Mediile de cultură celulară: o prezentare generală
În domeniul științelor vieții, una dintre cele mai importante metodologii este cultura celulară. Prin expresia „cultură celulară” se înțelege prelevarea de celule, țesuturi sau organe de la un animal sau o plantă și implantarea ulterioară a acestor celule, țesuturi sau organe într-un mediu artificial favorabil supraviețuirii și/sau creșterii lor. Cerințele fundamentale de mediu pentru dezvoltarea optimă a celulelor sunt temperatura controlată, un substrat pentru atașarea celulelor, un mediu de creștere adecvat și un incubator care menține pH-ul și osmolalitatea optime. Celulele trebuie să beneficieze de aceste condiții pentru a-și atinge potențialul maxim de creștere.
Alegerea unui mediu de creștere adecvat pentru cultivarea in vitro reprezintă etapa din cultura celulară care este atât cea mai critică, cât și cea mai vitală. Un mediu de creștere, cunoscut și sub denumirea de mediu de cultură, este un lichid sau un gel formulat pentru a stimula dezvoltarea organismelor la scară microscopică, celulară sau vegetală. Mediul utilizat pentru cultivarea celulelor conține adesea o cantitate adecvată de energie și substanțe care controlează ciclul celular. Principalele componente ale unui mediu de cultură includ aminoacizi, vitamine, săruri anorganice, glucoză și ser. Serul este adăugat în mediu deoarece acționează ca sursă de factori de creștere, hormoni și factori de atașare. Pe lângă furnizarea de nutrienți, mediul contribuie, de asemenea, la menținerea nivelurilor de pH și osmolalitate.
Tipuri de medii utilizate în cultura celulară
Atât celulele umane, cât și cele animale pot fi cultivate fie într-un mediu artificial sau sintetic, fie într-un mediu complet natural, suplimentat cu elemente naturale. În continuare, vă vom oferi o prezentare generală a diferitelor tipuri de medii disponibile în prezent.
Mediile naturale
În mediile naturale se găsesc numai fluide biologice care există în starea lor naturală. Mediile naturale sunt foarte utile și ușor de utilizat pentru cultivarea unei largi varietăți de tipuri de celule animale. Lipsa de înțelegere a componentelor precise care alcătuiesc mediile naturale este factorul principal care contribuie la repetabilitatea scăzută a rezultatelor obținute folosind medii naturale.
Mediile artificiale
Prepararea mediilor artificiale sau sintetice implică adăugarea de nutrienți (atât organici, cât și anorganici), proteine serice, carbohidrați, cofactori, vitamine și săruri, precum și fazele gazoase de O₂ și CO₂ [1].
Au fost dezvoltate diverse tipuri de medii artificiale pentru a îndeplini una sau mai multe dintre următoarele funcții: 1) Supraviețuire imediată (o soluție salină echilibrată cu un pH și o presiune osmotică precise). 2) Supraviețuire prelungită (o soluție salină echilibrată suplimentată cu diferite formulări de substanțe chimice organice și/sau ser). 3) Dezvoltare pe termen nedeterminat. 4) Funcții specializate.
Există patru clasificări distincte pentru mediile artificiale:
Mediile care conțin ser
Cel mai frecvent tip de supliment întâlnit în mediile utilizate pentru cultivarea celulelor animale este serul fetal bovin. Acesta este adăugat în mediul de cultură ca supliment cu cost redus, pentru a obține cele mai bune condiții posibile de creștere. Pe lângă rolul său de transportor sau chelator pentru nutrienții instabili sau insolubili în apă, hormoni și factori de creștere, inhibitori de protează și alte substanțe, serul leagă și neutralizează moleculele dăunătoare.
Mediu fără ser
Prezența serului în medii prezintă o serie de dezavantaje și poate cauza erori majore de interpretare în cercetarea imunologică [2, 3]. Au fost create diverse medii fără ser [4, 5]. Aceste medii sunt, în general, formulate special pentru a susține cultivarea unui singur tip de celule, cum ar fi Knockout Serum Replacement și Knockout DMEM de la Thermo Fisher Scientific, precum și mediul mTESR de la Stem Cell Technologies [6], destinat celulelor stem [7].
În plus, aceste medii conțin cantități definite de factori de creștere purificați, lipoproteine și alte proteine, care, în mod obișnuit, sunt furnizate de ser [8]. Aceste medii sunt adesea denumite „medii de cultură definite”, deoarece componentele care le alcătuiesc sunt bine cunoscute.
Mediile definite chimic
Aceste medii includ componente anorganice și organice ultrapure, care nu au fost afectate de niciun fel de contaminare. Ele pot include, de asemenea, adaosuri de proteine pure, cum ar fi factorii de creștere.
Modificarea genetică a bacteriilor sau a drojdiei, împreună cu adăugarea anumitor acizi grași, vitamine, colesterol și aminoacizi, duce la producerea componentelor lor [9].
Mediile fără proteine
Mediile fără proteine sunt cele care nu conțin deloc proteine, ci includ doar elemente neproteice. În comparație cu mediile cu ser adăugat, utilizarea mediilor fără proteine adăugate favorizează o proliferare celulară mai mare și o expresie proteică mai intensă și facilitează purificarea oricărui produs generat într-un proces ulterior [10-12]. Proteinele nu sunt incluse în formulări precum MEM și RPMI-1640. Cu toate acestea, se poate administra un supliment proteic dacă este necesar.
Mediile de cultură și componentele lor de bază
Mediile de cultură comerciale pot fi achiziționate sub formă de pulbere sau lichid și includ adesea o varietate de nutrienți, precum aminoacizi, glucoză, săruri, vitamine și alte suplimente alimentare.
Nevoile de astfel de componente diferă de la o linie celulară la alta, iar aceste variații sunt responsabile pentru numărul mare de formulări diferite ale mediilor. Fiecare componentă îndeplinește o anumită funcție, care va fi prezentată în paragrafele următoare:
Sisteme tampon
Pentru a menține condiții optime de creștere, pH-ul trebuie controlat, ceea ce se realizează adesea prin unul dintre cele două sisteme tampon:
Sistemul tampon natural
Raportul CO₂/H₂CO₃ din atmosferă este egal cu cel din mediu, creând un mecanism natural de tamponare. Pentru a-și păstra mecanismul natural de tamponare, culturile trebuie menținute într-un mediu cu 5-10% CO₂, ceea ce se realizează adesea prin utilizarea unui incubator cu CO₂. Unul dintre cele mai mari avantaje ale utilizării unui tampon natural este faptul că este ieftin și sigur.
HEPES
Tamponarea chimică cu ajutorul zwitterionului HEPES are o capacitate de tamponare mai mare în intervalul de pH 7,2-7,4 și nu necesită un mediu gazos reglat. Pentru anumite tipuri de celule, o doză mai mare de HEPES poate fi dăunătoare. Mediile care conțin HEPES sunt, de asemenea, mult mai sensibile la efectele fototoxice ale luminii fluorescente [13].
Roșu de fenol
Indicatorul de pH roșu de fenol este adesea inclus în mediile de cultură disponibile în comerț, permițând monitorizarea continuă a pH-ului. Pe măsură ce celulele se multiplică, metaboliții produși de acestea determină o modificare a pH-ului și, prin urmare, o schimbare de culoare a mediului. Roșul de fenol are un efect dublu asupra culorii mediului, acesta devenind galben la un pH acid și violet la un pH alcalin. La pH 7,4, valoarea optimă pentru cultura celulară, mediul capătă o nuanță roșie fluorescentă.
Roșul fenolic prezintă însă câteva dezavantaje: în primul rând, acesta este capabil să simuleze acțiunea mai multor hormoni steroizi, în special a estrogenului [14]. Prin urmare, atunci când se studiază celule sensibile la estrogen, cum ar fi țesutul mamar, se recomandă utilizarea unui mediu fără roșu fenolic. Echilibrul sodiu-potasiu este perturbat de prezența roșului de fenol în mai multe formulări fără ser. Adăugarea de ser sau de hormon hipofizar bovin în medii poate contracara acest efect [15]. În al treilea rând, detectarea în experimentele de citometrie în flux este îngreunată de prezența roșului de fenol.
Săruri anorganice
Mediile care conțin săruri anorganice, precum ionii de sodiu, potasiu și calciu, contribuie la menținerea echilibrului osmotic și la reglarea potențialului membranar.
Aminoacizi
Deoarece aminoacizii sunt componentele fundamentale ale proteinelor, aceștia reprezintă o componentă esențială a fiecărui mediu de creștere celulară conceput vreodată. Deoarece celulele nu sunt capabile să producă singure anumiți aminoacizi, este important ca mediul de cultură să includă aminoacizi esențiali. Aceștia sunt necesari pentru proliferarea celulelor, iar concentrația la care sunt prezenți determină densitatea celulară maximă care poate fi atinsă. În special, L-glutamina, un aminoacid esențial, este extrem de importantă.
L-glutamina funcționează ca sursă secundară de energie pentru metabolism și contribuie cu azot la producția de NAD, NADPH și nucleotide. Deoarece L-glutamina este un aminoacid instabil care, în timp, se transformă într-o formă pe care celulele nu o pot utiliza, aceasta trebuie adăugată în mediu.
În plus, aminoacizii neesențiali pot fi adăugați în mediu pentru a reface rezervele celor care au fost consumați pe parcursul procesului de creștere. Creșterea celulelor este stimulată, iar viabilitatea acestora este sporită atunci când mediul de creștere este suplimentat cu aminoacizi neesențiali.
Carbohidrați
Carbohidrații sub formă de zaharuri reprezintă principala sursă de energie. Multe dintre medii includ, pe lângă zaharurile mai comune, precum glucoza și galactoza, și maltoză și fructoză.
Proteine și peptide
Albumina, transferina și fibronectina sunt cele mai frecvent utilizate proteine și peptide. Acestea sunt deosebit de importante în mediile care nu conțin ser. Albumina, transferina, aprotinina, fetuina și fibronectina sunt câteva dintre proteinele care pot fi găsite în ser, acesta fiind o sursă bogată de proteine.
Albumina este principala proteină prezentă în sânge, iar funcția sa este de a lega și transporta diverse substanțe, inclusiv apă, săruri, acizi grași liberi, hormoni și vitamine, între diferite organe și celule. Capacitatea albuminei de a se lega de substanțe chimice o face un candidat eficient pentru eliminarea compușilor nocivi din mediul în care sunt cultivate celulele.
Aprotinina este un agent protector în sistemele de cultură celulară, deoarece este stabilă la pH neutru și acid, precum și rezistentă la temperaturi ridicate și la distrugerea care poate fi cauzată de enzimele proteolitice. Aceasta este capabilă să inhibe o serie de proteaze serinice, inclusiv tripsina, printre altele.
Fetuina este o glicoproteină care poate fi detectată în cantități mai mari în serul animalelor fetale și al nou-născuților, comparativ cu serul adulților. În plus, aceasta acționează ca un inhibitor al proteazelor serinice. Proteina fibronectină este o componentă esențială în procesul de adeziune celulară. Transferina este o proteină care transportă fierul și este responsabilă de livrarea acestuia către membranele celulare.
Acizi grași și lipide
Aceștia joacă un rol crucial în mediul fără ser atunci când serul este absent.
Vitaminele
Numeroase vitamine sunt necesare pentru dezvoltarea și proliferarea celulară. Vitaminele nu pot fi produse în cantități adecvate de către celule și sunt, prin urmare, esențiale în cultura de țesuturi ca suplimente alimentare.
În cultura celulară, serul este sursa principală de vitamine; cu toate acestea, mediile de cultură sunt, de asemenea, tratate cu diverse vitamine pentru a le face adecvate unui tip specific de celule. De obicei, vitaminele din grupa B sunt utilizate pentru stimularea creșterii.
Oligoelemente
Elementele chimice precum cuprul, zincul, seleniul și intermediarii acidului tricarboxilic sunt cunoscuți sub denumirea de oligoelemente. Oligoelementele sunt adesea adăugate în mediile care nu conțin ser, pentru a înlocui elementele care sunt de obicei prezente în ser. Aceste elemente sunt componente chimice importante, necesare pentru o dezvoltare sănătoasă a celulelor. Multe reacții biochimice depind de anumiți micronutrienți, cum ar fi activitatea enzimatică.
Suplimente pentru mediu
Mediul de creștere complet recomandat pentru anumite linii celulare necesită componente suplimentare care lipsesc din mediile de bază și din ser. Aceste suplimente nutriționale susțin creșterea celulară și funcționarea metabolică adecvată.
Deși hormonii, factorii de creștere și moleculele de semnalizare sunt esențiali pentru proliferarea adecvată a anumitor linii celulare, trebuie luate întotdeauna următoarele precauții: întrucât adăugarea de suplimente ar putea modifica osmolalitatea mediului complet de creștere, ceea ce poate inhiba dezvoltarea celulară, este întotdeauna recomandabil să se verifice osmolalitatea după adăugarea suplimentelor. Pentru majoritatea liniilor celulare, osmolalitatea optimă se situează între 260 și 320 mOSM/kg.
Antibiotice
Antibioticele sunt adesea utilizate pentru a inhiba dezvoltarea contaminanților bacterieni și fungici [16], deși nu sunt esențiale pentru creșterea celulară. Deoarece antibioticele pot masca contaminarea cu micoplasme și bacterii rezistente, utilizarea lor de rutină nu este recomandată în culturile celulare [17, 18].
În plus, antibioticele pot perturba metabolismul celulelor hipersensibile. Se utilizează adesea combinațiile de penicilină-streptomicină produse de MilliporeSigma și Life Technologies. Plasmocinul a fost utilizat în cultura liniilor celulare de gliom TS603, TS516 și BT260 [19] și s-a dovedit a fi eficient în eliminarea contaminării cu micoplasmă (20).
Serul
Albuminele, factorii de creștere și inhibitorii de creștere sunt toți prezenți în ser. Serul este una dintre cele mai importante componente ale mediului de cultură celulară, deoarece furnizează aminoacizi, proteine, vitamine (în special vitamine liposolubile precum A, D, E și K), carbohidrați, lipide, hormoni, factori de creștere, minerale și oligoelemente.
Serul provenit de la fetuși și viței este adesea utilizat pentru a favoriza dezvoltarea celulelor cultivate. Serul fetal reprezintă o sursă abundentă de factori de creștere și este adecvat pentru clonarea celulară și dezvoltarea celulelor sensibile. Datorită capacităților sale reduse de stimulare a creșterii, serul de vițel este utilizat în experimentele de inhibare prin contact. Mediile de creștere normale conțin adesea între 2% și 10% ser. Adăugarea de ser în mediul de cultură servește următoarelor scopuri [21]:
-
Serul furnizează nutrienții esențiali pentru celule (atât în soluție, cât și atașați de proteine).
-
Serul conține mai mulți factori de creștere și hormoni implicați în stimularea creșterii și în activitatea celulară specializată.
-
Acesta oferă numeroase proteine de legare, precum albumina și transferina, care transportă alte substanțe chimice în interiorul celulei. De exemplu, albumina transportă grăsimi, vitamine, hormoni etc. în celule.
-
De asemenea, furnizează proteine, precum fibronectina, care sporesc aderența celulară la substrat. În plus, produce elemente de răspândire care ajută la expansiunea celulară înainte de diviziune.
-
Acesta furnizează inhibitori de protează care împiedică proteoliza în celule.
-
De asemenea, conține minerale precum Na+, K+, Zn2+ și Fe2+.
-
Crește vâscozitatea mediului, protejând astfel celulele de leziuni mecanice în timpul agitării culturii în suspensie.
-
De asemenea, acționează ca tampon.
Referințe
[1] Morgan J, Morton H, Parker R. Nutriția celulelor animale în cultura de țesuturi; studii inițiale privind un mediu sintetic. Proc Soc Exp Biol Med. 1950;73:1-8
[2] Kerbel R, Blakeslee D. Adsorbția rapidă a unei componente a serului fetal de vițel de către celulele mamifere în cultură. O sursă potențială de artefacte în studiile privind antiserurile împotriva antigenilor specifici celulelor. Immunology. 1976;31:881-91
[3] Sula K, Draber P, Nouza K. Adăugarea de ser în mediul utilizat pentru prepararea suspensiilor celulare ca posibilă sursă de artefacte în reacțiile mediate celular studiate prin testul ganglionului limfatic popliteu. J Immunogenet. 1980;7:483-9
[4] Mariani E, Mariani A, Monaco M, Lalli E, Vitale M, Facchini A. Medii comerciale fără ser: creșterea hibridomelor și producția de anticorpi monoclonali. J Immunol Methods. 1991;145:175-83
[5] Barnes D, Sato G. Metode pentru creșterea celulelor cultivate în mediu fără ser. Anal Biochem. 1980;102:255-70
[6] Yu H, Lu S, Gasior K, Singh D, Vazquez Sanchez S, Tapia O, et al. Chaperonele HSP70 transportă TDP-43 fără ARN în învelișuri sferice lichide intranucleare anizotrope. Science. 2021;371:
[7] Meharena H, Marco A, Dileep V, Lockshin E, Akatsu G, Mullahoo J, et al. Senescența indusă de sindromul Down perturbă arhitectura nucleară a progenitorilor neuronali. Cell Stem Cell. 2022;29:116-130.e7
[8] Iscove N, Melchers F. Înlocuirea completă a serului cu albumină, transferină și lipide din soia în culturi de limfocite B reactive la lipopolizaharide. J Exp Med. 1978;147:923-33
[9] Stoll T, Muhlethaler K, von Stockar U, Marison I. Îmbunătățirea sistematică a unui mediu fără proteine, definit chimic, pentru creșterea hibridomelor și producția de anticorpi monoclonali. J Biotechnol. 1996;45:111-23
[10] Darfler F. Un mediu fără proteine pentru creșterea hibridomelor și a altor celule ale sistemului imunitar. In Vitro Cell Dev Biol. 1990;26:769-78
[11] Barnes D, Sato G. Cultura celulară fără ser: o abordare unificatoare. Cell. 1980;22:649-55
[12] Hamilton W, Ham R. Creșterea clonală a liniilor celulare de hamster chinezesc în medii fără proteine. In Vitro. 1977;13:537-47
[13] Zigler J, Lepe Zuniga J, Vistica B, Gery I. Analiza efectelor citotoxice ale mediului de cultură conținând HEPES expus la lumină. In Vitro Cell Dev Biol. 1985;21:282-7
[14] Berthois Y, Katzenellenbogen J, Katzenellenbogen B. Roșul fenolic din mediile de cultură tisulară este un estrogen slab: implicații privind studiul celulelor sensibile la estrogen în cultură. Proc Natl Acad Sci U S A. 1986;83:2496-500
[15] Karmiol S. Dezvoltarea mediilor fără ser. În: Master JRW, editor. Cultura celulelor animale, ediția a 3-a. Oxford: Oxford University Press; 2000.
[16] Perlman D. Utilizarea antibioticelor în mediile de cultură celulară. Methods Enzymol. 1979;58:110-6
[17] McGarrity G. Răspândirea și controlul infecției cu micoplasme în culturile celulare. In Vitro. 1976;12:643-8
[18] Masters J, Stacey G. Schimbarea mediului și pasarea liniilor celulare. Nat Protoc. 2007;2:2276-84
[19] Chakraborty A, Laukka T, Myllykoski M, Ringel A, Booker M, Tolstorukov M, et al. Demetilaza de histonă KDM6A detectează direct oxigenul pentru a controla cromatina și destinul celular. Science. 2019;363:1217-1222
[20] Molla Kazemiha V, Azari S, Amanzadeh A, Bonakdar S, Shojaei Moghadam M, Habibi Anbouhi M, și colab. Eficacitatea Plasmocin™ asupra diverselor linii celulare de mamifere infectate cu mollicute, în comparație cu antibioticele utilizate în mod obișnuit în culturile celulare: o experiență locală. Cytotechnology. 2011;63:609-20
[21] Kragh Hansen U. Aspecte moleculare ale legării ligandului de albumina serică. Pharmacol Rev. 1981;33:17-53
