Eiti į pagrindinį puslapį

Ląstelių kultūros terpės: apžvalga

Gamtos mokslų srityje viena iš svarbiausių metodikų yra ląstelių kultūra. Terminas „ląstelių kultūra“ reiškia ląstelių, audinių ar organų paėmimą iš gyvūno ar augalo ir vėlesnį tų ląstelių, audinių ar organų implantavimą į dirbtinę aplinką, palankią jų išlikimui ir (arba) augimui. Pagrindiniai aplinkos reikalavimai, būtini optimaliam ląstelių vystymuisi, yra kontroliuojama temperatūra, substratas, prie kurio ląstelės gali prisitvirtinti, tinkama auginimo terpė ir inkubatorius, palaikantis optimalų pH ir osmolalumą. Kad ląstelės galėtų išaugti iki savo pilno potencialo, joms būtinos šios sąlygos.

Tinkamos auginimo terpės parinkimas in vitro kultivavimui yra ląstelių kultūros etapas, kuris yra ir svarbiausias, ir gyvybiškai būtinas. Augimo terpė, dar vadinama kultūrinė terpe, yra skystis arba gelis, sukurtas skatinti organizmų vystymąsi mikroskopiniu, ląstelių arba augalų lygiu. Ląstelių auginimui naudojama terpė dažnai turi pakankamą energijos kiekį ir medžiagų, reguliuojančių ląstelių ciklą. Pagrindiniai kultūrinės terpės komponentai yra amino rūgštys, vitaminai, neorganinės druskos, gliukozė ir serumas. Serumas į terpią įdedamas, nes jis veikia kaip augimo veiksnių, hormonų ir prisijungimo veiksnių šaltinis. Be maistinių medžiagų tiekimo, terpė taip pat padeda palaikyti pH ir osmolalumo lygį.

Ląstelių kultūroje naudojamų terpių rūšys

Tiek žmogaus, tiek gyvūnų ląstelės gali būti auginamos dirbtinėje arba sintetinėje terpėje, taip pat visiškai natūralioje terpėje, papildytoje natūraliais elementais. Toliau pateiksime apžvalgą apie įvairius šiuo metu prieinamus terpių tipus.

Natūralios terpės

Natūraliose terpėse gali būti tik natūralioje būsenoje esantys biologiniai skysčiai. Natūralios terpės yra labai naudingos ir patogios įvairių gyvūnų ląstelių tipų auginimui. Nepakankamas supratimas apie tikslius natūralių terpių komponentus yra pagrindinis veiksnys, lemiantis mažą rezultatų, gautų naudojant natūralias terpes, pakartojamumą.

Dirbtinės terpės

Dirbtinių arba sintetinių terpių paruošimas apima maistinių medžiagų (tiek organinių, tiek neorganinių), serumo baltymų, angliavandenių, kofaktorių, vitaminų ir druskų, taip pat O₂ ir CO₂ dujų fazių pridėjimą [1].

Siekiant užtikrinti vieną ar kelias iš šių funkcijų, buvo sukurti įvairių tipų dirbtiniai terpe: 1) Greitas išgyvenimas (subalansuotas druskų tirpalas su tiksliu pH ir osmosiniu slėgiu). 2) Ilgalaikis išgyvenimas (subalansuotas druskų tirpalas, papildytas įvairiais organinių cheminių medžiagų ir (arba) serumo mišiniais). 3) Neribotas vystymasis. 4) Specializuotos funkcijos.

Dirbtinės terpės skirstomos į keturias atskiras klases:

Terpės, kurių sudėtyje yra serumo

Dažniausiai gyvūnų ląstelių auginimui naudojamose terpėse randamas priedas yra veršelių serumas. Jis į kultūrinę terpę dedamas kaip nebrangus priedas, siekiant užtikrinti kuo geresnes augimo sąlygas. Be to, kad serumas veikia kaip nestabilių ar vandenyje netirpių maistinių medžiagų, hormonų ir augimo veiksnių, proteazės inhibitorių bei kitų medžiagų pernešėjas ar chelatorius, jis taip pat suriša ir neutralizuoja kenksmingas molekules.

Serumo neturinti terpė

Serumo buvimas terpėje turi nemažai trūkumų ir gali sukelti rimtų interpretavimo klaidų imunologiniuose tyrimuose [2, 3]. Buvo sukurta įvairių be serumo terpių [4, 5]. Paprastai šios terpės yra specialiai suformuluotos tam, kad palaikytų vieno ląstelių tipo kultūrą, pavyzdžiui, „Knockout Serum Replacement“ ir „Knockout DMEM“ iš „Thermo Fisher Scientific“ bei „mTESR“ terpė iš „Stem Cell Technologies“ [6], skirta kamieninėms ląstelėms [7].

Be to, į šias terpes įtraukiami nustatyti kiekiai išgrynintų augimo veiksnių, lipoproteinų ir kitų baltymų, kuriuos paprastai teikia serumas [8]. Šios terpes dažnai vadinamos „apibrėžtomis kultūrinėmis terpėmis“, nes jų sudedamosios dalys yra gerai žinomos.

Chemiškai apibrėžtos terpės

Šios terpės sudėtyje yra ypač grynų neorganinių ir organinių komponentų, kurie nėra užteršti jokiais teršalais. Jos taip pat gali būti papildytos grynais baltymais, pavyzdžiui, augimo faktoriais.

 Genetiškai modifikavus bakterijas ar mieles ir pridedant tam tikrų riebalų rūgščių, vitaminų, cholesterolio bei amino rūgščių, gaunami jų sudedamieji komponentai [9].

Baltyminių medžiagų neturinčios terpės

Baltyminių medžiagų neturinčios terpės yra tokios, kuriose visiškai nėra baltymų, o yra tik nebaltyminiai elementai. Palyginti su terpėmis, į kurias pridėta serumo, baltyminių medžiagų neturinčių terpių naudojimas skatina didesnį ląstelių dauginimąsi ir baltymų ekspresiją bei palengvina bet kurio tolesniame procese susidariusio produkto gryninimą [10–12]. Baltymai neįeina į tokias formules kaip MEM ir RPMI-1640. Tačiau prireikus gali būti įdedamas baltymų papildas.

Kultūrinės terpės ir jų pagrindiniai komponentai

Komercinę kultūrinę terpę galima įsigyti miltelių arba skysčio pavidalu; dažnai joje yra įvairių maistinių medžiagų, pavyzdžiui, amino rūgščių, gliukozės, druskų, vitaminų ir kitų maisto papildų. 

Kiekvienai ląstelių linijai šių komponentų poreikis skiriasi, o būtent šie skirtumai lemia didelę terpės sudėčių įvairovę. Kiekvienas komponentas atlieka tam tikrą funkciją, kuri bus aprašyta tolesniuose skyriuose:

Buferinės sistemos

Siekiant išlaikyti optimalias auginimo sąlygas, būtina kontroliuoti pH, o tai dažniausiai daroma naudojant vieną iš dviejų buferinių sistemų:

Natūrali buferinė sistema

CO₂/H₂CO₃ santykis atmosferoje yra toks pat kaip ir terpėje, todėl susidaro natūralus buferinis mechanizmas. Siekiant išsaugoti šį natūralų buferinį mechanizmą, kultūros turi būti laikomos aplinkoje, kurioje CO₂ koncentracija sudaro 5–10 %; tai dažniausiai pasiekiama naudojant CO₂ inkubatorių. Vienas iš didžiausių natūralaus buferio privalumų – jo pigumas ir saugumas.

HEPES

Cheminis buferavimas naudojant zwitterjoną HEPES pasižymi didesniu buferavimo pajėgumu pH intervale 7,2–7,4 ir nereikalauja reguliuojamos dujinės aplinkos. Tam tikrų tipų ląstelėms didesnė HEPES dozė gali būti žalinga. Terpės, kurių sudėtyje yra HEPES, taip pat yra daug jautresnės fluorescencinės šviesos fototoksiniam poveikiui [13].

Fenolio raudonasis

pH indikatorius fenolio raudonasis dažnai įtraukiamas į komerciškai parduodamas kultūrinės terpės, leidžiant nuolat stebėti pH. Ląstelėms dauginantis, jų gaminami metabolitai sukelia pH pokytį ir dėl to pasikeičia terpės spalva. Fenolio raudonasis turi dvejopą poveikį terpės spalvai: rūgščiame pH ji tampa geltona, o šarminiame pH – violetinė. Esant pH 7,4 – optimaliam ląstelių kultūrai – terpė tampa fluorescuojančiai raudona.

Tačiau fenolio raudonasis turi keletą trūkumų: pirma, fenolio raudonasis gali imituoti daugelio steroidinių hormonų, visų pirma estrogeno, veikimą [14]. Todėl tiriant estrogenui jautrias ląsteles, pavyzdžiui, krūties audinį, rekomenduojama naudoti terpę be fenolio raudonojo. Natrio ir kalio pusiausvyra sutrinka dėl fenolio raudonojo buvimo kai kuriose be serumo sudėtyse. Šio poveikio galima išvengti į terpę įdedant serumo arba galvijų hipofizės hormono [15]. Trečia, fenolio raudonojo buvimas trukdo aptikti ląsteles atliekant srauto citometrijos eksperimentus.

Neorganinės druskos

Terpės, kurių sudėtyje yra neorganinių druskų, pvz., natrio, kalio ir kalcio jonų, padeda išlaikyti osmosinę pusiausvyrą ir reguliuoja membranos potencialą.

Amino rūgštys

Kadangi aminorūgštys yra pagrindiniai baltymų komponentai, jos yra būtina kiekvienos kada nors sukurto ląstelių auginimo terpės sudėtinė dalis. Kadangi ląstelės pačios negali pagaminti tam tikrų aminorūgščių, svarbu, kad kultūrinėje terpėje būtų būtinųjų aminorūgščių. Jos yra būtinos ląstelių proliferacijai, o jų koncentracija lemia didžiausią pasiekiamą ląstelių tankį. Ypač svarbi yra būtinoji amino rūgštis – L-glutaminas.

L-glutaminas veikia kaip antrinis energijos šaltinis medžiagų apykaitai ir tiekia azotą NAD, NADPH bei nukleotidų sintezei. Kadangi L-glutaminas yra nestabili amino rūgštis, kuri laikui bėgant virsta forma, kurios ląstelės negali panaudoti, ją būtina papildomai įtraukti į terpę.

Be to, į auginimo terpę galima įtraukti nepagrindinių amino rūgščių, siekiant papildyti tas, kurios buvo sunaudotos augimo proceso metu. Ląstelių augimas paspartėja, o jų gyvybingumas padidėja, kai auginimo terpė papildoma nepagrindinėmis amino rūgštimis.

Angliavandeniai

Angliavandeniai cukrų pavidalu yra pagrindinis energijos šaltinis. Daugelyje terpių, be labiau paplitusių gliukozės ir galaktozės, taip pat yra maltozės ir fruktozės.

Baltymai ir peptidai

Albuminas, transferinas ir fibronektinas yra dažniausiai naudojami baltymai ir peptidai. Jie ypač svarbūs terpėse, kurių sudėtyje nėra serumo. Albuminas, transferinas, aprotininas, fetuinas ir fibronektinas yra tik keletas baltymų, kurių galima rasti serume – turtingame baltymų šaltinyje.

Albuminas yra pagrindinis kraujyje randamas baltymas, kurio funkcija – jungti ir transportuoti įvairias medžiagas, įskaitant vandenį, druskas, laisvąsias riebalų rūgštis, hormonus ir vitaminus, tarp skirtingų organų ir ląstelių. Albumino gebėjimas jungtis prie cheminių medžiagų daro jį veiksmingu kandidatu pašalinti kenksmingus junginius iš terpės, kurioje auginamos ląstelės.

Aprotininas yra apsauginė medžiaga ląstelių kultūrų sistemose, nes jis yra stabilus esant neutraliam ir rūgštiniam pH, taip pat atsparus aukštai temperatūrai ir proteolitinių fermentų sukeliamam irimui. Jis gali slopinti daugelį serino proteazių, tarp jų – tripsiną.

Fetuinas yra glikoproteinas, kurio kiekis gyvūnų vaisiaus ir naujagimio serume gali būti didesnis nei suaugusiųjų serume. Be to, jis veikia kaip serino proteazės inhibitorius. Baltymas fibronektinas yra esminis komponentas ląstelių adhezijos procese. Transferinas yra baltymas, kuris transportuoja geležį ir yra atsakingas už jos pristatymą į ląstelių membranas.

Riebalų rūgštys ir lipidai

Jos atlieka lemiamą vaidmenį beserumėje terpėje, kai nėra serumo.

Vitaminai

Ląstelių vystymuisi ir dauginimuisi reikalingi įvairūs vitaminai. Ląstelės negali pačios pagaminti pakankamo vitaminų kiekio, todėl audinių kultūroje jie yra būtini kaip maisto papildai.

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

Mikroelementai

Cheminiai elementai, tokie kaip varis, cinkas, selenas ir trikarboksirūgšties tarpinių junginių, vadinami mikroelementais. Mikroelementai dažnai pridedami į terpes, kurių sudėtyje nėra serumo, siekiant pakeisti tuos, kurie paprastai yra serume. Šie elementai yra svarbūs cheminiai komponentai, reikalingi sveikam ląstelių vystymuisi. Daugelis biocheminių reakcijų, pavyzdžiui, fermentų aktyvumas, priklauso nuo tam tikrų mikroelementų.

Terpės priedai

Tam tikroms ląstelių linijoms rekomenduojamoms pilnoms auginimo terpėms reikalingi papildomi komponentai, kurių nėra bazinėse terpėse ir serume. Šie maisto papildai palaiko ląstelių augimą ir tinkamą medžiagų apykaitą.

Nors hormonai, augimo faktoriai ir signalinės molekulės yra būtini tam tikrų ląstelių linijų tinkamai proliferacijai, visada reikėtų laikytis šių atsargumo priemonių: kadangi priedų įdėjimas gali pakeisti visos auginimo terpės osmolalumą, o tai gali slopinti ląstelių vystymąsi, visada patartina patikrinti osmolalumą po priedų įdėjimo. Daugumai ląstelių linijų optimalus osmolalumas svyruoja nuo 260 iki 320 mOSM/kg.

Antibiotikai

Antibiotikai dažnai naudojami bakterinių ir grybelinių teršalų plitimui slopinti [16], nors jie nėra būtini ląstelių augimui. Kadangi antibiotikai gali paslėpti mikoplazmų ir atsparių bakterijų sukeltą užteršimą, jų reguliarus naudojimas ląstelių kultūrose nerekomenduojamas [17, 18].

Be to, antibiotikai gali sutrikdyti jautrių ląstelių medžiagų apykaitą. Dažnai naudojami „MilliporeSigma“ ir „Life Technologies“ gaminami penicilino ir streptomicino deriniai. „Plasmocin“ buvo naudojamas gliomos ląstelių linijų TS603, TS516 ir BT260 kultūrose [19], ir buvo įrodyta, kad jis veiksmingai pašalina mikoplazmų užteršimą (20).

Serumas

Serume yra albuminų, augimo veiksnių ir augimo inhibitorių. Serumas yra viena iš svarbiausių ląstelių kultūros terpės sudedamųjų dalių, nes jis aprūpina amino rūgštimis, baltymais, vitaminais (ypač riebaluose tirpiais vitaminais, tokiais kaip A, D, E ir K), angliavandeniais, lipidais, hormonais, augimo veiksniais, mineralais ir mikroelementais.

Kultivuojamų ląstelių vystymuisi skatinti dažnai naudojamas veršelių ir galvijų vaisiaus serumas. Vaisiaus serumas yra gausus augimo veiksnių šaltinis ir tinka ląstelių klonavimui bei jautrių ląstelių vystymuisi. Dėl sumažėjusių augimą skatinančių savybių veršelių serumas naudojamas kontaktinio slopinimo eksperimentuose. Įprastose auginimo terpėse dažnai yra nuo 2 % iki 10 % serumo. Serumo įmaišymas į kultūrinę terpę atlieka šias funkcijas [21]:

  • Serumas tiekia ląstelėms būtinas maistines medžiagas (tiek tirpale, tiek prisijungusias prie baltymų).

  • Serume yra keletas augimo veiksnių ir hormonų, dalyvaujančių augimo skatinime ir specializuotoje ląstelių veikloje.

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

  • Jis taip pat suteikia baltymų, pavyzdžiui, fibronektino, kurie padidina ląstelių adheziją prie substrato. Be to, jis gamina plitimo elementus, kurie padeda ląstelėms išsiplėsti prieš dalijimąsi.

  • Jis tiekia proteazės inhibitorius, kurie užkerta kelią proteolizei ląstelėse.

  • Jame taip pat yra mineralų, pvz., Na+, K+, Zn2+ ir Fe2+.

  • Jis padidina terpės klampumą, taip apsaugodamas ląsteles nuo mechaninių pažeidimų maišant suspensijos kultūrą.

  • Be to, jis veikia kaip buferis.

Nuorodos

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

[2] Kerbel R, Blakeslee D. Greita veršelių vaisiaus serumo komponento adsorbcija kultūroje auginamose žinduolių ląstelėse. Galimas artefaktų šaltinis atliekant tyrimus su antiserumais, nukreiptais prieš ląstelių specifinius antigenus. Immunology. 1976;31:881-91

[3] Sula K, Draber P, Nouza K. Serumo įmaišymas į terpę, naudojamą ląstelių suspensijoms paruošti, kaip galimas artefaktų šaltinis ląstelių tarpininkaujamose reakcijose, tiriamose naudojant poplitealinio limfmazgio testą. J Immunogenet. 1980;7:483–9

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

[5] Barnes D, Sato G. Kultivuojamų ląstelių auginimo be serumo terpėje metodai. Anal Biochem. 1980;102:255-70

[6] Yu H, Lu S, Gasior K, Singh D, Vazquez Sanchez S, Tapia O ir kt. HSP70 chaperonai perkelia RNR neturintį TDP-43 į anizotropinius intranuklearinius skystus sferinius apvalkalus. „Science“. 2021;371:

[7] Meharena H, Marco A, Dileep V, Lockshin E, Akatsu G, Mullahoo J ir kt. Dauno sindromo sukeltas senėjimas sutrikdo nervinių progenitorinių ląstelių branduolio struktūrą. „Cell Stem Cell“. 2022;29:116–130.e7

[8] Iscove N, Melchers F. Visiškas serumo pakeitimas albuminu, transferinu ir sojos riebalais lipopolisacharidams reaguojančių B limfocitų kultūrose. „J Exp Med“. 1978;147:923–33

[9] Stoll T, Muhlethaler K, von Stockar U, Marison I. Chemiškai apibrėžtos baltymų neturinčios terpės, skirtos hibridomų auginimui ir monokloninių antikūnų gamybai, sistemingas tobulinimas. „J Biotechnol“. 1996;45:111–23

[10] Darfler F. Baltymių neturinti terpė hibridomų ir kitų imuninės sistemos ląstelių auginimui. In Vitro Cell Dev Biol. 1990;26:769–78

[11] Barnes D, Sato G. Serumo neturinti ląstelių kultūra: vieningas požiūris. „Cell“. 1980;22:649–55

[12] Hamilton W, Ham R. Kinų žiurkių ląstelių linijų kloninis augimas baltymų neturinčiose terpėse. In Vitro. 1977;13:537–47

[13] Zigler J, Lepe Zuniga J, Vistica B, Gery I. Šviesai veikiamos HEPES turinčios kultūros terpės citotoksinio poveikio analizė. „In Vitro Cell Dev Biol“. 1985;21:282–7

[14] Berthois Y, Katzenellenbogen J, Katzenellenbogen B. Fenolio raudonasis audinių kultūros terpėse yra silpnas estrogenas: pasekmės, susijusios su estrogenui jautrių ląstelių tyrimais kultūroje. „Proc Natl Acad Sci U S A“. 1986;83:2496–500

[15] Karmiol S. Serumo neturinčių terpių kūrimas. Į: Master JRW, red. „Animal Cell culture“, 3-iasis leidimas. Oksfordas: Oxford University Press; 2000.

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

[17] McGarrity G. Ląstelių kultūrų mikoplazminės infekcijos plitimas ir kontrolė. In Vitro. 1976;12:643–8

[18] Masters J, Stacey G. Terpės keitimas ir ląstelių linijų perauginimas. „Nat Protoc“. 2007;2:2276–84

[19] Chakraborty A, Laukka T, Myllykoski M, Ringel A, Booker M, Tolstorukov M ir kt. Histonų demetilazė KDM6A tiesiogiai reaguoja į deguonį, reguliuodama chromatino būklę ir ląstelių likimą. „Science“. 2019;363:1217–1222

[20] Molla Kazemiha V, Azari S, Amanzadeh A, Bonakdar S, Shojaei Moghadam M, Habibi Anbouhi M ir kt. „Plasmocin™“ veiksmingumas įvairiose molikutų užkrėstose žinduolių ląstelių linijose, palyginti su ląstelių kultūrose dažniausiai naudojamais antibiotikais: vietinė patirtis. „Cytotechnology“. 2011;63:609–20

[21] Kragh Hansen U. Ligando prisijungimo prie serumo albumino molekuliniai 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