Celkweekmedia: Een overzicht

Op het gebied van de biowetenschappen is celkweek een van de belangrijkste methodologieën. Het verwijderen van cellen, weefsels of organen uit een dier of plant en het vervolgens implanteren van deze cellen, weefsels of organen in een kunstmatige omgeving die gunstig is voor hun overleving en/of groei is wat wordt bedoeld met de term "celkweek" De fundamentele omgevingsbehoeften voor een optimale celontwikkeling zijn een gecontroleerde temperatuur, een substraat voor celhechting, een geschikt groeimedium en een incubator die de optimale pH-waarde en osmolaliteit handhaaft. Cellen moeten aan deze voorwaarden voldoen om optimaal te kunnen groeien.

De selectie van een geschikt groeimedium voor in vitro kweken is de fase in de celkweek die zowel het meest kritisch als het meest vitaal is. Een groeimedium, ook wel bekend als kweekmedium, is een vloeistof of gel die is samengesteld om de ontwikkeling van organismen op microscopische, cellulaire of plantaardige schaal te stimuleren. Het medium dat wordt gebruikt voor het kweken van cellen bevat vaak een voldoende toevoer van energie en stoffen die de celcyclus regelen. De belangrijkste componenten van een kweekmedium zijn aminozuren, vitamines, anorganische zouten, glucose en serum. Het serum wordt aan het medium toegevoegd omdat het fungeert als een bron van groeifactoren, hormonen en hechtingsfactoren. Naast het leveren van voedingsstoffen draagt het medium ook bij aan het op peil houden van de pH en de osmolaliteit.

Soorten medium gebruikt in celkweek

Zowel menselijke als dierlijke cellen kunnen worden gekweekt in een kunstmatig of synthetisch medium of een volledig natuurlijk medium dat is aangevuld met natuurlijke elementen. Hieronder geven we een overzicht van de verschillende momenteel beschikbare mediatypen.

Natuurlijke media

Alleen biologische vloeistoffen die in hun natuurlijke staat bestaan, kunnen worden aangetroffen in natuurlijke media. Natuurlijke media zijn zeer nuttig en gemakkelijk voor het kweken van een grote verscheidenheid aan dierlijke celtypes. Het gebrek aan inzicht in de precieze componenten waaruit natuurlijke media bestaan, is de belangrijkste factor die bijdraagt aan de lage herhaalbaarheid van resultaten die met natuurlijke media worden verkregen.

Kunstmatige media

De bereiding van kunstmatige of synthetische media omvat de toevoeging van voedingsstoffen (zowel organische als anorganische), serumeiwitten, koolhydraten, cofactoren, vitaminen en zouten, evenals O2- en CO2-gasfasen [1].

Er zijn verschillende soorten kunstmatige media ontwikkeld om een of meer van de volgende functies te vervullen: 1) Onmiddellijke overleving (een gebalanceerde zoutoplossing met een precieze pH en osmotische druk). 2) Langdurige overleving (een gebalanceerde zoutoplossing aangevuld met verschillende formuleringen van organische chemicaliën en/of serum). 3) Onbepaalde ontwikkeling. 4) Gespecialiseerde functies.

Er zijn vier verschillende classificaties voor kunstmatige media:

Serumhoudende media

Het meest voorkomende supplement in mediums die gebruikt worden voor het kweken van dierlijke cellen is foetaal runderserum. Het wordt toegevoegd aan het kweekmedium als een goedkope aanvulling om de best mogelijke groeicondities te bereiken. Het serum fungeert niet alleen als transporteur of chelator voor onstabiele of in water onoplosbare voedingsstoffen, hormonen en groeifactoren, proteaseremmers en andere stoffen, maar bindt en neutraliseert ook schadelijke moleculen.

Serumvrij medium

De aanwezigheid van serum in de media heeft een aantal nadelen en kan leiden tot grote interpretatiefouten in immunologisch onderzoek [2, 3]. Er zijn verschillende serumvrije media ontwikkeld [4, 5]. Deze media zijn over het algemeen specifiek samengesteld om de kweek van een enkel celtype te ondersteunen, zoals Knockout Serum Replacement en Knockout DMEM van Thermo Fisher Scientific, en mTESR-medium van Stem Cell Technologies [6], voor stamcellen [7].

Bovendien bevatten deze media bepaalde hoeveelheden gezuiverde groeifactoren, lipoproteïnen en andere eiwitten, die normaal gesproken door het serum worden geleverd [8]. Deze media worden vaak "gedefinieerde cultuurmedia" genoemd omdat de componenten waaruit deze media bestaan goed bekend zijn.

Chemisch gedefinieerde media

Deze media bevatten ultrazuivere anorganische en organische componenten die niet zijn verontreinigd door enige vorm van besmetting. Ze kunnen ook zuivere eiwittoevoegingen bevatten, zoals groeifactoren.

de genetische modificatie van bacteriën of gist, samen met de toevoeging van bepaalde vetzuren, vitaminen, cholesterol en aminozuren, resulteert in de productie van hun componenten [9].

Eiwitvrije media

Eiwitvrije media zijn media die helemaal geen eiwitten bevatten en in plaats daarvan alleen niet-eiwitelementen. In vergelijking met media met toegevoegd serum, bevordert het gebruik van media zonder toegevoegd eiwit de celproliferatie en eiwitexpressie en maakt het gemakkelijker om producten te zuiveren die worden gegenereerd in een downstreamproces [10-12]. Eiwit is niet opgenomen in formuleringen zoals MEM en RPMI-1640. Indien nodig kan echter een eiwitsupplement worden toegediend.

Kweekmedium en de basiscomponenten

Commerciële kweekmedia kunnen worden gekocht als poeder of vloeistof en bevatten vaak een verscheidenheid aan voedingsstoffen zoals aminozuren, glucose, zouten, vitaminen en andere voedingssupplementen.

De behoeften aan deze componenten zijn verschillend voor elke cellijn en deze variaties zijn verantwoordelijk voor het grote aantal verschillende formuleringen van media. Elk component is verantwoordelijk voor een bepaalde functie, die in de volgende paragrafen wordt beschreven:

Buffersystemen

Om optimale groeicondities te handhaven, moet de pH worden geregeld, wat vaak wordt gedaan door een van de twee buffersystemen:

Natuurlijk buffersysteem

De CO2/H2CO3-verhouding in de atmosfeer is gelijk aan die van het medium, waardoor een natuurlijk buffermechanisme ontstaat. Om hun natuurlijke buffermechanisme te behouden, moeten culturen in een luchtomgeving met 5-10% CO2 worden gehouden, wat vaak wordt bereikt door een CO2-incubator te gebruiken. Een van de beste dingen aan het gebruik van een natuurlijke buffer is hoe goedkoop en veilig het is.

HEPES

Chemisch bufferen met het zwitterion HEPES heeft een groter buffervermogen in het pH-bereik van 7,2-7,4 en heeft geen gereguleerde gasvormige omgeving nodig. Voor bepaalde celtypen kan een grotere dosis HEPES schadelijk zijn. Media die HEPES bevatten zijn ook veel gevoeliger voor de fototoxische effecten van fluorescerend licht [13].

Fenolrood

De pH-indicator fenolrood wordt vaak opgenomen in commercieel verkrijgbaar kweekmedium, waardoor de pH continu kan worden gecontroleerd. Door het uitzetten van de cellen veroorzaken de metabolieten die door deze cellen worden geproduceerd een verschuiving in de pH en dus een kleurverandering van het medium. Fenolrood heeft een dubbel effect op de kleur van een medium: het wordt geel bij een zure pH en paars bij een alkalische pH. pH 7,4, de optimale waarde voor celkweek, zorgt ervoor dat het medium fluorescerend rood wordt.

Maar fenolrood heeft een paar nadelen: Ten eerste is fenolrood in staat om de werking van een aantal steroïdhormonen te simuleren, voornamelijk oestrogeen [14]. Daarom wordt bij het bestuderen van oestrogeengevoelige cellen, zoals borstweefsel, een medium zonder fenolrood aanbevolen. De natrium-kaliumbalans wordt verstoord door de aanwezigheid van fenolrood in verschillende serumvrije formuleringen. Het toevoegen van serum of boviene hypofyse hormoon aan de media kan dit effect tegengaan [15]. Ten derde wordt detectie in flowcytometrische experimenten gehinderd door de aanwezigheid van fenolrood.

Anorganische zouten

Media die anorganische zouten bevatten, zoals natrium-, kalium- en calciumionen, helpen het osmotisch evenwicht in stand te houden en het membraanpotentiaal te reguleren.

Aminozuren

Aangezien aminozuren de fundamentele bestanddelen zijn van eiwitten, zijn ze een essentieel bestanddeel van elk celgroeimedium dat ooit is bedacht. Omdat cellen bepaalde aminozuren niet zelf kunnen produceren, is het belangrijk dat het kweekmedium essentiële aminozuren bevat. Ze zijn nodig voor de celdeling en de concentratie waarin ze aanwezig zijn bepaalt de maximale celdichtheid die bereikt kan worden. Met name L-glutamine, een essentieel aminozuur, is van cruciaal belang.

L-glutamine functioneert als een secundaire energiebron voor het metabolisme en draagt stikstof bij aan de productie van NAD, NADPH en nucleotiden. Omdat L-glutamine een instabiel aminozuur is dat na verloop van tijd verandert in een vorm die cellen niet kunnen gebruiken, moet het aan het medium worden toegediend.

Daarnaast kunnen niet-essentiële aminozuren aan het medium worden toegevoegd om de aminozuren bij te vullen die tijdens het groeiproces zijn verbruikt. De groei van de cellen wordt gestimuleerd en hun levensvatbaarheid verhoogd als het groeimedium wordt aangevuld met niet-essentiële aminozuren.

Koolhydraten

Koolhydraten in de vorm van suikers zijn de belangrijkste energiebron. Veel media bevatten ook maltose en fructose naast de meer gebruikelijke suikers glucose en galactose.

Eiwitten en peptiden

Albumine, transferrine en fibronectine zijn de meest gebruikte eiwitten en peptiden. Ze zijn vooral belangrijk in media die geen serum bevatten. Albumine, transferrine, aprotinine, fetuin en fibronectine zijn enkele van de eiwitten die gevonden kunnen worden in serum, dat een rijke voorraad eiwitten is.

Albumine is het belangrijkste eiwit in bloed en heeft als functie het binden en transporteren van verschillende stoffen, waaronder water, zouten, vrije vetzuren, hormonen en vitaminen, tussen verschillende organen en cellen. Het vermogen van albumine om zich te hechten aan chemische stoffen maakt het een effectieve kandidaat voor het verwijderen van schadelijke stoffen uit het medium waarin cellen worden gekweekt.

Aprotinine is een beschermende stof in celkweeksystemen, omdat het stabiel is bij neutrale en zure pH-waarden en bestand is tegen hoge temperaturen en de vernietiging door proteolytische enzymen. Het kan een aantal serineproteasen remmen, waaronder trypsine.

Fetuin is een glycoproteïne dat in hogere hoeveelheden kan worden gedetecteerd in het serum van foetale en pasgeboren dieren in vergelijking met volwassen serum. Daarnaast werkt het als een serineproteaseremmer. Het eiwit fibronectine is een essentieel onderdeel in het proces van celadhesie. Transferrine is een eiwit dat ijzer transporteert en verantwoordelijk is voor het leveren van ijzer aan de celmembranen.

Vetzuren en lipiden

Ze spelen een cruciale rol in serumvrij medium wanneer serum afwezig is.

Vitaminen

Talrijke vitaminen zijn noodzakelijk voor de ontwikkeling en de proliferatie van cellen. Vitaminen kunnen niet in voldoende hoeveelheden door cellen worden geproduceerd en zijn dus essentieel in weefselkweek als voedingssupplementen.

In de celkweek is het serum de primaire bron van vitamines; media worden echter ook behandeld met verschillende vitamines om ze geschikt te maken voor een specifiek celtype. Meestal worden de vitamines uit de B-groep gebruikt om de groei te stimuleren.

Sporenelementen

Chemische elementen zoals koper, zink, selenium en tricarbonzuur-tussenproducten staan bekend als sporenelementen. Sporenelementen worden vaak toegevoegd aan media die geen serum bevatten om de elementen te vervangen die gewoonlijk in serum aanwezig zijn. Deze elementen zijn belangrijke chemische componenten die nodig zijn voor een gezonde celontwikkeling. Veel biochemische reacties zijn afhankelijk van bepaalde micronutriënten, zoals enzymactiviteit.

Mediumsupplementen

Het volledige groeimedium dat wordt voorgesteld voor bepaalde cellijnen heeft extra componenten nodig die ontbreken in de basismedia en het serum. Deze voedingssupplementen ondersteunen de celgroei en de juiste metabolische functie.

Hoewel hormonen, groeifactoren en signaalmoleculen essentieel zijn voor de juiste proliferatie van bepaalde cellijnen, moeten de volgende voorzorgsmaatregelen altijd worden genomen: Aangezien de toevoeging van supplementen de osmolaliteit van het volledige groeimedium kan veranderen, wat de celontwikkeling kan remmen, is het altijd raadzaam om de osmolaliteit te controleren na het toevoegen van supplementen. Voor de meeste cellijnen ligt de optimale osmolaliteit tussen 260 en 320 mOSM/kg.

Antibiotica

Antibiotica worden vaak gebruikt om de ontwikkeling van bacteriële en schimmelverontreinigingen te remmen [16], hoewel ze niet essentieel zijn voor celgroei. Omdat antibiotica besmetting door mycoplasma en resistente bacteriën kunnen verbergen, wordt het routinematig gebruik ervan niet aanbevolen voor celkweek [17, 18].

Bovendien kunnen antibiotica het metabolisme van overgevoelige cellen verstoren. De penicilline-streptomycinecombinaties van Millipore-Sigma en Life Technologies worden vaak gebruikt. Plasmocine is gebruikt in de kweek van de glioomcellijnen TS603, TS516 en BT260 [19], en het is effectief gebleken in het verwijderen van mycoplasmabesmetting (20).

Serum

Albumines, groeifactoren en groeiremmers zijn allemaal aanwezig in serum. Serum is een van de belangrijkste bestanddelen van het celkweekmedium omdat het aminozuren, eiwitten, vitamines (vooral vetoplosbare vitamines zoals A, D, E en K), koolhydraten, lipiden, hormonen, groeifactoren, mineralen en sporenelementen bevat.

Serum van foetaal en kalfsrunderen wordt vaak gebruikt om de ontwikkeling van gekweekte cellen te bevorderen. Foetaal serum is een overvloedige bron van groeifactoren en is geschikt voor het klonen van cellen en de ontwikkeling van gevoelige cellen. Vanwege de verminderde groeibevorderende capaciteiten wordt kalfsserum gebruikt in contactinhibitie-experimenten. Normale groeimediums bevatten vaak 2% tot 10% serum. De toevoeging van serum aan een kweekmedium dient de volgende doelen [21]:

  • Het serum levert de essentiële voedingsstoffen voor cellen (zowel in oplossing als gebonden aan eiwitten).

  • Het serum bevat verschillende groeifactoren en hormonen die betrokken zijn bij groeibevordering en gespecialiseerde celactiviteit.

  • Het biedt veel bindende eiwitten, zoals albumine en transferrine, die andere chemische stoffen naar de cel transporteren. Zo brengt albumine bijvoorbeeld vetten, vitaminen, hormonen, enz. in de cellen.

  • Het levert ook eiwitten, zoals fibronectine, die de hechting van cellen aan het substraat vergroten. Daarnaast produceert het spreidende elementen die helpen bij celexpansie vóór deling.

  • Het levert proteaseremmers die proteolyse in cellen voorkomen.

  • Het bevat ook mineralen zoals Na+, K+, Zn2+ en Fe2+.

  • Het verhoogt de viscositeit van de media en beschermt zo de cellen tegen mechanische schade tijdens het schudden van de suspensiekweek.

  • Het is ook een buffer.

Referenties

[1] Morgan J, Morton H, Parker R. Voeding van dierlijke cellen in weefselkweek; eerste studies over een synthetisch medium. Proc Soc Exp Biol Med. 1950;73:1-8

[2] Kerbel R, Blakeslee D. Snelle adsorptie van een foetaal kalfsserum component door zoogdiercellen in cultuur. A potential source of artefacts in studies of antisera to cell-specific antigens. Immunology. 1976;31:881-91

[3] Sula K, Draber P, Nouza K. Addition of serum to the medium used for preparation of cell suspensions as a possible source of artefacts in cell-mediated reactions studied by means of the popliteal lymph node test. J Immunogenet. 1980;7:483-9

[4] Mariani E, Mariani A, Monaco M, Lalli E, Vitale M, Facchini A. Commercial serum-free media: hybridoma growth and monoclonal antibody production. J Immunol Methods. 1991;145:175-83

[5] Barnes D, Sato G. Methods for growth of cultured cells in serum-free medium. 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-syndroom-geïnduceerde senescentie verstoort de nucleaire architectuur van neurale progenitors. Cell Stem Cell. 2022;29:116-130.e7

[8] Iscove N, Melchers F. Complete replacement of serum by albumin, transferrin, and soybean lipid in cultures of lipopolysaccharide-reactive B lymphocytes. 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 the growth of hybridomas and other cells of the immune system. In Vitro Cell Dev Biol. 1990;26:769-78

[11] Barnes D, Sato G. Serumvrije celkweek: een verenigende benadering. 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. Ontwikkeling van serumvrije media. In: Master JRW, editor. Animal Cell culture, 3rd ed. Oxford:Oxford University Press; 2000.

[16] Perlman D. Use of antibiotics in cell culture media. Methods Enzymol. 1979;58:110-6

[17] McGarrity G. Spread and control of mycoplasmal infection of cell cultures. In Vitro. 1976;12:643-8

[18] Masters J, Stacey G. Changing medium and passaging cell lines. Nat Protoc. 2007;2:2276-84

[19] Chakraborty A, Laukka T, Myllykoski M, Ringel A, Booker M, Tolstorukov M,et al. Histone demethylase KDM6A senses oxygen directly to control chromatin and cell fate. 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. Cytotechnology. 2011;63:609-20

[21] Kragh Hansen U. Molecular aspects of ligand binding to serum albumin. Pharmacol Rev. 1981;33:17-53

We hebben vastgesteld dat u zich in een ander land bevindt of een andere browsertaal gebruikt dan momenteel is geselecteerd. Wilt u de voorgestelde instellingen accepteren?

Sluit