Medier for cellekulturer: En oversikt

En av de viktigste metodene innen biovitenskap er cellekultur. Uttrykket "cellekultur" betyr at celler, vev eller organer fjernes fra et dyr eller en plante og deretter implanteres i et kunstig miljø som er gunstig for deres overlevelse og/eller vekst De grunnleggende miljøbehovene for optimal celleutvikling er kontrollert temperatur, et substrat for cellefeste, et tilstrekkelig vekstmedium og en inkubator som opprettholder optimal pH og osmolalitet. Cellene må ha disse forholdene for å kunne vokse til sitt fulle potensial.

Valget av et egnet vekstmedium for in vitro-dyrking er både det mest kritiske og det mest avgjørende stadiet i celledyrking. Et vekstmedium, også kjent som dyrkingsmedium, er en væske eller gel som er sammensatt for å fremme organismers utvikling i mikroskopisk, cellulær eller plantelignende skala. Mediet som brukes til dyrking av celler, inneholder ofte tilstrekkelig tilførsel av energi og stoffer som kontrollerer cellesyklusen. Hovedkomponentene i et dyrkingsmedium er aminosyrer, vitaminer, uorganiske salter, glukose og serum. Serum tilsettes mediet fordi det fungerer som en kilde til vekstfaktorer, hormoner og festefaktorer. I tillegg til å tilføre næringsstoffer bidrar mediet også til å opprettholde pH- og osmolalitetsnivået.

Typer medium som brukes i cellekultur

Både humane og animalske celler kan dyrkes i enten et kunstig eller syntetisk medium eller i et helt naturlig medium som er supplert med naturlige elementer. I det følgende vil vi gi deg en oversikt over de ulike medietypene som er tilgjengelige i dag.

Naturlige medier

Bare biologiske væsker som finnes i sin naturlige tilstand, kan finnes i naturlige medier. Naturlige medier er svært nyttige og enkle for dyrking av et bredt utvalg av dyrecelletyper. Mangelen på kunnskap om de nøyaktige komponentene som inngår i naturlige medier, er den viktigste faktoren som bidrar til den lave repeterbarheten av resultatene som oppnås ved bruk av naturlige medier.

Kunstige medier

Fremstilling av kunstige eller syntetiske medier innebærer tilsetning av næringsstoffer (både organiske og uorganiske), serumproteiner, karbohydrater, kofaktorer, vitaminer og salter, samt O2- og CO2-gassfaser [1].

Det er utviklet ulike typer kunstige medier for å oppfylle én eller flere av følgende funksjoner 1) Umiddelbar overlevelse (en balansert saltløsning med en presis pH-verdi og osmotisk trykk). 2) Langvarig overlevelse (en balansert saltløsning supplert med ulike formuleringer av organiske kjemikalier og/eller serum). 3) Ubegrenset utvikling. 4) Spesialiserte funksjoner.

Det finnes fire forskjellige klassifiseringer for kunstige medier:

Serumholdige medier

Den vanligste typen tilskudd som finnes i medier som brukes til dyrking av dyreceller, er føtalt bovint serum. Det tilsettes dyrkingsmediet som et billig supplement for å oppnå best mulige vekstbetingelser. I tillegg til å fungere som en transportør eller kelator for ustabile eller vannuløselige næringsstoffer, hormoner og vekstfaktorer, proteasehemmere og andre stoffer, binder og nøytraliserer serumet også skadelige molekyler.

Serumfritt medium

Tilstedeværelsen av serum i mediet har en rekke ulemper og kan potensielt føre til store tolkningsfeil i immunologisk forskning [2, 3]. Det har blitt utviklet en rekke forskjellige serumfrie medier [4, 5]. Disse mediene er vanligvis spesifikt formulert for å støtte dyrking av en enkelt celletype, for eksempel Knockout Serum Replacement og Knockout DMEM fra Thermo Fisher Scientific, og mTESR medium fra Stem Cell Technologies [6], for stamceller [7].

I tillegg inneholder disse mediene definerte mengder av rensede vekstfaktorer, lipoproteiner og andre proteiner, som ellers vanligvis tilføres fra serumet [8]. Disse mediene omtales ofte som "definerte kulturmedier", siden komponentene som inngår i disse mediene, er godt kjent.

Kjemisk definerte medier

Disse mediene inneholder ultrarene uorganiske og organiske komponenter som ikke har blitt forurenset av noen form for kontaminering. De kan også inneholde rene proteintilsetninger, for eksempel vekstfaktorer.

genetisk modifisering av bakterier eller gjær, sammen med tilsetning av bestemte fettsyrer, vitaminer, kolesterol og aminosyrer, resulterer i produksjon av deres bestanddeler [9].

Proteinfrie medier

Proteinfrie medier er medier som ikke inneholder noe protein i det hele tatt, men kun ikke-proteinholdige elementer. Sammenlignet med medier tilsatt serum fremmer bruken av medier uten tilsatt protein større celleproliferasjon og proteinuttrykk, og gjør det enklere å rense et eventuelt produkt som genereres i en nedstrømsprosess [10-12]. Protein er ikke inkludert i formuleringer som MEM og RPMI-1640. Et proteintilskudd kan imidlertid gis hvis det er nødvendig.

Kulturmedier og deres grunnleggende komponenter

Kommersielle dyrkingsmedier kan kjøpes som pulver eller væske og inneholder ofte en rekke næringsstoffer som aminosyrer, glukose, salter, vitaminer og andre kosttilskudd.

Behovene for disse komponentene er forskjellige for hver enkelt cellelinje, og disse variasjonene er årsaken til det store antallet ulike formuleringer av medier. Hver komponent er ansvarlig for en bestemt funksjon, som vil bli beskrevet i de følgende avsnittene:

Buffersystemer

For å opprettholde optimale vekstforhold må pH-verdien kontrolleres, noe som ofte gjøres ved hjelp av ett av to buffersystemer:

Naturlig buffersystem

CO2/H2CO3-forholdet i atmosfæren er det samme som i mediet, noe som skaper en naturlig buffermekanisme. For å bevare den naturlige buffermekanismen må kulturene holdes i et luftmiljø med 5-10 % CO2, noe som ofte oppnås ved å bruke en CO2-inkubator. Noe av det beste med å bruke en naturlig buffer er at den er billig og trygg.

HEPES

Kjemisk bufring ved hjelp av zwitterionet HEPES har en større bufferkapasitet i pH-området 7,2-7,4 og trenger ikke et regulert gassmiljø. For visse celletyper kan en større dose HEPES være skadelig. Medier som inneholder HEPES, er også mye mer utsatt for de fototoksiske effektene av fluorescerende lys [13].

Fenolrødt

PH-indikatoren fenolrødt er ofte inkludert i kommersielt tilgjengelige dyrkingsmedier, noe som muliggjør kontinuerlig overvåking av pH. Når cellene ekspanderer, vil metabolittene som produseres av disse cellene, føre til en endring i pH-verdien og dermed en fargeendring i mediet. Fenolrødt har en dobbel effekt på mediets farge, og gjør det gult ved sur pH og lilla ved basisk pH. pH 7,4, som er den optimale verdien for celledyrking, får mediet til å se fluorescerende rødt ut.

Men fenolrødt har noen ulemper: For det første kan fenolrødt simulere effekten av en rekke steroidhormoner, først og fremst østrogen [14]. Når man studerer østrogenfølsomme celler som brystvev, anbefales det derfor å bruke et medium uten fenolrødt. Natrium-kaliumbalansen forstyrres av tilstedeværelsen av fenolrødt i flere serumfrie formuleringer. Tilsetning av serum eller bovint hypofysehormon til mediet kan motvirke denne effekten [15]. For det tredje vanskeliggjøres deteksjon i flowcytometriske eksperimenter av tilstedeværelsen av fenolrødt.

Uorganiske salter

Medier som inneholder uorganiske salter, for eksempel natrium-, kalium- og kalsiumioner, bidrar til å opprettholde osmotisk likevekt og regulere membranpotensialet.

Aminosyrer

Siden aminosyrer er de grunnleggende bestanddelene i protein, er de en essensiell komponent i hvert eneste cellevekstmedium som noen gang har blitt utviklet. Fordi cellene ikke er i stand til å produsere visse aminosyrer på egen hånd, er det viktig at dyrkingsmediet inneholder essensielle aminosyrer. De er nødvendige for at cellene skal kunne formere seg, og konsentrasjonen av disse aminosyrene er avgjørende for den maksimale celletettheten som kan oppnås. Spesielt L-glutamin, en essensiell aminosyre, er spesielt viktig.

L-glutamin fungerer som en sekundær energikilde for stoffskiftet og bidrar med nitrogen til produksjonen av NAD, NADPH og nukleotider. På grunn av at L-glutamin er en ustabil aminosyre som med tiden går over i en form som cellene ikke kan nyttiggjøre seg, må den tilføres mediet.

I tillegg kan mediet tilføres ikke-essensielle aminosyrer for å fylle på med aminosyrer som har blitt brukt opp i løpet av vekstprosessen. Når vekstmediet tilføres ikke-essensielle aminosyrer, øker cellenes vekst og levedyktighet.

Karbohydrater

Karbohydrater i form av sukkerarter er den viktigste energikilden. Mange av vekstmediene inneholder også maltose og fruktose i tillegg til de mer vanlige sukkerartene glukose og galaktose.

Proteiner og peptider

Albumin, transferrin og fibronektin er de mest brukte proteinene og peptidene. De er spesielt viktige i medier som ikke inneholder serum. Albumin, transferrin, aprotinin, fetuin og fibronektin er noen av proteinene som finnes i serum, som er en rik kilde til protein.

Albumin er det viktigste proteinet i blodet, og dets funksjon er å binde og transportere ulike stoffer, blant annet vann, salter, frie fettsyrer, hormoner og vitaminer, mellom ulike organer og celler. Albuminets evne til å binde seg til kjemikalier gjør det til en effektiv kandidat for å fjerne skadelige forbindelser fra mediet som celler dyrkes i.

Aprotinin er et beskyttende middel i cellekultursystemer, siden det er stabilt ved nøytral og sur pH, samt motstandsdyktig mot høye temperaturer og ødeleggelser som kan forårsakes av proteolytiske enzymer. Det er i stand til å hemme en rekke serinproteaser, blant annet trypsin.

Fetuin er et glykoprotein som kan påvises i større mengder i serum fra fostre og nyfødte dyr sammenlignet med serum fra voksne. I tillegg fungerer det som en serinproteasehemmer. Proteinet fibronektin er en viktig komponent i prosessen med celleadhesjon. Transferrin er et protein som transporterer jern og er ansvarlig for å levere jern til cellemembranene.

Fettsyrer og lipider

De spiller en avgjørende rolle i serumfritt medium når serum er fraværende.

Vitaminer

En rekke vitaminer er nødvendige for cellenes utvikling og spredning. Vitaminer kan ikke produseres i tilstrekkelige mengder av cellene selv, og er derfor essensielle som kosttilskudd i vevskulturer.

I cellekulturer er serum den primære kilden til vitaminer, men medier behandles også med ulike vitaminer for å gjøre dem egnet for en bestemt celletype. Vanligvis brukes B-vitaminer for å stimulere vekst.

Sporelementer

Kjemiske elementer som kobber, sink, selen og trikarboksylsyreintermediater kalles sporstoffer. Sporstoffer tilsettes ofte til medier som ikke inneholder serum, for å erstatte de elementene som vanligvis finnes i serum. Disse grunnstoffene er viktige kjemiske komponenter som er nødvendige for en sunn celleutvikling. Mange biokjemiske reaksjoner er avhengige av visse mikronæringsstoffer, for eksempel enzymaktivitet.

Medietilskudd

Det fulle vekstmediet som er foreslått for visse cellelinjer, trenger ekstra komponenter som ikke finnes i basismediet og serumet. Disse kosttilskuddene støtter cellevekst og riktig metabolsk funksjon.

Selv om hormoner, vekstfaktorer og signalmolekyler er avgjørende for riktig proliferasjon av bestemte cellelinjer, bør følgende forholdsregler alltid tas: Siden tilsetning av kosttilskudd kan endre osmolaliteten i det komplette vekstmediet, noe som kan hemme celleutviklingen, anbefales det alltid å kontrollere osmolaliteten etter tilsetning av kosttilskudd. For de fleste cellelinjer ligger den optimale osmolaliteten mellom 260 og 320 mOSM/kg.

Antibiotika

Antibiotika brukes ofte for å hemme utviklingen av bakterie- og soppforurensninger [16], selv om de ikke er avgjørende for cellevekst. Siden antibiotika kan skjule kontaminering med mykoplasma og resistente bakterier, anbefales det ikke rutinemessig bruk av antibiotika i cellekulturer [17, 18].

I tillegg kan antibiotika forstyrre metabolismen i overfølsomme celler. Penicillin-streptomycin-kombinasjonene fra MilliporeSigma og Life Technologies brukes ofte. Plasmocin har blitt brukt i dyrking av gliomcellelinjene TS603, TS516 og BT260 (19), og det har vist seg å være effektivt for å fjerne mykoplasmaforurensning (20).

Serum

Albuminer, vekstfaktorer og veksthemmere er alle til stede i serum. Serum er en av de viktigste komponentene i cellekulturmediet fordi det inneholder aminosyrer, proteiner, vitaminer (spesielt fettløselige vitaminer som A, D, E og K), karbohydrater, lipider, hormoner, vekstfaktorer, mineraler og sporstoffer.

Serum fra foster og kalv fra storfe brukes ofte for å fremme utviklingen av dyrkede celler. Fosterserum inneholder rikelig med vekstfaktorer og egner seg godt til kloning av celler og utvikling av sensitive celler. På grunn av de reduserte vekstfremmende egenskapene brukes kalveserum i kontaktinhiberingseksperimenter. Normale vekstmedier inneholder ofte 2 % til 10 % serum. Tilsetning av serum til dyrkningsmedium tjener følgende formål [21]:

  • Serumet tilfører cellene viktige næringsstoffer (både i oppløsning og bundet til proteiner).

  • Serum inneholder flere vekstfaktorer og hormoner som er involvert i vekstfremmende og spesialisert celleaktivitet.

  • Det inneholder mange bindingsproteiner, som albumin og transferrin, som transporterer andre kjemikalier inn i cellen. Albumin transporterer for eksempel fett, vitaminer, hormoner osv. inn i cellene.

  • Det inneholder også proteiner, som fibronektin, som øker cellenes adhesjon til underlaget. I tillegg produserer det spredningselementer som bidrar til celleekspansjon før deling.

  • Det leverer proteasehemmere som forhindrer proteolyse i cellene.

  • Den inneholder også mineraler som Na+, K+, Zn2+ og Fe2+.

  • Det øker viskositeten i mediet, slik at cellene beskyttes mot mekanisk skade under omrøring av suspensjonskulturen.

  • Det er også en buffer.

Referanser

[1] Morgan J, Morton H, Parker R. Ernæring av dyreceller i vevskultur; innledende studier på et syntetisk medium. Proc Soc Exp Biol Med. 1950;73:1-8

[2] Kerbel R, Blakeslee D. Rask adsorpsjon av en føtal kalveserumkomponent av pattedyrceller i kultur. En potensiell kilde til artefakter i studier av antisera mot cellespesifikke antigener. Immunology. 1976;31:881-91

[3] Sula K, Draber P, Nouza K. Tilsetning av serum til mediet som brukes til fremstilling av cellesuspensjoner som en mulig kilde til artefakter i cellemedierte reaksjoner studert ved hjelp av popliteal lymfeknutetest. J Immunogenet. 1980;7:483-9

[4] Mariani E, Mariani A, Monaco M, Lalli E, Vitale M, Facchini A. Kommersielle serumfrie medier: hybridomvekst og monoklonal antistoffproduksjon. J Immunol Methods. 1991;145:175-83

[5] Barnes D, Sato G. Metoder for vekst av dyrkede celler i serumfritt medium. Anal Biochem. 1980;102:255-70

[6] Yu H, Lu S, Gasior K, Singh D, Vazquez Sanchez S, Tapia O,et al. HSP70 chaperoner RNA-fri TDP-43 inn i anisotropiske intranukleære flytende sfæriske skall. Science. 2021;371:

[7] Meharena H, Marco A, Dileep V, Lockshin E, Akatsu G, Mullahoo J,et al. Down-syndrom-indusert senescens forstyrrer den kjernefysiske arkitekturen til nevrale progenitorer. Cell Stem Cell. 2022;29:116-130.e7

[8] Iscove N, Melchers F. Fullstendig erstatning av serum med albumin, transferrin og soyabønnelipid i kulturer av lipopolysakkaridreaktive B-lymfocytter. J Exp Med. 1978;147:923-33

[9] Stoll T, Muhlethaler K, von Stockar U, Marison I. Systematisk forbedring av et kjemisk definert proteinfritt medium for hybridomvekst og produksjon av monoklonale antistoffer. J Biotechnol. 1996;45:111-23

[10] Darfler F. Et proteinfritt medium for vekst av hybridomer og andre celler i immunsystemet. In Vitro Cell Dev Biol. 1990;26:769-78

[11] Barnes D, Sato G. Serumfri cellekultur: en samlende tilnærming. Cell. 1980;22:649-55

[12] Hamilton W, Ham R. Klonal vekst av cellelinjer fra kinesisk hamster i proteinfrie medier. In Vitro. 1977;13:537-47

[13] Zigler J, Lepe Zuniga J, Vistica B, Gery I. Analyse av de cytotoksiske effektene av lyseksponert HEPES-holdig kulturmedium. In Vitro Cell Dev Biol. 1985;21:282-7

[14] Berthois Y, Katzenellenbogen J, Katzenellenbogen B. Fenolrødt i vevskulturmedier er et svakt østrogen: implikasjoner angående studiet av østrogenresponsive celler i kultur. Proc Natl Acad Sci U S A. 1986;83:2496-500

[15] Karmiol S. Utvikling av serumfrie medier. I: Master JRW, redaktør. Animal Cell culture, 3. utg. Oxford: Oxford University Press; 2000.

[16] Perlman D. Bruk av antibiotika i cellekulturmedier. Methods Enzymol. 1979;58:110-6

[17] McGarrity G. Spredning og kontroll av mykoplasmainfeksjon i cellekulturer. In Vitro. 1976;12:643-8

[18] Masters J, Stacey G. Bytte av medium og passering av cellelinjer. Nat Protoc. 2007;2:2276-84

[19] Chakraborty A, Laukka T, Myllykoski M, Ringel A, Booker M, Tolstorukov M,et al. Histondemetylase KDM6A registrerer oksygen direkte for å kontrollere kromatin og celleskjebne. 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. Molekylære aspekter ved ligandbinding til serumalbumin. Pharmacol Rev. 1981;33:17-53

Vi har oppdaget at du befinner deg i et annet land eller bruker et annet språk i nettleseren enn det som er valgt for øyeblikket. Vil du godta de foreslåtte innstillingene?

Lukk