Ląstelių kultūrų terpės: Apžvalga

Gyvybės mokslų srityje viena svarbiausių metodikų yra ląstelių kultūros. Ląstelių, audinių ar organų paėmimas iš gyvūno ar augalo ir vėlesnis šių ląstelių, audinių ar organų implantavimas į dirbtinę aplinką, palankią jų išgyvenimui ir (arba) augimui, yra tai, ką reiškia žodžių junginys "ląstelių kultūra" Pagrindiniai aplinkos poreikiai optimaliam ląstelių vystymuisi yra kontroliuojama temperatūra, substratas ląstelėms prisitvirtinti, tinkama augimo terpė ir inkubatorius, kuriame palaikomas optimalus pH ir osmoliškumas. Ląstelėms turi būti sudarytos šios sąlygos, kad jos galėtų augti iki galo.

Tinkamos auginimo terpės parinkimas auginant in vitro yra svarbiausias ir gyvybiškai svarbiausias ląstelių auginimo etapas. Augimo terpė, dar vadinama auginimo terpe, yra skystis arba gelis, sukurtas organizmų vystymuisi mikroskopiniu, ląsteliniu arba augaliniu mastu skatinti. Ląstelėms auginti naudojamoje terpėje dažnai būna pakankamai energijos ir medžiagų, kontroliuojančių ląstelių ciklą. Pagrindiniai terpės komponentai yra aminorūgštys, vitaminai, neorganinės druskos, gliukozė ir serumas. Serumo į terpę dedama todėl, kad jis yra augimo veiksnių, hormonų ir prisijungimo veiksnių šaltinis. Be maistinių medžiagų, terpė taip pat padeda palaikyti pH ir osmoliškumo lygį.

Ląstelių kultūroje naudojamos terpės tipai

Tiek žmogaus, tiek gyvūnų ląsteles galima auginti dirbtinėje ar sintetinėje terpėje arba visiškai natūralioje terpėje, papildytoje natūraliais elementais. Toliau apžvelgsime įvairias šiuo metu prieinamas terpes.

Natūralios terpės

Natūraliose terpėse gali būti tik natūraliai egzistuojantys biologiniai skysčiai. Natūralios terpės yra labai naudingos ir nesudėtingos auginant įvairius gyvūnų ląstelių tipus. Tikslių natūralias terpes sudarančių komponentų supratimo trūkumas yra pagrindinis veiksnys, lemiantis mažą rezultatų, gautų naudojant natūralias terpes, pakartojamumą.

Dirbtinės terpės

Ruošiant dirbtines arba sintetines terpes pridedama maistinių medžiagų (organinių ir neorganinių), serumo baltymų, angliavandenių, kofaktorių, vitaminų ir druskų, taip pat O2 ir CO2 dujų fazių [1].

Sukurta įvairių tipų dirbtinių terpių, kad jos atliktų vieną ar kelias toliau išvardytas funkcijas: 1) nedelsiant išgyventi (subalansuotas druskų tirpalas su tiksliu pH ir osmosiniu slėgiu). 2) Ilgalaikis išgyvenimas (subalansuotas druskų tirpalas, papildytas įvairių sudėčių organinėmis cheminėmis medžiagomis ir (arba) serumu). 3) Neribotas vystymasis. 4) Specializuotos funkcijos.

Yra keturios skirtingos dirbtinių terpių klasifikacijos:

Serumo turinčios terpės

Dažniausiai pasitaikanti papildų rūšis, randama terpėse, naudojamose gyvūninėms ląstelėms auginti, yra fetalinis galvijų serumas. Jis dedamas į mitybos terpę kaip pigus priedas, kad būtų pasiektos kuo geresnės augimo sąlygos. Serumas ne tik perneša arba chelatuoja nestabilias arba vandenyje netirpias maistines medžiagas, hormonus ir augimo veiksnius, proteazės inhibitorius ir kitas medžiagas, bet ir suriša bei neutralizuoja kenksmingas molekules.

Serumo neturinti terpė

Serumo buvimas terpėje turi nemažai trūkumų ir gali sukelti didelių interpretavimo klaidų atliekant imunologinius tyrimus [2, 3]. Sukurta daug įvairių terpių be serumo [4, 5]. Šios terpės paprastai yra specialiai sukurtos vieno tipo ląstelių kultūrai palaikyti, pavyzdžiui, Thermo Fisher Scientific Knockout Serum Replacement ir Knockout DMEM, Stem Cell Technologies mTESR terpė [6], skirta kamieninėms ląstelėms [7].

Be to, į šias terpes įeina apibrėžti kiekiai išgrynintų augimo veiksnių, lipoproteinų ir kitų baltymų, kurie kitu atveju paprastai gaunami iš serumo [8]. Šios terpės dažnai vadinamos "apibrėžtomis kultūrinėmis terpėmis", nes jas sudarantys komponentai yra gerai žinomi.

Chemiškai apibrėžtos terpės

Šias terpes sudaro itin gryni neorganiniai ir organiniai komponentai, kurie nebuvo užteršti jokiais teršalais. Jose taip pat gali būti grynų baltymų priedų, pavyzdžiui, augimo veiksnių.

genetiškai modifikuojant bakterijas ar mieles ir pridedant tam tikrų riebalų rūgščių, vitaminų, cholesterolio ir aminorūgščių, gaminamos jų sudedamosios dalys [9].

Bebaltyminės terpės

Bebaltyminės terpės - tai tokios terpės, į kurių sudėtį iš viso neįeina baltymai, o tik nebaltyminiai elementai. Palyginti su terpėmis, į kurias pridėta serumo, terpės be baltymų skatina didesnį ląstelių dauginimąsi ir baltymų raišką, be to, lengviau išgryninti bet kokį tolesnio proceso metu susidariusį produktą [10-12]. Į tokias terpes, kaip MEM ir RPMI-1640, baltymai neįtraukiami. Tačiau, jei reikia, baltyminis priedas gali būti skiriamas.

Kultūrų terpė ir pagrindiniai jos komponentai

Komercinę mitybinę terpę galima įsigyti miltelių arba skysčio pavidalu, į jos sudėtį dažnai įeina įvairios maistinės medžiagos, pavyzdžiui, aminorūgštys, gliukozė, druskos, vitaminai ir kiti maisto papildai.

Šių komponentų poreikis kiekvienai ląstelių linijai yra skirtingas, ir šie skirtumai lemia daugybę skirtingų terpių sudėčių. Kiekvienas komponentas yra atsakingas už tam tikrą funkciją, kuri bus aprašyta tolesniuose punktuose:

Buferinės sistemos

Norint palaikyti optimalias auginimo sąlygas, reikia kontroliuoti pH, o tai dažnai daroma naudojant vieną iš dviejų buferinių sistemų:

Natūrali buferinė sistema

Atmosferoje esantis CO2 ir H2CO3 santykis yra lygus terpės santykiui, todėl sukuriamas natūralus buferinis mechanizmas. Siekiant išsaugoti natūralų buferinį mechanizmą, kultūros turi būti laikomos oro aplinkoje, kurioje yra 5-10 % CO2, o tai dažnai pasiekiama naudojant CO2 inkubatorių. Vienas iš geriausių natūralaus buferinio mechanizmo naudojimo aspektų yra tai, kad jis yra pigus ir saugus.

HEPES

Cheminė buferizacija naudojant cviterjoną HEPES pasižymi didesniu buferiškumu 7,2-7,4 pH intervale ir jam nereikia reguliuojamos dujinės aplinkos. Tam tikrų tipų ląstelėms didesnė HEPES dozė gali būti kenksminga. Terpės, kuriose yra HEPES, taip pat daug jautresnės fluorescencinės šviesos fototoksiniam poveikiui [13].

Raudonasis fenolis

PH indikatoriaus fenolio raudonojo dažnai dedama į komerciškai prieinamas mitybines terpes, todėl galima nuolat stebėti pH. Plečiantis ląstelėms, jų gaminami metabolitai sukelia pH pokytį, todėl keičiasi terpės spalva. Fenolo raudonasis turi dvejopą poveikį terpės spalvai: esant rūgštiniam pH ji tampa geltona, o esant šarminiam pH - violetinė. pH 7,4 - optimali vertė ląstelių kultūroms - lemia, kad terpė tampa fluorescuojančiai raudona.

Tačiau fenolio raudonasis turi keletą trūkumų: Pirma, fenolio raudonasis gali imituoti daugelio steroidinių hormonų, pirmiausia estrogeno, veikimą [14]. Todėl tiriant estrogenams jautrias ląsteles, pavyzdžiui, krūties audinį, rekomenduojama naudoti terpę be fenolio raudonojo. Natrio ir kalio pusiausvyra sutrinka dėl to, kad keliuose preparatuose be serumo yra fenolio raudonojo. Į terpę pridėjus serumo arba galvijų hipofizės hormono, šis poveikis gali būti neutralizuotas [15]. Trečia, fenolo raudonojo kiekis trukdo aptikti kraujo kūnelius atliekant srauto citometrinius eksperimentus.

Neorganinės druskos

Neorganinių druskų, tokių kaip natrio, kalio ir kalcio jonai, turinčios terpės padeda palaikyti osmosinę pusiausvyrą ir reguliuoti membranos potencialą.

Aminorūgštys

Kadangi aminorūgštys yra pagrindinės baltymų sudedamosios dalys, jos yra būtina visų kada nors sukurtų ląstelių augimo terpių sudedamoji dalis. Kadangi ląstelės negali pačios pasigaminti tam tikrų aminorūgščių, labai svarbu, kad auginimo terpėje būtų nepakeičiamųjų aminorūgščių. Jos būtinos ląstelėms daugintis, o nuo jų koncentracijos priklauso, koks didžiausias ląstelių tankis gali būti pasiektas. Ypač svarbi yra nepakeičiamoji aminorūgštis L-glutaminas.

L-glutaminas veikia kaip antrinis energijos šaltinis medžiagų apykaitai ir prisideda azotu prie NAD, NADPH ir nukleotidų gamybos. Kadangi L-glutaminas yra nestabili aminorūgštis, kuri laikui bėgant pasikeičia į formą, kurios ląstelės negali panaudoti, jo turi būti duodama į terpę.

Be to, į terpę gali būti tiekiamos nepagrindinės aminorūgštys, kad būtų papildytos per augimo procesą sunaudotos aminorūgštys. Ląstelių augimas pagreitėja, o jų gyvybingumas padidėja, kai augimo terpė papildoma nepagrindinėmis aminorūgštimis.

Angliavandeniai

Angliavandeniai cukrų pavidalu yra pagrindinis energijos šaltinis. Į daugelį terpių, be labiau paplitusių gliukozės ir galaktozės cukrų, taip pat įeina maltozė ir fruktozė.

Baltymai ir peptidai

Dažniausiai naudojami baltymai ir peptidai yra albuminas, transferinas ir fibronektinas. Jie ypač svarbūs terpėse, kuriose nėra serumo. Albuminas, transferinas, aprotininas, fetuinas ir fibronektinas yra kai kurie baltymai, kurių galima rasti serume, kuriame gausu baltymų.

Albuminas yra pagrindinis kraujyje esantis baltymas, kurio funkcija - surišti ir pernešti įvairias medžiagas, įskaitant vandenį, druskas, laisvąsias riebalų rūgštis, hormonus ir vitaminus, tarp įvairių organų ir ląstelių. Dėl gebėjimo prisijungti prie cheminių medžiagų albuminas yra veiksmingas kandidatas šalinti kenksmingus junginius iš terpės, kurioje kultivuojamos ląstelės.

Aprotininas yra apsauginė medžiaga ląstelių kultūrų sistemose, nes jis yra stabilus esant neutraliam ir rūgščiam pH, taip pat atsparus aukštai temperatūrai ir destrukcijai, kurią gali sukelti proteolitiniai fermentai. Jis gali slopinti daugelį serino proteazių, tarp jų ir tripsiną.

Fetuinas yra glikoproteinas, kurio vaisiaus ir naujagimio serume galima aptikti didesnį kiekį, palyginti su suaugusių gyvūnų serumu. Be to, jis veikia kaip serininių proteazių inhibitorius. Baltymas fibronektinas yra esminis ląstelių sukibimo proceso komponentas. Transferinas yra baltymas, pernešantis geležį ir atsakingas už geležies perdavimą ląstelių membranoms.

Riebalų rūgštys ir lipidai

Jie atlieka svarbų vaidmenį terpėje be serumo, kai serumo nėra.

Vitaminai

Daugybė vitaminų yra būtini ląstelių vystymuisi ir dauginimuisi. Ląstelės negali pasigaminti pakankamo kiekio vitaminų, todėl jie yra būtini audinių kultūroje kaip maisto papildai.

Ląstelių kultūroje pagrindinis vitaminų šaltinis yra serumas, tačiau terpės taip pat apdorojamos įvairiais vitaminais, kad būtų tinkamos konkrečiam ląstelių tipui. Dažniausiai augimui skatinti naudojami B grupės vitaminai.

Mikroelementai

Cheminiai elementai, tokie kaip varis, cinkas, selenas ir tarpiniai trikarboksirūgščių junginiai, vadinami mikroelementais. Mikroelementų dažnai dedama į terpę, kurioje nėra serumo, siekiant pakeisti tuos, kurių paprastai yra serume. Šie elementai yra svarbūs cheminiai komponentai, reikalingi sveikam ląstelių vystymuisi. Daugelis biocheminių reakcijų priklauso nuo tam tikrų mikroelementų, pavyzdžiui, fermentų aktyvumo.

Terpės papildai

Tam tikroms ląstelių linijoms siūlomai visavertei augimo terpei reikia papildomų komponentų, kurių nėra bazinėje terpėje ir serume. Šie mitybos papildai palaiko ląstelių augimą ir tinkamą medžiagų apykaitos funkciją.

Nors hormonai, augimo veiksniai ir signalinės molekulės yra būtini tinkamam tam tikrų ląstelių linijų dauginimuisi, visada reikėtų imtis toliau nurodytų atsargumo priemonių: Kadangi papildai gali pakeisti visos augimo terpės osmoliškumą, o tai gali slopinti ląstelių vystymąsi, visada patartina patikrinti osmoliškumą po papildų pridėjimo. Daugumai ląstelių linijų optimalus osmolalumas svyruoja nuo 260 iki 320 mOSM/kg.

Antibiotikai

Antibiotikai dažnai naudojami bakterijų ir grybelinių teršalų vystymuisi slopinti [16], nors ląstelių augimui jie nėra būtini. Kadangi antibiotikai gali slėpti užterštumą mikoplazma ir atspariomis bakterijomis, jų įprastai naudoti ląstelių kultūroje nesiūloma [17, 18].

Be to, antibiotikai gali sutrikdyti padidėjusio jautrumo ląstelių medžiagų apykaitą. Dažnai naudojami "MilliporeSigma" ir "Life Technologies" gaminami penicilino ir streptomicino deriniai. Plasmocinas buvo naudojamas kultivuojant gliomos ląstelių linijas TS603, TS516 ir BT260 [19], be to, įrodyta, kad jis veiksmingai pašalina mikoplazminę taršą [20].

Serumas

Serume yra albuminų, augimo veiksnių ir augimo inhibitorių. Serumas yra vienas svarbiausių ląstelių kultūrų terpės komponentų, nes jame yra aminorūgščių, baltymų, vitaminų (ypač riebaluose tirpių vitaminų, tokių kaip A, D, E ir K), angliavandenių, lipidų, hormonų, augimo veiksnių, mineralų ir mikroelementų.

Kultūrinių ląstelių vystymuisi skatinti dažnai naudojamas vaisiaus ir veršelių serumas. Fetalinis serumas yra gausus augimo veiksnių šaltinis ir tinka ląstelių klonavimui bei jautrių ląstelių vystymuisi. Dėl mažesnių augimo skatinimo galimybių veršelių serumas naudojamas kontaktinio slopinimo eksperimentams. Įprastose augimo terpėse dažnai būna nuo 2 iki 10 % serumo. Serumo į auginimo terpę pridedama šiais tikslais [21]:

  • Serumas suteikia ląstelėms būtinų maistinių medžiagų (tiek tirpale, tiek prisijungęs prie baltymų).

  • Į serumo sudėtį įeina keletas augimo veiksnių ir hormonų, susijusių su augimo skatinimu ir specializuota ląstelių veikla.

  • Jame yra daug jungiamųjų baltymų, pavyzdžiui, albumino ir transferino, kurie perneša kitas chemines medžiagas į ląstelę. Pavyzdžiui, albuminas į ląsteles perneša riebalus, vitaminus, hormonus ir kt.

  • Jame taip pat yra baltymų, pavyzdžiui, fibronektino, kurie didina ląstelių sukibimą su substratu. Be to, jis gamina plitimo elementus, kurie padeda ląstelei plėstis prieš dalijimąsi.

  • Jis tiekia proteazės inhibitorius, kurie apsaugo ląsteles nuo proteolizės.

  • Jame taip pat yra mineralinių medžiagų, tokių kaip Na+, K+, Zn2+ ir Fe2+.

  • Jis didina terpės klampumą, todėl apsaugo ląsteles nuo mechaninio pažeidimo maišant suspensijos kultūrą.

  • Jis taip pat yra buferinė medžiaga.

Nuorodos

[1] Morgan J, Morton H, Parker R. Gyvūnų ląstelių mityba audinių kultūroje; pirmieji sintetinės terpės tyrimai. Proc Soc Exp Biol Med. 1950;73:1-8

[2] Kerbel R, Blakeslee D. Rapid adsorption of a foetal calf serum component by mammalian cells in culture. Galimas artefaktų šaltinis tiriant antiserumus ląstelėms būdingiems antigenams. Immunology. 1976;31:881-91

[3] Sula K, Draber P, Nouza K. Serumo pridėjimas į terpę, naudojamą ląstelių suspensijoms ruošti, kaip galimas artefaktų šaltinis atliekant ląstelėmis tarpininkaujamų reakcijų tyrimus poplitealinio limfmazgio testu. J Immunogenet. 1980;7:483-9

[4] Mariani E, Mariani A, Monaco M, Lalli E, Vitale M, Facchini A. Komercinės terpės be serumo: hibridomų augimas ir monokloninių antikūnų gamyba. J Immunol Methods. 1991;145:175-83

[5] Barnes D, Sato G. Methods for growth of cultured cells in serumo neturinčioje terpėje. Anal Biochem. 1980;102:255-70

[6] Yu H, Lu S, Gasior K, Singh D, Vazquez Sanchez S, Tapia O,et al. HSP70 chaperones RNA-free TDP-43 into anisotropic intranuclear liquid spherical shells. Science. 2021;371:

[7] Meharena H, Marco A, Dileep V, Lockshin E, Akatsu G, Mullahoo J,et al. Down-syndrome-induced senescence disrupts nuclear architecture of neural progenitors. Cell Stem Cell. 2022;29:116-130.e7

[8] Iscove N, Melchers F. Visiškas serumo pakeitimas albuminu, transferinu ir sojos lipidais lipopolisacharidui jautrių B limfocitų kultūrose. J Exp Med. 1978;147:923-33

[9] Stoll T, Muhlethaler K, von Stockar U, Marison I. Systematic improvement of a chemically-defined protein-free medium for hybridoma growth and monoclonal antibody production. J Biotechnol. 1996;45:111-23

[10] Darfler F. A protein-free medium for growth of hybridomas and other cells of the immune system. In Vitro Cell Dev Biol. 1990;26:769-78

[11] Barnes D, Sato G. Serumo neturinčios ląstelių kultūros: vienijantis požiūris. Cell. 1980;22:649-55

[12] Hamilton W, Ham R. Clonal growth of chinese hamster cell lines in protein-free media. In Vitro. 1977;13:537-47

[13] Zigler J, Lepe Zuniga J, Vistica B, Gery I. Analysis of the cytotoxic effects of light-exposed HEPES-containing culture medium. In Vitro Cell Dev Biol. 1985;21:282-7

[14] Berthois Y, Katzenellenbogen J, Katzenellenbogen B. Phenol red in tissue culture media is a weak estrogen: implications concerning the study of estrogen-responsive cells in culture. Proc Natl Acad Sci U S A. 1986;83:2496-500

[15] Karmiol S. Serumo neturinčių terpių kūrimas. In: Master JRW, redaktorius. Animal Cell culture, 3rd ed. Oxford: Oxford University Press; 2000.

[16] Perlman D. Antibiotikų naudojimas ląstelių kultūrų terpėse. Methods Enzymol. 1979;58:110-6

[17] McGarrity G. Mikoplazminės infekcijos plitimas ir kontrolė ląstelių kultūrose. In Vitro. 1976;12:643-8

[18] Masters J, Stacey G. Changing medium and passaging cell lines (terpės keitimas ir ląstelių linijų perėjimas). Nat Protoc. 2007;2:2276-84

[19] Chakraborty A, Laukka T, Myllykoski M, Ringel A, Booker M, Tolstorukov M,et al. Histonų demetilazė KDM6A tiesiogiai jaučia deguonį, kad kontroliuotų chromatiną ir ląstelių likimą. Science. 2019;363:1217-1222

[20] Molla Kazemiha V, Azari S, Amanzadeh A, Bonakdar S, Shojaei Moghadam M, Habibi Anbouhi M,et al. Efficiency of Plasmocin™ on various mammalian cell lines infected by mollicutes in comparison with commonly used antibiotics in cell culture: a local experience. Cytotechnologija. 2011;63:609-20

[21] Kragh Hansen U. Molecular aspects of ligand binding to serum albumin (Molekuliniai ligandų prisijungimo prie serumo albumino aspektai). Pharmacol Rev. 1981;33:17-53

Nustatėme, kad esate kitoje šalyje arba naudojate kitą naršyklės kalbą nei šiuo metu pasirinkta. Ar norite priimti siūlomus nustatymus?

Uždaryti