Medier för cellodling: En översikt

Inom biovetenskaperna är cellodling en av de viktigaste metoderna. Uttrycket "cellodling" betyder att celler, vävnader eller organ tas ut från ett djur eller en växt och sedan implanteras i en artificiell miljö som är gynnsam för deras överlevnad och/eller tillväxt De grundläggande miljöbehoven för optimal cellutveckling är kontrollerad temperatur, ett substrat för cellfästning, ett adekvat tillväxtmedium och en inkubator som upprätthåller optimalt pH och osmolalitet. Cellerna måste ha dessa förutsättningar för att kunna växa till sin fulla potential.

Valet av ett lämpligt tillväxtmedium för in vitro-odling är det steg i cellodlingen som är både det mest kritiska och det mest avgörande. Ett tillväxtmedium, även kallat odlingsmedium, är en vätska eller gel som är formulerad för att uppmuntra organismers utveckling i mikroskopisk, cellulär eller växtliknande skala. Det medium som används för att odla celler innehåller ofta en tillräcklig mängd energi och ämnen som styr cellcykeln. De viktigaste komponenterna i ett odlingsmedium är aminosyror, vitaminer, oorganiska salter, glukos och serum. Serumet tillsätts till mediet eftersom det fungerar som en källa till tillväxtfaktorer, hormoner och bindningsfaktorer. Förutom att tillhandahålla näringsämnen bidrar mediet också till att upprätthålla pH- och osmolalitetsnivåerna.

Olika typer av medium som används vid cellodling

Både mänskliga och animaliska celler kan odlas i antingen ett artificiellt eller syntetiskt medium eller i ett helt naturligt medium som kompletteras med naturliga element. Nedan följer en översikt över de olika typer av medier som finns tillgängliga för närvarande.

Naturliga medier

Endast biologiska vätskor som existerar i sitt naturliga tillstånd kan hittas i naturliga medier. Naturliga medier är mycket användbara och enkla för odling av en mängd olika typer av djurceller. Bristen på förståelse för de exakta komponenter som ingår i naturliga medier är den främsta faktorn som bidrar till den låga repeterbarheten hos de resultat som erhålls med hjälp av naturliga medier.

Artificiella medier

Vid framställning av artificiella eller syntetiska medier tillsätts näringsämnen (både organiska och oorganiska), serumproteiner, kolhydrater, kofaktorer, vitaminer och salter samt gasfaserna O2 och CO2 [1].

Olika typer av artificiella medier har utvecklats för att uppfylla en eller flera av följande funktioner 1) Omedelbar överlevnad (en balanserad saltlösning med exakt pH-värde och osmotiskt tryck). 2) Förlängd överlevnad (en balanserad saltlösning kompletterad med olika formuleringar av organiska kemikalier och/eller serum). 3) Utveckling på obestämd tid. 4) Specialiserade funktioner.

Det finns fyra olika klassificeringar för artificiella medier:

Serumhaltiga medier

Den vanligaste typen av tillsats som finns i medium som används för odling av djurceller är fetalt bovint serum. Det tillsätts till odlingsmediet som ett billigt komplement för att uppnå bästa möjliga tillväxtförhållanden. Förutom att serumet fungerar som transportör eller kelator för näringsämnen som är instabila eller vattenolösliga, hormoner och tillväxtfaktorer, proteashämmare och andra ämnen, binder och neutraliserar det också skadliga molekyler.

Serumfritt medium

Förekomsten av serum i medierna har ett antal nackdelar och kan orsaka stora tolkningsfel inom immunologisk forskning [2, 3]. Det har skapats en mängd olika serumfria medier [4, 5]. Dessa medier är i allmänhet specifikt formulerade för att stödja odlingen av en enda celltyp, såsom Knockout Serum Replacement och Knockout DMEM från Thermo Fisher Scientific, och mTESR medium från Stem Cell Technologies [6], för stamceller [7].

Dessutom innehåller dessa medier definierade mängder av renade tillväxtfaktorer, lipoproteiner och andra proteiner, som annars vanligtvis tillförs via serum [8]. Dessa medier kallas ofta "definierade kulturella medier" eftersom de komponenter som ingår i dessa medier är väl kända.

Kemiskt definierade medier

Dessa medier innehåller ultrarena oorganiska och organiska komponenter som inte har förorenats av någon form av kontaminering. De kan också innehålla rena proteintillsatser, t.ex. tillväxtfaktorer.

den genetiska modifieringen av bakterier eller jäst, tillsammans med tillsats av särskilda fettsyror, vitaminer, kolesterol och aminosyror, resulterar i produktion av deras beståndsdelar [9].

Proteinfria medier

Proteinfria medier är sådana som inte innehåller något protein alls utan endast icke-proteinbaserade element. Jämfört med medier med tillsatt serum främjar användningen av medier utan tillsatt protein större cellproliferation och proteinuttryck och gör det lättare att rena eventuella produkter som genereras i en nedströmsprocess [10-12]. Protein ingår inte i formuleringar som MEM och RPMI-1640. Ett proteintillskott kan dock administreras om det är nödvändigt.

Odlingsmedium och dess grundläggande komponenter

Kommersiella odlingsmedier kan köpas som pulver eller vätska och innehåller ofta en mängd olika näringsämnen som aminosyror, glukos, salter, vitaminer och andra kosttillskott.

Behoven av dessa komponenter är olika för varje cellinje, och dessa variationer är orsaken till det stora antalet olika formuleringar av medier. Varje komponent ansvarar för en viss funktion, som kommer att beskrivas i följande stycken:

System för buffring

För att upprätthålla optimala odlingsförhållanden måste pH-värdet kontrolleras, vilket ofta görs med hjälp av ett av två buffringssystem:

Naturligt buffringssystem

CO2/H2CO3-förhållandet i atmosfären är lika stort som i mediet, vilket skapar en naturlig buffertmekanism. För att bevara den naturliga buffertmekanismen måste kulturer förvaras i en luftmiljö med 5-10% CO2, vilket ofta uppnås genom att använda en CO2-inkubator. En av de bästa sakerna med att använda en naturlig buffert är hur billig och säker den är.

HEPES

Kemisk buffring med hjälp av zwitterjonen HEPES har en större buffringsförmåga i pH-området 7,2-7,4 och behöver inte en reglerad gasformig miljö. För vissa celltyper kan en större dos av HEPES vara skadlig. Medier som innehåller HEPES är också mycket mer känsliga för de fototoxiska effekterna av fluorescerande ljus [13].

Fenolrött

PH-indikatorn fenolrött ingår ofta i kommersiellt tillgängliga odlingsmedier, vilket möjliggör kontinuerlig övervakning av pH. Genom att cellerna expanderar orsakar de metaboliter som produceras av dessa celler en förändring av pH-värdet och därmed en färgförändring i mediet. Fenolrött har en dubbel effekt på ett mediums färg, det blir gult vid surt pH och lila vid alkaliskt pH. pH 7,4, det optimala värdet för cellodling, gör att mediet blir fluorescerande rött.

Men fenolrött har några nackdelar: För det första kan fenolrött simulera effekten av ett antal steroidhormoner, främst östrogen [14]. Vid studier av östrogenkänsliga celler, t.ex. bröstvävnad, rekommenderas därför ett medium fritt från fenolrött. Natrium-kaliumbalansen störs av förekomsten av fenolrött i flera serumfria formuleringar. Tillsats av serum eller bovint hypofyshormon till mediet kan motverka denna effekt [15]. För det tredje försvåras detektion i flödescytometriska experiment av förekomsten av fenolrött.

Oorganiska salter

Medier som innehåller oorganiska salter, t.ex. natrium-, kalium- och kalciumjoner, bidrar till att upprätthålla osmotisk jämvikt och reglera membranpotentialen.

Aminosyror

Eftersom aminosyror är de grundläggande komponenterna i protein är de en viktig komponent i varje cellodlingsmedium som någonsin har skapats. Eftersom cellerna inte kan producera vissa aminosyror på egen hand är det viktigt att odlingsmediet innehåller essentiella aminosyror. De är nödvändiga för cellernas spridning och koncentrationen av dem avgör vilken maximal celldensitet som kan uppnås. I synnerhet är L-glutamin, en essentiell aminosyra, särskilt viktig.

L-glutamin fungerar som en sekundär energikälla för ämnesomsättningen och bidrar med kväve till produktionen av NAD, NADPH och nukleotider. Eftersom L-glutamin är en instabil aminosyra som med tiden övergår i en form som cellerna inte kan tillgodogöra sig, måste den tillföras mediet.

Dessutom kan icke-essentiella aminosyror tillföras mediet för att fylla på de aminosyror som har förbrukats under tillväxtprocessen. Tillväxten av cellerna stimuleras och deras livskraft ökar när tillväxtmediet kompletteras med icke-essentiella aminosyror.

Kolhydrater

Kolhydrater i form av sockerarter är den viktigaste energikällan. Många av medierna innehåller också maltos och fruktos utöver de vanligare sockerarterna glukos och galaktos.

Proteiner och peptider

Albumin, transferrin och fibronektin är de vanligaste proteinerna och peptiderna. De är särskilt viktiga i medier som inte innehåller serum. Albumin, transferrin, aprotinin, fetuin och fibronektin är några av de proteiner som kan finnas i serum, som är en rik källa till protein.

Albumin är det primära proteinet i blodet och dess funktion är att binda och transportera olika ämnen, bland annat vatten, salter, fria fettsyror, hormoner och vitaminer, mellan olika organ och celler. Albuminets förmåga att binda till sig kemikalier gör det till en effektiv kandidat för att avlägsna skadliga föreningar från det medium som celler odlas i.

Aprotinin är ett skyddande medel i cellodlingssystem, eftersom det är stabilt vid neutralt och surt pH samt motståndskraftigt mot höga temperaturer och den förstörelse som kan orsakas av proteolytiska enzymer. Det kan hämma ett antal serinproteaser, bland annat trypsin.

Fetuin är ett glykoprotein som kan påvisas i större mängder i serum från foster och nyfödda djur jämfört med serum från vuxna. Dessutom fungerar det som en serinproteashämmare. Proteinet fibronektin är en viktig komponent i processen för celladhesion. Transferrin är ett protein som transporterar järn och ansvarar för att leverera järn till cellernas membran.

Fettsyror och lipider

De spelar en avgörande roll i serumfritt medium när serum saknas.

Vitaminer

Många vitaminer är nödvändiga för cellutveckling och cellproliferation. Vitaminer kan inte produceras i tillräcklig mängd av cellerna och är därför nödvändiga som kosttillskott i vävnadskulturer.

I cellkultur är serum den primära källan till vitaminer, men medier behandlas också med olika vitaminer för att göra dem lämpliga för en viss celltyp. Vanligtvis används B-vitaminer för att stimulera tillväxt.

Spårämnen

Kemiska grundämnen som koppar, zink, selen och tricarboxylsyraintermediärer kallas spårämnen. Spårämnen tillsätts ofta i medier som inte innehåller serum för att ersätta de ämnen som normalt finns i serum. Dessa element är viktiga kemiska komponenter som krävs för en sund cellutveckling. Många biokemiska reaktioner är beroende av vissa mikronäringsämnen, t.ex. enzymaktivitet.

Tillskott av medium

Det fulla tillväxtmedium som föreslås för vissa cellinjer behöver extra komponenter som saknas i baslinjemediet och serumet. Dessa kosttillskott stöder celltillväxt och lämplig metabolisk funktion.

Även om hormoner, tillväxtfaktorer och signalmolekyler är nödvändiga för en lämplig spridning av vissa cellinjer, bör följande försiktighetsåtgärder alltid vidtas: Eftersom tillsats av kosttillskott kan förändra osmolaliteten i det kompletta tillväxtmediet, vilket kan hämma cellutvecklingen, är det alltid lämpligt att kontrollera osmolaliteten efter tillsats av kosttillskott. För de flesta cellinjer ligger den optimala osmolaliteten mellan 260 och 320 mOSM/kg.

Antibiotika

Antibiotika används ofta för att hämma utvecklingen av bakterie- och svampföroreningar [16], även om de inte är nödvändiga för celltillväxt. Eftersom antibiotika kan dölja kontaminering med mykoplasma och resistenta bakterier rekommenderas inte rutinmässig användning av antibiotika för cellodling [17, 18].

Dessutom kan antibiotika störa metabolismen i överkänsliga celler. Penicillin-streptomycin-kombinationerna från MilliporeSigma och Life Technologies används ofta. Plasmocin har använts vid odling av gliomcellinjerna TS603, TS516 och BT260 [19], och det har visat sig vara effektivt för att avlägsna mykoplasmakontaminering (20).

Serum

Albuminer, tillväxtfaktorer och tillväxthämmare finns alla i serum. Serum är en av de viktigaste komponenterna i cellodlingsmediet eftersom det innehåller aminosyror, proteiner, vitaminer (särskilt fettlösliga vitaminer som A, D, E och K), kolhydrater, lipider, hormoner, tillväxtfaktorer, mineraler och spårämnen.

Serum från foster och kalv från nötkreatur används ofta för att främja utvecklingen av odlade celler. Fetalt serum innehåller rikligt med tillväxtfaktorer och lämpar sig för cellkloning och utveckling av känsliga celler. På grund av dess minskade tillväxtfrämjande förmåga används kalvserum i kontaktinhiberingsexperiment. Normala tillväxtmedier innehåller ofta 2-10% serum. Tillsats av serum till odlingsmedium har följande syften [21]:

  • Serumet levererar viktiga näringsämnen till cellerna (både i lösning och bundna till proteiner).

  • Flera tillväxtfaktorer och hormoner som är involverade i tillväxtfrämjande och specialiserad cellaktivitet ingår i serum.

  • Det innehåller många bindande proteiner, som albumin och transferrin, som transporterar andra kemikalier in i cellen. Albumin transporterar t.ex. fetter, vitaminer och hormoner in i cellerna.

  • Det innehåller också proteiner, t.ex. fibronektin, som ökar cellernas vidhäftning till underlaget. Dessutom producerar det spridningselement som hjälper till vid cellutvidgning före delning.

  • Det levererar proteashämmare som förhindrar proteolys i celler.

  • Den innehåller också mineraler som Na+, K+, Zn2+ och Fe2+.

  • Det ökar viskositeten i mediet, vilket skyddar cellerna från mekanisk skada under omrörning av suspensionskulturen.

  • Det är också en buffert.

Referenser

[1] Morgan J, Morton H, Parker R. Nutrition av djurceller i vävnadsodling; inledande studier av ett syntetiskt medium. Proc Soc Exp Biol Med. 1950;73:1-8

[2] Kerbel R, Blakeslee D. Snabb adsorption av en komponent i serum från kalvfoster av däggdjursceller i kultur. En potentiell källa till artefakter i studier av antisera mot cellspecifika antigener. Immunology. 1976;31:881-91

[3] Sula K, Draber P, Nouza K. Tillsats av serum till det medium som används för beredning av cellsuspensioner som en möjlig källa till artefakter i cellmedierade reaktioner som studeras med hjälp av popliteal lymfkörteltest. J Immunogenet. 1980;7:483-9

[4] Mariani E, Mariani A, Monaco M, Lalli E, Vitale M, Facchini A. Kommersiella serumfria medier: hybridomtillväxt och produktion av monoklonala antikroppar. J Immunol Methods. 1991;145:175-83

[5] Barnes D, Sato G. Metoder för tillväxt av odlade 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 chaperonerar RNA-fri TDP-43 till anisotropiska intranukleära flytande sfäriska skal. Vetenskap. 2021;371:

[7] Meharena H, Marco A, Dileep V, Lockshin E, Akatsu G, Mullahoo J,et al. Down-syndrome-inducerad senescens stör den nukleära arkitekturen hos neurala progenitorer. Cell Stem Cell. 2022;29:116-130.e7

[8] Iscove N, Melchers F. Fullständig ersättning av serum med albumin, transferrin och sojabönlipid i kulturer av lipopolysackaridreaktiva B-lymfocyter. J Exp Med. 1978;147:923-33

[9] Stoll T, Muhlethaler K, von Stockar U, Marison I. Systematisk förbättring av ett kemiskt definierat proteinfritt medium för hybridomtillväxt och produktion av monoklonala antikroppar. J Biotechnol. 1996;45:111-23

[10] Darfler F. Ett proteinfritt medium för tillväxt av hybridomer och andra celler i immunsystemet. In Vitro Cell Dev Biol. 1990;26:769-78

[11] Barnes D, Sato G. Serumfri cellodling: en enhetlig metod. Cell. 1980;22:649-55

[12] Hamilton W, Ham R. Klonal tillväxt av cellinjer från kinesisk hamster i proteinfria medier. In Vitro. 1977;13:537-47

[13] Zigler J, Lepe Zuniga J, Vistica B, Gery I. Analys av de cytotoxiska effekterna av ljusexponerat HEPES-innehållande odlingsmedium. In Vitro Cell Dev Biol. 1985;21:282-7

[14] Berthois Y, Katzenellenbogen J, Katzenellenbogen B. Fenolrött i vävnadskulturmedier är ett svagt östrogen: konsekvenser för studien av östrogenresponsiva celler i kultur. Proc Natl Acad Sci U S A. 1986;83:2496-500

[15] Karmiol S. Utveckling av serumfria medier. I: Master JRW, redaktör. Animal Cell culture, 3:e upplagan. Oxford: Oxford University Press; 2000.

[16] Perlman D. Användning av antibiotika i cellodlingsmedier. Metoder Enzymol. 1979;58:110-6

[17] McGarrity G. Spridning och kontroll av mykoplasmainfektion i cellkulturer. In Vitro. 1976;12:643-8

[18] Masters J, Stacey G. Byte av medium och passering av cellinjer. Nat protokoll. 2007;2:2276-84

[19] Chakraborty A, Laukka T, Myllykoski M, Ringel A, Booker M, Tolstorukov M,et al. Histondemetylas KDM6A känner direkt av syre för att kontrollera kromatin och cellöde. Vetenskap. 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. Cytoteknologi. 2011;63:609-20

[21] Kragh Hansen U. Molekylära aspekter av ligandbindning till serumalbumin. Pharmacol Rev. 1981;33:17-53

Vi har upptäckt att du befinner dig i ett annat land eller använder ett annat webbläsarspråk än det som för närvarande är valt. Vill du acceptera de föreslagna inställningarna?

Nära