Media kultur sel: Gambaran umum

Dalam bidang ilmu kehidupan, salah satu metodologi yang paling penting adalah kultur sel. Pemindahan sel, jaringan, atau organ dari hewan atau tumbuhan dan implantasi sel, jaringan, atau organ tersebut dalam lingkungan buatan yang menguntungkan bagi kelangsungan hidup dan/atau pertumbuhannya adalah apa yang dimaksud dengan frasa "kultur sel" Kebutuhan lingkungan yang mendasar untuk perkembangan sel yang optimal adalah suhu yang terkendali, substrat untuk perlekatan sel, media pertumbuhan yang memadai, dan inkubator yang mempertahankan pH dan osmolalitas yang optimal. Sel harus memiliki kondisi ini agar dapat tumbuh secara maksimal.

Pemilihan media pertumbuhan yang memadai untuk kultur in vitro adalah tahap dalam kultur sel yang paling kritis dan paling vital. Media pertumbuhan, juga dikenal sebagai media kultur, adalah cairan atau gel yang diformulasikan untuk mendorong perkembangan organisme dalam skala mikroskopis, seluler, atau seperti tanaman. Media yang digunakan untuk menumbuhkan sel sering kali mengandung pasokan energi dan zat yang memadai yang mengontrol 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 berkontribusi pada pemeliharaan tingkat pH dan osmolalitas.

Jenis medium yang digunakan dalam kultur sel

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

Media alami

Hanya cairan biologis yang ada dalam keadaan alamiah yang dapat ditemukan dalam media alami. Media alami sangat membantu dan mudah untuk kultivasi berbagai jenis sel hewan. Kurangnya pemahaman tentang komponen-komponen yang tepat yang membentuk media alami adalah faktor utama yang berkontribusi terhadap rendahnya pengulangan hasil yang diperoleh dengan menggunakan media alami.

Media buatan

Pembuatan 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 yang seimbang dengan pH dan tekanan osmotik yang tepat). 2) Kelangsungan hidup yang berkepanjangan (larutan garam seimbang yang dilengkapi dengan berbagai formulasi bahan kimia organik dan/atau serum). 3) Pengembangan yang tidak terbatas. 4) Fungsi khusus.

Terdapat empat klasifikasi yang berbeda untuk media buatan:

Media yang mengandung serum

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

Media Bebas Serum

Kehadiran serum dalam media memiliki sejumlah kelemahan dan berpotensi menyebabkan kesalahan besar dalam interpretasi dalam penelitian imunologi [2, 3]. Ada berbagai macam media bebas serum yang dibuat [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, dan media mTESR dari Stem Cell Technologies [6], untuk sel punca [7].

Selain itu, media-media ini menggabungkan sejumlah faktor pertumbuhan yang dimurnikan, lipoprotein, dan protein lainnya, yang biasanya disediakan oleh serum [8]. Media ini sering disebut sebagai "media kultur yang ditentukan" karena komponen-komponen yang membentuk media ini telah dipahami dengan baik.

Media yang ditentukan secara kimiawi

Media ini mencakup komponen anorganik dan organik yang sangat murni yang belum terkontaminasi oleh kontaminasi apa pun. Media ini juga dapat mencakup penambahan protein murni, seperti faktor pertumbuhan.

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

Media bebas protein

Media bebas protein adalah media yang tidak mengandung protein sama sekali dan hanya mengandung elemen non-protein. Jika dibandingkan dengan media dengan tambahan serum, penggunaan media tanpa tambahan protein mendorong proliferasi sel dan ekspresi protein yang lebih besar serta mempermudah pemurnian produk 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 komponen-komponen ini berbeda untuk setiap lini sel, dan variasi ini bertanggung jawab atas banyaknya formulasi media yang berbeda. Setiap komponen bertanggung jawab atas fungsi tertentu, yang akan diuraikan dalam paragraf berikut:

Sistem penyangga

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

Sistem penyangga alami

Rasio CO2/H2CO3 di atmosfer sama dengan rasio medium, menciptakan mekanisme penyangga alami. Untuk mempertahankan mekanisme penyangga alami, kultur harus disimpan di lingkungan udara dengan 5-10% CO2, yang sering kali dicapai dengan menggunakan inkubator CO2. Salah satu hal terbaik tentang penggunaan penyangga alami adalah betapa murah dan amannya.

HEPES

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

Fenol Merah

Indikator pH fenol merah sering disertakan dalam media kultur yang tersedia secara komersial, memungkinkan pemantauan pH secara terus menerus. Dengan mengembangkan sel, metabolit yang dihasilkan oleh sel-sel ini menyebabkan pergeseran pH dan oleh karena itu perubahan warna pada media. Fenol merah memiliki efek ganda pada warna media, mengubahnya menjadi kuning pada pH asam dan ungu pada pH basa. pH 7,4, nilai optimal untuk kultur sel, menyebabkan media tampak berwarna merah neon.

Tetapi fenol merah memiliki beberapa kelemahan: Pertama, fenol merah mampu mensimulasikan kinerja sejumlah hormon steroid, terutama estrogen [14]. Oleh karena itu, ketika mempelajari sel yang peka terhadap estrogen, seperti jaringan payudara, disarankan untuk menggunakan media yang bebas dari fenol merah. Keseimbangan natrium-kalium terganggu dengan adanya fenol merah dalam beberapa formulasi bebas serum. Menambahkan serum atau hormon hipofisis sapi ke dalam media dapat mengatasi efek ini [15]. Ketiga, deteksi dalam percobaan sitometri aliran terhalang 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 adalah komponen dasar protein, asam amino merupakan komponen penting dari setiap media pertumbuhan sel yang pernah ada. Karena sel tidak dapat memproduksi asam amino tertentu dengan sendirinya, maka penting bagi media kultur untuk menyertakan asam amino esensial. Mereka diperlukan untuk proliferasi sel, dan konsentrasi di mana mereka hadir menentukan kepadatan sel maksimum yang dapat dicapai. Secara khusus, L-glutamin, asam amino esensial sangat penting.

L-glutamin berfungsi sebagai sumber energi sekunder untuk metabolisme dan menyumbangkan nitrogen untuk produksi NAD, NADPH, dan nukleotida. Karena fakta bahwa L-glutamin adalah asam amino yang tidak stabil yang, seiring berjalannya waktu, berubah menjadi bentuk yang tidak dapat digunakan oleh sel, asam amino ini harus diberikan ke dalam medium.

Selain itu, asam amino non-esensial dapat disuplai ke medium untuk mengisi bahan bakar yang telah digunakan selama proses pertumbuhan. Pertumbuhan sel didorong dan kelangsungan hidupnya meningkat ketika media pertumbuhan dilengkapi dengan asam amino nonesensial.

Karbohidrat

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

Protein dan peptida

Albumin, transferin, dan fibronektin adalah protein dan peptida yang paling sering digunakan, terutama dalam media yang tidak mengandung serum. Albumin, transferin, aprotinin, fetuin, dan fibronektin adalah beberapa protein yang dapat ditemukan dalam serum, yang merupakan sumber protein yang kaya.

Albumin adalah protein utama yang ditemukan dalam darah, dan fungsinya adalah untuk mengikat dan mengangkut berbagai zat, termasuk air, garam, asam lemak bebas, hormon, dan vitamin, di antara berbagai organ dan sel. Kemampuan albumin untuk melekat pada bahan kimia membuatnya menjadi kandidat yang efektif untuk menghilangkan senyawa berbahaya dari media tempat sel dikultur.

Aprotinin adalah 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. Ia mampu menghambat sejumlah protease serin, termasuk tripsin, di antaranya.

Fetuin adalah glikoprotein yang dapat dideteksi dalam jumlah yang lebih tinggi dalam serum janin dan bayi baru lahir dibandingkan dengan serum orang dewasa. Selain itu, ia bertindak sebagai inhibitor protease serin. Protein fibronektin adalah komponen penting dalam proses adhesi sel. Transferin adalah protein yang mengangkut zat besi dan bertanggung jawab untuk mengantarkan zat besi ke membran sel.

Asam lemak dan lipid

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

Vitamin

Banyak vitamin yang diperlukan untuk perkembangan dan proliferasi sel. Vitamin tidak dapat diproduksi dalam jumlah yang memadai oleh sel dan karenanya penting dalam kultur jaringan sebagai suplemen makanan.

Dalam kultur sel, serum adalah sumber utama vitamin; namun, media juga diperlakukan dengan berbagai vitamin agar sesuai untuk jenis sel tertentu. Biasanya, vitamin kelompok B digunakan untuk stimulasi pertumbuhan.

Elemen jejak

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

Suplemen medium

Media pertumbuhan lengkap yang disarankan untuk lini sel tertentu membutuhkan komponen tambahan yang tidak ada dalam media dasar dan serum. Suplemen makanan ini mendukung pertumbuhan sel dan fungsi metabolisme yang tepat.

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

Antibiotik

Antibiotik sering digunakan untuk menghambat perkembangan polutan bakteri dan jamur [16], meskipun tidak penting untuk pertumbuhan sel. Karena antibiotik dapat menyembunyikan kontaminasi oleh mikoplasma dan bakteri resisten, penggunaan rutinnya tidak disarankan untuk kultur sel [17, 18].

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

Serum

Albumin, faktor pertumbuhan, dan penghambat pertumbuhan semuanya ada dalam serum. Serum adalah salah satu komponen paling penting dari media kultur sel karena menyediakan asam amino, protein, vitamin (terutama vitamin yang larut dalam lemak seperti A, D, E, dan K), karbohidrat, lipid, hormon, faktor pertumbuhan, mineral, dan elemen.

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

  • Serum memberikan nutrisi penting untuk sel (baik dalam larutan maupun yang melekat pada protein).

  • Beberapa faktor pertumbuhan dan hormon yang terlibat dalam promosi pertumbuhan dan aktivitas sel khusus termasuk dalam serum.

  • Serum juga mengandung banyak protein pengikat, seperti albumin dan transferin, yang mengangkut bahan kimia lain ke dalam sel. Sebagai contoh, albumin mengantarkan lemak, vitamin, hormon, dan lain-lain ke dalam sel.

  • Ini juga menyediakan protein, seperti fibronektin, yang meningkatkan daya rekat sel ke substrat. Selain itu, ia menghasilkan elemen penyebar yang membantu ekspansi sel sebelum pembelahan.

  • Ini memberikan inhibitor protease yang mencegah proteolisis dalam sel.

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

  • Ini meningkatkan viskositas media, sehingga melindungi sel dari cedera mekanis selama agitasi kultur suspensi.

  • Ini juga merupakan penyangga.

Referensi

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

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

[3] Sula K, Draber P, Nouza K. Penambahan serum ke media yang digunakan untuk persiapan suspensi sel sebagai sumber artefak yang mungkin dalam reaksi yang diperantarai sel yang dipelajari dengan menggunakan uji kelenjar getah bening poplitea. 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 Metode Imunol. 1991;145:175-83

[5] Barnes D, Sato G. Metode untuk pertumbuhan sel yang dikultur 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 mengawal TDP-43 bebas RNA ke dalam cangkang bola cair intranuklear anisotropik. Sains. 2021;371:

[7] Meharena H, Marco A, Dileep V, Lockshin E, Akatsu G, Mullahoo J,dkk. Penuaan yang diinduksi oleh sindrom Down mengganggu arsitektur nuklir progenitor saraf. Sel Induk Sel. 2022;29:116-130.e7

[8] Iscove N, Melchers F. Penggantian lengkap serum oleh albumin, transferin, 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. Perbaikan sistematis dari media bebas protein yang ditentukan 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 lain dari sistem kekebalan tubuh. In Vitro Cell Dev Biol. 1990; 26: 769-78

[11] Barnes D, Sato G. Kultur sel bebas serum: pendekatan pemersatu. 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 dari media kultur yang mengandung HEPES yang terpapar cahaya. In Vitro Cell Dev Biol. 1985; 21: 282-7

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

[15] Karmiol S. Pengembangan media bebas serum. Dalam: Master JRW, editor. Kultur sel hewan, 3rd ed. Oxford: Oxford University Press; 2000.

[16] Perlman D. Penggunaan antibiotik dalam media kultur sel. Metode 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. Mengubah media dan melewatkan garis sel. Nat Protoc. 2007;2:2276-84

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

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

[21] Kragh Hansen U. Aspek molekuler dari pengikatan ligan pada serum albumin. 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