevalt anname ülevaate erinevatest praegu kättesaadavatest keskkonnatüüpidest.

Looduslikud kasvukeskkonnad

Looduslikes kasvukeskkondades leidub ainult looduslikus olekus esinevaid bioloogilisi vedelikke. Looduslikud kasvukeskkonnad on väga kasulikud ja lihtsad mitmesuguste loomarakutüüpide kasvatamiseks. Looduslikke kasvukeskkondi moodustavate täpsete komponentide puudulik mõistmine on peamine tegur, mis mõjutab looduslike kasvukeskkonna kasutamisel saadud tulemuste madalat korratavust.

Kunstlikud kasvukeskkonnad

Kunstlike või sünteetiliste kasvukeskkonna valmistamisel lisatakse toitaineid (nii orgaanilisi kui ka anorgaanilisi), seerumvalke, süsivesikuid, kofaktoreid, vitamiine ja sooli, samuti O₂ ja CO₂ gaasifaase [1].

On välja töötatud mitmesuguseid kunstlikke kasvukeskkondi, et täita ühte või mitut järgmistest funktsioonidest: 1) Vahetu ellujäämine (tasakaalustatud soolalahus täpse pH-väärtuse ja osmootse rõhuga). 2) Pikendatud ellujäämine (tasakaalustatud soolalahus, millele on lisatud erinevaid orgaaniliste kemikaalide ja/või seerumi koostisi). 3) Piiramatu areng. 4) Spetsiifilised funktsioonid.

Kunstlikud kasvukeskkonnad jagunevad neljaks erinevaks klassiks:

Seerumit sisaldavad keskkonnad

Loomarakkude kasvatamiseks kasutatavates keskkondades leiduvaim lisand on veise loote seerum. Seda lisatakse kultuurikeskkonnale odava lisandina, et saavutada parimad võimalikud kasvutingimused. Lisaks sellele, et seerum toimib ebastabiilsete või vees lahustumatute toitainete, hormoonide ja kasvufaktorite, proteaasi inhibiitorite ning muude ainete transportijana või kelaatorina, seob ja neutraliseerib see ka kahjulikke molekule.

Seerumivaba kasvukeskkond

Seerumi olemasolul keskkonnas on mitmeid puudusi ning see võib põhjustada suuri tõlgendusvigu immunoloogilistes uuringutes [2, 3]. On loodud mitmesuguseid seerumivabasid keskkondi [4, 5]. Need kasvukeskkonnad on üldjuhul spetsiaalselt koostatud ühe rakutüübi kultiveerimiseks, näiteks Thermo Fisher Scientificu tooted „Knockout Serum Replacement“ ja „Knockout DMEM“ ning Stem Cell Technologiesi mTESR-kasvukeskkond [6] tüvirakkude jaoks [7].

Lisaks sisaldavad need keskkonnad kindlaksmääratud koguseid puhastatud kasvufaktoreid, lipoproteiine ja muid valke, mida muidu tavaliselt annab seerum [8]. Neid keskkondi nimetatakse sageli „määratletud kultuurikeskkondadeks”, kuna nende koostisosad on hästi teada.

Keemiliselt määratletud kasvukeskkonnad

Need keskkonnad sisaldavad ülipuhasteid anorgaanilisi ja orgaanilisi komponente, mida ei ole saastanud mingisugune saaste. Need võivad sisaldada ka puhtaid valkude lisandeid, näiteks kasvufaktoreid.

 Bakterite või pärmi geneetiline modifitseerimine koos teatud rasvhapete, vitamiinide, kolesterooli ja aminohapete lisamisega viib nende koostisosade tootmiseni [9].

Valguvabad kasvukeskkonnad

Valguvabad kasvukeskkonnad on sellised, mis ei sisalda üldse valku, vaid ainult valguväliseid elemente. Võrreldes seerumilisandiga kasvukeskkondadega soodustab valguvaba keskkonna kasutamine suuremat rakkude paljunemist ja valgu ekspressiooni ning hõlbustab järgnevas protsessis tekkinud toote puhastamist [10–12]. Valgu ei sisaldu sellistes koostistes nagu MEM ja RPMI-1640. Vajaduse korral võib siiski manustada valgu lisandit.

Kasvatuskeskkond ja selle põhikomponendid

Kaubanduslikku kultuurikeskkonna saab osta pulbri või vedeliku kujul ning see sisaldab sageli mitmesuguseid toitaineid, nagu aminohapped, glükoos, soolad, vitamiinid ja muud toidulisandid. 

Nende komponentide vajadus on iga rakuliini puhul erinev ning need erinevused on põhjuseks, miks on olemas nii palju erinevaid kasvukeskkonna koostisi. Igal komponendil on oma kindel funktsioon, mida kirjeldatakse järgmistes lõikudes:

Puhversüsteemid

Optimaalsete kasvutingimuste säilitamiseks tuleb reguleerida pH-väärtust, mida tehakse sageli ühe kahest puhverdamissüsteemist:

Looduslik puhverdamissüsteem

CO₂/H₂CO₃ suhe atmosfääris on võrdne sellega, mis on kasvukeskkonnas, luues loodusliku puhvermehhanismi. Selle loodusliku puhvermehhanismi säilitamiseks tuleb kultuure hoida õhukeskkonnas, kus CO₂ sisaldus on 5–10%, mida saavutatakse sageli CO₂-inkubaatori abil. Loodusliku puhvri kasutamise üks suurimaid eeliseid on selle odavus ja ohutus.

HEPES

Zwitterioonil HEPES põhinev keemiline puhverdamine omab suuremat puhverdamisvõimet pH-vahemikus 7,2–7,4 ega vaja reguleeritud gaasikeskkonda. Teatavate rakutüüpide puhul võib suurem HEPES-i annus olla kahjulik. HEPES-i sisaldavad kasvukeskkonnad on samuti palju tundlikumad fluorestsentsvalguse fototoksilise mõju suhtes [13].

Fenoolpunane

pH-indikaator fenoolpunane on sageli lisatud kaubanduslikult kättesaadavatesse kultuurikeskkondadesse, võimaldades pH-väärtuse pidevat jälgimist. Rakude paljunemisel põhjustavad nende poolt toodetud metaboliidid pH-väärtuse muutust ja seega ka keskkonna värvimuutust. Fenoolpunasel on keskkonna värvile kahepoolne mõju: happelise pH juures muutub see kollaseks ja aluselise pH juures lillaks. pH 7,4, mis on rakukultuuri jaoks optimaalne väärtus, muudab keskkonna fluorestsentspunaseks.

Kuid fenoolpunasel on mõned puudused: esiteks suudab fenoolpunane imiteerida mitmete steroidhormoonide, eelkõige östrogeeni toimet [14]. Seetõttu soovitatakse östrogeenitundlike rakkude, nagu rinnakoe, uurimisel kasutada fenoolpunast mittesisaldavat kasvatuskeskkonda. Mitmes seerumivabas koostises häirib fenoolpunase olemasolu naatrium-kaaliumi tasakaalu. Selle mõju võib neutraliseerida, lisades keskkonnale seerumit või veise hüpofüüsi hormooni [15]. Kolmandaks takistab fenoolpunase olemasolu tuvastamist voolutsütomeetrilistes katsetes.

Anorgaanilised soolad

Anorgaanilisi sooli, nagu naatrium-, kaalium- ja kaltsiumioone, sisaldavad kasvukeskkonnad aitavad säilitada osmootilist tasakaalu ja reguleerida membraanipotentsiaali.

Aminohapped

Kuna aminohapped on valkude põhikomponendid, on need oluline osa igast kunagi välja töötatud rakukasvatuskeskkonnast. Kuna rakud ei suuda teatud aminohappeid ise toota, on oluline, et kultuurikeskkonnas oleksid olemas asendamatud aminohapped. Need on vajalikud rakkude paljunemiseks ning nende kontsentratsioon määrab ära maksimaalse saavutatava rakutiheduse. Eriti oluline on asendamatu aminohape L-glutamiin.

L-glutamiin toimib ainevahetuse teisese energiaallikana ja annab lämmastikku NAD-i, NADPH-i ja nukleotiidide tootmiseks. Kuna L-glutamiin on ebastabiilne aminohape, mis aja jooksul muutub vormiks, mida rakud ei suuda ära kasutada, tuleb seda kasvukeskkonnale lisada.

Lisaks võib kasvukeskkonnale lisada mitteolulisi aminohappeid, et asendada kasvu käigus ära kasutatud aminohappeid. Rakke kasvu kiirendatakse ja nende elujõulisust suurendatakse, kui kasvukeskkonnale lisatakse mitteolulisi aminohappeid.

Süsivesikud

Suhkrute kujul esinevad süsivesikud on peamine energiaallikas. Paljudes kasvukeskkondades sisaldub lisaks levinumatele 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 seerumist, mis on rikkalik valguallikas.

Albumiin on veres leiduva peamine valk, mille ülesanne on siduda ja transportida erinevaid aineid, sealhulgas vett, sooli, vabu rasvhappeid, hormoone ja vitamiine, erinevate organite ja rakkude vahel. Albumiini võime seonduda kemikaalidega teeb sellest tõhusa vahendi kahjulike ühendite eemaldamiseks rakukultuuri kasvukeskkonnast.

Aprotiniin on rakukultuuri süsteemides kasutatav kaitseaine, kuna see on stabiilne nii neutraalses kui ka happelises pH-keskkonnas ning vastupidav kõrgetele temperatuuridele ja proteolüütiliste ensüümide poolt põhjustatavale lagunemisele. See suudab pärssida mitmeid seriinproteaase, sealhulgas muu hulgas trüpsiini.

Fetuin on glükoproteiin, mida võib loomade loote ja vastsündinute seerumis leida suuremas koguses võrreldes täiskasvanute seerumiga. Lisaks sellele toimib see seriinproteaasi inhibiitorina. Valgu fibronektiin on rakkude adhesiiooni protsessis oluline komponent. Transferriin on valk, mis transportib rauda ja vastutab raua toimetamise eest rakumembraanidesse.

Rasvhapped ja lipiidid

Need mängivad olulist rolli seerumivabas keskkonnas, kui seerum puudub.

Vitamiinid

Rakkude arenguks ja paljunemiseks on vaja arvukaid vitamiine. Rakud ei suuda vitamiine piisavas koguses toota ning seetõttu on need koekultuuris toidulisanditena hädavajalikud.

Rakukultuuris on seerum vitamiinide peamine allikas; samas lisatakse kasvukeskkondadele ka erinevaid vitamiine, et need sobiksid konkreetse rakutüübiga. Kasvu stimuleerimiseks kasutatakse kõige sagedamini B-grupi vitamiine.

Mikroelemendid

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

Kasvukeskkonna lisandid

Teatavatele rakuliinidele soovitatav täielik kasvukeskkond vajab lisakomponente, mida baaskeskkonnas ja seerumis ei ole. Need toidulisandid toetavad rakkude kasvu ja nõuetekohast ainevahetust.

Kuigi hormoonid, kasvufaktorid ja signaalmolekulid on teatud rakuliinide nõuetekohaseks paljunemiseks hädavajalikud, tuleks alati järgida järgmisi ettevaatusabinõusid: kuna lisandite lisamine võib muuta täieliku kasvukeskkonna osmolalisust, mis võib pärssida rakkude arengut, on alati soovitatav kontrollida osmolalisust pärast lisandite lisamist. Enamiku rakuliinide puhul on optimaalne osmolalisus vahemikus 260–320 mOSM/kg.

Antibiootikumid

Antibiootikume kasutatakse sageli bakteriaalsete ja seenhaiguste tekitajate arengu pärssimiseks [16], kuigi need ei ole rakkude kasvu jaoks hädavajalikud. Kuna antibiootikumid võivad varjata mükoplasma ja resistentsete bakterite põhjustatud saastumist, ei soovitata nende rutiinset kasutamist rakukultuurides [17, 18].

Lisaks võivad antibiootikumid häirida ülitundlike rakkude ainevahetust. Sageli kasutatakse MilliporeSigma ja Life Technologiesi toodetud penitsilliini-streptomütsiini kombinatsioone. Plasmocini on kasutatud glioomi rakuliinide TS603, TS516 ja BT260 kultiveerimisel [19] ning see on osutunud efektiivseks mükoplasma saastumise kõrvaldamisel (20).

Seerum

Seerumis leidub albumiine, kasvufaktoreid ja kasvuinhibiitoreid. Seerum on üks rakukultuurikeskkonna olulisemaid komponente, kuna see varustab rakke aminohapete, valkude, vitamiinide (eriti rasvlahustuvate vitamiinidega nagu A, D, E ja K), süsivesikute, lipiidide, hormoonide, kasvufaktorite, mineraalide ja mikroelementidega.

Kultiveeritud rakkude arengu soodustamiseks kasutatakse sageli veiste loote- ja vasikaserumit. Loote seerum on rikkalik kasvufaktorite allikas ning sobib rakkude kloonimiseks ja tundlike rakkude arendamiseks. Vasikaserumit kasutatakse kontaktinhibitsiooni katsetes, kuna selle kasvut soodustav toime on vähenenud. Tavalised kasvukeskkonnad sisaldavad sageli 2–10% seerumit. Seerumi lisamine kultuurikeskkonnale teenib järgmisi eesmärke [21]:

  • Seerum varustab rakke oluliste toitainetega (nii lahuses kui ka valkudega seotuna).

  • Seerumis sisalduvad mitmed kasvufaktorid ja hormoonid, mis osalevad kasvu soodustamises ja spetsiifilises rakutegevuses.

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

  • Samuti pakub see valke, nagu fibronektiin, mis suurendavad rakkude adhesiooni substraadile. Lisaks toodab see levimiselemente, mis aitavad kaasa rakkude laienemisele enne jagunemist.

  • See toodab proteaasi inhibiitoreid, mis takistavad proteolüüsi rakkudes.

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

  • See suurendab kasvatuskeskkonda viskoossust, kaitstes seega rakke mehaaniliste vigastuste eest suspensioonikultuuri segamise ajal.

  • See toimib ka puhvrina.

Viited

[1] Morgan J, Morton H, Parker R. Loomarakkude toitumine koekultuuris; esialgsed uuringud sünteetilise keskkonna kohta. Proc Soc Exp Biol Med. 1950;73:1–8

[2] Kerbel R, Blakeslee D. Loote vasikaserumi komponendi kiire adsorptsioon kultuuris olevate imetajarakkude poolt. Potentsiaalne artefaktide allikas rakuspetsiifiliste antigeenide vastaseerumite uuringutes. Immunology. 1976;31:881-91

[3] Sula K, Draber P, Nouza K. Seerumi lisamine rakususpensioonide valmistamiseks kasutatavasse keskkonnasse kui võimalik artefaktide allikas rakkude vahendatud reaktsioonide uurimisel põlvelümfisõlme testi abil. J Immunogenet. 1980;7:483–9

[4] Mariani E, Mariani A, Monaco M, Lalli E, Vitale M, Facchini A. Kaubanduslikud seerumivabad kasvukeskkonnad: hübriidoma kasvatamine ja monoklonaalsete antikehade tootmine. J Immunol Methods. 1991;145:175–83

[5] Barnes D, Sato G. Meetodid kultiveeritud rakkude kasvatamiseks seerumivabas keskkonnas. Anal Biochem. 1980;102:255–70

[6] Yu H, Lu S, Gasior K, Singh D, Vazquez Sanchez S, Tapia O jt. HSP70 juhib RNA-vaba TDP-43-d anisotroopsetesse tuuma-sisestesse vedelatesse sfäärilistesse kestadesse. Science. 2021;371:

[7] Meharena H, Marco A, Dileep V, Lockshin E, Akatsu G, Mullahoo J jt. Downi sündroomist tingitud vananemine häirib närvirakkude eellaste tuuma arhitektuuri. Cell Stem Cell. 2022;29:116–130.e7

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

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

[10] Darfler F. Valguvaba kasvukeskkond hübriidomide ja muude immuunsüsteemi rakkude kasvatamiseks. In Vitro Cell Dev Biol. 1990;26:769–78

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

[12] Hamilton W, Ham R. Hiina hamstri rakuliinide klooniline kasvatamine valguvabas keskkonnas. In Vitro. 1977;13:537–47

[13] Zigler J, Lepe Zuniga J, Vistica B, Gery I. Valgusele eksponeeritud HEPES-i sisaldava kultuurikeskkonna tsütotoksiliste mõjude analüüs. In Vitro Cell Dev Biol. 1985;21:282–7

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

[15] Karmiol S. Seerumivabade keskkondade arendamine. In: Master JRW, toim. Animal Cell culture, 3. trükk. Oxford: Oxford University Press; 2000.

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

[17] McGarrity G. Rakukultuuride mükoplasmainfektsiooni levik ja kontroll. In Vitro. 1976;12:643–8

[18] Masters J, Stacey G. Kasvukeskkonna vahetamine ja rakuliinide passaažimine. „Nat Protoc”. 2007;2:2276–84

[19] Chakraborty A, Laukka T, Myllykoski M, Ringel A, Booker M, Tolstorukov M jt. Histooni demetülaas KDM6A tajub otseselt hapnikku, et reguleerida 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 jt. Plasmocin™i tõhusus mitmesugustel mollicutega nakatunud imetajate rakuliinidel võrreldes rakukultuuris tavaliselt kasutatavate antibiootikumidega: kohalik kogemus. Cytotechnology. 2011;63:609–20

[21] Kragh Hansen U. Ligandi seondumise molekulaarsed aspektid seerumalbumiiniga. 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