Pergi ke beranda

Media kultur sel: Gambaran umum

Dalam bidang ilmu hayati, salah satu metodologi terpenting adalah kultur sel. Pengambilan sel, jaringan, atau organ dari hewan atau tumbuhan, serta penanaman sel, jaringan, atau organ tersebut dalam lingkungan buatan yang mendukung kelangsungan hidup dan/atau pertumbuhannya, itulah yang dimaksud dengan istilah "kultur sel." Kebutuhan lingkungan mendasar untuk perkembangan sel yang optimal adalah suhu yang terkendali, substrat untuk pelekatan sel, media pertumbuhan yang memadai, dan inkubator yang menjaga pH dan osmolalitas optimal. Sel harus memiliki kondisi-kondisi ini agar dapat tumbuh secara maksimal.

Pemilihan media pertumbuhan yang memadai untuk budidaya in vitro merupakan tahap dalam kultur sel yang paling kritis sekaligus paling vital. Media pertumbuhan, yang juga dikenal sebagai media kultur, adalah cairan atau gel yang diformulasikan untuk mendorong perkembangan organisme pada skala mikroskopis, seluler, atau tumbuhan. Media yang digunakan untuk membudidayakan sel sering kali mengandung pasokan energi yang memadai serta zat-zat yang mengatur siklus sel. Komponen utama media kultur meliputi asam amino, vitamin, garam anorganik, glukosa, dan serum. Serum ditambahkan ke dalam media karena berfungsi sebagai sumber faktor pertumbuhan, hormon, dan faktor perlekatan. Selain menyediakan nutrisi, media juga berperan dalam menjaga tingkat pH dan osmolalitas.

Jenis-jenis media yang digunakan dalam kultur sel

Baik sel manusia maupun sel hewan berpotensi ditumbuhkan baik dalam media buatan atau sintetis maupun media yang sepenuhnya alami yang dilengkapi dengan unsur-unsur alami. Berikut ini, kami akan memberikan gambaran umum mengenai berbagai jenis media yang saat ini tersedia.

Media alami

Hanya cairan biologis yang ada dalam keadaan alami yang dapat ditemukan dalam media alami. Media alami sangat bermanfaat dan mudah digunakan untuk membiakkan berbagai jenis sel hewan. Kurangnya pemahaman tentang komponen tepat yang menyusun media alami merupakan faktor utama yang menyebabkan rendahnya tingkat pengulangan hasil yang diperoleh dengan menggunakan media alami.

Media buatan

Persiapan media buatan atau sintetis melibatkan penambahan nutrisi (baik organik maupun anorganik), protein serum, karbohidrat, kofaktor, vitamin, dan garam, serta fase gas O₂ dan CO₂ [1].

Berbagai jenis media buatan telah dikembangkan untuk memenuhi satu atau lebih fungsi berikut: 1) Kelangsungan hidup segera (larutan garam seimbang dengan pH dan tekanan osmotik yang tepat). 2) Kelangsungan hidup jangka panjang (larutan garam seimbang yang ditambah dengan berbagai formulasi bahan kimia organik dan/atau serum). 3) Perkembangan tanpa batas waktu. 4) Fungsi khusus.

Ada empat klasifikasi berbeda untuk media buatan:

Media yang mengandung serum

Jenis suplemen yang paling sering ditemukan dalam media yang digunakan untuk menumbuhkan sel hewan adalah serum janin sapi. Serum ini ditambahkan ke media kultur sebagai suplemen berbiaya rendah guna mencapai kondisi pertumbuhan terbaik. Selain bertindak sebagai pengangkut atau pengkelat untuk nutrisi yang tidak stabil atau tidak larut dalam air, hormon dan faktor pertumbuhan, penghambat protease, serta zat lainnya, serum juga mengikat dan menetralkan molekul berbahaya.

Media Bebas Serum

Kehadiran serum dalam media memiliki sejumlah kelemahan dan berpotensi menyebabkan kesalahan interpretasi yang signifikan dalam penelitian imunologi [2, 3]. Berbagai jenis media bebas serum telah dikembangkan [4, 5]. Media-media ini umumnya diformulasikan secara khusus untuk mendukung kultur satu jenis sel, seperti Knockout Serum Replacement dan Knockout DMEM dari Thermo Fisher Scientific, serta media mTESR dari Stem Cell Technologies [6], untuk sel punca [7].

Selain itu, media ini mengandung jumlah yang telah ditentukan dari faktor pertumbuhan yang dimurnikan, lipoprotein, dan protein lainnya, yang biasanya disediakan oleh serum [8]. Media ini sering disebut sebagai "media kultur terdefinisi" karena komponen yang menyusunnya telah dipahami dengan baik.

Media yang didefinisikan secara kimiawi

Media ini mengandung komponen anorganik dan organik ultra-murni yang tidak terkontaminasi oleh zat apa pun. Media ini juga dapat mengandung tambahan protein murni, seperti faktor pertumbuhan.

 Modifikasi genetik bakteri atau ragi, bersama dengan penambahan asam lemak, vitamin, kolesterol, dan asam amino tertentu, menghasilkan komponen-komponennya [9].

Media bebas protein

Media bebas protein adalah media yang sama sekali tidak mengandung protein dan hanya mengandung unsur-unsur non-protein. Dibandingkan dengan media yang ditambahkan serum, penggunaan media tanpa penambahan protein mendorong proliferasi sel dan ekspresi protein yang lebih baik serta memudahkan pemurnian produk apa pun yang dihasilkan dalam proses hilir [10-12]. Protein tidak termasuk dalam formulasi seperti MEM dan RPMI-1640. Namun, suplemen protein dapat diberikan jika diperlukan.

Media kultur dan komponen dasarnya

Media kultur komersial dapat dibeli dalam bentuk bubuk atau cairan dan sering kali mengandung berbagai nutrisi seperti asam amino, glukosa, garam, vitamin, dan suplemen makanan lainnya. 

Kebutuhan akan komponen-komponen ini berbeda untuk setiap lini sel, dan variasi inilah yang menyebabkan banyaknya formulasi media yang berbeda. Setiap komponen memiliki fungsi tertentu, yang akan dijelaskan dalam paragraf berikut:

Sistem penyangga

Untuk menjaga kondisi pertumbuhan yang optimal, pH harus dikontrol, yang sering dilakukan dengan salah satu dari dua sistem penyangga berikut:

Sistem penyangga alami

Rasio CO₂/H₂CO₃ di atmosfer sama dengan yang ada di media, sehingga menciptakan mekanisme penyangga alami. Untuk mempertahankan mekanisme penyangga alami ini, kultur harus disimpan dalam lingkungan udara dengan kadar CO₂ 5–10%, yang sering dicapai dengan menggunakan inkubator CO₂. Salah satu keunggulan menggunakan penyangga alami adalah harganya yang murah dan aman.

HEPES

Penyangga kimiawi yang menggunakan zwitterion HEPES memiliki kemampuan penyangga yang lebih besar pada kisaran pH 7,2–7,4 dan tidak memerlukan lingkungan gas yang diatur. Untuk jenis sel tertentu, dosis HEPES yang lebih tinggi dapat berbahaya. Media yang mengandung HEPES juga jauh lebih rentan terhadap efek fototoksik dari cahaya fluoresen [13].

Phenol Red

Indikator pH fenol merah sering ditambahkan ke dalam media kultur yang tersedia secara komersial, sehingga memungkinkan pemantauan pH secara terus-menerus. Seiring pertumbuhan sel, metabolit yang dihasilkan oleh sel-sel ini menyebabkan pergeseran pH dan akibatnya perubahan warna media. Phenol Red memiliki efek ganda terhadap warna media, yaitu berubah menjadi kuning pada pH asam dan ungu pada pH basa. pH 7,4, nilai optimal untuk kultur sel, menyebabkan media tampak berwarna merah fluoresen.

Namun, fenol merah memiliki beberapa kelemahan: Pertama, fenol merah mampu meniru fungsi sejumlah hormon steroid, terutama estrogen [14]. Oleh karena itu, saat mempelajari sel yang sensitif terhadap estrogen seperti jaringan payudara, disarankan menggunakan media yang bebas dari fenol merah. Keseimbangan natrium-kalium terganggu oleh adanya fenol merah dalam beberapa formulasi bebas serum. Menambahkan serum atau hormon hipofisis sapi ke dalam media dapat menetralkan efek ini [15]. Ketiga, deteksi dalam eksperimen sitometri aliran terhambat oleh adanya fenol merah.

Garam anorganik

Media yang mengandung garam anorganik, seperti ion natrium, kalium, dan kalsium, membantu menjaga keseimbangan osmotik dan mengatur potensial membran.

Asam amino

Karena asam amino merupakan komponen dasar protein, maka asam amino merupakan komponen esensial dari setiap media pertumbuhan sel yang pernah diciptakan. Karena sel tidak mampu memproduksi asam amino tertentu secara mandiri, penting bagi media kultur untuk mengandung asam amino esensial. Asam amino diperlukan untuk proliferasi sel, dan konsentrasinya menentukan kepadatan sel maksimum yang dapat dicapai. Secara khusus, L-glutamin, sebuah asam amino esensial, sangatlah penting.

L-glutamin berfungsi sebagai sumber energi sekunder untuk metabolisme dan menyumbangkan nitrogen untuk produksi NAD, NADPH, dan nukleotida. Karena L-glutamin merupakan asam amino yang tidak stabil dan seiring waktu berubah menjadi bentuk yang tidak dapat dimanfaatkan oleh sel, maka L-glutamin harus ditambahkan ke dalam media.

Selain itu, asam amino non-esensial dapat ditambahkan ke dalam media untuk mengisi kembali asam amino yang telah habis selama proses pertumbuhan. Pertumbuhan sel akan meningkat dan viabilitasnya akan bertambah jika media pertumbuhan ditambah dengan asam amino non-esensial.

Karbohidrat

Karbohidrat dalam bentuk gula merupakan sumber energi utama. Banyak media juga mengandung maltosa dan fruktosa selain gula yang lebih umum seperti glukosa dan galaktosa.

Protein dan peptida

Albumin, transferrin, dan fibronektin adalah protein dan peptida yang paling umum digunakan. Ketiganya sangat penting terutama dalam media yang tidak mengandung serum. Albumin, transferrin, aprotinin, fetuin, dan fibronektin adalah beberapa protein yang dapat ditemukan dalam serum, yang merupakan sumber protein yang kaya.

Albumin adalah protein utama yang terdapat dalam darah, dan fungsinya adalah mengikat serta mengangkut berbagai zat, termasuk air, garam, asam lemak bebas, hormon, dan vitamin, antar organ dan sel. Kemampuan albumin untuk mengikat zat kimia menjadikannya kandidat yang efektif untuk menghilangkan senyawa berbahaya dari media tempat sel-sel dikultur.

Aprotinin merupakan agen pelindung dalam sistem kultur sel, karena stabil pada pH netral dan asam, serta tahan terhadap suhu tinggi dan kerusakan yang mungkin disebabkan oleh enzim proteolitik. Aprotinin mampu menghambat sejumlah protease serin, termasuk tripsin, di antara enzim lainnya.

Fetuin adalah glikoprotein yang dapat terdeteksi dalam jumlah lebih tinggi pada serum hewan janin dan bayi baru lahir dibandingkan dengan serum hewan dewasa. Selain itu, fetuin juga bertindak sebagai penghambat protease serin. Protein fibronektin merupakan komponen esensial dalam proses adhesi sel. Transferrin adalah protein yang mengangkut zat besi dan bertanggung jawab untuk mengantarkan zat besi ke membran sel.

Asam lemak dan lipid

Keduanya memainkan peran penting dalam media bebas serum ketika serum tidak ada.

Vitamin

Banyak vitamin diperlukan untuk perkembangan dan proliferasi sel. Vitamin tidak dapat diproduksi dalam jumlah yang cukup oleh sel dan oleh karena itu sangat penting dalam kultur jaringan sebagai suplemen makanan.

Dalam kultur sel, serum merupakan sumber utama vitamin; namun, media juga diperkaya dengan berbagai vitamin agar sesuai untuk jenis sel tertentu. Umumnya, vitamin kelompok B digunakan untuk merangsang pertumbuhan.

Unsur jejak

Unsur-unsur kimia seperti tembaga, seng, selenium, dan zat antara asam trikarboksilat dikenal sebagai unsur jejak. Unsur jejak sering ditambahkan ke media yang tidak mengandung serum untuk menggantikan unsur-unsur yang biasanya terdapat dalam serum. Unsur-unsur ini merupakan komponen kimia penting yang diperlukan untuk perkembangan sel yang sehat. Banyak reaksi biokimia bergantung pada mikronutrien tertentu, seperti aktivitas enzim.

Suplemen media

Media pertumbuhan lengkap yang disarankan untuk garis sel tertentu memerlukan komponen tambahan yang tidak terdapat dalam media dasar dan serum. Suplemen ini mendukung pertumbuhan sel dan fungsi metabolik yang tepat.

Meskipun hormon, faktor pertumbuhan, dan molekul pensinyalan sangat penting untuk proliferasi yang tepat dari lini sel tertentu, tindakan pencegahan berikut harus selalu dilakukan: Karena penambahan suplemen dapat mengubah osmolalitas media pertumbuhan lengkap, yang dapat menghambat perkembangan sel, disarankan untuk selalu memverifikasi osmolalitas setelah menambahkan suplemen. Untuk sebagian besar lini sel, osmolalitas optimal berkisar antara 260 dan 320 mOSM/kg.

Antibiotik

Antibiotik sering digunakan untuk menghambat pertumbuhan kontaminan bakteri dan jamur [16], meskipun antibiotik tersebut tidak esensial bagi pertumbuhan sel. Karena antibiotik dapat menyembunyikan kontaminasi oleh mikoplasma dan bakteri resisten, penggunaan rutin antibiotik tidak disarankan dalam kultur sel [17, 18].

Selain itu, antibiotik dapat mengganggu metabolisme sel yang hipersensitif. Kombinasi penisilin-streptomisin yang diproduksi oleh MilliporeSigma dan Life Technologies sering digunakan. Plasmocin telah digunakan dalam kultur garis sel glioma TS603, TS516, dan BT260 [19], dan terbukti efektif dalam menghilangkan kontaminasi mikoplasma (20).

Serum

Albumin, faktor pertumbuhan, dan penghambat pertumbuhan semuanya terdapat dalam serum. Serum merupakan salah satu komponen terpenting dalam medium kultur sel karena menyediakan asam amino, protein, vitamin (terutama vitamin larut lemak seperti A, D, E, dan K), karbohidrat, lipid, hormon, faktor pertumbuhan, mineral, dan unsur jejak.

Serum dari sumber janin sapi dan anak sapi sering digunakan untuk mendorong perkembangan sel yang dikultur. Serum janin merupakan sumber faktor pertumbuhan yang melimpah dan cocok untuk kloning sel serta pengembangan sel yang sensitif. Karena kemampuannya dalam mendorong pertumbuhan yang lebih rendah, serum anak sapi digunakan dalam eksperimen penghambatan kontak. Media pertumbuhan normal biasanya mengandung 2% hingga 10% serum. Penambahan serum ke dalam media kultur memiliki tujuan sebagai berikut [21]:

  • Serum menyediakan nutrisi esensial bagi sel (baik dalam bentuk larutan maupun terikat pada protein).

  • Beberapa faktor pertumbuhan dan hormon yang berperan dalam mendorong pertumbuhan dan aktivitas sel khusus terdapat dalam serum.

  • Serum menyediakan banyak protein pengikat, seperti albumin dan transferrin, yang mengangkut zat kimia lain ke dalam sel. Misalnya, albumin mengantarkan lemak, vitamin, hormon, dll. ke dalam sel.

  • Serum juga menyediakan protein, seperti fibronektin, yang meningkatkan adhesi sel ke substrat. Selain itu, serum menghasilkan unsur-unsur penyebaran yang membantu ekspansi sel sebelum pembelahan.

  • Serum mengantarkan penghambat protease yang mencegah proteolisis dalam sel.

  • Serum juga mengandung mineral seperti Na+, K+, Zn2+, dan Fe2+.

  • Media ini meningkatkan viskositas, sehingga melindungi sel dari cedera mekanis selama pengadukan kultur suspensi.

  • Albumin juga berfungsi sebagai penyangga.

Referensi

[1] Morgan J, Morton H, Parker R. Nutrisi sel hewan dalam kultur jaringan; studi awal mengenai media sintetis. Proc Soc Exp Biol Med. 1950;73:1-8

[2] Kerbel R, Blakeslee D. Adsorpsi cepat komponen serum janin sapi oleh sel mamalia dalam kultur. Sumber potensial artefak dalam studi antiserum terhadap antigen spesifik sel. Immunology. 1976;31:881-91

[3] Sula K, Draber P, Nouza K. Penambahan serum ke dalam medium yang digunakan untuk persiapan suspensi sel sebagai sumber potensial artefak dalam reaksi yang dimediasi sel yang diteliti melalui uji kelenjar getah bening popliteal. J Immunogenet. 1980;7:483-9

[4] Mariani E, Mariani A, Monaco M, Lalli E, Vitale M, Facchini A. Media bebas serum komersial: pertumbuhan hibridoma dan produksi antibodi monoklonal. J Immunol Methods. 1991;145:175-83

[5] Barnes D, Sato G. Metode pertumbuhan sel kultur dalam media bebas serum. Anal Biochem. 1980;102:255-70

[6] Yu H, Lu S, Gasior K, Singh D, Vazquez Sanchez S, Tapia O, dkk. HSP70 mengarahkan TDP-43 bebas RNA ke dalam cangkang cair intranuklear berbentuk bola yang anisotropik. Science. 2021;371:

[7] Meharena H, Marco A, Dileep V, Lockshin E, Akatsu G, Mullahoo J, dkk. Penuaan yang dipicu oleh sindrom Down mengganggu arsitektur nukleus sel progenitor saraf. Cell Stem Cell. 2022;29:116-130.e7

[8] Iscove N, Melchers F. Penggantian total serum dengan albumin, transferrin, dan lipid kedelai dalam kultur limfosit B yang reaktif terhadap lipopolisakarida. J Exp Med. 1978;147:923-33

[9] Stoll T, Muhlethaler K, von Stockar U, Marison I. Peningkatan sistematis terhadap media bebas protein yang didefinisikan secara kimiawi untuk pertumbuhan hibridoma dan produksi antibodi monoklonal. J Biotechnol. 1996;45:111-23

[10] Darfler F. Media bebas protein untuk pertumbuhan hibridoma dan sel-sel sistem kekebalan lainnya. In Vitro Cell Dev Biol. 1990;26:769-78

[11] Barnes D, Sato G. Kultur sel bebas serum: suatu pendekatan terpadu. Cell. 1980;22:649-55

[12] Hamilton W, Ham R. Pertumbuhan klonal garis sel hamster Cina dalam media bebas protein. In Vitro. 1977;13:537-47

[13] Zigler J, Lepe Zuniga J, Vistica B, Gery I. Analisis efek sitotoksik media kultur yang mengandung HEPES dan terpapar cahaya. In Vitro Cell Dev Biol. 1985;21:282-7

[14] Berthois Y, Katzenellenbogen J, Katzenellenbogen B. Fenol merah dalam media kultur jaringan merupakan estrogen lemah: implikasi terkait studi sel yang responsif terhadap estrogen dalam kultur. Proc Natl Acad Sci U S A. 1986;83:2496-500

[15] Karmiol S. Pengembangan media bebas serum. Dalam: Master JRW, editor. Kultur Sel Hewan, edisi ke-3. Oxford: Oxford University Press; 2000.

[16] Perlman D. Penggunaan antibiotik dalam media kultur sel. Methods Enzymol. 1979;58:110-6

[17] McGarrity G. Penyebaran dan pengendalian infeksi mikoplasma pada kultur sel. In Vitro. 1976;12:643-8

[18] Masters J, Stacey G. Mengganti media dan melakukan passaging pada garis sel. Nat Protoc. 2007;2:2276-84

[19] Chakraborty A, Laukka T, Myllykoski M, Ringel A, Booker M, Tolstorukov M, dkk. Demetilase histon KDM6A secara langsung mendeteksi oksigen untuk mengendalikan kromatin dan nasib sel. Science. 2019;363:1217-1222

[20] Molla Kazemiha V, Azari S, Amanzadeh A, Bonakdar S, Shojaei Moghadam M, Habibi Anbouhi M, dkk. Efektivitas Plasmocin™ pada berbagai garis sel mamalia yang terinfeksi mollicutes dibandingkan dengan antibiotik yang umum digunakan dalam kultur sel: pengalaman lokal. Cytotechnology. 2011;63:609-20

[21] Kragh Hansen U. Aspek molekuler pengikatan ligan pada albumin serum. Pharmacol Rev. 1981;33:17-53

Kami telah mendeteksi bahwa Anda berada di negara lain atau menggunakan bahasa peramban yang berbeda dari yang dipilih saat ini. Apakah Anda ingin menerima pengaturan yang disarankan?

Tutup