Siirry etusivulle

Soluviljelyalustat: yleiskatsaus

Elämäntieteiden alalla yksi tärkeimmistä menetelmistä on soluviljely. Soluviljelyllä tarkoitetaan solujen, kudosten tai elinten poistamista eläimestä tai kasvista ja niiden siirtämistä keinotekoiseen ympäristöön, joka on suotuisa niiden selviytymiselle ja/tai kasvulle. Solujen optimaalisen kehityksen kannalta olennaisia ympäristötekijöitä ovat säädelty lämpötila, solujen kiinnittymiselle sopiva substraatti, asianmukainen kasvualusta sekä inkubaattori, joka ylläpitää optimaalista pH-arvoa ja osmolaliteettia. Solujen on saatava nämä olosuhteet, jotta ne voivat kasvaa täyteen potentiaaliinsa.

Sopivan kasvualustan valinta in vitro -viljelyä varten on soluviljelyn kriittisin ja samalla tärkein vaihe. Kasvualusta, jota kutsutaan myös viljelyalustaksi, on neste tai geeli, joka on muotoiltu edistämään organismien kehitystä mikroskooppisella, solutasolla tai kasvien kaltaisella tasolla. Solujen viljelyyn käytetty alusta sisältää usein riittävän määrän energiaa ja aineita, jotka säätelevät solusykliä. Viljelyalustan pääkomponentteja ovat aminohapot, vitamiinit, epäorgaaniset suolat, glukoosi ja seerumi. Seerumi lisätään alustaan, koska se toimii kasvutekijöiden, hormonien ja kiinnittymistekijöiden lähteenä. Ravinteiden tarjoamisen lisäksi alusta auttaa myös ylläpitämään pH- ja osmolaliteettitasoja.

Soluviljelyssä käytettävät elatusainetyypit

Sekä ihmisen että eläinten soluja voidaan kasvattaa joko keinotekoisessa tai synteettisessä elatusaineessa tai täysin luonnollisessa elatusaineessa, jota on täydennetty luonnollisilla aineilla. Seuraavassa esittelemme yleiskatsauksen nykyisin saatavilla olevista elatusainetyypeistä.

Luonnolliset elatusaineet

Luonnollisissa elatusaineissa on ainoastaan luonnollisessa tilassaan esiintyviä biologisia nesteitä. Luonnolliset elatusaineet ovat erittäin hyödyllisiä ja helppokäyttöisiä monenlaisten eläinsolutyyppien viljelyssä. Luonnollisten elatusaineiden tarkkojen koostumusten puutteellinen ymmärtäminen on tärkein tekijä, joka vaikuttaa luonnollisilla elatusaineilla saatujen tulosten heikkoon toistettavuuteen.

Keinotekoiset elatusaineet

Keinotekoisten tai synteettisten elatusaineiden valmistukseen kuuluu ravinteiden (sekä orgaanisten että epäorgaanisten), seerumiproteiinien, hiilihydraattien, kofaktoreiden, vitamiinien ja suolojen sekä O2- ja CO2-kaasuvaiheiden lisääminen [1].

Erilaisia keinotekoisia elatusaineita on kehitetty täyttämään yksi tai useampi seuraavista tehtävistä: 1) Välitön eloonjääminen (tasapainoinen suolaliuos, jonka pH ja osmoottinen paine on tarkasti säädetty). 2) Pitkäaikainen eloonjääminen (tasapainoinen suolaliuos, johon on lisätty erilaisia orgaanisten kemikaalien ja/tai seerumin yhdistelmiä). 3) Määrittelemätön kehitys. 4) Erikoistoiminnot.

Keinotekoiset elatusaineet luokitellaan neljään ryhmään:

Seerumia sisältävät elatusaineet

Eläinsolujen viljelyyn käytettävissä elatusaineissa yleisimmin käytetty lisäaine on naudan sikiöseerumi. Sitä lisätään viljelyalustaan edullisena lisäaineena parhaiden mahdollisten kasvuolosuhteiden saavuttamiseksi. Sen lisäksi, että se toimii epästabiilien tai veteen liukenemattomien ravintoaineiden, hormonien ja kasvutekijöiden, proteaasi-inhibiittorien ja muiden aineiden kuljettajana tai kelatoijana, seerumi myös sitoo ja neutraloi haitallisia molekyylejä.

Seerumittomat elatusaineet

Seerumin läsnäololla elatusaineessa on useita haittoja, ja se voi aiheuttaa merkittäviä tulkintavirheitä immunologisessa tutkimuksessa [2, 3]. On kehitetty useita erilaisia seerumittomia elatusaineita [4, 5]. Nämä elatusaineet on yleensä kehitetty nimenomaan tukemaan yhden solutyypin viljelyä, kuten Thermo Fisher Scientificin Knockout Serum Replacement ja Knockout DMEM sekä Stem Cell Technologiesin mTESR-elatusaine [6], joka on tarkoitettu kantasoluille [7].

Lisäksi näihin elatusaineisiin on lisätty määriteltyjä määriä puhdistettuja kasvutekijöitä, lipoproteiineja ja muita proteiineja, joita muuten tyypillisesti saadaan seerumista [8]. Näitä elatusaineita kutsutaan usein ”määritellyiksi elatusaineiksi”, koska niiden koostumuksen komponentit tunnetaan hyvin.

Kemiallisesti määritellyt elatusaineet

Näihin elatusaineisiin kuuluu erittäin puhtaita epäorgaanisia ja orgaanisia komponentteja, joita ei ole saastuttanut minkäänlainen kontaminaatio. Niihin voi kuulua myös puhtaita proteiineja, kuten kasvutekijöitä.

 Bakteerien tai hiivan geneettinen muuntaminen sekä tiettyjen rasvahappojen, vitamiinien, kolesterolin ja aminohappojen lisääminen johtaa niiden komponenttien tuotantoon [9].

Proteiinittomat elatusaineet

Proteiinittomat elatusaineet ovat sellaisia, jotka eivät sisällä lainkaan proteiinia, vaan ainoastaan muita kuin proteiini-aineosia. Verrattuna elatusaineisiin, joihin on lisätty seerumia, proteiinittomien elatusaineiden käyttö edistää solujen voimakkaampaa lisääntymistä ja proteiinin ilmentymistä sekä helpottaa loppuprosessissa syntyvän tuotteen puhdistamista [10–12]. Proteiinia ei sisälly esimerkiksi MEM- ja RPMI-1640-valmisteisiin. Proteiinilisää voidaan kuitenkin antaa, jos se on tarpeen.

Viljelyalustat ja niiden peruskomponentit

Kaupallisia viljelyalustoja on saatavana jauheena tai nesteenä, ja ne sisältävät usein erilaisia ravintoaineita, kuten aminohappoja, glukoosia, suoloja, vitamiineja ja muita ravintolisäaineita. 

Näiden komponenttien tarve vaihtelee solulinjoittain, ja nämä vaihtelut selittävät viljelyalustojen laajan valikoiman. Jokaisella komponentilla on tietty tehtävä, jota kuvataan seuraavissa kappaleissa:

Puskurointijärjestelmät

Optimaalisten kasvuolosuhteiden ylläpitämiseksi pH:ta on säädettävä, mikä tapahtuu usein jommankumman seuraavista puskurointijärjestelmistä:

Luonnollinen puskurointijärjestelmä

Ilmakehän CO2/H2CO3-suhde on sama kuin elatusaineessa, mikä luo luonnollisen puskurointimekanismin. Luonnollisen puskurointimekanismin säilyttämiseksi viljelmät on pidettävä ilmakehässä, jossa CO2-pitoisuus on 5–10 %, mikä saavutetaan usein käyttämällä CO2-inkubaattoria. Yksi luonnollisen puskurin suurimmista eduista on sen edullisuus ja turvallisuus.

HEPES

Zwitterionia HEPES:ää käyttävä kemiallinen puskurointi on tehokkaampaa pH-alueella 7,2–7,4 eikä vaadi säädeltyä kaasuympäristöä. Tietyille solutyypeille suurempi HEPES-annos voi olla haitallista. HEPES:ää sisältävät elatusaineet ovat myös huomattavasti alttiimpia fluoresoivan valon fototoksisille vaikutuksille [13].

Fenolipunainen

pH-indikaattori fenolipunainen sisältyy usein kaupallisesti saatavilla oleviin viljelyalustoihin, mikä mahdollistaa pH:n jatkuvan seurannan. Solujen lisääntyessä niiden tuottamat metaboliitit aiheuttavat pH:n muutoksen ja siten alustan värinmuutoksen. Fenolipunaisella on kaksijakoinen vaikutus elatusaineen väriin: se muuttuu keltaiseksi happamassa pH:ssa ja purppuraksi emäksisessä pH:ssa. Soluviljelylle optimaalinen arvo, pH 7,4, saa elatusaineen näyttämään fluoresoivasti punaiselta.

Fenolipunaisella on kuitenkin muutamia haittoja: Ensinnäkin fenolipunainen kykenee jäljittelemään useiden steroidihormonien, pääasiassa estrogeenin, toimintaa [14]. Siksi tutkittaessa estrogeenille herkkiä soluja, kuten rintakudosta, suositellaan fenolipunaisesta vapaata elatusainetta. Fenolipunainen häiritsee natrium-kalium-tasapainoa useissa seerumittomissa valmisteissa. Tämän vaikutuksen voi kumota lisäämällä elatusaineeseen seerumia tai naudan aivolisäkkeen hormonia [15]. Kolmanneksi fenolipunainen haittaa havaitsemista virtaussytometrisissä kokeissa.

Epäorgaaniset suolat

Epäorgaanisia suoloja, kuten natrium-, kalium- ja kalsiumioneja, sisältävät elatusaineet auttavat ylläpitämään osmoottista tasapainoa ja säätelemään kalvopotentiaalia.

Aminohapot

Koska aminohapot ovat proteiinin peruskomponentteja, ne ovat olennainen osa jokaista koskaan kehitettyä solujen kasvualustaa. Koska solut eivät kykene tuottamaan tiettyjä aminohappoja itse, on tärkeää, että viljelyalustassa on välttämättömiä aminohappoja. Ne ovat välttämättömiä solujen lisääntymiselle, ja niiden pitoisuus määrää saavutettavissa olevan suurimman solutiheyden. Erityisesti välttämätön aminohappo L-glutamiini on erittäin tärkeä.

L-glutamiini toimii aineenvaihdunnan toissijaisena energialähteenä ja toimittaa typpeä NAD:n, NADPH:n ja nukleotidien tuotantoon. Koska L-glutamiini on epästabiili aminohappo, joka ajan myötä muuttuu muotoon, jota solut eivät pysty hyödyntämään, se on lisättävä elatusaineeseen.

Lisäksi kasvualustaan voidaan lisätä ei-välttämättömiä aminohappoja korvaamaan kasvun aikana kuluneita aminohappoja. Solujen kasvu kiihtyy ja niiden elinkelpoisuus paranee, kun kasvualustaa täydennetään ei-välttämättömillä aminohapoilla.

Hiilihydraatit

Sokereina esiintyvät hiilihydraatit ovat tärkein energialähde. Monissa elatusaineissa on glukoosin ja galaktoosin lisäksi myös maltoosia ja fruktoosia.

Proteiinit ja peptidit

Albumiini, transferriini ja fibronektiini ovat yleisimmin käytettyjä proteiineja ja peptidejä. Ne ovat erityisen tärkeitä elatusaineissa, jotka eivät sisällä seerumia. Albumiini, transferriini, aprotiniini, fetuiini ja fibronektiini ovat joitakin proteiineja, joita voi esiintyä seerumissa, joka on runsas proteiinin lähde.

Albumiini on veren pääasiallinen proteiini, ja sen tehtävänä on sitoa ja kuljettaa erilaisia aineita, kuten vettä, suoloja, vapaita rasvahappoja, hormoneja ja vitamiineja, eri elinten ja solujen välillä. Albumiinin kyky sitoutua kemikaaleihin tekee siitä tehokkaan vaihtoehdon haitallisten yhdisteiden poistamiseksi soluviljelyalustasta.

Aprotiniini on suoja-aine soluviljelyjärjestelmissä, sillä se on stabiili neutraalissa ja happamassa pH:ssa sekä kestää korkeita lämpötiloja ja proteolyyttisten entsyymien mahdollisesti aiheuttamaa hajoamista. Se kykenee estämään useita seriini-proteaaseja, muun muassa trypsiiniä.

Fetuini on glykoproteiini, jota voi esiintyä suurempina pitoisuuksina sikiöiden ja vastasyntyneiden eläinten seerumissa verrattuna aikuisten seerumiin. Lisäksi se toimii seriiniproteaasi-inhibiittorina. Fibronektiini-proteiini on olennainen osa solujen adheesioprosessia. Transferriini on rautaa kuljettava proteiini, joka vastaa raudan kuljettamisesta solujen kalvoihin.

Rasvahapot ja lipidit

Niillä on ratkaiseva rooli seerumittomassa elatusaineessa, kun seerumia ei ole läsnä.

Vitamiinit

Lukuisat vitamiinit ovat välttämättömiä solujen kehitykselle ja lisääntymiselle. Solut eivät pysty tuottamaan vitamiineja riittävissä määrissä, joten ne ovat välttämättömiä kudosviljelyssä ravintolisinä.

Soluviljelyssä seerumi on vitamiinien pääasiallinen lähde; viljelyalustoja kuitenkin rikastetaan myös erilaisilla vitamiineilla, jotta ne sopisivat tietylle solutyypille. Kasvun stimuloimiseen käytetään tyypillisimmin B-ryhmän vitamiineja.

Hivenaineet

Kemiallisia alkuaineita, kuten kuparia, sinkkiä, seleeniä ja trikarboksyylihapon välituotteita, kutsutaan hivenaineiksi. Hivenaineita lisätään usein seerumittomiin elatusaineisiin korvaamaan niitä, joita tyypillisesti esiintyy seerumissa. Nämä alkuaineet ovat tärkeitä kemiallisia komponentteja, joita tarvitaan terveen solun kehitykseen. Monet biokemialliset reaktiot, kuten entsyymien toiminta, riippuvat tietyistä mikroravinteista.

Elatusaineiden lisäaineet

Tiettyjen solulinjojen kasvulle suositeltava täydellinen kasvualusta vaatii lisäkomponentteja, joita ei ole peruskasvualustassa eikä seerumissa. Nämä ravintolisät tukevat solujen kasvua ja asianmukaista aineenvaihduntaa.

Vaikka hormonit, kasvutekijät ja signalointimolekyylit ovat välttämättömiä tiettyjen solulinjojen asianmukaiselle lisääntymiselle, seuraavia varotoimia on aina noudatettava: Koska lisäaineiden lisääminen saattaa muuttaa täydellisen kasvualustan osmolaliteettia, mikä voi estää solujen kehitystä, on aina suositeltavaa tarkistaa osmolaliteetti lisäaineiden lisäämisen jälkeen. Useimmille solulinjoille optimaalinen osmolaliteetti on välillä 260–320 mOSM/kg.

Antibiootit

Antibiootteja käytetään usein bakteeri- ja sienikontaminaatioiden estämiseen [16], vaikka ne eivät ole välttämättömiä solujen kasvulle. Koska antibiootit voivat peittää mykoplasma- ja resistenttien bakteerien aiheuttaman kontaminaation, niiden rutiinikäyttöä ei suositella soluviljelyssä [17, 18].

Lisäksi antibiootit voivat häiritä yliherkkien solujen aineenvaihduntaa. Usein käytetään MilliporeSigman ja Life Technologiesin valmistamia penisilliini-streptomysiini-yhdistelmiä. Plasmocinia on käytetty gliomasolulinjojen TS603, TS516 ja BT260 viljelyssä [19], ja sen on osoitettu olevan tehokas mykoplasmakontaminaation poistamisessa (20).

Seerumi

Seerumissa on albumiineja, kasvutekijöitä ja kasvun estäjiä. Seerumi on yksi soluviljelyalustan merkittävimmistä komponenteista, koska se tarjoaa aminohappoja, proteiineja, vitamiineja (erityisesti rasvaliukoisia vitamiineja, kuten A, D, E ja K), hiilihydraatteja, lipidejä, hormoneja, kasvutekijöitä, mineraaleja ja hivenaineita.

Sikiön ja vasikan seerumia käytetään usein viljeltyjen solujen kehityksen edistämiseen. Sikiön seerumi sisältää runsaasti kasvutekijöitä ja sopii solujen kloonaukseen sekä herkkien solujen kehittämiseen. Koska vasikan seerumin kasvua edistävät ominaisuudet ovat heikentyneet, sitä käytetään kontaktinestokokeissa. Tavalliset kasvualustat sisältävät usein 2–10 % seerumia. Seerumin lisääminen viljelyalustaan palvelee seuraavia tarkoituksia [21]:

  • Seerumi toimittaa soluille välttämättömiä ravintoaineita (sekä liuoksessa että proteiineihin sitoutuneina).

  • Seerumissa on useita kasvutekijöitä ja hormoneja, jotka osallistuvat kasvun edistämiseen ja solujen erityistoimintaan.

  • Se tarjoaa monia sitoutuvia proteiineja, kuten albumiinia ja transferriiniä, jotka kuljettavat muita kemikaaleja soluun. Esimerkiksi albumiini kuljettaa rasvoja, vitamiineja, hormoneja jne. soluihin.

  • Se tarjoaa myös proteiineja, kuten fibronektiiniä, jotka lisäävät solujen tarttumista substraattiin. Lisäksi se tuottaa leviämiselementtejä, jotka auttavat solujen laajenemisessa ennen jakautumista.

  • Se toimittaa proteaasi-inhibiittoreita, jotka estävät proteolyysin soluissa.

  • Se sisältää myös mineraaleja, kuten Na+, K+, Zn2+ ja Fe2+.

  • Se lisää väliaineen viskositeettia ja suojaa siten soluja mekaanisilta vaurioilta suspensiokulttuurin sekoituksen aikana.

  • Se toimii myös puskurina.

Viitteet

[1] Morgan J, Morton H, Parker R. Eläinsolujen ravitsemus kudosviljelyssä; alustavia tutkimuksia synteettisestä elatusaineesta. Proc Soc Exp Biol Med. 1950;73:1–8

[2] Kerbel R, Blakeslee D. Sikiön vasikan seerumin komponentin nopea adsorptio viljellyissä nisäkässoluissa. Mahdollinen artefaktien lähde solukohtaisia antigeenejä vastaan suunnattujen antiseerumien tutkimuksissa. Immunology. 1976;31:881-91

[3] Sula K, Draber P, Nouza K. Seerumin lisääminen solususpensioiden valmistuksessa käytettyyn elatusaineeseen mahdollisena artefaktien lähteenä polvitaipeen imusolmuketestillä tutkituissa soluvälitteisissä reaktioissa. J Immunogenet. 1980;7:483–9

[4] Mariani E, Mariani A, Monaco M, Lalli E, Vitale M, Facchini A. Kaupalliset seerumittomat elatusaineet: hybridomien kasvatus ja monoklonaalisten vasta-aineiden tuotanto. J Immunol Methods. 1991;145:175–83

[5] Barnes D, Sato G. Menetelmät viljeltyjen solujen kasvattamiseksi seerumittomassa elatusaineessa. Anal Biochem. 1980;102:255-70

[6] Yu H, Lu S, Gasior K, Singh D, Vazquez Sanchez S, Tapia O, ym. HSP70-kaperonit kuljettavat RNA:ta sisältämättömän TDP-43:n anisotrooppisiin, ytimen sisäisiin nestemäisiin pallomaisiin kuoriin. Science. 2021;371:

[7] Meharena H, Marco A, Dileep V, Lockshin E, Akatsu G, Mullahoo J, ym. Downin oireyhtymän aiheuttama ikääntyminen häiritsee hermosolujen esisolujen tumarakennetta. Cell Stem Cell. 2022;29:116–130.e7

[8] Iscove N, Melchers F. Seerumin täydellinen korvaaminen albumiinilla, transferriinillä ja soijalipidillä lipopolysakkaridille reagoivien B-lymfosyyttien viljelmissä. J Exp Med. 1978;147:923–33

[9] Stoll T, Muhlethaler K, von Stockar U, Marison I. Hybridomien kasvua ja monoklonaalisten vasta-aineiden tuotantoa varten kehitetyn kemiallisesti määritellyn proteiinittoman elatusaineen järjestelmällinen parantaminen. J Biotechnol. 1996;45:111–23

[10] Darfler F. Proteiiniton elatusaine hybridomien ja muiden immuunijärjestelmän solujen kasvattamiseen. In Vitro Cell Dev Biol. 1990;26:769-78

[11] Barnes D, Sato G. Seerumiton soluviljely: yhtenäistävä lähestymistapa. Cell. 1980;22:649–55

[12] Hamilton W, Ham R. Kiinalaisten hamsterisolulinjojen klonaalinen kasvatus proteiinittomissa elatusaineissa. In Vitro. 1977;13:537–47

[13] Zigler J, Lepe Zuniga J, Vistica B, Gery I. Valolle altistetun HEPES-pitoisen viljelyväliaineen sytotoksisten vaikutusten analyysi. In Vitro Cell Dev Biol. 1985;21:282–7

[14] Berthois Y, Katzenellenbogen J, Katzenellenbogen B. Fenolipunainen kudosviljelyalustoissa on heikko estrogeeni: vaikutukset estrogeenille reagoivien solujen viljelytutkimukseen. Proc Natl Acad Sci U S A. 1986;83:2496-500

[15] Karmiol S. Seerumittomien elatusaineiden kehittäminen. Teoksessa: Master JRW, toim. Animal Cell culture, 3. painos. Oxford: Oxford University Press; 2000.

[16] Perlman D. Antibioottien käyttö soluviljelyalustoissa. Methods Enzymol. 1979;58:110-6

[17] McGarrity G. Soluviljelmien mykoplasma-infektioiden leviäminen ja torjunta. In Vitro. 1976;12:643–8

[18] Masters J, Stacey G. Elatusaineen vaihtaminen ja solulinjojen siirrostaminen. Nat Protoc. 2007;2:2276–84

[19] Chakraborty A, Laukka T, Myllykoski M, Ringel A, Booker M, Tolstorukov M, ym. Histonidemetylaasi KDM6A aistii suoraan happea säätääkseen kromatiinia ja solujen kohtaloa. Science. 2019;363:1217–1222

[20] Molla Kazemiha V, Azari S, Amanzadeh A, Bonakdar S, Shojaei Moghadam M, Habibi Anbouhi M, ym. Plasmocin™:n tehokkuus erilaisissa mollicute-bakteerien tartuttamissa nisäkässolulinjoissa verrattuna soluviljelyssä yleisesti käytettyihin antibiootteihin: paikallinen kokemus. Cytotechnology. 2011;63:609-20

[21] Kragh Hansen U. Ligandin sitoutumisen seerumialbumiiniin molekyylitason näkökohdat. Pharmacol Rev. 1981;33:17–53

Olemme havainneet, että olet eri maassa tai käytät eri selaimen kieltä kuin tällä hetkellä valittu. Haluatko hyväksyä ehdotetut asetukset?

Sulje