Podłoża do hodowli komórkowych: Przegląd
W dziedzinie nauk przyrodniczych jedną z najważniejszych metod jest hodowla komórkowa. Usunięcie komórek, tkanek lub narządów ze zwierzęcia lub rośliny, a następnie wszczepienie tych komórek, tkanek lub narządów w sztucznym środowisku, które sprzyja ich przetrwaniu i/lub wzrostowi, jest tym, co rozumie się przez wyrażenie "hodowla komórkowa" Podstawowe potrzeby środowiskowe dla optymalnego rozwoju komórek to kontrolowana temperatura, podłoże do mocowania komórek, odpowiednia pożywka wzrostowa i inkubator, który utrzymuje 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 podłoże hodowlane, to płyn lub żel opracowany w celu stymulowania rozwoju organizmów w skali mikroskopowej, komórkowej lub roślinnej. Podłoże stosowane do hodowli komórek często zawiera odpowiednią ilość energii i substancji kontrolujących cykl komórkowy. Głównymi składnikami pożywki są aminokwasy, witaminy, sole nieorganiczne, glukoza i surowica. Surowica jest dodawana do pożywki, ponieważ działa jako źródło czynników wzrostu, hormonów i czynników przywiązania. Oprócz dostarczania składników odżywczych, pożywka przyczynia się również do utrzymania poziomów pH i osmolalności.
Rodzaje pożywek stosowanych w hodowli komórkowej
Zarówno komórki ludzkie, jak i zwierzęce mogą być hodowane w sztucznej lub syntetycznej pożywce lub w całkowicie naturalnej pożywce uzupełnionej naturalnymi pierwiastkami. Poniżej przedstawiamy przegląd różnych obecnie dostępnych rodzajów pożywek.
Pożywki naturalne
W pożywkach naturalnych mogą znajdować się wyłącznie płyny biologiczne występujące w stanie naturalnym. Naturalne pożywki są bardzo pomocne i łatwe w hodowli szerokiej gamy typów komórek zwierzęcych. Brak zrozumienia dokładnych składników, które składają się na pożywki naturalne, jest głównym czynnikiem przyczyniającym się do niskiej powtarzalności wyników uzyskanych przy użyciu pożywek naturalnych.
Pożywki sztuczne
Przygotowanie sztucznych lub syntetycznych pożywek obejmuje dodanie składników odżywczych (zarówno organicznych, jak i nieorganicznych), białek surowicy, węglowodanów, kofaktorów, witamin i soli, a także faz gazowych O2 i CO2 [1].
Różne rodzaje sztucznych pożywek zostały opracowane w celu spełnienia jednej lub więcej z poniższych funkcji: 1) Natychmiastowe przeżycie (zrównoważony roztwór soli o precyzyjnym pH i ciśnieniu osmotycznym). 2) Długotrwałe przeżycie (zrównoważony roztwór soli uzupełniony różnymi formułami organicznych substancji chemicznych i/lub surowicy). 3) Nieokreślony rozwój. 4) Specjalistyczne funkcje.
Istnieją cztery różne klasyfikacje sztucznych pożywek:
Pożywki zawierające surowicę
Najczęstszym rodzajem suplementu znajdującym się w pożywce stosowanej do hodowli komórek zwierzęcych jest płodowa surowica bydlęca. Jest ona dodawana do pożywki hodowlanej jako niedrogi suplement w celu osiągnięcia najlepszych możliwych warunków wzrostu. Oprócz działania jako transporter lub chelator dla składników odżywczych, które są niestabilne lub nierozpuszczalne w wodzie, hormonów i czynników wzrostu, inhibitorów proteaz i innych substancji, surowica wiąże i neutralizuje szkodliwe cząsteczki.
Pożywki bez surowicy
Obecność surowicy w pożywce ma wiele wad i może powodować poważne błędy w interpretacji w badaniach immunologicznych [2, 3]. Stworzono wiele różnych pożywek bez surowicy [4, 5]. Pożywki te są zazwyczaj specjalnie opracowane w celu wspierania hodowli pojedynczego typu komórek, takich jak Knockout Serum Replacement i Knockout DMEM firmy Thermo Fisher Scientific oraz pożywka mTESR firmy Stem Cell Technologies [6] dla komórek macierzystych [7].
Dodatkowo, pożywki te zawierają określone ilości oczyszczonych czynników wzrostu, lipoprotein i innych białek, które są zwykle dostarczane przez surowicę [8]. Pożywki te są często określane jako "zdefiniowane pożywki kulturowe", ponieważ ich składniki są dobrze znane.
Pożywki zdefiniowane chemicznie
Pożywki te zawierają ultraczyste składniki nieorganiczne i organiczne, które nie zostały skażone żadnymi zanieczyszczeniami. Mogą one również zawierać czyste dodatki białkowe, takie jak czynniki wzrostu.
modyfikacja genetyczna bakterii lub drożdży, wraz z dodatkiem określonych kwasów tłuszczowych, witamin, cholesterolu i aminokwasów, skutkuje produkcją ich części składowych [9].
Pożywki bezbiałkowe
Pożywki bezbiałkowe to takie, które w ogóle nie zawierają białka, a zamiast tego zawierają jedynie elementy niebiałkowe. W porównaniu do pożywek z dodatkiem surowicy, stosowanie pożywek bez dodatku białka sprzyja większej proliferacji komórek i ekspresji białek oraz ułatwia oczyszczanie wszelkich produktów wytworzonych w dalszym procesie [10-12]. Białko nie jest zawarte w preparatach takich jak MEM i RPMI-1640. Jednakże, suplement białkowy może być podawany, jeśli jest to konieczne.
Podłoże hodowlane i jego podstawowe składniki
Komercyjne pożywki hodowlane mogą być kupowane w postaci proszku lub płynu i często zawierają różne składniki odżywcze, takie jak aminokwasy, glukoza, sole, witaminy i inne suplementy diety.
Zapotrzebowanie na te składniki jest różne dla każdej linii komórkowej, a te różnice są odpowiedzialne za dużą liczbę różnych formuł pożywek. Każdy składnik jest odpowiedzialny za określoną funkcję, która zostanie opisana w kolejnych akapitach:
Systemy buforujące
Aby utrzymać optymalne warunki wzrostu, należy kontrolować pH, co często odbywa się za pomocą jednego z dwóch systemów buforujących:
Naturalny system buforowania
Stosunek CO2/H2CO3 w atmosferze jest równy stosunkowi w podłożu, tworząc naturalny mechanizm buforujący. Aby zachować naturalny mechanizm buforujący, kultury muszą być przechowywane w środowisku powietrza z 5-10% CO2, co często osiąga się za pomocą inkubatora CO2. Jedną z największych zalet stosowania naturalnych buforów jest ich taniość i bezpieczeństwo.
HEPES
Buforowanie chemiczne przy użyciu zwitterionu HEPES ma większą zdolność buforowania w zakresie pH 7,2-7,4 i nie wymaga regulowanego środowiska gazowego. W przypadku określonych 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 w postaci czerwieni fenolowej jest często zawarty w dostępnych na rynku pożywkach hodowlanych, umożliwiając ciągłe monitorowanie pH. Poprzez ekspansję komórek, metabolity wytwarzane przez te komórki powodują zmianę pH, a tym samym zmianę koloru pożywki. Czerwień fenolowa ma podwójny wpływ na kolor pożywki, zmieniając ją na żółtą przy kwaśnym pH i fioletową przy zasadowym pH. pH 7,4, optymalna wartość dla hodowli komórkowej, powoduje, że pożywka wydaje się fluorescencyjna na czerwono.
Czerwień fenolowa ma jednak kilka wad: Po pierwsze, czerwień fenolowa jest w stanie symulować działanie wielu hormonów steroidowych, głównie estrogenu [14]. Dlatego podczas badania komórek wrażliwych na estrogeny, takich jak tkanka piersi, zaleca się stosowanie pożywki wolnej od czerwieni fenolowej. Równowaga sodowo-potasowa jest zakłócana przez obecność czerwieni fenolowej w kilku preparatach bez surowicy. Dodanie surowicy lub hormonu przysadki bydlęcej do pożywki może przeciwdziałać temu efektowi [15]. Po trzecie, wykrywanie w eksperymentach cytometrii przepływowej jest utrudnione przez obecność czerwieni fenolowej.
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, są one niezbędnym składnikiem każdego pojedynczego podłoża do wzrostu komórek, jakie kiedykolwiek wymyślono. Ponieważ komórki nie są w stanie samodzielnie wytwarzać niektórych aminokwasów, ważne jest, aby podłoże hodowlane zawierało niezbędne aminokwasy. Są one niezbędne do proliferacji komórek, a ich stężenie określa maksymalną gęstość komórek, jaką można osiągnąć. Szczególnie istotna jest L-glutamina, niezbędny aminokwas.
L-glutamina funkcjonuje jako wtórne źródło energii dla metabolizmu i przyczynia się do produkcji azotu NAD, NADPH i nukleotydów. Ze względu na fakt, że L-glutamina jest niestabilnym aminokwasem, który z czasem zmienia się w formę, której komórki nie są w stanie wykorzystać, musi być podawana do pożywki.
Ponadto, nieistotne aminokwasy mogą być dostarczane do pożywki w celu uzupełnienia tych, które zostały zużyte podczas procesu wzrostu. Wzrost komórek jest przyspieszony, a ich żywotność zwiększona, gdy pożywka wzrostowa jest uzupełniona o aminokwasy nieistotne.
Węglowodany
Węglowodany w postaci cukrów są głównym źródłem energii. Wiele pożywek zawiera również maltozę i fruktozę oprócz bardziej powszechnych cukrów glukozy i galaktozy.
Białka i peptydy
Albumina, transferyna i fibronektyna są najczęściej stosowanymi białkami i peptydami. Są one szczególnie istotne w pożywkach, które nie zawierają surowicy. Albumina, transferyna, aprotynina, fetuina i fibronektyna to niektóre z białek, które można znaleźć w surowicy, która jest bogatym źródłem białka.
Albumina jest podstawowym białkiem występującym we krwi, a jej funkcją jest wiązanie i transportowanie różnych substancji, w tym wody, soli, wolnych kwasów tłuszczowych, hormonów i witamin, między różnymi narządami i komórkami. Zdolność albuminy do przyłączania się do substancji chemicznych sprawia, że jest ona skutecznym kandydatem do usuwania szkodliwych związków z pożywki, w której hodowane są komórki.
Aprotynina jest środkiem ochronnym w systemach hodowli komórkowych, ponieważ jest stabilna w neutralnym i kwaśnym pH, a także odporna na wysokie temperatury i zniszczenia, które mogą być spowodowane przez enzymy proteolityczne. Jest zdolna do hamowania wielu proteaz serynowych, w tym między innymi trypsyny.
Fetuina jest glikoproteiną, którą można wykryć w większych ilościach w surowicy płodów i noworodków w porównaniu z surowicą dorosłych. Ponadto działa ona jako inhibitor proteazy serynowej. Białko fibronektyna jest niezbędnym składnikiem w procesie adhezji komórek. Transferyna to białko, które transportuje żelazo i jest odpowiedzialne za dostarczanie żelaza do błon komórkowych.
Kwasy tłuszczowe i lipidy
Odgrywają kluczową rolę w pożywce bez surowicy, gdy surowica jest nieobecna.
Witaminy
Liczne witaminy są niezbędne do rozwoju i proliferacji komórek. Witaminy nie mogą być wytwarzane w odpowiednich ilościach przez komórki i dlatego są niezbędne w hodowli tkankowej jako suplementy diety.
W hodowli komórkowej podstawowym źródłem witamin jest surowica, jednak pożywki są również poddawane działaniu różnych witamin w celu dostosowania ich do określonego typu komórek. Najczęściej witaminy z grupy B są wykorzystywane do stymulacji wzrostu.
Pierwiastki śladowe
Pierwiastki chemiczne, takie jak miedź, cynk, selen i półprodukty kwasów trikarboksylowych, są znane jako pierwiastki śladowe. Pierwiastki śladowe są często dodawane do pożywek, które nie zawierają surowicy, w celu zastąpienia tych, które są zwykle obecne w surowicy. Pierwiastki te są ważnymi składnikami chemicznymi, które są wymagane do zdrowego rozwoju komórek. Wiele reakcji biochemicznych zależy od pewnych mikroelementów, takich jak aktywność enzymów.
Suplementy pożywki
Pełna pożywka wzrostowa sugerowana dla niektórych linii komórkowych wymaga dodatkowych składników, które są nieobecne w pożywce podstawowej i surowicy. Te suplementy diety wspierają wzrost komórek i odpowiednie funkcje metaboliczne.
Chociaż hormony, czynniki wzrostu i cząsteczki sygnalizacyjne są niezbędne do odpowiedniej proliferacji poszczególnych linii komórkowych, zawsze należy podjąć następujące środki ostrożności: Ponieważ dodanie suplementów może zmienić osmolalność całej pożywki wzrostowej, co może hamować rozwój komórek, zawsze zaleca się sprawdzenie osmolalności po dodaniu suplementów. Dla 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 ukrywać zanieczyszczenie mykoplazmą i opornymi bakteriami, nie zaleca się ich rutynowego stosowania w hodowli komórkowej [17, 18].
Ponadto antybiotyki mogą zaburzać metabolizm komórek nadwrażliwych. Często stosowane są kombinacje penicyliny i streptomycyny produkowane przez MilliporeSigma i Life Technologies. Plazmocyna została wykorzystana w hodowli linii komórkowych glejaka TS603, TS516 i BT260 [19] i wykazano, że jest skuteczna w usuwaniu skażenia mykoplazmą (20).
Surowica
Albuminy, czynniki wzrostu i inhibitory wzrostu są obecne w surowicy. Surowica jest jednym z najważniejszych składników pożywki do hodowli komórkowych, 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.
Surowica płodowa i cielęca jest często wykorzystywana do promowania rozwoju hodowanych komórek. Surowica płodowa jest bogatym źródłem czynników wzrostu i jest odpowiednia do klonowania komórek i rozwoju wrażliwych komórek. Ze względu na zmniejszone możliwości stymulowania wzrostu, surowica cielęca jest stosowana w eksperymentach z inhibicją kontaktową. Normalne pożywki wzrostowe często zawierają od 2% do 10% surowicy. Dodanie surowicy do podłoża hodowlanego służy następującym celom [21]:
-
Surowica dostarcza niezbędnych składników odżywczych dla komórek (zarówno w roztworze, jak i przyłączonych do białek).
-
Kilka czynników wzrostu i hormonów zaangażowanych w promocję wzrostu i wyspecjalizowaną aktywność komórek jest zawartych w surowicy.
-
Zawiera wiele białek wiążących, takich jak albumina i transferyna, które transportują inne substancje chemiczne do komórki. Na przykład albumina dostarcza do komórek tłuszcze, witaminy, hormony itp.
-
Dostarcza również białek, takich jak fibronektyna, które zwiększają przyczepność komórek do podłoża. Dodatkowo wytwarza elementy rozprzestrzeniające, które pomagają w ekspansji komórek przed podziałem.
-
Dostarcza inhibitorów proteazy, które zapobiegają proteolizie w komórkach.
-
Zawiera również minerały, takie jak Na+, K+, Zn2+ i Fe2+.
-
Zwiększa lepkość pożywki, chroniąc komórki przed urazami mechanicznymi podczas mieszania hodowli zawiesinowej.
-
Jest również buforem.
Odniesienia
[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 płodowej surowicy cielęcej przez komórki ssaków w hodowli. Potencjalne źródło artefaktów w badaniach surowic odpornościowych na antygeny specyficzne dla komórek. Immunology. 1976;31:881-91
[3] Sula K, Draber P, Nouza K. Dodanie surowicy do pożywki stosowanej do przygotowania zawiesin komórkowych jako możliwe źródło artefaktów w reakcjach komórkowych badanych za pomocą testu podkolanowego węzła chłonnego. J Immunogenet. 1980;7:483-9
[4] Mariani E, Mariani A, Monaco M, Lalli E, Vitale M, Facchini A. Komercyjne pożywki bez surowicy: wzrost hybrydomy i produkcja przeciwciał monoklonalnych. 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. Senescencja wywołana syndromem down-syndrome zaburza architekturę jądrową progenitorów neuronalnych. Cell Stem Cell. 2022;29:116-130.e7
[8] Iscove N, Melchers F. Całkowite zastąpienie surowicy albuminą, transferyną i lipidem sojowym w hodowlach limfocytów B reagujących na lipopolisacharyd. J Exp Med. 1978;147:923-33
[9] Stoll T, Muhlethaler K, von Stockar U, Marison I. Systematyczne ulepszanie chemicznie zdefiniowanej pożywki bezbiałkowej do wzrostu hybrydoma i produkcji przeciwciał monoklonalnych. J Biotechnol. 1996;45:111-23
[10] Darfler F. A protein-free medium for the growth of hybridoma and other cells of the immune system. In Vitro Cell Dev Biol. 1990;26:769-78
[11] Barnes D, Sato G. Serum-free cell culture: a unifying approach. 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. Czerwień fenolowa w pożywkach do hodowli tkankowych jest słabym estrogenem: implikacje dotyczące badania komórek reagujących na estrogeny w hodowli. Proc Natl Acad Sci U S A. 1986;83:2496-500
[15] Karmiol S. Rozwój pożywek bez surowicy. In: Master JRW, editor. Animal Cell Culture, 3rd ed. Oxford:Oxford University Press; 2000.
[16] Perlman D. Stosowanie antybiotyków w pożywkach do hodowli komórkowych. 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. Demetylaza histonowa KDM6A bezpośrednio wyczuwa tlen w celu kontrolowania chromatyny i losu komórek. 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
