Soluviljelyvälineet: Yleiskatsaus

Biotieteiden alalla yksi tärkeimmistä menetelmistä on soluviljely. Soluviljelyllä tarkoitetaan solujen, kudosten tai elinten irrottamista eläimestä tai kasvista ja niiden istuttamista keinotekoiseen ympäristöön, joka on suotuisa niiden selviytymiselle ja/tai kasvulle Solujen optimaalisen kehittymisen kannalta perustavanlaatuisia ympäristötarpeita ovat hallittu lämpötila, solujen kiinnittymistä varten tarkoitettu substraatti, riittävä kasvualusta ja inkubaattori, jossa säilytetään optimaalinen pH-arvo ja osmolaliteetti. Soluilla on oltava nämä olosuhteet, jotta ne voivat kasvaa täyteen potentiaaliinsa.

Sopivan kasvualustan valinta in vitro -viljelyyn on soluviljelyn kriittisin ja elintärkein vaihe. Kasvualusta, joka tunnetaan myös nimellä kasvualusta, on neste tai geeli, joka on muotoiltu edistämään organismien kehitystä mikroskooppisessa, solu- tai kasvimaisessa mittakaavassa. Solujen viljelyyn käytettävä väliaine sisältää usein riittävästi energiaa ja solusykliä ohjaavia aineita. Viljelymedian pääkomponentteja ovat aminohapot, vitamiinit, epäorgaaniset suolat, glukoosi ja seerumi. Seerumia lisätään väliaineeseen, koska se toimii kasvutekijöiden, hormonien ja kiinnittymistekijöiden lähteenä. Ravintoaineiden tarjoamisen lisäksi elatusaine edistää myös pH- ja osmolaalisuustasojen ylläpitoa.

Soluviljelyssä käytettävät väliaineen tyypit

Sekä ihmis- että eläinsoluja voidaan kasvattaa joko keinotekoisessa tai synteettisessä väliaineessa tai täysin luonnollisessa väliaineessa, jota on täydennetty luonnollisilla elementeillä. Seuraavassa luodaan yleiskatsaus tällä hetkellä saatavilla oleviin erilaisiin elatusainetyyppeihin.

Luonnolliset väliaineet

Luonnollisissa väliaineissa voidaan kasvattaa vain luonnollisessa tilassaan olevia biologisia nesteitä. Luonnolliset väliaineet ovat erittäin hyödyllisiä ja helppoja monenlaisten eläinsolutyyppien viljelyyn. Luonnollisten väliaineiden tarkkojen ainesosien ymmärtämättömyys on tärkein tekijä, joka vaikuttaa siihen, että luonnollisilla väliaineilla saatujen tulosten toistettavuus on heikko.

Keinotekoiset elatusaineet

Keinotekoisten tai synteettisten elatusaineiden valmistuksessa lisätään ravinteita (sekä orgaanisia että epäorgaanisia), seerumin proteiineja, hiilihydraatteja, kofaktoreita, vitamiineja ja suoloja sekä O2- ja CO2-kaasufaaseja [1].

Erilaisia keinotekoisia elatusaineita on kehitetty täyttämään yksi tai useampi seuraavista tehtävistä: 1) Välitön eloonjääminen (tasapainotettu suolaliuos, jossa on tarkka pH ja osmoottinen paine). 2) Pitkäaikainen eloonjääminen (tasapainotettu suolaliuos, jota on täydennetty erilaisilla orgaanisten kemikaalien ja/tai seerumin koostumuksilla). 3) Määrittelemätön kehitys. 4) Erikoistuneet toiminnot.

Keinotekoisia elatusaineita on neljä erillistä luokittelua:

Seerumia sisältävät elatusaineet

Eläinsolujen kasvattamiseen käytetyissä väliaineissa tavallisimmin esiintyvä lisäaine on naudan sikiöseerumi. Sitä lisätään elatusaineeseen edullisena lisäaineena, jotta saavutetaan parhaat mahdolliset kasvuolosuhteet. Sen lisäksi, että seerumi toimii epästabiilien tai veteen liukenemattomien ravintoaineiden, hormonien ja kasvutekijöiden, proteaasi-inhibiittoreiden ja muiden aineiden kuljettajana tai kelaattorina, se myös sitoo ja neutraloi haitallisia molekyylejä.

Seerumiton väliaine

Seerumin läsnäololla väliaineessa on useita haittoja, ja se voi aiheuttaa merkittäviä tulkintavirheitä immunologisissa tutkimuksissa [2, 3]. Erilaisia seerumittomia väliaineita on kehitetty useita [4, 5]. Nämä väliaineet on yleensä suunniteltu erityisesti tukemaan yhden solutyypin viljelyä, kuten Thermo Fisher Scientificin Knockout Serum Replacement ja Knockout DMEM sekä Stem Cell Technologiesin [6] mTESR-media kantasoluille [7].

Lisäksi näissä väliaineissa on määriteltyjä määriä puhdistettuja kasvutekijöitä, lipoproteiineja ja muita proteiineja, jotka muuten tyypillisesti saadaan seerumista [8]. Näihin väliaineisiin viitataan usein nimellä "määritellyt viljelymediat", koska niiden osatekijät tunnetaan hyvin.

Kemiallisesti määritellyt väliaineet

Nämä väliaineet sisältävät erittäin puhtaita epäorgaanisia ja orgaanisia komponentteja, jotka eivät ole saastuneet millään tavalla. Ne voivat sisältää myös puhtaita proteiinilisäaineita, kuten kasvutekijöitä.

bakteerien tai hiivan geneettinen muokkaus yhdessä tiettyjen rasvahappojen, vitamiinien, kolesterolin ja aminohappojen lisäämisen kanssa johtaa niiden osien tuottamiseen [9].

Proteiinittomat väliaineet

Proteiinittomat elatusaineet ovat elatusaineita, jotka eivät sisällä lainkaan proteiineja, vaan ainoastaan muita kuin proteiinielementtejä. Verrattuna seerumia sisältäviin väliaineisiin ilman lisättyä proteiinia olevien väliaineiden käyttö edistää solujen lisääntymistä ja proteiinien ilmentymistä ja helpottaa jatkoprosessissa syntyvien tuotteiden puhdistamista [10-12]. Proteiinia ei sisällytetä MEM:n ja RPMI-1640:n kaltaisiin valmisteisiin. Proteiinilisää voidaan kuitenkin antaa, jos se on tarpeen.

Viljelymediat ja niiden peruskomponentit

Kaupallinen kasvatusalusta voidaan ostaa jauheena tai nesteenä, ja se sisältää usein erilaisia ravintoaineita, kuten aminohappoja, glukoosia, suoloja, vitamiineja ja muita ravintolisiä.

Näiden komponenttien tarpeet ovat erilaiset kullakin solulinjalla, ja nämä vaihtelut ovat syynä siihen, että elatusaineita on monenlaisia. Kukin komponentti vastaa tietystä tehtävästä, joka esitellään seuraavissa kappaleissa:

Puskurointijärjestelmät

Optimaalisten kasvuolosuhteiden ylläpitämiseksi pH:ta on säädettävä, mikä tehdään usein jollakin kahdesta puskurointijärjestelmästä:

Luonnollinen puskurijärjestelmä

Ilmakehän CO2/H2CO3-suhde on sama kuin väliaineen CO2/H2CO3-suhde, mikä luo luonnollisen puskurimekanismin. Luonnollisen puskurointimekanismin säilyttämiseksi viljelmät on pidettävä ilmassa, jossa on 5-10 % CO2:ta, mikä saavutetaan usein CO2-inkubaattorin avulla. Yksi luonnollisen puskurin käytön parhaista puolista on sen halpuus ja turvallisuus.

HEPES

Kemiallisella puskuroinnilla, jossa käytetään zwitterionia HEPES, on parempi puskurointikyky pH-alueella 7,2-7,4, eikä se tarvitse säänneltyä kaasumaista ympäristöä. Tiettyjen solutyyppien kohdalla suurempi HEPES-annos voi olla haitallinen. HEPESiä sisältävät väliaineet ovat myös paljon alttiimpia fluoresoivan valon fototoksisille vaikutuksille [13].

Fenolipunainen

Kaupallisesti saatavilla olevaan elatusaineeseen sisältyy usein pH-indikaattori fenolipuna, jonka avulla pH:ta voidaan seurata jatkuvasti. Kun soluja laajennetaan, niiden tuottamat aineenvaihduntatuotteet aiheuttavat pH:n muutoksen ja siten väliaineen värin muutoksen. Fenolipunalla on kaksitahoinen vaikutus väliaineen väriin, sillä se muuttuu keltaiseksi happamassa pH:ssa ja violetiksi emäksisessä pH:ssa. pH 7,4, joka on optimaalinen arvo soluviljelylle, saa väliaineen näyttämään fluoresoivalta punaiselta.

Fenolipunalla on kuitenkin muutamia haittoja: Ensinnäkin fenolipunainen pystyy simuloimaan useiden steroidihormonien, pääasiassa estrogeenin, toimintaa [14]. Siksi estrogeenille herkkiä soluja, kuten rintakudosta, tutkittaessa suositellaan fenolipunaista sisältämätöntä elatusainetta. Natrium-kaliumtasapaino häiriintyy fenolipunan läsnäollessa useissa seerumittomissa valmisteissa. Seerumin tai naudan aivolisäkehormonin lisääminen väliaineeseen voi kumota tämän vaikutuksen [15]. Kolmanneksi fenolipunan läsnäolo haittaa havaitsemista virtaussytometrisissä kokeissa.

Epäorgaaniset suolat

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

Aminohapot

Koska aminohapot ovat proteiinien peruskomponentteja, ne ovat olennainen osa jokaista solukasvatusalustaa, joka on koskaan keksitty. Koska solut eivät kykene tuottamaan tiettyjä aminohappoja itse, on tärkeää, että elatusaine sisältää välttämättömiä aminohappoja. Ne ovat välttämättömiä solujen lisääntymiselle, ja niiden pitoisuus määrää solujen maksimitiheyden, joka voidaan saavuttaa. Erityisesti L-glutamiini, joka on välttämätön aminohappo, on erityisen tärkeä.

L-glutamiini toimii aineenvaihdunnan toissijaisena energialähteenä ja tuottaa typpeä NAD:n, NADPH:n ja nukleotidien tuotantoon. Koska L-glutamiini on epästabiili aminohappo, joka muuttuu ajan myötä muotoon, jota solut eivät pysty hyödyntämään, sitä on annettava väliaineeseen.

Lisäksi elatusaineeseen voidaan syöttää muita kuin välttämättömiä aminohappoja, jotta kasvuprosessin aikana kuluneita aminohappoja voidaan täydentää. Solujen kasvu kiihtyy ja niiden elinkelpoisuus lisääntyy, kun kasvualustaa täydennetään muilla kuin välttämättömillä aminohapoilla.

Hiilihydraatit

Hiilihydraatit sokereina ovat pääasiallinen energianlähde. Monet kasvualustat sisältävät myös maltoosia ja fruktoosia yleisempien sokerien, glukoosin ja galaktoosin, lisäksi.

Proteiinit ja peptidit

Albumiini, transferriini ja fibronektiini ovat yleisimmin käytettyjä proteiineja ja peptidejä. Niiden merkitys on erityisen suuri niissä väliaineissa, jotka eivät sisällä seerumia. Albumiini, transferriini, aprotiniini, fetuiini ja fibronektiini ovat joitakin proteiineja, joita voi löytyä seerumista, joka on runsas proteiinien lähde.

Albumiini on ensisijainen veressä esiintyvä 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 kiinnittyä kemikaaleihin tekee siitä tehokkaan ehdokkaan haitallisten yhdisteiden poistamiseksi väliaineesta, jossa soluja viljellään.

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

Fetuiini on glykoproteiini, jota voidaan havaita suurempia määriä sikiöiden ja vastasyntyneiden eläinten seerumissa kuin aikuisten seerumissa. Lisäksi se toimii seriiniproteaasin estäjänä. Fibronektiiniproteiini on olennainen osa solujen adheesioprosessia. Transferriini on rautaa kuljettava proteiini, joka vastaa raudan kuljettamisesta solukalvoille.

Rasvahapot ja lipidit

Niillä on ratkaiseva merkitys seerumittomassa väliaineessa, kun seerumia ei ole.

Vitamiinit

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

Soluviljelyssä seerumi on ensisijainen vitamiinien lähde, mutta elatusaineita käsitellään myös erilaisilla vitamiineilla, jotta ne soveltuisivat tietylle solutyypille. Tyypillisimmin B-ryhmän vitamiineja käytetään kasvun stimulointiin.

Hivenaineet

Kemiallisia alkuaineita, kuten kuparia, sinkkiä, seleeniä ja trikarboksyylihappojen välituotteita, kutsutaan hivenaineiksi. Hivenaineita lisätään usein väliaineisiin, jotka eivät sisällä seerumia, korvatakseen ne, joita seerumissa tyypillisesti esiintyy. Nämä alkuaineet ovat tärkeitä kemiallisia komponentteja, joita tarvitaan solujen terveen kehityksen kannalta. Monet biokemialliset reaktiot ovat riippuvaisia tietyistä hivenaineista, kuten entsyymiaktiivisuudesta.

Medium-lisäaineet

Tietyille solulinjoille ehdotettu täysi kasvualusta tarvitsee lisäkomponentteja, joita ei ole perusmediassa ja seerumissa. Nämä ravintolisät tukevat solujen kasvua ja asianmukaista aineenvaihdunnan toimintaa.

Vaikka hormonit, kasvutekijät ja signalointimolekyylit ovat välttämättömiä tiettyjen solulinjojen asianmukaisen lisääntymisen kannalta, on aina noudatettava seuraavia varotoimenpiteitä: Koska lisäravinteiden lisääminen saattaa muuttaa täydellisen kasvualustan osmolaliteettia, mikä voi estää solujen kehitystä, on aina suositeltavaa tarkistaa osmolaliteetti lisäravinteiden lisäämisen jälkeen. Useimmille solulinjoille optimaalinen osmolaliteetti on 260-320 mOSM/kg.

Antibiootit

Antibiootteja käytetään usein estämään bakteeri- ja sienisaastuttajien kehittymistä [16], vaikka ne eivät ole välttämättömiä solujen kasvulle. Koska antibiootit saattavat kätkeä sisäänsä mykoplasman ja resistenttien bakteerien aiheuttaman kontaminaation, niiden rutiininomaista käyttöä ei suositella soluviljelyssä [17, 18].

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

Seerumi

Albumiinit, kasvutekijät ja kasvunestäjät ovat kaikki seerumissa. Seerumi on yksi soluviljelyalustan merkittävimmistä komponenteista, koska se sisältää aminohappoja, proteiineja, vitamiineja (erityisesti rasvaliukoisia vitamiineja, kuten A-, D-, E- ja K-vitamiineja), hiilihydraatteja, lipidejä, hormoneja, kasvutekijöitä, kivennäisaineita ja hivenaineita.

Sikiö- ja vasikkanautaseerumia käytetään usein edistämään viljeltyjen solujen kehitystä. Sikiöseerumi sisältää runsaasti kasvutekijöitä, ja se soveltuu solujen kloonaukseen ja herkkien solujen kehittämiseen. Koska sen kasvua edistävät ominaisuudet ovat heikommat, vasikan seerumia käytetään kontakti-inhibitiokokeissa. Normaalit kasvualustat sisältävät usein 2-10 % seerumia. Seerumin lisääminen kasvatusalustaan palvelee seuraavia tarkoituksia [21]:

  • Seerumi toimittaa soluille välttämättömiä ravintoaineita (sekä liuoksena että proteiineihin kiinnittyneenä).

  • Seerumi sisältää useita kasvutekijöitä ja hormoneja, jotka osallistuvat kasvun edistämiseen ja solujen erikoistuneeseen toimintaan.

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

  • Se tarjoaa myös proteiineja, kuten fibronektiinia, jotka lisäävät solujen tarttumista alustaan. Lisäksi se tuottaa levittäviä elementtejä, jotka auttavat solujen laajenemista ennen jakautumista.

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

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

  • Se lisää väliaineen viskositeettia, mikä suojaa soluja mekaanisilta vaurioilta suspensioviljelmien sekoittamisen aikana.

  • Se on myös puskuri.

Viitteet

[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. Nisäkässolujen soluviljelyssä tapahtuva sikiön vasikan seerumin komponentin nopea adsorptio. Mahdollinen artefaktien lähde soluspesifisten antigeenien antiseerumien tutkimuksissa. Immunology. 1976;31:881-91

[3] Sula K, Draber P, Nouza K. Seerumin lisääminen solususpensioiden valmistuksessa käytettävään väliaineeseen mahdollisena artefaktien lähteenä soluvälitteisissä reaktioissa, joita tutkitaan popliteaalisen imusolmuketestin avulla. J Immunogenet. 1980;7:483-9

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

[5] Barnes D, Sato G. Methods for growth of cultured cells in serum-free medium. Anal Biochem. 1980;102:255-70

[6] Yu H, Lu S, Gasior K, Singh D, Vazquez Sanchez S, Tapia O,et al. HSP70 chaperoneeraa RNA-vapaan TDP-43:n anisotrooppisiksi intranukleaarisiksi nestemäisiksi pallomaisiksi kuoriksi. Science. 2021;371:

[7] Meharena H, Marco A, Dileep V, Lockshin E, Akatsu G, Mullahoo J,et al. Down-syndrooman aiheuttama senesenssi häiritsee neuraalisten esiasteiden ydinarkkitehtuuria. 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. Systematic improvement of a chemically-defined protein-free medium for hybridoma growth and monoclonal antibody production. J Biotechnol. 1996;45:111-23

[10] Darfler F. A protein-free medium for the growth of hybridomas and other cells of the immune system. In Vitro Cell Dev Biol. 1990;26:769-78

[11] Barnes D, Sato G. Seerumivapaa soluviljely: yhdistävä lähestymistapa. Cell. 1980;22:649-55

[12] Hamilton W, Ham R. Kiinanhamsterin solulinjojen kloonikasvu proteiinittomissa väliaineissa. In Vitro. 1977;13:537-47

[13] Zigler J, Lepe Zuniga J, Vistica B, Gery I. Analysis of the cytotoxic effects of light-exposed HEPES-containing culture medium. In Vitro Cell Dev Biol. 1985;21:282-7

[14] Berthois Y, Katzenellenbogen J, Katzenellenbogen B. Kudosviljelyaineissa oleva fenolipunainen on heikko estrogeeni: vaikutukset estrogeeniin reagoivien solujen tutkimiseen viljelyssä. Proc Natl Acad Sci U S A. 1986;83:2496-500

[15] Karmiol S. Seerumivapaiden elatusaineiden kehittäminen. In: Master JRW, editor. Animal Cell culture, 3rd ed. Oxford: Oxford University Press; 2000.

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

[17] McGarrity G. Spread and control of mycoplasmal infection of cell cultures. In Vitro. 1976;12:643-8

[18] Masters J, Stacey G. Mediumin vaihtaminen ja solulinjojen passage. Nat Protoc. 2007;2:2276-84

[19] Chakraborty A, Laukka T, Myllykoski M, Ringel A, Booker M, Tolstorukov M,et al. Histone demethylase KDM6A directly senses 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. Plasmocin™:n tehokkuus eri nisäkässolulinjoissa, jotka ovat saaneet mollikuuttien infektion, verrattuna yleisesti käytettyihin antibiootteihin soluviljelyssä: paikallinen kokemus. Cytotechnology. 2011;63:609-20

[21] Kragh Hansen U. Molecular aspects of ligand binding to serum albumin. 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