Przejdź do strony głównej

Pożywki do hodowli komórkowej: przegląd

W dziedzinie nauk przyrodniczych jedną z najważniejszych metod jest hodowla komórkowa. Termin „hodowla komórkowa” oznacza pobranie komórek, tkanek lub narządów od zwierzęcia lub rośliny, a następnie umieszczenie ich w sztucznym środowisku sprzyjającym ich przeżyciu i/lub wzrostowi. Podstawowe wymagania środowiskowe niezbędne do optymalnego rozwoju komórek to kontrolowana temperatura, podłoże umożliwiające przyleganie komórek, odpowiednia pożywka oraz inkubator utrzymujący optymalne pH i osmolalność. Komórki muszą mieć zapewnione te warunki, aby mogły w pełni rozwinąć swój potencjał.

Wybór odpowiedniej pożywki wzrostowej do hodowli in vitro jest etapem hodowli komórkowej, który jest zarówno najbardziej krytyczny, jak i najważniejszy. Pożywka wzrostowa, znana również jako pożywka hodowlana, to płyn lub żel opracowany w celu stymulowania rozwoju organizmów w skali mikroskopowej, komórkowej lub roślinnej. Pożywka stosowana do hodowli komórek często zawiera odpowiednią ilość energii oraz substancji regulujących cykl komórkowy. Głównymi składnikami pożywki hodowlanej są aminokwasy, witaminy, sole nieorganiczne, glukoza i surowica. Surowica jest dodawana do pożywki, ponieważ stanowi źródło czynników wzrostu, hormonów i czynników adhezyjnych. Oprócz dostarczania składników odżywczych pożywka przyczynia się również do utrzymania odpowiedniego poziomu pH i osmolalności.

Rodzaje pożywek stosowanych w hodowli komórkowej

Zarówno komórki ludzkie, jak i zwierzęce można hodować zarówno w pożywkach sztucznych lub syntetycznych, jak i w całkowicie naturalnych pożywkach, uzupełnionych o naturalne składniki. Poniżej przedstawiamy przegląd różnych rodzajów pożywek dostępnych obecnie na rynku.

Pożywki naturalne

W pożywkach naturalnych występują wyłącznie płyny biologiczne występujące w stanie naturalnym. Pożywki naturalne są bardzo pomocne i łatwe w stosowaniu do hodowli szerokiej gamy typów komórek zwierzęcych. Brak dokładnej wiedzy na temat składników tworzących pożywki naturalne jest głównym czynnikiem wpływającym na niską powtarzalność wyników uzyskanych przy ich użyciu.

Pożywki sztuczne

Przygotowanie pożywek sztucznych lub syntetycznych polega na dodaniu składników odżywczych (zarówno organicznych, jak i nieorganicznych), białek surowicy, węglowodanów, kofaktorów, witamin i soli, a także faz gazowych O₂ i CO₂ [1].

Opracowano różne rodzaje pożywek sztucznych w celu spełnienia jednej lub kilku z następujących funkcji: 1) Natychmiastowe utrzymanie przy życiu (zrównoważony roztwór soli o precyzyjnym pH i ciśnieniu osmotycznym). 2) Przedłużone utrzymanie przy życiu (zrównoważony roztwór soli uzupełniony różnymi preparatami związków organicznych i/lub surowicy). 3) Nieograniczony rozwój. 4) Funkcje specjalistyczne.

Istnieją cztery odrębne klasyfikacje pożywek sztucznych:

Pożywki zawierające surowicę

Najczęściej spotykanym dodatkiem w pożywkach stosowanych do hodowli komórek zwierzęcych jest surowica płodowa bydlęca. Dodaje się ją do pożywki hodowlanej jako niedrogi dodatek w celu uzyskania jak najlepszych warunków wzrostu. Oprócz pełnienia roli nośnika lub chelatora dla niestabilnych lub nierozpuszczalnych w wodzie składników odżywczych, hormonów i czynników wzrostu, inhibitorów proteaz oraz innych substancji, surowica wiąże również i neutralizuje szkodliwe cząsteczki.

Pożywki bezsurowicowe

Obecność surowicy w pożywkach ma szereg wad i może powodować poważne błędy w interpretacji wyników badań immunologicznych [2, 3]. Opracowano wiele różnych pożywek bezsurowicowych [4, 5]. Pożywki te są zazwyczaj specjalnie opracowane w celu wspierania hodowli jednego typu komórek, takich jak Knockout Serum Replacement i Knockout DMEM firmy Thermo Fisher Scientific oraz pożywka mTESR firmy Stem Cell Technologies [6], przeznaczona dla komórek macierzystych [7].

Ponadto pożywki te zawierają określone ilości oczyszczonych czynników wzrostu, lipoprotein i innych białek, które w innym przypadku są zazwyczaj dostarczane przez surowicę [8]. Pożywki te są często określane jako „określone pożywki hodowlane”, ponieważ składniki wchodzące w ich skład są dobrze poznane.

Pożywki zdefiniowane chemicznie

Pożywki te zawierają ultraczyste składniki nieorganiczne i organiczne, które nie zostały zanieczyszczone żadnymi substancjami. Mogą one również zawierać dodatki czystych białek, takich jak czynniki wzrostu.

 Modyfikacja genetyczna bakterii lub drożdży, w połączeniu z dodatkiem określonych kwasów tłuszczowych, witamin, cholesterolu i aminokwasów, prowadzi do wytworzenia ich składników [9].

Pożywki bezbiałkowe

Pożywki bezbiałkowe to takie, które nie zawierają w ogóle białka, a zamiast tego zawierają wyłącznie składniki niebiałkowe. W porównaniu z pożywkami z dodatkiem surowicy stosowanie pożywek bez dodatku białka sprzyja większej proliferacji komórek i ekspresji białek oraz ułatwia oczyszczanie wszelkich produktów wytworzonych w procesie dalszej obróbki [10–12]. Białko nie jest zawarte w preparatach takich jak MEM i RPMI-1640. Jednak w razie potrzeby można podać suplement białkowy.

Pożywki hodowlane i ich podstawowe składniki

Dostępne w handlu pożywki hodowlane można nabyć w postaci proszku lub płynu i często zawierają one różnorodne składniki odżywcze, takie jak aminokwasy, glukoza, sole, witaminy i inne suplementy diety. 

Zapotrzebowanie na te składniki jest różne dla każdej linii komórkowej, a różnice te odpowiadają za dużą liczbę różnych receptur pożywek. Każdy składnik pełni określoną funkcję, która zostanie omówiona w poniższych akapitach:

Systemy buforujące

Aby utrzymać optymalne warunki wzrostu, należy kontrolować pH, co często odbywa się za pomocą jednego z dwóch systemów buforujących:

Naturalny system buforujący

Stosunek CO₂/H₂CO₃ w atmosferze jest taki sam jak w pożywce, co tworzy naturalny mechanizm buforujący. Aby zachować ten naturalny mechanizm buforujący, hodowle muszą być utrzymywane w środowisku powietrznym zawierającym 5–10% CO₂, co często osiąga się za pomocą inkubatora z CO₂. Jedną z największych zalet stosowania naturalnego bufora jest jego niski koszt i bezpieczeństwo.

HEPES

Buforowanie chemiczne z wykorzystaniem jonu obojniakowego HEPES charakteryzuje się większą zdolnością buforującą w zakresie pH 7,2–7,4 i nie wymaga regulowanego środowiska gazowego. W przypadku niektórych typów komórek większa dawka HEPES może być szkodliwa. Pożywki zawierające HEPES są również znacznie bardziej podatne na fototoksyczne działanie światła fluorescencyjnego [13].

Czerwień fenolowa

Wskaźnik pH – czerwony fenol – jest często dodawany do dostępnych w handlu pożywek hodowlanych, co pozwala na ciągłe monitorowanie pH. W miarę namnażania się komórek wytwarzane przez nie metabolity powodują zmianę pH, a co za tym idzie – zmianę koloru pożywki. Czerwień fenolowa wywiera podwójny wpływ na barwę pożywki, zabarwiając ją na żółto przy kwaśnym pH i na fioletowo przy pH zasadowym. pH 7,4, czyli optymalna wartość dla hodowli komórkowej, powoduje, że pożywka przybiera fluorescencyjny czerwony kolor.

Czerwony fenol ma jednak kilka wad: po pierwsze, jest w stanie naśladować działanie wielu hormonów steroidowych, przede wszystkim estrogenu [14]. Dlatego podczas badań nad komórkami wrażliwymi na estrogen, takimi jak tkanka piersi, zaleca się stosowanie pożywki wolnej od czerwonego fenolu. Obecność czerwieni fenolowej w kilku preparatach bezsurowicowych zaburza równowagę sodowo-potasową. Dodanie surowicy lub bydlęcego hormonu przysadkowego do pożywki może przeciwdziałać temu efektowi [15]. Po trzecie, obecność czerwieni fenolowej utrudnia wykrywanie w eksperymentach z wykorzystaniem cytometrii przepływowej.

Sole nieorganiczne

Pożywki zawierające sole nieorganiczne, takie jak jony sodu, potasu i wapnia, pomagają utrzymać równowagę osmotyczną i regulują potencjał błonowy.

Aminokwasy

Ponieważ aminokwasy są podstawowymi składnikami białek, stanowią one niezbędny składnik każdej pożywki do hodowli komórek, jaką kiedykolwiek opracowano. Ponieważ komórki nie są w stanie samodzielnie wytworzyć niektórych aminokwasów, ważne jest, aby pożywka hodowlana zawierała aminokwasy egzogenne. Są one niezbędne do proliferacji komórek, a stężenie, w jakim występują, determinuje maksymalną gęstość komórek, jaką można osiągnąć. Szczególnie istotna jest L-glutamina, która jest aminokwasem egzogennym.

L-glutamina pełni funkcję dodatkowego źródła energii dla metabolizmu i dostarcza azotu do produkcji NAD, NADPH oraz nukleotydów. Ponieważ L-glutamina jest niestabilnym aminokwasem, który z upływem czasu przekształca się w postać, której komórki nie są w stanie wykorzystać, należy ją dodawać do pożywki.

Ponadto do pożywki można dodawać aminokwasy nieesencjalne w celu uzupełnienia tych, które zostały zużyte w trakcie procesu wzrostu. Wzbogacenie pożywki wzrostowej o aminokwasy nieesencjalne przyspiesza wzrost komórek i zwiększa ich żywotność.

Węglowodany

Węglowodany w postaci cukrów stanowią główne źródło energii. Wiele pożywek zawiera również maltozę i fruktozę, oprócz bardziej powszechnych cukrów, takich jak glukoza i galaktoza.

Białka i peptydy

Albumina, transferyna i fibronektyna to najczęściej stosowane białka i peptydy. Mają one szczególne znaczenie w pożywkach, które nie zawierają surowicy. Albumina, transferyna, aprotynina, fetuina i fibronektyna to niektóre z białek, które można znaleźć w surowicy, będącej bogatym źródłem białka.

Albumina jest głównym białkiem występującym we krwi, a jej funkcją jest wiązanie i transport różnych substancji, w tym wody, soli, wolnych kwasów tłuszczowych, hormonów i witamin, między różnymi narządami i komórkami. Zdolność albuminy do wiązania się z substancjami chemicznymi sprawia, że jest ona skutecznym środkiem do usuwania szkodliwych związków z pożywki, w której hodowane są komórki.

Aprotynina jest środkiem ochronnym w systemach hodowli komórkowej, ponieważ jest stabilna w środowisku o pH obojętnym i kwaśnym, a także odporna na wysokie temperatury i zniszczenie, jakie mogą powodować enzymy proteolityczne. Jest w stanie hamować działanie wielu proteaz serynowych, w tym między innymi trypsyny.

Fetuina jest glikoproteiną, której stężenie w surowicy płodów i noworodków zwierząt może być wyższe niż w surowicy dorosłych osobników. Ponadto pełni ona rolę inhibitora proteaz serynowych. Białko fibronektyna jest niezbędnym składnikiem procesu adhezji komórkowej. Transferyna to białko transportujące żelazo, odpowiedzialne za dostarczanie żelaza do błon komórkowych.

Kwasy tłuszczowe i lipidy

Odgrywają kluczową rolę w pożywkach bezsurowicowych, gdy nie ma surowicy.

Witaminy

Liczne witaminy są niezbędne do rozwoju i proliferacji komórek. Komórki nie są w stanie wytworzyć witamin w wystarczających ilościach, dlatego w hodowli tkankowej są one niezbędne jako suplementy diety.

W hodowli komórkowej surowica jest głównym źródłem witamin; jednak pożywki są również wzbogacane różnymi witaminami, aby dostosować je do konkretnego typu komórek. Najczęściej do stymulacji wzrostu stosuje się witaminy z grupy B.

Pierwiastki śladowe

Pierwiastki chemiczne, takie jak miedź, cynk, selen oraz półprodukty kwasu trikarboksylowego, są znane jako pierwiastki śladowe. Pierwiastki śladowe są często dodawane do pożywek niezawierających surowicy w celu zastąpienia tych, które zazwyczaj występują w surowicy. Pierwiastki te są ważnymi składnikami chemicznymi niezbędnymi do zdrowego rozwoju komórek. Wiele reakcji biochemicznych, takich jak aktywność enzymów, zależy od określonych mikroelementów.

Suplementy pożywki

Pełna pożywka wzrostowa zalecana dla niektórych linii komórkowych wymaga dodatkowych składników, których brakuje w pożywkach bazowych i surowicy. Te suplementy diety wspomagają wzrost komórek i prawidłowe funkcjonowanie metaboliczne.

Chociaż hormony, czynniki wzrostu i cząsteczki sygnałowe są niezbędne do prawidłowej proliferacji określonych linii komórkowych, należy zawsze stosować następujące środki ostrożności: Ponieważ dodanie suplementów może zmienić osmolalność kompletnej pożywki wzrostowej, co może hamować rozwój komórek, zawsze zaleca się sprawdzenie osmolalności po dodaniu suplementów. W przypadku większości linii komórkowych optymalna osmolalność wynosi od 260 do 320 mOSM/kg.

Antybiotyki

Antybiotyki są często stosowane w celu zahamowania rozwoju zanieczyszczeń bakteryjnych i grzybiczych [16], chociaż nie są one niezbędne do wzrostu komórek. Ponieważ antybiotyki mogą maskować zakażenie mykoplazmami i opornymi bakteriami, nie zaleca się ich rutynowego stosowania w hodowli komórkowej [17, 18].

Ponadto antybiotyki mogą zakłócać metabolizm komórek nadwrażliwych. Często stosuje się mieszanki penicyliny i streptomycyny produkowane przez firmy MilliporeSigma i Life Technologies. Plasmocin był stosowany w hodowli linii komórkowych glejaka TS603, TS516 i BT260 [19] i wykazał skuteczność w usuwaniu zanieczyszczenia mykoplazmami (20).

Surowica

W surowicy występują albuminy, czynniki wzrostu oraz inhibitory wzrostu. Surowica jest jednym z najważniejszych składników pożywki do hodowli komórkowej, ponieważ dostarcza aminokwasów, białek, witamin (zwłaszcza witamin rozpuszczalnych w tłuszczach, takich jak A, D, E i K), węglowodanów, lipidów, hormonów, czynników wzrostu, minerałów i pierwiastków śladowych.

W celu wspomagania rozwoju hodowanych komórek często wykorzystuje się surowicę pochodzącą od płodów i cieląt. Surowica płodowa stanowi bogate źródło czynników wzrostu i nadaje się do klonowania komórek oraz rozwoju komórek wrażliwych. Ze względu na zmniejszone właściwości stymulujące wzrost surowica cielęca jest stosowana w eksperymentach dotyczących hamowania kontaktu. Standardowe pożywki hodowlane często zawierają od 2% do 10% surowicy. Dodanie surowicy do pożywki hodowlanej służy następującym celom [21]:

  • Surowica dostarcza komórkom niezbędnych składników odżywczych (zarówno w roztworze, jak i związanych z białkami).

  • W surowicy zawarte jest kilka czynników wzrostu i hormonów biorących udział w stymulacji wzrostu oraz wyspecjalizowanej aktywności komórek.

  • Zawiera wiele białek wiążących, takich jak albumina i transferyna, które transportują inne substancje chemiczne do komórek. Na przykład albumina dostarcza do komórek tłuszcze, witaminy, hormony itp.

  • Dostarcza również białka, takie jak fibronektyna, które zwiększają przyczepność komórek do podłoża. Ponadto wytwarza czynniki rozprzestrzeniające, które wspomagają ekspansję komórek przed podziałem.

  • Dostarcza ono inhibitory proteaz, które zapobiegają proteolizie w komórkach.

  • Zawiera również minerały, takie jak Na+, K+, Zn2+ i Fe2+.

  • Zwiększa lepkość pożywki, chroniąc w ten sposób komórki przed uszkodzeniami mechanicznymi podczas mieszania hodowli w zawiesinie.

  • Pełni również funkcję bufora.

Bibliografia

[1] Morgan J, Morton H, Parker R. Odżywianie komórek zwierzęcych w hodowli tkankowej; wstępne badania nad pożywką syntetyczną. Proc Soc Exp Biol Med. 1950;73:1-8

[2] Kerbel R, Blakeslee D. Szybka adsorpcja składnika surowicy płodowej cielęcej przez komórki ssaków w hodowli. Potencjalne źródło artefaktów w badaniach surowic przeciwko antygenom specyficznym dla komórek. Immunology. 1976;31:881-91

[3] Sula K, Draber P, Nouza K. Dodanie surowicy do pożywki stosowanej do przygotowania zawiesin komórkowych jako potencjalne źródło artefaktów w reakcjach komórkowych badanych za pomocą testu węzła chłonnego podkolanowego. J Immunogenet. 1980;7:483-9

[4] Mariani E, Mariani A, Monaco M, Lalli E, Vitale M, Facchini A. Komercyjne pożywki bezsurowicowe: wzrost hybrydomów i produkcja przeciwciał monoklonalnych. J Immunol Methods. 1991;145:175-83

[5] Barnes D, Sato G. Metody hodowli komórek w pożywkach bezsurowicowych. Anal Biochem. 1980;102:255-70

[6] Yu H, Lu S, Gasior K, Singh D, Vazquez Sanchez S, Tapia O i in. Białka opiekuńcze HSP70 transportują białko TDP-43 pozbawione RNA do anizotropowych, płynnych, sferycznych powłok wewnątrzjądrowych. Science. 2021;371:

[7] Meharena H, Marco A, Dileep V, Lockshin E, Akatsu G, Mullahoo J i in. Starzenie się komórek wywołane zespołem Downa zaburza architekturę jądra komórkowego progenitorów neuronowych. Cell Stem Cell. 2022;29:116-130.e7

[8] Iscove N, Melchers F. Całkowite zastąpienie surowicy albuminą, transferyną i lipidami sojowymi w hodowlach limfocytów B reagujących na lipopolisacharydy. J Exp Med. 1978;147:923-33

[9] Stoll T, Muhlethaler K, von Stockar U, Marison I. Systematyczne udoskonalanie chemicznie zdefiniowanej, bezbiałkowej pożywki do hodowli hybrydomów i produkcji przeciwciał monoklonalnych. J Biotechnol. 1996;45:111-23

[10] Darfler F. Pożywka bezbiałkowa do hodowli hybrydomów i innych komórek układu odpornościowego. In Vitro Cell Dev Biol. 1990;26:769-78

[11] Barnes D, Sato G. Hodowla komórkowa bez surowicy: podejście ujednolicające. Cell. 1980;22:649-55

[12] Hamilton W, Ham R. Wzrost klonalny linii komórkowych chińskiego chomika w pożywkach bezbiałkowych. In Vitro. 1977;13:537-47

[13] Zigler J, Lepe Zuniga J, Vistica B, Gery I. Analiza cytotoksycznego działania poddanego działaniu światła pożywki hodowlanej zawierającej HEPES. In Vitro Cell Dev Biol. 1985;21:282-7

[14] Berthois Y, Katzenellenbogen J, Katzenellenbogen B. Czerwień fenolowa w pożywkach do hodowli tkankowej jest słabym estrogenem: implikacje dla badań nad komórkami reagującymi na estrogen w hodowli. Proc Natl Acad Sci U S A. 1986;83:2496-500

[15] Karmiol S. Opracowanie pożywek bezsurowicowych. W: Master JRW, red. Animal Cell culture, wyd. 3. Oxford: Oxford University Press; 2000.

[16] Perlman D. Stosowanie antybiotyków w pożywkach do hodowli komórkowej. Methods Enzymol. 1979;58:110-6

[17] McGarrity G. Rozprzestrzenianie się i zwalczanie zakażeń mykoplazmowych w hodowlach komórkowych. In Vitro. 1976;12:643-8

[18] Masters J, Stacey G. Wymiana pożywki i pasażowanie linii komórkowych. Nat Protoc. 2007;2:2276–84

[19] Chakraborty A, Laukka T, Myllykoski M, Ringel A, Booker M, Tolstorukov M i in. Demetylaza histonowa KDM6A bezpośrednio wykrywa tlen, regulując chromatynę i los komórki. Science. 2019;363:1217-1222

[20] Molla Kazemiha V, Azari S, Amanzadeh A, Bonakdar S, Shojaei Moghadam M, Habibi Anbouhi M i in. Skuteczność preparatu Plasmocin™ w różnych liniach komórkowych ssaków zakażonych mollicutes w porównaniu z powszechnie stosowanymi antybiotykami w hodowli komórkowej: lokalne doświadczenia. Cytotechnology. 2011;63:609-20

[21] Kragh Hansen U. Molekularne aspekty wiązania ligandów z albuminą surowicy. Pharmacol Rev. 1981;33:17-53

Wykryliśmy, że znajdujesz się w innym kraju lub używasz innego języka przeglądarki niż aktualnie wybrany. Czy chcesz zaakceptować sugerowane ustawienia?

Zamknij