Sejttenyésztő közegek: Áttekintés
Az élettudományok területén az egyik legfontosabb módszer a sejttenyésztés. A sejtek, szövetek vagy szervek eltávolítása egy állatból vagy növényből, majd a sejtek, szövetek vagy szervek beültetése olyan mesterséges környezetbe, amely kedvező a túlélésük és/vagy növekedésük szempontjából, ezt jelenti a "sejtkultúra" kifejezés Az optimális sejtfejlődéshez szükséges alapvető környezeti követelmények a szabályozott hőmérséklet, a sejtek rögzítéséhez szükséges szubsztrátum, a megfelelő növekedési táptalaj és az optimális pH-értéket és ozmolalitást fenntartó inkubátor. A sejteknek ezekkel a feltételekkel kell rendelkezniük ahhoz, hogy teljes potenciáljukat kiaknázva növekedhessenek.
Az in vitro tenyésztéshez szükséges megfelelő táptalaj kiválasztása a sejttenyésztés legkritikusabb és leglényegesebb szakasza. A növekedési közeg, más néven táptalaj, olyan folyadék vagy gél, amelyet úgy alakítottak ki, hogy elősegítse az organizmusok fejlődését mikroszkopikus, sejtes vagy növényszerű léptékben. A sejtek tenyésztéséhez használt táptalaj gyakran tartalmaz megfelelő mennyiségű energiát és a sejtciklust szabályozó anyagokat. A táptalaj fő összetevői közé tartoznak az aminosavak, vitaminok, szervetlen sók, glükóz és szérum. A szérumot azért adják a táptalajhoz, mert az a növekedési faktorok, hormonok és kötődési faktorok forrásaként szolgál. A tápanyagok biztosítása mellett a táptalaj hozzájárul a pH- és az ozmolalitás szintjének fenntartásához is.
A sejttenyésztésben használt táptalajok típusai
Mind az emberi, mind az állati sejtek tenyésztése történhet mesterséges vagy szintetikus táptalajban, illetve teljesen természetes, természetes elemekkel kiegészített táptalajban. A következőkben áttekintést adunk a jelenleg elérhető különböző táptalajtípusokról.
Természetes közegek
Természetes táptalajban csak olyan biológiai folyadékok találhatók, amelyek természetes állapotukban léteznek. A természetes közegek nagyon hasznosak és egyszerűek az állati sejttípusok széles körének tenyésztéséhez. A természetes táptalajokat alkotó pontos összetevők ismeretének hiánya az elsődleges tényező, amely hozzájárul a természetes táptalajok használatával kapott eredmények alacsony megismételhetőségéhez.
Mesterséges táptalajok
A mesterséges vagy szintetikus táptalajok előállítása tápanyagok (szerves és szervetlen), szérumfehérjék, szénhidrátok, kofaktorok, vitaminok és sók, valamint O2 és CO2 gázfázisok hozzáadásával történik [1].
Különböző típusú mesterséges közegeket fejlesztettek ki az alábbi funkciók közül egy vagy több betöltésére: 1) Azonnali túlélés (kiegyensúlyozott sóoldat pontos pH-val és ozmotikus nyomással). 2) Hosszan tartó túlélés (kiegyensúlyozott sóoldat, amelyet szerves vegyi anyagok és/vagy szérum különböző formuláival egészítenek ki). 3) Határozatlan ideig tartó fejlődés. 4) Speciális funkciók.
A mesterséges táptalajok négy különböző osztályozása létezik:
Szérumtartalmú táptalajok
Az állati sejtek tenyésztésére használt táptalajokban leggyakrabban előforduló kiegészítés a magzati szarvasmarha-szérum. Ezt olcsó kiegészítésként adják a táptalajhoz a lehető legjobb növekedési feltételek elérése érdekében. Amellett, hogy a szérum az instabil vagy vízben nem oldódó tápanyagok, hormonok és növekedési faktorok, proteázgátlók és egyéb anyagok transzportereként vagy kelátorként működik, a szérum a káros molekulákat is megköti és semlegesíti.
Szérummentes közeg
A szérum jelenléte a táptalajban számos hátrányt jelent, és az immunológiai kutatások során jelentős értelmezési hibákat okozhat [2, 3]. Számos különböző szérummentes közeget hoztak létre [4, 5]. Ezek a táptalajok általában kifejezetten egy-egy sejttípus tenyésztésének támogatására vannak kifejlesztve, mint például a Thermo Fisher Scientific cég Knockout Serum Replacement és Knockout DMEM tápközege, valamint a Stem Cell Technologies [6] mTESR tápközege őssejtek számára [7].
Ezenkívül ezek a táptalajok meghatározott mennyiségű tisztított növekedési faktorokat, lipoproteineket és egyéb fehérjéket tartalmaznak, amelyeket egyébként jellemzően a szérum biztosít [8]. Ezeket a táptalajokat gyakran "definiált kulturális táptalajoknak" nevezik, mivel az ezeket a táptalajokat alkotó összetevők jól ismertek.
Kémiailag meghatározott táptalajok
Ezek a táptalajok olyan ultra-tiszta szervetlen és szerves komponenseket tartalmaznak, amelyeket semmilyen szennyeződés nem szennyezett. Tartalmazhatnak tiszta fehérjeadalékokat is, például növekedési faktorokat.
a baktériumok vagy élesztők genetikai módosítása, valamint bizonyos zsírsavak, vitaminok, koleszterin és aminosavak hozzáadása az alkotóelemeik előállítását eredményezi [9].
Fehérje nélküli közegek
A fehérjeszegény táptalajok azok, amelyek egyáltalán nem tartalmaznak fehérjét, és helyette csak nem fehérjeelemeket tartalmaznak. A hozzáadott szérumot tartalmazó médiumokkal összehasonlítva a hozzáadott fehérjét nem tartalmazó médiumok használata elősegíti a nagyobb sejtproliferációt és fehérjeexpressziót, és megkönnyíti a későbbi folyamat során keletkező bármely termék tisztítását [10-12]. Az olyan készítmények, mint a MEM és az RPMI-1640, nem tartalmaznak fehérjét. Szükség esetén azonban fehérjekiegészítés adható.
A táptalaj és alapvető összetevői
A kereskedelmi táptalajok megvásárolhatók por vagy folyadék formájában, és gyakran tartalmaznak különféle tápanyagokat, például aminosavakat, glükózt, sókat, vitaminokat és egyéb táplálékkiegészítőket.
Ezeknek az összetevőknek az igénye minden sejtvonal esetében más és más, és ezek a variációk felelősek a tápközegek nagyszámú különböző összetételéért. Minden összetevő egy bizonyos funkcióért felelős, amelyet a következő bekezdésekben ismertetünk:
Pufferrendszerek
Az optimális tenyésztési feltételek fenntartásához a pH-t szabályozni kell, amit gyakran két pufferrendszer valamelyikével tesznek:
Természetes pufferrendszer
A légkörben lévő CO2/H2CO3 arány megegyezik a közegben lévővel, ami egy természetes puffermechanizmust hoz létre. A természetes puffermechanizmus megőrzése érdekében a kultúrákat 5-10% CO2-t tartalmazó légkörben kell tartani, amit gyakran CO2 inkubátorral érnek el. Az egyik legjobb dolog a természetes puffer használatában az, hogy mennyire olcsó és biztonságos.
HEPES
A HEPES nevű zwitteriont használó kémiai pufferelés nagyobb pufferelési képességgel rendelkezik a 7,2-7,4 pH-tartományban, és nincs szüksége szabályozott gázos környezetre. Bizonyos sejttípusok esetében a HEPES nagyobb dózisa káros lehet. A HEPES-t tartalmazó közegek szintén sokkal érzékenyebbek a fluoreszcens fény fototoxikus hatásaira [13].
Fenolvörös
A pH-indikátor fenolvörös gyakran szerepel a kereskedelemben kapható táptalajban, lehetővé téve a pH folyamatos nyomon követését. A sejtek terjeszkedésével a sejtek által termelt metabolitok a pH eltolódását és ezáltal a közeg színének változását okozzák. A fenolvörös kettős hatást gyakorol a táptalaj színére: savas pH-nál sárgává, lúgos pH-nál lilává változtatja azt. 7,4-es pH, a sejttenyésztés optimális értéke miatt a táptalaj fluoreszkáló vörös színűvé válik.
A fenolvörösnek azonban van néhány hátránya: Először is, a fenolvörös képes szimulálni számos szteroid hormon, elsősorban az ösztrogén működését [14]. Ezért az ösztrogénre érzékeny sejtek, például az emlőszövet tanulmányozásakor fenolvörös-mentes táptalaj ajánlott. A nátrium-kálium egyensúlyt a fenolvörös jelenléte számos szérummentes készítményben megbontja. Szérum vagy szarvasmarha hipofízis hormon hozzáadása a táptalajhoz ellensúlyozhatja ezt a hatást [15]. Harmadszor, az áramlási citometriai kísérletekben a fenolvörös jelenléte akadályozza a detektálást.
Szervetlen sók
A szervetlen sókat, például nátrium-, kálium- és kalciumionokat tartalmazó közegek segítik az ozmotikus egyensúly fenntartását és a membránpotenciál szabályozását.
Aminosavak
Mivel az aminosavak a fehérjék alapvető alkotóelemei, minden egyes sejtnövesztő közegnek, amelyet valaha is kitaláltak, nélkülözhetetlen összetevői. Mivel a sejtek bizonyos aminosavakat nem képesek saját maguk előállítani, fontos, hogy a táptalaj esszenciális aminosavakat tartalmazzon. Ezek szükségesek a sejtek szaporodásához, és a koncentráció, amelyben jelen vannak, meghatározza az elérhető maximális sejtsűrűséget. Különösen az L-glutamin, egy esszenciális aminosav különösen fontos.
Az L-glutamin az anyagcsere másodlagos energiaforrásaként működik, és hozzájárul a nitrogénnel a NAD, a NADPH és a nukleotidok előállításához. Mivel az L-glutamin instabil aminosav, amely idővel olyan formába változik, amelyet a sejtek nem tudnak hasznosítani, ezért a közegbe kell juttatni.
Ezenkívül nem esszenciális aminosavakat is be lehet juttatni a közegbe, hogy feltöltsék azokat, amelyek a növekedési folyamat során elhasználódtak. A sejtek növekedése felgyorsul és életképességük megnő, ha a táptalajt nem esszenciális aminosavakkal egészítik ki.
Szénhidrátok
A szénhidrátok cukor formájában a fő energiaforrás. Sok táptalaj tartalmaz maltózt és fruktózt is az elterjedtebb cukrok, a glükóz és a galaktóz mellett.
Fehérjék és peptidek
Az albumin, a transzferrin és a fibronectin a leggyakrabban használt fehérjék és peptidek. Különösen jelentősek azokban a közegekben, amelyek nem tartalmaznak szérumot. Az albumin, a transzferrin, az aprotinin, a fetuin és a fibronectin néhány olyan fehérje, amely a fehérjékben gazdag szérumban megtalálható.
Az albumin a vérben található elsődleges fehérje, és feladata a különböző anyagok, köztük a víz, a sók, a szabad zsírsavak, a hormonok és a vitaminok megkötése és szállítása a különböző szervek és sejtek között. Az albumin vegyi anyagokhoz való kötődési képessége miatt hatékony jelölt a káros vegyületek eltávolítására abból a közegből, amelyben a sejteket tenyésztik.
Az aprotinin védőanyag a sejttenyésztési rendszerekben, mivel semleges és savas pH-n stabil, valamint ellenáll a magas hőmérsékletnek és a proteolitikus enzimek által okozott pusztításnak. Számos szerinproteáz, többek között a tripszin gátlására képes.
A fetuin egy glikoprotein, amely a magzati és újszülött állatok szérumában nagyobb mennyiségben mutatható ki, mint a felnőtt állatok szérumában. Ezen kívül szerinproteáz-inhibitorként is működik. A fibronectin fehérje a sejtadhézió folyamatának lényeges összetevője. A transzferrin egy vasat szállító fehérje, amely a vasnak a sejtmembránokhoz való eljuttatásáért felelős.
Zsírsavak és lipidek
A szérummentes közegben szérum hiányában döntő szerepet játszanak.
Vitaminok
Számos vitamin szükséges a sejtek fejlődéséhez és szaporodásához. A vitaminokat a sejtek nem tudják megfelelő mennyiségben előállítani, ezért a szövettenyészetben táplálékkiegészítőként nélkülözhetetlenek.
A sejtkultúrában a szérum az elsődleges vitaminforrás; a táptalajokat azonban különböző vitaminokkal is kezelik, hogy egy adott sejttípus számára alkalmassá tegyék őket. Legjellemzőbben a B-csoportba tartozó vitaminokat használják a növekedés serkentésére.
Nyomelemek
Az olyan kémiai elemeket, mint a réz, a cink, a szelén és a trikarbonsav intermedierek nyomelemekként ismertek. A nyomelemeket gyakran adják a szérumot nem tartalmazó közegekhez, hogy helyettesítsék a szérumban jellemzően jelenlévő elemeket. Ezek az elemek fontos kémiai összetevők, amelyek szükségesek az egészséges sejtfejlődéshez. Számos biokémiai reakció függ bizonyos mikrotápanyagoktól, például az enzimaktivitás.
Közegkiegészítők
Az egyes sejtvonalakhoz javasolt teljes növekedési táptalajnak olyan extra összetevőkre van szüksége, amelyek hiányoznak az alap táptalajból és a szérumból. Ezek az étrend-kiegészítők támogatják a sejtnövekedést és a megfelelő anyagcsere-funkciókat.
Bár a hormonok, növekedési faktorok és jelátviteli molekulák elengedhetetlenek az egyes sejtvonalak megfelelő szaporodásához, a következő óvintézkedéseket mindig meg kell tenni: Mivel a kiegészítők hozzáadása megváltoztathatja a teljes táptalaj ozmolalitását, ami gátolhatja a sejtek fejlődését, a kiegészítők hozzáadása után mindig célszerű ellenőrizni az ozmolalitást. A legtöbb sejtvonal esetében az optimális ozmolalitás 260 és 320 mOSM/kg között van.
Antibiotikumok
Az antibiotikumokat gyakran alkalmazzák a bakteriális és gombás szennyeződések fejlődésének gátlására [16], bár a sejtnövekedéshez nem nélkülözhetetlenek. Mivel az antibiotikumok a mikoplazma és rezisztens baktériumok általi szennyeződést rejthetnek magukban, rutinszerű alkalmazásuk nem javasolt a sejttenyésztésben [17, 18].
Ezenkívül az antibiotikumok megzavarhatják a túlérzékeny sejtek anyagcseréjét. A MilliporeSigma és a Life Technologies által gyártott penicillin-streptomicin kombinációkat gyakran használják. A plazmocint a TS603, TS516 és BT260 glióma-sejtvonalak tenyésztésében használták [19], és hatásosnak bizonyult a mikoplazma-szennyeződés eltávolításában [20].
Szérum
A szérumban albuminok, növekedési faktorok és növekedési inhibitorok vannak jelen. A szérum a sejttenyésztő táptalaj egyik legjelentősebb összetevője, mivel aminosavakat, fehérjéket, vitaminokat (különösen a zsírban oldódó vitaminokat, mint az A, D, E és K), szénhidrátokat, lipideket, hormonokat, növekedési faktorokat, ásványi anyagokat és nyomelemeket tartalmaz.
A tenyésztett sejtek fejlődésének elősegítésére gyakran használnak magzati és borjúszarvasmarha-forrásból származó szérumot. A magzati szérum bőségesen tartalmaz növekedési faktorokat, és alkalmas sejtklónozásra és érzékeny sejtek fejlesztésére. Csökkentett növekedésserkentő képességei miatt a borjúszérumot a kontaktgátlási kísérletekben alkalmazzák. A normál növekedési táptalajok gyakran tartalmaznak 2-10% szérumot. A szérum hozzáadása a táptalajhoz a következő célokat szolgálja [21]:
-
A szérum biztosítja a sejtek számára az alapvető tápanyagokat (mind oldatban, mind fehérjékhez kötve).
-
A szérumban számos, a növekedés elősegítésében és a speciális sejtaktivitásban szerepet játszó növekedési faktor és hormon található.
-
Számos kötőfehérjét kínál, mint például az albumin és a transzferrin, amelyek más vegyi anyagokat szállítanak a sejtbe. Az albumin például zsírokat, vitaminokat, hormonokat stb. szállít a sejtekbe.
-
Olyan fehérjéket is biztosít, mint például a fibronectin, amelyek növelik a sejtek tapadását a hordozóhoz. Ezenkívül olyan terjedési elemeket termel, amelyek segítik a sejtek osztódás előtti terjeszkedését.
-
Olyan proteázgátlókat szállít, amelyek megakadályozzák a sejtek proteolízisét.
-
Olyan ásványi anyagokat is tartalmaz, mint a Na+, K+, Zn2+ és Fe2+.
-
Növeli a közeg viszkozitását, így védi a sejteket a mechanikai sérüléstől a szuszpenziós kultúra keverése során.
-
Ez egyben puffer is.
Hivatkozások
[1] Morgan J, Morton H, Parker R. Nutrition of animal cells in tissue culture; initial studies on a synthetic medium. Proc Soc Soc Exp Biol Med. 1950;73:1-8
[2] Kerbel R, Blakeslee D. Egy magzati borjúszérum komponens gyors adszorpciója emlőssejtek által tenyésztésben. A sejtspecifikus antigénekkel szembeni antisérák vizsgálatának lehetséges műtermékforrása. Immunology. 1976;31:881-91
[3] Sula K, Draber P, Nouza K. A szérum hozzáadása a sejtszuszpenziók előállításához használt táptalajhoz, mint a sejtközvetített reakciók lehetséges műtermékforrása a popliteális nyirokcsomó teszt segítségével vizsgált sejtközvetített reakciókban. J Immunogenet. 1980;7:483-9
[4] Mariani E, Mariani A, Monaco M, Lalli E, Vitale M, Facchini A. Kereskedelmi szérummentes táptalajok: hibridóma növekedés és monoklonális antitest termelés. J Immunol Methods. 1991;145:175-83
[5] Barnes D, Sato G. A tenyésztett sejtek szérummentes táptalajban történő növekedésének módszerei. Anal Biochem. 1980;102:255-70
[6] Yu H, Lu S, Gasior K, Singh D, Vazquez Sanchez S, Tapia O,et al. HSP70 chaperones RNS-mentes TDP-43 anizotróp intranukleáris folyékony gömbhéjakba. Science. 2021;371:
[7] Meharena H, Marco A, Dileep V, Lockshin E, Akatsu G, Mullahoo J,et al. Down-szindróma által kiváltott szeneszcencia megzavarja a neurális progenitorok nukleáris architektúráját. Cell Stem Cell. 2022;29:116-130.e7
[8] Iscove N, Melchers F. A szérum teljes helyettesítése albumin, transzferrin és szója lipiddel lipopoliszacharid-reaktív B-limfociták tenyészetében. J Exp Med. 1978;147:923-33
[9] Stoll T, Muhlethaler K, von Stockar U, Marison I. Egy kémiailag definiált fehérjeszegény közeg szisztematikus fejlesztése hibridómák növekedéséhez és monoklonális antitestek előállításához. J Biotechnol. 1996;45:111-23
[10] Darfler F. Fehérje-mentes közeg a hibridómák és az immunrendszer más sejtjeinek növekedéséhez. In Vitro Cell Dev Biol. 1990;26:769-78
[11] Barnes D, Sato G. Szérummentes sejtkultúra: egységesítő megközelítés. Cell. 1980;22:649-55
[12] Hamilton W, Ham R. Kínai hörcsög sejtvonalak klónális növekedése fehérje-mentes közegben. In Vitro. 1977;13:537-47
[13] Zigler J, Lepe Zuniga J, Vistica B, Gery I. Fénynek kitett HEPES-tartalmú táptalaj citotoxikus hatásainak elemzése. In Vitro Cell Dev Biol. 1985;21:282-7
[14] Berthois Y, Katzenellenbogen J, Katzenellenbogen B. A fenolvörös a szövettenyésztő közegben gyenge ösztrogén: következmények az ösztrogénre reagáló sejtek tenyészetben történő vizsgálatára vonatkozóan. Proc Natl Acad Sci U S A. 1986;83:2496-500
[15] Karmiol S. A szérummentes táptalajok fejlesztése. In: Master JRW, editor. Animal Cell culture, 3rd ed. Oxford: Oxford University Press; 2000.
[16] Perlman D. Antibiotikumok használata a sejttenyésztési közegekben. Methods Enzymol. 1979;58:110-6
[17] McGarrity G. A sejtkultúrák mikoplazmás fertőzésének terjedése és ellenőrzése. In Vitro. 1976;12:643-8
[18] Masters J, Stacey G. Közegváltoztatás és sejtvonalak passzázsának módosítása. 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. A Plasmocin™ hatékonysága különböző mollicutákkal fertőzött emlőssejtvonalakon az általánosan használt antibiotikumokkal összehasonlítva a sejttenyésztésben: helyi tapasztalatok. Cytotechnology. 2011;63:609-20
[21] Kragh Hansen U. A ligandok szérumalbuminhoz való kötődésének molekuláris aspektusai. Pharmacol Rev. 1981;33:17-53
