홈페이지로 이동

세포 배양 배지: 개요

생명과학 분야에서 가장 중요한 방법론 중 하나는 세포 배양입니다. “세포 배양”이란 동물이나 식물로부터 세포, 조직 또는 장기를 채취한 후, 그 생존 및/또는 성장에 유리한 인공 환경에 이식하는 과정을 의미합니다. 세포가 최적으로 발달하기 위해 필요한 기본적인 환경 요건은 제어된 온도, 세포 부착을 위한 기질, 적절한 배양액, 그리고 최적의 pH와 삼투압을 유지하는 인큐베이터입니다. 세포가 잠재력을 최대한 발휘하며 성장하기 위해서는 이러한 조건이 반드시 갖춰져야 합니다.

체외 배양을 위한 적절한 배지의 선택은 세포 배양 과정에서 가장 중요하면서도 필수적인 단계입니다. 배지(culture media)라고도 하는 성장 배지는 미생물, 세포, 또는 식물 수준의 유기체 발달을 촉진하도록 조제된 액체 또는 젤 형태입니다. 세포 배양에 사용되는 배지에는 대개 충분한 양의 에너지와 세포 주기를 조절하는 물질들이 포함되어 있습니다. 배지의 주요 성분으로는 아미노산, 비타민, 무기염, 포도당, 혈청 등이 있습니다. 혈청은 성장 인자, 호르몬, 부착 인자의 공급원 역할을 하기 때문에 배지에 첨가됩니다. 배지는 영양분을 공급할 뿐만 아니라 pH 및 삼투압 수치의 유지에도 기여합니다.

세포 배양에 사용되는 배지의 종류

인간 및 동물 세포 모두 인공 또는 합성 배지, 혹은 천연 성분이 보충된 완전 천연 배지에서 배양될 수 있습니다. 다음에서는 현재 사용 가능한 다양한 배지 유형에 대해 개괄적으로 설명하겠습니다.

천연 배지

천연 배지에는 자연 상태에 존재하는 생물학적 체액만 포함됩니다. 천연 배지는 매우 유용하며 다양한 동물 세포 유형을 배양하기에 용이합니다. 천연 배지를 구성하는 정확한 성분에 대한 이해 부족은 천연 배지를 사용하여 얻은 결과의 재현성이 낮은 주된 원인입니다.

인공 배지

인공 또는 합성 배지를 조제할 때는 영양소(유기 및 무기), 혈청 단백질, 탄수화물, 보조인자, 비타민, 염류는 물론 산소(O₂)와 이산화탄소(CO₂) 기체도 첨가됩니다 [1].

다음 기능 중 하나 이상을 충족하기 위해 다양한 유형의 인공 배지가 개발되었습니다: 1) 즉각적인 생존(정확한 pH 및 삼투압을 가진 균형 잡힌 염 용액). 2) 장기 생존(다양한 배합의 유기 화합물 및/또는 혈청이 보충된 균형 잡힌 염 용액). 3) 무기한 발달. 4) 특수 기능.

인공 배지는 크게 네 가지로 분류됩니다:

혈청 함유 배지

동물 세포 배양에 사용되는 배지에서 가장 흔히 발견되는 보충제는 소 태아 혈청이다. 이는 최상의 성장 조건을 확보하기 위해 저비용 보충제로 배양 배지에 첨가된다. 혈청은 불안정하거나 물에 녹지 않는 영양소, 호르몬 및 성장 인자, 프로테아제 억제제, 기타 물질의 운반체 또는 킬레이트제로 작용할 뿐만 아니라, 유해 분자를 결합하여 중화시키는 역할도 합니다.

무혈청 배지

배지에 혈청이 포함되면 여러 가지 단점이 있으며, 면역학 연구에서 해석상의 중대한 오류를 유발할 가능성이 있습니다 [2, 3]. 이에 따라 다양한 무혈청 배지가 개발되었습니다 [4, 5]. 이러한 배지는 일반적으로 특정 세포 유형의 배양을 지원하도록 특별히 조제되는데, 예를 들어 Thermo Fisher Scientific의 Knockout Serum Replacement 및 Knockout DMEM, 그리고 Stem Cell Technologies의 mTESR 배지[6]가 줄기세포[7] 배양용으로 사용된다.

또한, 이러한 배지에는 일반적으로 혈청을 통해 공급되는 정제된 성장 인자, 지단백질 및 기타 단백질이 정해진 양만큼 포함되어 있습니다[8]. 이러한 배지를 구성하는 성분들이 명확히 파악되어 있기 때문에, 이 배지들은 흔히 “정의된 배지(defined cultural media)”라고 불립니다.

화학적으로 정의된 배지

이러한 배지에는 어떠한 종류의 오염도 없는 초순도 무기 및 유기 성분이 포함됩니다. 또한 성장 인자와 같은 순수 단백질이 첨가될 수도 있습니다.

 박테리아나 효모의 유전자 변형과 특정 지방산, 비타민, 콜레스테롤, 아미노산의 첨가를 통해 배지의 구성 성분이 생산됩니다 [9].

무단백 배지

무단백 배지는 단백질을 전혀 포함하지 않고 비단백 성분만 포함하는 배지를 말합니다. 혈청이 첨가된 배지와 비교할 때, 단백질이 첨가되지 않은 배지를 사용하면 세포 증식과 단백질 발현이 더욱 촉진되며, 다운스트림 공정에서 생성된 제품을 정제하기가 더 쉬워집니다 [10-12]. MEM 및 RPMI-1640과 같은 배지 조성물에는 단백질이 포함되어 있지 않습니다. 그러나 필요한 경우 단백질 보충제를 투여할 수 있습니다.

배양 배지 및 그 기본 구성 성분

시판되는 배양 배지는 분말 또는 액체 형태로 구입할 수 있으며, 종종 아미노산, 포도당, 염류, 비타민 및 기타 영양 보충제와 같은 다양한 영양소를 포함하고 있습니다. 

이러한 성분에 대한 요구량은 세포주마다 다르며, 이러한 차이로 인해 배지의 조성이 매우 다양하게 존재합니다. 각 성분은 특정 기능을 담당하며, 이에 대해서는 다음 단락에서 설명하겠습니다:

완충 시스템

최적의 배양 조건을 유지하려면 pH를 조절해야 하며, 이는 대개 다음 두 가지 완충 시스템 중 하나를 통해 이루어집니다:

자연 완충 시스템

대기 중의 CO₂/H₂CO₃ 비율은 배지의 비율과 동일하여 자연적인 완충 기전을 형성합니다. 이러한 자연적인 완충 기전을 유지하기 위해서는 배양물을 5~10%의 CO₂가 포함된 공기 환경에서 관리해야 하며, 이는 대개 CO₂ 인큐베이터를 사용하여 달성됩니다. 자연 완충제를 사용할 때의 가장 큰 장점 중 하나는 비용이 저렴하고 안전하다는 점입니다.

HEPES

양쪽성 이온인 HEPES를 이용한 화학적 완충은 pH 7.2~7.4 범위에서 더 뛰어난 완충 능력을 보이며, 조절된 기체 환경이 필요하지 않습니다. 특정 세포 유형의 경우, HEPES를 과도하게 투여하면 해로울 수 있습니다. HEPES가 포함된 배지는 형광등의 광독성 영향에 훨씬 더 취약합니다 [13].

페놀 레드

pH 지시약인 페놀 레드는 시판되는 배양 배지에 종종 포함되어 있어 pH를 지속적으로 모니터링할 수 있게 해줍니다. 세포가 증식함에 따라 세포에서 생성된 대사 산물이 pH 변화를 일으키고, 이에 따라 배지의 색이 변합니다. 페놀 레드는 배지의 색상에 이중적인 영향을 미치며, 산성 pH에서는 노란색으로, 알칼리성 pH에서는 보라색으로 변합니다. 세포 배양에 최적의 값인 pH 7.4에서는 배지가 형광 빨간색으로 보입니다.

그러나 페놀 레드에는 몇 가지 단점이 있다. 첫째, 페놀 레드는 주로 에스트로겐을 비롯한 여러 스테로이드 호르몬의 작용을 모방할 수 있다[14]. 따라서 유방 조직과 같이 에스트로겐에 민감한 세포를 연구할 때는 페놀 레드가 포함되지 않은 배지를 사용하는 것이 권장된다. 여러 무혈청 배지 제형에서 페놀 레드의 존재로 인해 나트륨-칼륨 균형이 깨집니다. 배지에 혈청이나 소 뇌하수체 호르몬을 첨가하면 이러한 효과를 상쇄할 수 있습니다 [15]. 셋째, 유세포 분석 실험에서 페놀 레드의 존재로 인해 검출이 방해받습니다.

무기염

나트륨, 칼륨, 칼슘 이온과 같은 무기염을 함유한 배지는 삼투 평형을 유지하고 막 전위를 조절하는 데 도움을 줍니다.

아미노산

아미노산은 단백질의 기본 구성 요소이므로, 지금까지 고안된 모든 세포 배양 배지의 필수 구성 요소입니다. 세포는 특정 아미노산을 스스로 생성할 수 없기 때문에, 배양 배지에 필수 아미노산이 포함되는 것이 중요합니다. 아미노산은 세포 증식에 필수적이며, 아미노산의 농도에 따라 달성 가능한 최대 세포 밀도가 결정됩니다. 특히 필수 아미노산인 L-글루타민은 매우 중요합니다.

L-글루타민은 대사 과정의 2차 에너지원으로 기능하며, NAD, NADPH 및 뉴클레오티드 생성에 필요한 질소를 공급합니다. L-글루타민은 시간이 지남에 따라 세포가 이용할 수 없는 형태로 변하는 불안정한 아미노산이기 때문에 배지에 반드시 공급해야 합니다.

또한, 성장 과정에서 소모된 아미노산을 보충하기 위해 비필수 아미노산을 배지에 공급할 수 있습니다. 배지에 비필수 아미노산을 보충하면 세포의 성장이 촉진되고 생존율이 높아집니다.

탄수화물

당 형태의 탄수화물은 주요 에너지 공급원입니다. 많은 배지에는 일반적인 포도당과 갈락토스 외에도 말토스와 과당이 포함되어 있습니다.

단백질 및 펩타이드

알부민, 트랜스페린, 피브로넥틴은 가장 흔히 사용되는 단백질 및 펩타이드입니다. 이들은 특히 혈청을 포함하지 않는 배지에서 매우 중요합니다. 알부민, 트랜스페린, 아프로티닌, 페투인, 피브로넥틴 등은 단백질이 풍부한 공급원인 혈청에서 발견될 수 있는 단백질 중 일부입니다.

알부민은 혈액에서 주로 발견되는 단백질로, 물, 염분, 유리 지방산, 호르몬, 비타민 등 다양한 물질을 결합하여 서로 다른 장기 및 세포 간에 운반하는 기능을 합니다. 알부민은 화학 물질에 결합하는 능력이 있어, 세포 배양 배지에서 유해 화합물을 제거하는 데 효과적인 후보 물질입니다.

아프로티닌은 중성 및 산성 pH에서 안정적이며, 고온과 단백질 분해 효소에 의한 파괴에도 저항성이 있어 세포 배양 시스템에서 보호제로 사용됩니다. 이 물질은 트립신을 비롯한 여러 세린 프로테아제를 억제할 수 있습니다.

페투인은 성체 혈청에 비해 태아 및 신생아 동물의 혈청에서 더 높은 농도로 검출될 수 있는 당단백질입니다. 또한, 세린 프로테아제 억제제 역할을 합니다. 단백질인 피브로넥틴은 세포 접착 과정에서 필수적인 구성 요소입니다. 트랜스페린은 철분을 운반하는 단백질로, 세포막에 철분을 전달하는 역할을 담당합니다.

지방산 및 지질

이들은 혈청이 없는 무혈청 배지에서 중요한 역할을 합니다.

비타민

세포의 발달과 증식에 수많은 비타민이 필요합니다. 비타민은 세포 내에서 충분한 양으로 생성될 수 없기 때문에 조직 배양 시 영양 보충제로 필수적입니다.

세포 배양에서 혈청은 비타민의 주요 공급원이지만, 특정 세포 유형에 적합하도록 배지에 다양한 비타민을 첨가하기도 합니다. 가장 일반적으로는 B군 비타민이 성장 촉진을 위해 사용됩니다.

미량 원소

구리, 아연, 셀레늄 및 트리카르복실산 중간체와 같은 화학 원소는 미량 원소로 알려져 있습니다. 미량 원소는 일반적으로 혈청에 존재하는 성분을 대체하기 위해 혈청이 포함되지 않은 배지에 종종 첨가됩니다. 이러한 원소들은 건강한 세포 발달에 필요한 중요한 화학 성분입니다. 많은 생화학적 반응, 예를 들어 효소 활성은 특정 미량 영양소에 의존합니다.

배지 보충제

특정 세포주에 권장되는 완전 배양 배지에는 기본 배지와 혈청에는 없는 추가 성분이 필요합니다. 이러한 영양 보충제는 세포 성장과 적절한 대사 기능을 지원합니다.

호르몬, 성장 인자 및 신호 전달 분자는 특정 세포주의 적절한 증식에 필수적이지만, 항상 다음과 같은 주의 사항을 준수해야 합니다. 보충제를 첨가하면 완전한 배지의 삼투압이 변할 수 있으며, 이는 세포 발달을 저해할 수 있으므로, 보충제 첨가 후 항상 삼투압을 확인하는 것이 좋습니다. 대부분의 세포주에서 최적의 삼투압은 260~320 mOSM/kg 범위입니다.

항생제

항생제는 세포 성장에 필수적인 것은 아니지만, 박테리아 및 곰팡이 오염 물질의 증식을 억제하기 위해 종종 사용됩니다 [16]. 항생제는 마이코플라스마 및 내성 박테리아에 의한 오염을 은폐할 수 있으므로, 세포 배양에 항생제를 일상적으로 사용하는 것은 권장되지 않습니다 [17, 18].

또한, 항생제는 과민성 세포의 대사를 방해할 수 있습니다. MilliporeSigma와 Life Technologies에서 제조한 페니실린-스트렙토마이신 복합제가 흔히 사용됩니다. 플라스모신(Plasmocin)은 신경교종 세포주 TS603, TS516 및 BT260의 배양에 활용되어 왔으며[19], 마이코플라스마 오염을 제거하는 데 효과적인 것으로 밝혀졌습니다(20).

혈청

혈청에는 알부민, 성장 인자 및 성장 억제 인자가 모두 포함되어 있습니다. 혈청은 아미노산, 단백질, 비타민(특히 A, D, E, K와 같은 지용성 비타민), 탄수화물, 지질, 호르몬, 성장 인자, 미네랄 및 미량 원소를 공급하기 때문에 세포 배양 배지의 가장 중요한 구성 요소 중 하나입니다.

배양 세포의 성장을 촉진하기 위해 소 태아 및 송아지 유래 혈청이 자주 사용된다. 태아 혈청은 성장 인자가 풍부하여 세포 복제 및 민감한 세포의 배양에 적합하다. 성장 촉진 능력이 상대적으로 약한 송아지 혈청은 접촉 억제 실험에 활용된다. 일반적인 배양 배지에는 대개 2%에서 10%의 혈청이 포함됩니다. 배양 배지에 혈청을 첨가하는 것은 다음과 같은 목적을 갖습니다 [21]:

  • 혈청은 세포에 필수적인 영양소를 공급합니다(용액 상태 및 단백질에 결합된 형태 모두).

  • 혈청에는 성장 촉진 및 특화된 세포 활동에 관여하는 여러 성장 인자와 호르몬이 포함되어 있습니다.

  • 혈청에는 알부민 및 트랜스페린과 같이 다른 화학 물질을 세포 내로 운반하는 다양한 결합 단백질이 포함되어 있습니다. 예를 들어, 알부민은 지방, 비타민, 호르몬 등을 세포로 전달합니다.

  • 또한 기질에 대한 세포 접착력을 높이는 피브로넥틴과 같은 단백질을 제공합니다. 더불어, 분열 전 세포 확장을 돕는 확산 인자를 생성합니다.

  • 혈청은 세포 내 단백질 분해를 방지하는 프로테아제 억제제를 전달합니다.

  • 또한 Na+, K+, Zn2+, Fe2+와 같은 미네랄도 포함되어 있습니다.

  • 배지의 점도를 높여 현탁 배양 시 교반 과정에서 세포가 기계적 손상을 입지 않도록 보호합니다.

  • 또한 완충제 역할도 합니다.

참고 문헌

[1] Morgan J, Morton H, Parker R. 조직 배양에서 동물 세포의 영양; 합성 배지에 대한 초기 연구. Proc Soc Exp Biol Med. 1950;73:1-8

[2] Kerbel R, Blakeslee D. 배양된 포유류 세포에 의한 태아 소 혈청 성분의 신속한 흡착. 세포 특이적 항원에 대한 항혈청 연구에서 인공적 오류의 잠재적 원인. Immunology. 1976;31:881-91

[3] Sula K, Draber P, Nouza K. 슬와 림프절 검사를 통해 연구된 세포 매개 반응에서 인공적 결과의 잠재적 원인으로 작용할 수 있는 세포 현탁액 조제에 사용되는 배지에 혈청 첨가. J Immunogenet. 1980;7:483-9

[4] Mariani E, Mariani A, Monaco M, Lalli E, Vitale M, Facchini A. 시판되는 무혈청 배지: 하이브리도마 증식 및 단일클론 항체 생산. J Immunol Methods. 1991;145:175-83

[5] Barnes D, Sato G. 무혈청 배지에서 배양 세포를 증식시키는 방법. Anal Biochem. 1980;102:255-70

[6] Yu H, Lu S, Gasior K, Singh D, Vazquez Sanchez S, Tapia O, . HSP70 샤페론이 RNA가 없는 TDP-43을 이방성 핵내 액체 구형 껍질로 이동시킨다. Science. 2021;371:

[7] Meharena H, Marco A, Dileep V, Lockshin E, Akatsu G, Mullahoo J, . 다운증후군에 의해 유발된 노화는 신경 전구세포의 핵 구조를 파괴한다. Cell Stem Cell. 2022;29:116-130.e7

[8] Iscove N, Melchers F. 리포폴리사카라이드에 반응하는 B 림프구 배양에서 혈청을 알부민, 트랜스페린 및 대두 지질로 완전히 대체. J Exp Med. 1978;147:923-33

[9] Stoll T, Muhlethaler K, von Stockar U, Marison I. 하이브리도마 배양 및 단일클론 항체 생산을 위한 화학적으로 정의된 무단백 배지의 체계적 개선. J Biotechnol. 1996;45:111-23

[10] Darfler F. 하이브리도마 및 기타 면역계 세포의 배양을 위한 무단백 배지. In Vitro Cell Dev Biol. 1990;26:769-78

[11] Barnes D, Sato G. 무혈청 세포 배양: 통합적 접근법. Cell. 1980;22:649-55

[12] Hamilton W, Ham R. 무단백 배지에서 중국 햄스터 세포주의 클론 증식. In Vitro. 1977;13:537-47

[13] Zigler J, Lepe Zuniga J, Vistica B, Gery I. 빛에 노출된 HEPES 함유 배지의 세포독성 효과 분석. In Vitro Cell Dev Biol. 1985;21:282-7

[14] Berthois Y, Katzenellenbogen J, Katzenellenbogen B. 조직 배양 배지 내 페놀 레드는 약한 에스트로겐이다: 배양된 에스트로겐 반응성 세포 연구에 대한 시사점. Proc Natl Acad Sci U S A. 1986;83:2496-500

[15] Karmiol S. 무혈청 배지의 개발. In: Master JRW, 편집. Animal Cell culture, 제3판. 옥스퍼드: 옥스퍼드 대학교 출판부; 2000.

[16] Perlman D. 세포 배양 배지에서 항생제의 사용. Methods Enzymol. 1979;58:110-6

[17] McGarrity G. 세포 배양에서 마이코플라스마 감염의 확산 및 제어. In Vitro. 1976;12:643-8

[18] Masters J, Stacey G. 배지 교체 및 세포주 계대 배양. Nat Protoc. 2007;2:2276-84

[19] Chakraborty A, Laukka T, Myllykoski M, Ringel A, Booker M, Tolstorukov M, . 히스톤 탈메틸화 효소 KDM6A는 산소를 직접 감지하여 염색질과 세포 운명을 조절한다. Science. 2019;363:1217-1222

[20] Molla Kazemiha V, Azari S, Amanzadeh A, Bonakdar S, Shojaei Moghadam M, 하비비 안부히 M . 세포 배양에서 일반적으로 사용되는 항생제와 비교한, 몰리큐트에 감염된 다양한 포유류 세포주에서 Plasmocin™의 효능: 현지 경험. Cytotechnology. 2011;63:609-20

[21] Kragh Hansen U. 혈청 알부민에 대한 리간드 결합의 분자적 측면. Pharmacol Rev. 1981;33:17-53