Médiá na kultiváciu buniek: Prehľad

V oblasti prírodných vied je jednou z najdôležitejších metodík kultivácia buniek. Pod slovným spojením "bunková kultúra" sa rozumie odobratie buniek, tkanív alebo orgánov zo zvierat alebo rastlín a následná implantácia týchto buniek, tkanív alebo orgánov do umelého prostredia, ktoré je priaznivé pre ich prežitie a/alebo rast Základné potreby prostredia pre optimálny vývoj buniek sú kontrolovaná teplota, substrát na prichytenie buniek, vhodné rastové médium a inkubátor, ktorý udržiava optimálne pH a osmolalitu. Bunky musia mať tieto podmienky, aby mohli naplno rásť.

Výber vhodného rastového média na kultiváciu in vitro je fáza bunkovej kultúry, ktorá je najkritickejšia a zároveň najdôležitejšia. Rastové médium, známe aj ako kultivačné médium, je kvapalina alebo gél vytvorený na podporu vývoja organizmov v mikroskopickom, bunkovom alebo rastlinnom meradle. Médium používané na kultiváciu buniek často obsahuje primeraný prísun energie a látok, ktoré riadia bunkový cyklus. Medzi hlavné zložky kultivačného média patria aminokyseliny, vitamíny, anorganické soli, glukóza a sérum. Sérum sa pridáva do média, pretože pôsobí ako zdroj rastových faktorov, hormónov a faktorov priľnavosti. Okrem poskytovania živín prispieva médium aj k udržiavaniu úrovne pH a osmolality.

Typy médií používaných v bunkových kultúrach

Ľudské aj živočíšne bunky sa môžu pestovať buď v umelom alebo syntetickom médiu, alebo v úplne prírodnom médiu, ktoré je doplnené prírodnými prvkami. V nasledujúcom texte vám poskytneme prehľad rôznych v súčasnosti dostupných typov médií.

Prírodné médiá

V prírodných médiách sa môžu nachádzať len biologické tekutiny, ktoré existujú v prirodzenom stave. Prírodné médiá sú veľmi užitočné a jednoduché na kultiváciu širokej škály typov živočíšnych buniek. Nedostatočné pochopenie presných zložiek, ktoré tvoria prírodné médiá, je hlavným faktorom, ktorý prispieva k nízkej opakovateľnosti výsledkov získaných pomocou prírodných médií.

Umelé médiá

Príprava umelých alebo syntetických médií zahŕňa pridávanie živín (organických aj anorganických), sérových proteínov, sacharidov, kofaktorov, vitamínov a solí, ako aj plynných fáz O2 a CO2 [1].

Boli vyvinuté rôzne typy umelých médií s cieľom plniť jednu alebo viacero z nasledujúcich funkcií: 1) Okamžité prežitie (vyvážený roztok soli s presným pH a osmotickým tlakom). 2) Dlhodobé prežívanie (vyvážený soľný roztok doplnený rôznymi zložkami organických chemikálií a/alebo séra). 3) Neurčitý vývoj. 4) Špecializované funkcie.

Existujú štyri odlišné klasifikácie umelých médií:

Médiá obsahujúce sérum

Najčastejším druhom doplnku, ktorý sa nachádza v médiu používanom na pestovanie živočíšnych buniek, je fetálne hovädzie sérum. Pridáva sa do kultivačného média ako lacný doplnok s cieľom dosiahnuť čo najlepšie podmienky rastu. Okrem toho, že sérum pôsobí ako transportér alebo chelátor pre živiny, ktoré sú nestabilné alebo nerozpustné vo vode, hormóny a rastové faktory, inhibítory proteáz a iné látky, viaže a neutralizuje aj škodlivé molekuly.

Médium bez séra

Prítomnosť séra v médiu má množstvo nevýhod a môže spôsobiť veľké chyby v interpretácii pri imunologickom výskume [2, 3]. Bolo vytvorených množstvo rôznych bezsérových médií [4, 5]. Tieto médiá sú vo všeobecnosti špeciálne vytvorené na podporu kultivácie jedného typu buniek, napríklad Knockout Serum Replacement a Knockout DMEM od spoločnosti Thermo Fisher Scientific a mTESR médium od Stem Cell Technologies [6], určené pre kmeňové bunky [7].

Okrem toho tieto médiá obsahujú definované množstvá purifikovaných rastových faktorov, lipoproteínov a iných proteínov, ktoré inak zvyčajne poskytuje sérum [8]. Tieto médiá sa často označujú ako "definované kultivačné médiá", pretože zložky, z ktorých sa tieto médiá skladajú, sú dobre známe.

Chemicky definované médiá

Tieto médiá obsahujú ultračisté anorganické a organické zložky, ktoré neboli kontaminované žiadnym druhom znečistenia. Môžu obsahovať aj čisté proteínové prídavky, ako sú rastové faktory.

genetická modifikácia baktérií alebo kvasiniek spolu s prídavkom konkrétnych mastných kyselín, vitamínov, cholesterolu a aminokyselín vedie k výrobe ich zložiek [9].

Médiá bez bielkovín

Bezbielkovinové médiá sú také, ktoré neobsahujú vôbec žiadne bielkoviny a namiesto toho obsahujú len nebielkovinové prvky. V porovnaní s médiami s pridaným sérom použitie médií bez pridaných bielkovín podporuje väčšiu proliferáciu buniek a expresiu bielkovín a uľahčuje purifikáciu akéhokoľvek produktu vytvoreného v následnom procese [10 - 12]. Proteín nie je súčasťou takých prípravkov, ako sú MEM a RPMI-1640. V prípade potreby sa však môže podávať proteínový doplnok.

Kultivačné médiá a ich základné zložky

Komerčné kultivačné médium možno zakúpiť ako prášok alebo tekutinu a často obsahuje rôzne živiny, ako sú aminokyseliny, glukóza, soli, vitamíny a iné výživové doplnky.

Potreby týchto zložiek sú pre každú bunkovú líniu odlišné a tieto rozdiely sú príčinou veľkého počtu rôznych zložení médií. Každá zložka je zodpovedná za určitú funkciu, ktorá bude uvedená v nasledujúcich odsekoch:

Pufrovacie systémy

Na udržanie optimálnych podmienok pestovania sa musí kontrolovať pH, čo sa často vykonáva jedným z dvoch pufrovacích systémov:

Prírodný pufrovací systém

Pomer CO2/H2CO3 v atmosfére sa rovná pomeru v médiu, čím sa vytvára prirodzený pufrovací mechanizmus. Aby sa zachoval ich prirodzený pufrovací mechanizmus, kultúry sa musia udržiavať vo vzdušnom prostredí s 5 - 10 % CO2, čo sa často dosahuje použitím inkubátora s CO2. Jednou z najlepších vecí na používaní prirodzeného pufru je to, aký je lacný a bezpečný.

HEPES

Chemické pufrovanie pomocou zwitteriónu HEPES má väčšiu pufrovaciu schopnosť v rozsahu pH 7,2 - 7,4 a nepotrebuje regulované plynné prostredie. Pre určité typy buniek môže byť väčšia dávka HEPES škodlivá. Médiá obsahujúce HEPES sú takisto oveľa náchylnejšie na fototoxické účinky fluorescenčného svetla [13].

Fenolová červeň

Indikátor pH fenolová červeň je často súčasťou komerčne dostupného kultivačného média, čo umožňuje priebežné monitorovanie pH. Rozširovaním buniek spôsobujú metabolity produkované týmito bunkami zmenu pH, a tým aj zmenu farby média. Fenolová červeň má dvojaký účinok na farbu média, pričom pri kyslom pH sa mení na žltú a pri zásaditom pH na fialovú. pH 7,4, čo je optimálna hodnota pre bunkové kultúry, spôsobuje, že médium sa javí ako fluorescenčné červené.

Fenolová červeň má však niekoľko nevýhod: Po prvé, fenolová červeň dokáže simulovať pôsobenie viacerých steroidných hormónov, predovšetkým estrogénu [14]. Preto sa pri štúdiu buniek citlivých na estrogény, ako je tkanivo prsníka, odporúča médium bez fenolovej červene. Rovnováha sodíka a draslíka je narušená prítomnosťou fenolovej červene vo viacerých prípravkoch bez séra. Pridanie séra alebo hovädzieho hypofyzárneho hormónu do média môže tento účinok potlačiť [15]. Po tretie, prítomnosť fenolovej červene bráni detekcii pri prietokových cytometrických experimentoch.

Anorganické soli

Médiá obsahujúce anorganické soli, ako sú ióny sodíka, draslíka a vápnika, pomáhajú udržiavať osmotickú rovnováhu a regulovať membránový potenciál.

Aminokyseliny

Keďže aminokyseliny sú základnými zložkami bielkovín, sú základnou zložkou každého bunkového rastového média, ktoré bolo kedy vytvorené. Keďže bunky nie sú schopné samy produkovať určité aminokyseliny, je dôležité, aby kultivačné médium obsahovalo esenciálne aminokyseliny. Sú potrebné na rozmnožovanie buniek a ich koncentrácia určuje maximálnu hustotu buniek, ktorú možno dosiahnuť. Obzvlášť dôležitý je L-glutamín, esenciálna aminokyselina.

L-glutamín funguje ako sekundárny zdroj energie pre metabolizmus a prispieva dusíkom k produkcii NAD, NADPH a nukleotidov. Vzhľadom na to, že L-glutamín je nestabilná aminokyselina, ktorá sa časom mení na formu, ktorú bunky nie sú schopné využiť, musí sa podávať do média.

Okrem toho sa do média môžu dodávať neesenciálne aminokyseliny, aby sa doplnili tie, ktoré sa spotrebovali počas procesu rastu. Rast buniek sa zrýchľuje a ich životaschopnosť sa zvyšuje, keď sa do rastového média pridávajú neesenciálne aminokyseliny.

Sacharidy

Sacharidy vo forme cukrov sú hlavným zdrojom energie. Mnohé médiá obsahujú okrem bežnejších cukrov glukózy a galaktózy aj maltózu a fruktózu.

Bielkoviny a peptidy

Najčastejšie používanými proteínmi a peptidmi sú albumín, transferín a fibronektín. Sú obzvlášť významné v médiách, ktoré neobsahujú sérum. Albumín, transferín, aprotinín, fetuín a fibronektín sú niektoré z bielkovín, ktoré sa môžu nachádzať v sére, ktoré je bohatou zásobou bielkovín.

Albumín je hlavnou bielkovinou, ktorá sa nachádza v krvi, a jeho funkciou je viazať a prenášať rôzne látky vrátane vody, solí, voľných mastných kyselín, hormónov a vitamínov medzi rôznymi orgánmi a bunkami. Schopnosť albumínu viazať sa na chemické látky z neho robí účinného kandidáta na odstraňovanie škodlivých zlúčenín z prostredia, v ktorom sa kultivujú bunky.

Aprotinín je ochranným prostriedkom v systémoch bunkových kultúr, pretože je stabilný pri neutrálnom a kyslom pH, ako aj odolný voči vysokým teplotám a deštrukcii, ktorú môžu spôsobiť proteolytické enzýmy. Okrem iného je schopný inhibovať množstvo serínových proteáz vrátane trypsínu.

Fetuín je glykoproteín, ktorý možno zistiť vo väčšom množstve v sére plodu a novorodencov v porovnaní so sérom dospelých zvierat. Okrem toho pôsobí ako inhibítor serínových proteáz. Proteín fibronektín je základnou zložkou v procese adhézie buniek. Transferín je bielkovina, ktorá prenáša železo a je zodpovedná za dodávanie železa do membrán buniek.

Mastné kyseliny a lipidy

Hrajú kľúčovú úlohu v bezsérovom médiu, keď sérum chýba.

Vitamíny

Mnohé vitamíny sú potrebné pre vývoj a rozmnožovanie buniek. Vitamíny si bunky nedokážu vytvoriť v dostatočnom množstve, a preto sú v tkanivových kultúrach nevyhnutné ako potravinové doplnky.

V bunkových kultúrach je primárnym zdrojom vitamínov sérum; médiá sa však tiež upravujú rôznymi vitamínmi, aby boli vhodné pre konkrétny typ buniek. Najčastejšie sa na stimuláciu rastu používajú vitamíny skupiny B.

Stopové prvky

Chemické prvky ako meď, zinok, selén a medziprodukty kyseliny trikarboxylovej sú známe ako stopové prvky. Stopové prvky sa často pridávajú do médií, ktoré neobsahujú sérum, aby nahradili tie, ktoré sú zvyčajne prítomné v sére. Tieto prvky sú dôležité chemické zložky, ktoré sú potrebné pre zdravý vývoj buniek. Mnohé biochemické reakcie závisia od určitých mikroživín, napríklad aktivita enzýmov.

Doplnky média

Plnohodnotné rastové médium navrhované pre určité bunkové línie potrebuje ďalšie zložky, ktoré v základnom médiu a sére chýbajú. Tieto výživové doplnky podporujú rast buniek a vhodné metabolické funkcie.

Hoci sú hormóny, rastové faktory a signálne molekuly nevyhnutné pre primeranú proliferáciu konkrétnych bunkových línií, vždy by sa mali dodržiavať nasledujúce bezpečnostné opatrenia: Keďže pridanie doplnkov môže zmeniť osmolalitu kompletného rastového média, čo môže inhibovať vývoj buniek, odporúča sa vždy overiť osmolalitu po pridaní doplnkov. Pre väčšinu bunkových línií sa optimálna osmolalita pohybuje medzi 260 a 320 mOSM/kg.

Antibiotiká

Antibiotiká sa často používajú na inhibíciu rozvoja bakteriálnych a hubových škodlivín [16], hoci nie sú nevyhnutné pre rast buniek. Keďže antibiotiká by mohli zakrývať kontamináciu mykoplazmami a rezistentnými baktériami, ich rutinné používanie sa pre bunkové kultúry neodporúča [17, 18].

Okrem toho môžu antibiotiká narušiť metabolizmus hypersenzitívnych buniek. Často sa používajú kombinácie penicilínu a treptomycínu vyrábané spoločnosťami MilliporeSigma a Life Technologies. Plasmocín sa využíval pri kultivácii gliómových bunkových línií TS603, TS516 a BT260 [19] a ukázalo sa, že je účinný pri odstraňovaní kontaminácie mykoplazmami [20].

Sérum

V sére sú prítomné albumíny, rastové faktory a inhibítory rastu. Sérum je jednou z najvýznamnejších zložiek média bunkových kultúr, pretože poskytuje aminokyseliny, bielkoviny, vitamíny (najmä vitamíny rozpustné v tukoch, ako sú A, D, E a K), sacharidy, lipidy, hormóny, rastové faktory, minerály a stopové prvky.

Na podporu vývoja kultivovaných buniek sa často používa sérum z fetálnych a teľacích hovädzích zdrojov. Fetálne sérum je bohatým zdrojom rastových faktorov a je vhodné na klonovanie buniek a vývoj citlivých buniek. Teľacie sérum sa vzhľadom na jeho menšie schopnosti podporovať rast používa pri pokusoch s kontaktnou inhibíciou. Bežné rastové médiá často obsahujú 2 % až 10 % séra. Pridanie séra do kultivačného média slúži na tieto účely [21]:

  • Sérum dodáva bunkám základné živiny (v roztoku aj naviazané na bielkoviny).

  • V sére je obsiahnutých niekoľko rastových faktorov a hormónov, ktoré sa podieľajú na podpore rastu a špecializovanej činnosti buniek.

  • Ponúka mnoho väzbových proteínov, ako je albumín a transferín, ktoré transportujú ďalšie chemické látky do bunky. Napríklad albumín dopravuje do buniek tuky, vitamíny, hormóny atď.

  • Poskytuje aj proteíny, ako je fibronektín, ktoré zvyšujú priľnavosť buniek k substrátu. Okrem toho produkuje rozširujúce prvky, ktoré pomáhajú pri expanzii buniek pred delením.

  • Dodáva inhibítory proteáz, ktoré zabraňujú proteolýze v bunkách.

  • Obsahuje aj minerálne látky, ako sú Na+, K+, Zn2+ a Fe2+.

  • Zvyšuje viskozitu média, takže chráni bunky pred mechanickým poškodením počas miešania suspenznej kultúry.

  • Je to tiež pufr.

Odkazy

[1] Morgan J, Morton H, Parker R. Výživa živočíšnych buniek v tkanivových kultúrach; počiatočné štúdie syntetického média. Proc Soc Exp Biol Med. 1950;73:1-8

[2] Kerbel R, Blakeslee D. Rapid adsorption of a fetal calf serum component by mammalian cells in culture (Rýchla adsorpcia zložky fetálneho teľacieho séra cicavčími bunkami v kultúre). Potenciálny zdroj artefaktov v štúdiách antisér na bunkovo špecifické antigény. Imunológia. 1976;31:881-91

[3] Sula K, Draber P, Nouza K. Prídavok séra do média používaného na prípravu bunkových suspenzií ako možný zdroj artefaktov v reakciách sprostredkovaných bunkami študovaných pomocou testu popliteálnej lymfatickej uzliny. J Immunogenet. 1980;7:483-9

[4] Mariani E, Mariani A, Monaco M, Lalli E, Vitale M, Facchini A. Komerčné médiá bez séra: rast hybridómov a produkcia monoklonálnych protilátok. J Immunol Methods. 1991;145:175-83

[5] Barnes D, Sato G. Metódy rastu kultivovaných buniek v bezsérovom médiu. 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. Down-syndrómom indukovaná senescencia narúša jadrovú architektúru neurálnych progenitorov. Cell Stem Cell. 2022;29:116-130.e7

[8] Iscove N, Melchers F. Úplná náhrada séra albumínom, transferínom a sójovým lipidom v kultúrach B lymfocytov reagujúcich na lipopolysacharid. J Exp Med. 1978;147:923-33

[9] Stoll T, Muhlethaler K, von Stockar U, Marison I. Systematic improvement of a chemically-defined protein-free medium for hybridoma growth and monoclonal antibody production. J Biotechnol. 1996;45:111-23

[10] Darfler F. A protein-free medium for the growth of hybridomas and other cells of the immune system (Bezbielkovinové médium na rast hybridómov a iných buniek imunitného systému). In Vitro Cell Dev Biol. 1990;26:769-78

[11] Barnes D, Sato G. Bezsérové bunkové kultúry: zjednocujúci prístup. Cell. 1980;22:649-55

[12] Hamilton W, Ham R. Clonal growth of chinese hamster cell lines in protein-free media (Klonálny rast bunkových línií čínskeho škrečka v bezbielkovinových médiách). 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. Phenol red in tissue culture media is a weak estrogen: implications concerning the study of estrogen-responsive cells in culture. Proc Natl Acad Sci U S A. 1986;83:2496-500

[15] Karmiol S. Development of serum free media (Vývoj bezsérových médií). In: Master JRW, editor. Animal Cell culture, 3. vydanie. Oxford:Oxford University Press; 2000.

[16] Perlman D. Use of antibiotics in cell culture media (Použitie antibiotík v médiách na kultiváciu buniek). Methods Enzymol. 1979;58:110-6

[17] McGarrity G. Šírenie a kontrola mykoplazmovej infekcie bunkových kultúr. In Vitro. 1976;12:643-8

[18] Masters J, Stacey G. Zmena média a pasážovanie bunkových línií. Nat Protoc. 2007;2:2276-84

[19] Chakraborty A, Laukka T, Myllykoski M, Ringel A, Booker M, Tolstorukov M,et al. Histone demethylase KDM6A directly senses oxygen to control chromatin and cell fate. 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. Cytotechnológia. 2011;63:609-20

[21] Kragh Hansen U. Molekulárne aspekty väzby ligandov na sérový albumín. Pharmacol Rev. 1981;33:17-53

Zistili sme, že sa nachádzate v inej krajine alebo používate iný jazyk prehliadača, ako je aktuálne zvolený. Chcete prijať navrhované nastavenia?

Zatvoriť