Mezzi di coltura cellulare: Una panoramica
Nel campo delle scienze della vita, una delle metodologie più importanti è la coltura cellulare. Il prelievo di cellule, tessuti o organi da un animale o da una pianta e il successivo impianto di tali cellule, tessuti o organi in un ambiente artificiale favorevole alla loro sopravvivenza e/o crescita è ciò che si intende con l'espressione "coltura cellulare" Le esigenze ambientali fondamentali per uno sviluppo cellulare ottimale sono la temperatura controllata, un substrato per l'attaccamento delle cellule, un terreno di coltura adeguato e un incubatore che mantenga il pH e l'osmolalità ottimali. Le cellule devono disporre di queste condizioni per crescere al massimo delle loro potenzialità.
La selezione di un terreno di coltura adeguato per la coltivazione in vitro è la fase più critica e vitale della coltura cellulare. Un terreno di coltura, noto anche come terreno di coltura, è un liquido o un gel formulato per favorire lo sviluppo degli organismi su scala microscopica, cellulare o vegetale. Il terreno utilizzato per la coltivazione delle cellule contiene spesso un adeguato apporto di energia e di sostanze che controllano il ciclo cellulare. I principali componenti di un terreno di coltura includono aminoacidi, vitamine, sali inorganici, glucosio e siero. Il siero viene aggiunto al terreno di coltura perché funge da fonte di fattori di crescita, ormoni e fattori di attaccamento. Oltre a fornire nutrienti, il terreno di coltura contribuisce anche a mantenere i livelli di pH e osmolalità.
Tipi di terreno di coltura cellulare
Sia le cellule umane che quelle animali possono essere coltivate in un terreno artificiale o sintetico oppure in un terreno completamente naturale, integrato con elementi naturali. Di seguito vi forniremo una panoramica dei diversi tipi di terreno di coltura attualmente disponibili.
Terreni naturali
Nei terreni di coltura naturali si trovano solo fluidi biologici che esistono allo stato naturale. I terreni naturali sono molto utili e facili da coltivare per un'ampia varietà di tipi di cellule animali. La mancanza di comprensione dei componenti precisi che compongono i terreni naturali è il fattore principale che contribuisce alla scarsa ripetibilità dei risultati ottenuti con i terreni naturali.
Terreni artificiali
La preparazione di terreni artificiali o sintetici prevede l'aggiunta di nutrienti (sia organici che inorganici), proteine del siero, carboidrati, cofattori, vitamine e sali, nonché fasi gassose di O2 e CO2 [1].
Sono stati sviluppati vari tipi di terreni artificiali per soddisfare una o più delle seguenti funzioni: 1) sopravvivenza immediata (una soluzione salina bilanciata con un pH e una pressione osmotica precisi). 2) Sopravvivenza prolungata (una soluzione salina bilanciata integrata con diverse formulazioni di sostanze chimiche organiche e/o siero). 3) Sviluppo indefinito. 4) Funzioni specializzate.
Esistono quattro classificazioni distinte per i terreni artificiali:
Terreni contenenti siero
Il tipo di integratore più frequente nei terreni di coltura delle cellule animali è il siero fetale bovino. Viene aggiunto al terreno di coltura come supplemento a basso costo per ottenere le migliori condizioni di crescita possibili. Oltre a fungere da trasportatore o chelante per i nutrienti instabili o insolubili in acqua, gli ormoni e i fattori di crescita, gli inibitori delle proteasi e altre sostanze, il siero lega e neutralizza le molecole nocive.
Terreno senza siero
La presenza di siero nei terreni di coltura presenta una serie di svantaggi e può causare gravi errori di interpretazione nella ricerca immunologica [2, 3]. Sono stati creati diversi terreni di coltura privi di siero [4, 5]. Questi terreni sono generalmente formulati in modo specifico per supportare la coltura di un singolo tipo di cellula, come il Knockout Serum Replacement e il Knockout DMEM di Thermo Fisher Scientific e il terreno mTESR di Stem Cell Technologies [6], per le cellule staminali [7].
Inoltre, questi terreni incorporano quantità definite di fattori di crescita purificati, lipoproteine e altre proteine, che altrimenti sono tipicamente fornite dal siero [8]. Questi terreni sono spesso definiti "terreni culturali definiti", poiché i componenti che li compongono sono ben conosciuti.
Terreni chimicamente definiti
Questi terreni comprendono componenti inorganici e organici ultra-puri che non hanno subito alcun tipo di contaminazione. Possono anche includere aggiunte di proteine pure, come i fattori di crescita.
la modifica genetica di batteri o lieviti, insieme all'aggiunta di particolari acidi grassi, vitamine, colesterolo e aminoacidi, porta alla produzione dei loro componenti [9].
Terreni privi di proteine
I terreni di coltura privi di proteine sono quelli che non includono alcuna proteina, ma solo elementi non proteici. Rispetto ai terreni con aggiunta di siero, l'uso di terreni senza proteine aggiunte favorisce una maggiore proliferazione cellulare e l'espressione di proteine e rende più facile la purificazione di qualsiasi prodotto generato in un processo a valle [10-12]. Le proteine non sono incluse in formulazioni come MEM e RPMI-1640. Tuttavia, se necessario, si può somministrare un supplemento proteico.
Terreni di coltura e componenti di base
I terreni di coltura commerciali possono essere acquistati in polvere o liquidi e spesso includono una varietà di nutrienti come aminoacidi, glucosio, sali, vitamine e altri integratori alimentari.
Il fabbisogno di questi componenti è diverso per ogni linea cellulare e queste variazioni sono all'origine dell'ampio numero di formulazioni diverse di terreni di coltura. Ogni componente è responsabile di una determinata funzione, che verrà illustrata nei paragrafi seguenti:
Sistemi tampone
Per mantenere le condizioni ottimali di crescita, il pH deve essere controllato, il che viene spesso fatto con uno dei due sistemi di tamponamento:
Sistema tampone naturale
Il rapporto CO2/H2CO3 nell'atmosfera è uguale a quello del terreno di coltura, creando un meccanismo tampone naturale. Per preservare il meccanismo tampone naturale, le colture devono essere mantenute in un ambiente con il 5-10% di CO2, che spesso si ottiene utilizzando un incubatore a CO2. Uno degli aspetti migliori dell'uso di un tampone naturale è la sua economicità e sicurezza.
HEPES
Il tampone chimico che utilizza lo zwitterione HEPES ha una maggiore capacità tampone nell'intervallo di pH 7,2-7,4 e non necessita di un ambiente gassoso regolato. Per particolari tipi di cellule, una dose maggiore di HEPES può essere dannosa. I terreni contenenti HEPES sono anche molto più sensibili agli effetti fototossici della luce fluorescente [13].
Rosso fenolo
L'indicatore di pH rosso fenolo è spesso incluso nei terreni di coltura disponibili in commercio, consentendo un monitoraggio continuo del pH. Espandendo le cellule, i metaboliti da esse prodotti causano uno spostamento del pH e quindi un cambiamento di colore del terreno di coltura. Il rosso fenolo ha un duplice effetto sul colore del terreno di coltura, facendolo diventare giallo a pH acido e viola a pH alcalino. Il pH 7,4, il valore ottimale per la coltura cellulare, fa apparire il terreno di coltura rosso fluorescente.
Ma il rosso fenolo presenta alcuni inconvenienti: In primo luogo, il rosso fenolo è in grado di simulare le prestazioni di una serie di ormoni steroidei, in primo luogo gli estrogeni [14]. Pertanto, quando si studiano cellule sensibili agli estrogeni come il tessuto mammario, si raccomanda un terreno privo di rosso fenolo. L'equilibrio sodio-potassio è alterato dalla presenza di rosso fenolo in diverse formulazioni prive di siero. L'aggiunta di siero o di ormone pituitario bovino al terreno di coltura può contrastare questo effetto [15]. In terzo luogo, la presenza del rosso fenolo ostacola la rilevazione negli esperimenti di citometria a flusso.
Sali inorganici
I terreni contenenti sali inorganici, come ioni sodio, potassio e calcio, contribuiscono a mantenere l'equilibrio osmotico e a regolare il potenziale di membrana.
Aminoacidi
Poiché gli aminoacidi sono i componenti fondamentali delle proteine, sono una componente essenziale di ogni singolo terreno di coltura cellulare che sia mai stato concepito. Poiché le cellule non sono in grado di produrre autonomamente alcuni aminoacidi, è importante che il terreno di coltura includa gli aminoacidi essenziali. Sono necessari per la proliferazione delle cellule e la loro concentrazione determina la massima densità cellulare che può essere raggiunta. In particolare, la L-glutammina, un aminoacido essenziale, è particolarmente importante.
La L-glutammina funziona come fonte secondaria di energia per il metabolismo e contribuisce con l'azoto alla produzione di NAD, NADPH e nucleotidi. Poiché la L-glutammina è un aminoacido instabile che, con il tempo, si trasforma in una forma che le cellule non sono in grado di utilizzare, deve essere somministrata al terreno di coltura.
Inoltre, è possibile fornire al terreno di coltura aminoacidi non essenziali per rifornire quelli che sono stati consumati durante il processo di crescita. La crescita delle cellule viene potenziata e la loro vitalità aumenta quando il terreno di coltura viene integrato con aminoacidi non essenziali.
Carboidrati
I carboidrati sotto forma di zuccheri sono la principale fonte di energia. Molti terreni di coltura includono anche maltosio e fruttosio, oltre agli zuccheri più comuni di glucosio e galattosio.
Proteine e peptidi
L'albumina, la transferrina e la fibronectina sono le proteine e i peptidi più comunemente utilizzati e sono particolarmente importanti nei terreni di coltura che non includono il siero. L'albumina, la transferrina, l'aprotinina, la fetuina e la fibronectina sono alcune delle proteine che si possono trovare nel siero, che è una ricca riserva di proteine.
L'albumina è la principale proteina presente nel sangue e la sua funzione è quella di legare e trasportare varie sostanze, tra cui acqua, sali, acidi grassi liberi, ormoni e vitamine, tra diversi organi e cellule. La capacità dell'albumina di legarsi alle sostanze chimiche la rende un candidato efficace per la rimozione dei composti nocivi dal terreno di coltura delle cellule.
L'aprotinina è un agente protettivo nei sistemi di coltura cellulare, poiché è stabile a pH neutro e acido, oltre che resistente alle alte temperature e alla distruzione che può essere causata dagli enzimi proteolitici. È in grado di inibire diverse serina-proteasi, tra cui la tripsina.
La fetuina è una glicoproteina che può essere rilevata in quantità maggiori nel siero di animali fetali e neonati rispetto al siero degli adulti. Inoltre, agisce come inibitore della serina proteasi. La proteina fibronectina è un componente essenziale nel processo di adesione cellulare. La transferrina è una proteina che trasporta il ferro ed è responsabile del trasporto del ferro alle membrane delle cellule.
Acidi grassi e lipidi
Svolgono un ruolo cruciale nel terreno privo di siero quando il siero è assente.
Vitamine
Numerose vitamine sono necessarie per lo sviluppo e la proliferazione cellulare. Le vitamine non possono essere prodotte in quantità adeguate dalle cellule e sono quindi essenziali nelle colture tissutali come integratori alimentari.
Nella coltura cellulare, il siero è la fonte primaria di vitamine; tuttavia, i terreni di coltura vengono trattati con varie vitamine per renderli adatti a un tipo specifico di cellula. In genere, le vitamine del gruppo B sono utilizzate per stimolare la crescita.
Oligoelementi
Elementi chimici come il rame, lo zinco, il selenio e gli intermedi dell'acido tricarbossilico sono noti come oligoelementi. Gli oligoelementi vengono spesso aggiunti ai terreni di coltura che non includono il siero per sostituire quelli tipicamente presenti nel siero. Questi elementi sono importanti componenti chimici necessari per un sano sviluppo cellulare. Molte reazioni biochimiche dipendono da alcuni micronutrienti, come l'attività enzimatica.
Supplementi di terreno
Il terreno di coltura completo suggerito per alcune linee cellulari necessita di componenti aggiuntivi che sono assenti dal terreno di coltura di base e dal siero. Questi integratori alimentari supportano la crescita cellulare e l'appropriata funzione metabolica.
Sebbene gli ormoni, i fattori di crescita e le molecole di segnalazione siano essenziali per l'adeguata proliferazione di particolari linee cellulari, è necessario adottare sempre le seguenti precauzioni: Poiché l'aggiunta di integratori potrebbe alterare l'osmolalità del terreno di coltura completo, inibendo lo sviluppo cellulare, è sempre consigliabile verificare l'osmolalità dopo l'aggiunta di integratori. Per la maggior parte delle linee cellulari, l'osmolalità ottimale è compresa tra 260 e 320 mOSM/kg.
Antibiotici
Gli antibiotici sono spesso impiegati per inibire lo sviluppo di inquinanti batterici e fungini [16], sebbene non siano essenziali per la crescita cellulare. Poiché gli antibiotici potrebbero nascondere la contaminazione da parte di micoplasmi e batteri resistenti, il loro uso di routine non è consigliato per le colture cellulari [17, 18].
Inoltre, gli antibiotici possono alterare il metabolismo delle cellule ipersensibili. Spesso vengono utilizzate le combinazioni penicillina-streptomicina prodotte da MilliporeSigma e Life Technologies. La plasmocina è stata utilizzata nella coltura delle linee cellulari di glioma TS603, TS516 e BT260 [19] e si è dimostrata efficace nel rimuovere la contaminazione da micoplasma (20).
Siero
Nel siero sono presenti albumine, fattori di crescita e inibitori della crescita. Il siero è uno dei componenti più importanti del terreno di coltura cellulare perché fornisce aminoacidi, proteine, vitamine (soprattutto vitamine liposolubili come A, D, E e K), carboidrati, lipidi, ormoni, fattori di crescita, minerali e oligoelementi.
Il siero di origine fetale e di vitello bovino viene spesso utilizzato per promuovere lo sviluppo delle cellule coltivate. Il siero fetale è una fonte abbondante di fattori di crescita ed è adatto alla clonazione cellulare e allo sviluppo di cellule sensibili. A causa delle sue ridotte capacità di promuovere la crescita, il siero di vitello viene utilizzato negli esperimenti di inibizione da contatto. I normali terreni di coltura spesso includono dal 2% al 10% di siero. L'aggiunta di siero al terreno di coltura ha le seguenti funzioni [21]:
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Il siero fornisce i nutrienti essenziali per le cellule (sia in soluzione che attaccati alle proteine).
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Il siero contiene diversi fattori di crescita e ormoni coinvolti nella promozione della crescita e nell'attività specializzata delle cellule.
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Offre molte proteine leganti, come l'albumina e la transferrina, che trasportano altre sostanze chimiche nella cellula. Ad esempio, l'albumina trasporta nelle cellule grassi, vitamine, ormoni, ecc.
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Fornisce anche proteine, come la fibronectina, che aumentano l'adesione delle cellule al substrato. Inoltre, produce elementi di diffusione che favoriscono l'espansione delle cellule prima della divisione.
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Fornisce inibitori delle proteasi che impediscono la proteolisi nelle cellule.
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Contiene anche minerali come Na+, K+, Zn2+ e Fe2+.
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Aumenta la viscosità del terreno di coltura, proteggendo così le cellule da lesioni meccaniche durante l'agitazione della coltura in sospensione.
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È anche un tampone.
Riferimenti
[1] Morgan J, Morton H, Parker R. Nutrizione delle cellule animali in coltura tissutale; studi iniziali su un terreno sintetico. Proc Soc Exp Biol Med. 1950;73:1-8
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[4] Mariani E, Mariani A, Monaco M, Lalli E, Vitale M, Facchini A. Terreni commerciali privi di siero: crescita di ibridomi e produzione di anticorpi monoclonali. J Immunol Methods. 1991;145:175-83
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[18] Masters J, Stacey G. Changing medium and passaging cell lines. Nat Protoc. 2007;2:2276-84
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[21] Kragh Hansen U. Molecular aspects of ligand binding to serum albumin. Pharmacol Rev. 1981;33:17-53
