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細胞培養培地:概要

生命科学の分野において、最も重要な手法の一つが細胞培養である。「細胞培養」とは、動物や植物から細胞、組織、あるいは臓器を取り出し、それらの生存および/または増殖に適した人工環境に移植することを指す。 細胞が最適に発育するために必要な基本的な環境条件としては、温度管理、細胞が付着するための基質、適切な培養液、そして最適なpHおよび浸透圧を維持するインキュベーターが挙げられます。細胞がその潜在能力を最大限に発揮して増殖するためには、これらの条件が整っている必要があります。

in vitro培養に適した増殖培地の選択は、細胞培養において最も重要かつ不可欠な段階である。 培養液(カルチャーメディアとも呼ばれる)とは、微生物、細胞、あるいは植物などのレベルで生物の発育を促進するように調製された液体またはゲル状の物質である。細胞の培養に使用される培養液には、多くの場合、十分なエネルギー源と、細胞周期を制御する物質が含まれている。 培養培地の主な成分には、アミノ酸、ビタミン、無機塩、グルコース、および血清が含まれます。血清は、成長因子、ホルモン、および付着因子の供給源として機能するため、培地に添加されます。培地は栄養素を供給するだけでなく、pHや浸透圧レベルの維持にも寄与します。

細胞培養で使用される培地の種類

ヒト細胞も動物細胞も、人工または合成培地、あるいは天然成分を添加した完全な天然培地のいずれでも培養することが可能です。以下では、現在利用可能なさまざまな培地の種類について概要を説明します。

天然培地

天然培地には、自然の状態にある生体液のみが含まれます。天然培地は、多種多様な動物細胞の培養において非常に有用であり、扱いも容易です。天然培地を構成する正確な成分が十分に解明されていないことが、天然培地を用いた実験結果の再現性が低い主な要因となっています。

人工培地

人工培地または合成培地の調製には、栄養素(有機・無機双方)、血清タンパク質、炭水化物、補因子、ビタミン、塩類に加え、O₂およびCO₂の気相成分の添加が含まれます[1]。

以下の機能のうち1つ以上を満たすために、さまざまな種類の人工培地が開発されてきた:1) 即時生存(正確なpHおよび浸透圧を有する平衡塩溶液)。2) 長期生存(さまざまな配合の有機化合物および/または血清を添加した平衡塩溶液)。 3) 無期限の発育。4) 特殊な機能。

人工培地には、以下の4つの明確な分類がある:

血清含有培地

動物細胞の培養に用いられる培地において、最も頻繁に見られる添加物はウシ胎児血清である。これは、可能な限り最良の増殖条件を実現するために、低コストの添加物として培養培地に添加される。 血清は、不安定または水に溶けない栄養素、ホルモンや成長因子、プロテアーゼ阻害剤、その他の物質の運搬体やキレート剤として機能するだけでなく、有害な分子を結合・中和する役割も果たします。

無血清培地

培地中に血清が含まれていることには多くの欠点があり、免疫学的研究において解釈上の重大な誤りを引き起こす可能性があります [2, 3]。これまでに、さまざまな無血清培地が開発されてきました [4, 5]。 これらの培地は一般的に、特定の細胞種の培養をサポートするように特別に調製されており、例えば、Thermo Fisher Scientific社の「Knockout Serum Replacement」や「Knockout DMEM」、Stem Cell Technologies社の幹細胞用「mTESR培地」などが挙げられる[6][7]。

さらに、これらの培地には、通常は血清によって供給される精製された成長因子、リポタンパク質、その他のタンパク質が、所定の量で配合されている[8]。これらの培地を構成する成分は十分に解明されているため、しばしば「定義済み培養培地」と呼ばれる。

化学的に定義された培地

これらの培地には、いかなる種類の汚染も受けていない超高純度の無機および有機成分が含まれています。また、成長因子などの純粋なタンパク質が添加されている場合もあります。

 細菌や酵母の遺伝子改変に加え、特定の脂肪酸、ビタミン、コレステロール、アミノ酸を添加することで、その構成成分が生成される[9]。

無タンパク質培地

無タンパク質培地とは、タンパク質を一切含まず、代わりに非タンパク質成分のみを含む培地のことである。血清を添加した培地と比較して、タンパク質を添加しない培地を使用すると、細胞の増殖とタンパク質の発現が促進され、下流工程で生成される製品の精製が容易になる[10-12]。 MEMやRPMI-1640などの培地には、タンパク質は含まれていない。ただし、必要に応じてタンパク質サプリメントを添加する場合もある。

培養培地とその基本成分

市販の培養培地は粉末または液体の形で購入でき、多くの場合、アミノ酸、グルコース、塩類、ビタミン、その他の栄養補助成分など、様々な栄養素が含まれています。 

これらの成分に対する必要量は細胞株ごとに異なり、こうした差異が培地の配合が数多く存在する理由となっている。各成分は特定の機能を担っており、それについては以下の段落で概説する:

緩衝系

最適な増殖条件を維持するためにはpHを制御する必要があり、これは通常、以下の2つの緩衝系のいずれかによって行われます:

天然の緩衝系

大気中のCO₂/H₂CO₃比は培液中のそれと同等であり、これが自然な緩衝メカニズムを生み出しています。この自然な緩衝メカニズムを維持するためには、培養物を5~10%のCO₂を含む空気環境下で保持する必要があり、これは多くの場合、CO₂インキュベーターを使用することで実現されます。 天然緩衝系を使用する最大の利点は、その安価さと安全性にあります。

HEPES

双性イオンであるHEPESを用いた化学的緩衝は、pH 7.2~7.4の範囲でより高い緩衝能力を持ち、ガス環境の制御を必要としません。特定の細胞種によっては、HEPESの投与量が多すぎると有害となる場合があります。 また、HEPES を含む培地は、蛍光灯による光毒性の影響を受けやすくなります [13]。

フェノールレッド

pH指示薬であるフェノールレッドは、市販の培養培地にしばしば含まれており、pHの継続的なモニタリングを可能にします。細胞が増殖するにつれて、細胞から生成される代謝産物がpHを変化させ、その結果、培地の色が変わります。 フェノールレッドは培地の色に二重の効果をもたらし、酸性pHでは黄色に、アルカリ性pHでは紫色に変化する。細胞培養の最適値であるpH 7.4では、培地は蛍光赤色に見える。

しかし、フェノールレッドにはいくつかの欠点がある。第一に、フェノールレッドは、主にエストロゲンをはじめとする多くのステロイドホルモンの作用を模倣する可能性がある[14]。そのため、乳腺組織のようなエストロゲン感受性細胞を研究する際には、フェノールレッドを含まない培地の使用が推奨される。 いくつかの無血清培地では、フェノールレッドの存在によりナトリウム・カリウムのバランスが乱される。培地に血清やウシ下垂体ホルモンを添加することで、この影響を打ち消すことができる[15]。第三に、フローサイトメトリー実験における検出が、フェノールレッドの存在によって妨げられる。

無機塩

ナトリウム、カリウム、カルシウムイオンなどの無機塩を含む培地は、浸透圧平衡の維持や膜電位の調節に寄与する。

アミノ酸

アミノ酸はタンパク質の基本構成要素であるため、これまでに考案されたあらゆる細胞培養培地の必須成分となっています。細胞は特定のアミノ酸を自ら生成することができないため、培養培地に必須アミノ酸を含めることが重要です。 これらは細胞の増殖に不可欠であり、その濃度によって達成可能な最大細胞密度が決まります。特に、必須アミノ酸であるL-グルタミンは極めて重要です。

L-グルタミンは、代謝のための二次的なエネルギー源として機能し、NAD、NADPH、およびヌクレオチドの生成に窒素を供給します。L-グルタミンは不安定なアミノ酸であり、時間の経過とともに細胞が利用できない形態に変化してしまうため、培地に添加する必要があります。

さらに、増殖過程で消費されたアミノ酸を補充するために、非必須アミノ酸を培地に添加することも可能です。増殖培地に非必須アミノ酸を添加することで、細胞の増殖が促進され、生存率も向上します。

炭水化物

糖類の形態をとる炭水化物は、主要なエネルギー源である。多くの培地には、一般的なグルコースやガラクトースに加え、マルトースやフルクトースも含まれている。

タンパク質およびペプチド

アルブミン、トランスフェリン、フィブロネクチンは、最も一般的に使用されるタンパク質およびペプチドである。これらは、血清を含まない培地において特に重要である。アルブミン、トランスフェリン、アプロチニン、フェトゥイン、フィブロネクチンなどは、タンパク質が豊富に含まれる血清中に見られるタンパク質の一部である。

アルブミンは血液中に存在する主要なタンパク質であり、その機能は、水、塩類、遊離脂肪酸、ホルモン、ビタミンなどの様々な物質を結合させ、異なる臓器や細胞間で輸送することにある。アルブミンには化学物質に結合する能力があるため、細胞培養培地から有害な化合物を除去するための有効な候補となる。

アプロチニンは、中性および酸性のpH条件下で安定しており、高温やタンパク質分解酵素による破壊にも耐性があるため、細胞培養システムにおける保護剤として用いられます。トリプシンをはじめとする多くのセリンプロテアーゼを阻害する能力を持っています。

フェトゥインは、成体の血清と比較して、胎児や新生動物の血清中でより高濃度に検出される可能性のある糖タンパク質である。さらに、セリンプロテアーゼ阻害剤としても作用する。タンパク質であるフィブロネクチンは、細胞接着の過程において不可欠な構成要素である。 トランスフェリンは、鉄を輸送し、細胞膜へ鉄を供給する役割を担うタンパク質である。

脂肪酸および脂質

これらは、血清が存在しない無血清培地において極めて重要な役割を果たす。

ビタミン

細胞の発達と増殖には、数多くのビタミンが必要です。ビタミンは細胞内で十分な量が産生できないため、組織培養においては栄養補助剤として不可欠です。

細胞培養において、血清はビタミンの主な供給源ですが、特定の細胞種に適した培地にするために、さまざまなビタミンが添加されることもあります。最も一般的なのは、増殖を促進するためにB群ビタミンが使用されることです。

微量元素

銅、亜鉛、セレン、トリカルボン酸中間体などの化学元素は、微量元素として知られています。微量元素は、血清に通常含まれている成分を補うために、血清を含まない培地に添加されることがよくあります。これらの元素は、健康な細胞の発達に不可欠な重要な化学成分です。 酵素活性など、多くの生化学反応は特定の微量栄養素に依存しています。

培地添加剤

特定の細胞株に推奨される完全培養液には、ベースライン培地や血清には含まれていない追加成分が必要です。これらの添加物は、細胞の増殖と適切な代謝機能をサポートします。

ホルモン、成長因子、シグナル伝達分子は特定の細胞株の適切な増殖に不可欠ですが、以下の注意事項を常に遵守する必要があります。添加物の添加により完全培養液の浸透圧が変化し、細胞の発育が阻害される可能性があるため、添加後は必ず浸透圧を確認することが推奨されます。 ほとんどの細胞株において、最適な浸透圧は260~320 mOSM/kgの範囲です。

抗生物質

抗生物質は、細菌や真菌による汚染の増殖を抑制するためにしばしば用いられますが [16]、細胞の増殖に必須というわけではありません。抗生物質は、マイコプラズマや耐性菌による汚染を隠してしまう可能性があるため、細胞培養における日常的な使用は推奨されません [17, 18]。

さらに、抗生物質は過敏な細胞の代謝を阻害する可能性がある。MilliporeSigma社およびLife Technologies社製のペニシリン・ストレプトマイシン配合剤が頻繁に使用される。 プラズモシンは、グリオーマ細胞株 TS603、TS516、および BT260 の培養に利用されており [19]、マイコプラズマ汚染の除去に有効であることが示されている (20)。

血清

血清には、アルブミン、成長因子、および増殖阻害因子がすべて含まれている。血清は、アミノ酸、タンパク質、ビタミン(特にA、D、E、Kなどの脂溶性ビタミン)、炭水化物、脂質、ホルモン、成長因子、ミネラル、微量元素を供給するため、細胞培養培地の最も重要な成分の一つである。

培養細胞の発育を促進するために、胎児牛由来および子牛由来の血清がしばしば利用される。胎児血清は成長因子を豊富に含んでおり、細胞のクローニングや感受性の高い細胞の培養に適している。一方、子牛血清は増殖促進能力が低いため、接触抑制実験に用いられる。 通常の培養液には、多くの場合2%から10%の血清が含まれています。培養液への血清添加には、以下の目的があります[21]:

  • 血清は、細胞に必須の栄養素を供給する(溶液中およびタンパク質に結合した形態の両方)。

  • 血清には、増殖促進や特殊な細胞活動に関与するいくつかの成長因子やホルモンが含まれている。

  • 血清には、アルブミンやトランスフェリンなど、他の化学物質を細胞内に輸送する多くの結合タンパク質が含まれている。例えば、アルブミンは脂肪、ビタミン、ホルモンなどを細胞内に運ぶ。

  • また、フィブロネクチンなどのタンパク質も提供し、これらは基質への細胞接着を促進する。さらに、分裂前の細胞の拡大を助ける「スプレッディング要素」も生成する。

  • また、細胞内でのタンパク質分解を防ぐプロテアーゼ阻害剤も供給します。

  • また、Na+、K+、Zn2+、Fe2+などのミネラルも含まれています。

  • 培地の粘度を高めるため、浮遊培養時の撹拌中に細胞が機械的損傷を受けるのを防ぎます。

  • また、緩衝剤としての役割も果たします。

参考文献

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[21] Kragh Hansen U. 血清アルブミンへのリガンド結合の分子的側面. Pharmacol Rev. 1981;33:17-53