Gojišča za celične kulture: Pregled

Na področju znanosti o življenju je ena najpomembnejših metodologij gojenje celic. Besedna zveza "celična kultura" pomeni odvzem celic, tkiv ali organov iz živali ali rastline in naknadno vsaditev teh celic, tkiv ali organov v umetno okolje, ki je ugodno za njihovo preživetje in/ali rast Temeljne okoljske potrebe za optimalen razvoj celic so nadzorovana temperatura, substrat za pritrditev celic, ustrezno gojišče in inkubator, ki vzdržuje optimalni pH in osmolalnost. Celice morajo imeti te pogoje, da lahko razvijejo svoj polni potencial.

Izbira ustreznega rastnega gojišča za gojenje in vitro je faza v celični kulturi, ki je hkrati najbolj kritična in najbolj pomembna. Rastno gojišče, znano tudi kot gojišče, je tekočina ali gel, oblikovan za spodbujanje razvoja organizmov na mikroskopski, celični ali rastlinski ravni. Gojišče, ki se uporablja za gojenje celic, pogosto vsebuje ustrezno količino energije in snovi, ki nadzorujejo celični cikel. Glavne sestavine gojišča so aminokisline, vitamini, anorganske soli, glukoza in serum. Serum je dodan gojišču, ker deluje kot vir rastnih dejavnikov, hormonov in dejavnikov pritrditve. Poleg zagotavljanja hranil gojišče prispeva tudi k vzdrževanju ravni pH in osmolalnosti.

Vrste gojišč, ki se uporabljajo v celičnih kulturah

Tako človeške kot živalske celice je mogoče gojiti v umetnem ali sintetičnem gojišču ali v popolnoma naravnem gojišču, ki je dopolnjeno z naravnimi elementi. V nadaljevanju vam bomo predstavili pregled različnih vrst medijev, ki so trenutno na voljo.

Naravni mediji

V naravnih gojiščih lahko najdemo le biološke tekočine, ki obstajajo v svojem naravnem stanju. Naravni mediji so zelo koristni in enostavni za gojenje najrazličnejših vrst živalskih celic. Pomanjkanje razumevanja natančnih sestavin, ki sestavljajo naravne medije, je glavni dejavnik, ki prispeva k nizki ponovljivosti rezultatov, pridobljenih z uporabo naravnih medijev.

Umetna gojišča

Priprava umetnih ali sintetičnih gojišč vključuje dodajanje hranil (organskih in anorganskih), serumskih beljakovin, ogljikovih hidratov, kofaktorjev, vitaminov in soli ter plinskih faz O2 in CO2 [1].

Razvite so bile različne vrste umetnih gojišč, da bi izpolnile eno ali več naslednjih funkcij: 1) takojšnje preživetje (uravnotežena raztopina soli z natančno določenim pH in osmotskim tlakom). 2) Podaljšano preživetje (uravnotežena raztopina soli, dopolnjena z različnimi formulacijami organskih kemikalij in/ali seruma). 3) Neomejen razvoj. 4) Specializirane funkcije.

Obstajajo štiri različne klasifikacije umetnih gojišč:

Mediji, ki vsebujejo serum

Najpogostejša vrsta dodatka, ki ga najdemo v gojišču, ki se uporablja za gojenje živalskih celic, je fetalni goveji serum. Dodajamo ga gojišču kot poceni dodatek, da bi dosegli najboljše možne pogoje za rast. Poleg tega, da serum deluje kot prenašalec ali kelator za hranila, ki so nestabilna ali netopna v vodi, hormone in rastne dejavnike, inhibitorje proteaz in druge snovi, tudi veže in nevtralizira škodljive molekule.

Medij brez seruma

Prisotnost seruma v mediju ima številne pomanjkljivosti in lahko povzroči velike napake pri interpretaciji v imunoloških raziskavah [2, 3]. Ustvarjeni so bili različni mediji brez seruma [4, 5]. Ti mediji so običajno posebej oblikovani za podporo gojenja ene vrste celic, kot sta na primer Knockout Serum Replacement in Knockout DMEM podjetja Thermo Fisher Scientific ter medij mTESR podjetja Stem Cell Technologies [6] za matične celice [7].

Poleg tega ti mediji vsebujejo določene količine prečiščenih rastnih dejavnikov, lipoproteinov in drugih beljakovin, ki jih sicer običajno zagotavlja serum [8]. Ta gojišča se pogosto imenujejo "definirana gojišča", saj so sestavine, ki jih sestavljajo, dobro poznane.

Kemično opredeljeni mediji

Ti mediji vključujejo ultračiste anorganske in organske sestavine, ki niso bile kontaminirane z nobeno vrsto onesnaženja. Vključujejo lahko tudi čiste beljakovinske dodatke, kot so rastni dejavniki.

genetska modifikacija bakterij ali kvasovk skupaj z dodajanjem določenih maščobnih kislin, vitaminov, holesterola in aminokislin povzroči proizvodnjo njihovih sestavnih delov [9].

Gojišča brez beljakovin

Brezbeljakovinska gojišča so tista, ki sploh ne vsebujejo beljakovin in namesto tega vsebujejo le nebeljakovinske elemente. V primerjavi z mediji z dodanim serumom uporaba medijev brez dodanih beljakovin spodbuja večjo proliferacijo celic in izražanje beljakovin ter omogoča lažje čiščenje vseh proizvodov, ki nastanejo v nadaljnjem postopku [10-12]. Beljakovine niso vključene v formule, kot sta MEM in RPMI-1640. Vendar se lahko po potrebi doda beljakovinski dodatek.

Gojišča in njihove osnovne sestavine

Komercialno gojišče je mogoče kupiti v prahu ali tekočini in pogosto vsebuje različna hranila, kot so aminokisline, glukoza, soli, vitamini in drugi prehranski dodatki.

Potrebe po teh sestavinah so za vsako celično linijo drugačne, te razlike pa so vzrok za veliko število različnih formulacij gojišč. Vsaka sestavina je odgovorna za določeno funkcijo, ki bo opisana v naslednjih odstavkih:

Pufrirni sistemi

Za vzdrževanje optimalnih pogojev za rast je treba nadzorovati pH, kar se pogosto izvaja z enim od dveh puferskih sistemov:

Naravni pufrirni sistem

Razmerje CO2/H2CO3 v ozračju je enako razmerju v gojišču, kar ustvarja naravni pufrirni mehanizem. Da bi ohranili naravni puferski mehanizem, je treba kulture hraniti v zračnem okolju s 5-10 % CO2, kar se pogosto doseže z uporabo CO2 inkubatorja. Ena od najboljših stvari pri uporabi naravnega pufra je, kako poceni in varen je.

HEPES

Kemično puferiranje z uporabo zwitteriona HEPES ima večjo pufersko sposobnost v območju pH 7,2-7,4 in ne potrebuje urejenega plinskega okolja. Za določene vrste celic je lahko večji odmerek HEPES škodljiv. Mediji, ki vsebujejo HEPES, so tudi veliko bolj občutljivi na fototoksične učinke fluorescenčne svetlobe [13].

Fenol rdeče

Indikator pH fenol rdeče je pogosto vključen v komercialno dostopna gojišča, kar omogoča stalno spremljanje pH. S širjenjem celic metaboliti, ki jih te proizvajajo, povzročijo spremembo pH in s tem spremembo barve gojišča. Fenol rdeče ima dvojni učinek na barvo gojišča, saj ga spremeni v rumeno pri kislem pH in vijolično pri bazičnem pH. pH 7,4, ki je optimalna vrednost za gojenje celic, povzroči, da je gojišče videti fluorescentno rdeče.

Vendar ima fenol rdeče nekaj pomanjkljivosti: Prvič, fenol rdeče lahko simulira delovanje številnih steroidnih hormonov, predvsem estrogena [14]. Zato je pri preučevanju celic, občutljivih na estrogen, kot je tkivo dojke, priporočljivo uporabiti gojišče brez fenol rdečega. Ravnovesje med natrijem in kalijem je moteno zaradi prisotnosti fenol rdečega v več pripravkih brez seruma. Dodajanje seruma ali govejega hipofiznega hormona mediju lahko ta učinek izniči [15]. Tretjič, prisotnost fenol rdečega ovira zaznavanje pri pretočnih citometričnih poskusih.

Anorganske soli

Mediji, ki vsebujejo anorganske soli, kot so natrijevi, kalijevi in kalcijevi ioni, pomagajo vzdrževati osmotsko ravnovesje in uravnavati membranski potencial.

Aminokisline

Ker so aminokisline temeljne sestavine beljakovin, so bistvena sestavina vsakega posameznega gojišča za rast celic, ki je bilo kdajkoli zasnovano. Ker celice ne morejo same proizvesti nekaterih aminokislin, je pomembno, da gojišče vsebuje esencialne aminokisline. Te so potrebne za razmnoževanje celic, koncentracija, v kateri so prisotne, pa določa največjo gostoto celic, ki jo je mogoče doseči. Zlasti L-glutamin, esencialna aminokislina, je še posebej pomemben.

L-glutamin deluje kot sekundarni vir energije za presnovo in prispeva dušik k proizvodnji NAD, NADPH in nukleotidov. Ker je L-glutamin nestabilna aminokislina, ki se sčasoma spremeni v obliko, ki je celice ne morejo izkoristiti, jo je treba dodajati v medij.

Poleg tega se lahko v gojišče dodajo tudi neesencialne aminokisline, da se ponovno napolnijo tiste, ki so se porabile med procesom rasti. Rast celic se pospeši, njihova sposobnost preživetja pa poveča, če se rastnemu gojišču dodajo neesencialne aminokisline.

Ogljikovi hidrati

Glavni vir energije so ogljikovi hidrati v obliki sladkorjev. Številna gojišča poleg bolj običajnih sladkorjev glukoze in galaktoze vsebujejo tudi maltozo in fruktozo.

Beljakovine in peptidi

Alumin, transferin in fibronektin so najpogosteje uporabljeni proteini in peptidi. Ti so še posebej pomembni v medijih, ki ne vključujejo seruma. Albumin, transferin, aprotinin, fetuin in fibronektin so nekatere beljakovine, ki jih je mogoče najti v serumu, ki je bogata zaloga beljakovin.

Albumin je glavna beljakovina, ki jo najdemo v krvi, njegova naloga pa je vezava in prenos različnih snovi, vključno z vodo, solmi, prostimi maščobnimi kislinami, hormoni in vitamini, med različnimi organi in celicami. Albumin se lahko veže na kemikalije, zato je učinkovit kandidat za odstranjevanje škodljivih spojin iz medija, v katerem se gojijo celice.

Aprotinin je zaščitno sredstvo v sistemih celičnih kultur, saj je stabilen pri nevtralnem in kislem pH ter odporen na visoke temperature in uničenje, ki ga lahko povzročijo proteolitični encimi. Zavira številne serinske proteaze, med drugim tudi tripsin.

Fetuin je glikoprotein, ki ga je mogoče v serumu fetalnih in novorojenčkov zaznati v večjih količinah kot v serumu odraslih živali. Poleg tega deluje kot zaviralec serinskih proteaz. Beljakovina fibronektin je bistvena sestavina v procesu lepljenja celic. Transferin je beljakovina, ki prenaša železo in je odgovorna za prenos železa v membrane celic.

Maščobne kisline in lipidi

Imajo ključno vlogo v mediju brez seruma, kadar seruma ni.

Vitamini

Številni vitamini so potrebni za razvoj in razmnoževanje celic. Celice ne morejo proizvesti ustreznih količin vitaminov, zato so v tkivnih kulturah nujno potrebni kot prehranska dopolnila.

V celičnih kulturah je glavni vir vitaminov serum, vendar se mediji obdelajo tudi z različnimi vitamini, da so primerni za določeno vrsto celic. Najpogosteje se za spodbujanje rasti uporabljajo vitamini skupine B.

Elementi v sledovih

Kemični elementi, kot so baker, cink, selen in intermediati trikarboksilne kisline, so znani kot elementi v sledovih. Elementi v sledovih se pogosto dodajajo medijem, ki ne vključujejo seruma, da bi nadomestili tiste, ki so običajno prisotni v serumu. Ti elementi so pomembne kemične sestavine, ki so potrebne za zdrav razvoj celic. Številne biokemične reakcije so odvisne od določenih mikrohranil, na primer aktivnost encimov.

Dopolnila za gojišča

Polno rastno gojišče, predlagano za nekatere celične linije, potrebuje dodatne sestavine, ki jih v osnovnem gojišču in serumu ni. Ti prehranski dodatki podpirajo rast celic in ustrezno presnovno delovanje.

Čeprav so hormoni, rastni dejavniki in signalne molekule bistveni za ustrezno razmnoževanje določenih celičnih linij, je treba vedno upoštevati naslednje previdnostne ukrepe: Ker lahko dodajanje dodatkov spremeni osmolalnost celotnega rastnega gojišča, kar lahko zavira razvoj celic, je po dodajanju dodatkov vedno priporočljivo preveriti osmolalnost. Za večino celičnih linij je optimalna osmolalnost med 260 in 320 mOSM/kg.

Antibiotiki

Antibiotiki se pogosto uporabljajo za zaviranje razvoja bakterijskih in glivičnih onesnaževalcev [16], čeprav niso bistveni za rast celic. Ker lahko antibiotiki zakrijejo kontaminacijo z mikoplazmo in odpornimi bakterijami, se njihova rutinska uporaba za celične kulture ne predlaga [17, 18].

Poleg tega lahko antibiotiki motijo presnovo preobčutljivih celic. Pogosto se uporabljajo kombinacije penicilin-streptomicin, ki jih izdelujeta podjetji MilliporeSigma in Life Technologies. Plazmocin je bil uporabljen pri gojenju gliomskih celičnih linij TS603, TS516 in BT260 [19] in se je izkazal za učinkovitega pri odstranjevanju kontaminacije z mikoplazmo (20).

Serum

V serumu so prisotni albumini, rastni dejavniki in zaviralci rasti. Serum je ena najpomembnejših sestavin gojišča celičnih kultur, saj vsebuje aminokisline, beljakovine, vitamine (zlasti v maščobi topne vitamine, kot so A, D, E in K), ogljikove hidrate, lipide, hormone, rastne dejavnike, minerale in elemente v sledovih.

Za spodbujanje razvoja gojenih celic se pogosto uporablja serum iz fetalnih in telečjih govejih virov. Fetalni serum je bogata zaloga rastnih dejavnikov in je primeren za kloniranje celic in razvoj občutljivih celic. Telečji serum se zaradi zmanjšane sposobnosti spodbujanja rasti uporablja pri poskusih z zaviranjem stika. Običajna rastna gojišča pogosto vsebujejo 2 % do 10 % seruma. Dodajanje seruma gojišču služi naslednjim namenom [21]:

  • S serumom se celice oskrbijo z bistvenimi hranilnimi snovmi (v raztopini in vezanimi na beljakovine).

  • V serumu je vključenih več rastnih dejavnikov in hormonov, ki sodelujejo pri spodbujanju rasti in specializirani celični dejavnosti.

  • Ponuja veliko vezavnih beljakovin, kot sta albumin in transferin, ki prenašajo druge kemikalije v celico. Albumin na primer v celice prenaša maščobe, vitamine, hormone itd.

  • Zagotavlja tudi beljakovine, kot je fibronektin, ki povečujejo oprijem celic na podlago. Poleg tega proizvaja elemente za širjenje, ki pomagajo pri širjenju celic pred delitvijo.

  • Zagotavlja inhibitorje proteaz, ki preprečujejo proteolizo v celicah.

  • Vsebuje tudi minerale, kot so Na+, K+, Zn2+ in Fe2+.

  • Povečuje viskoznost gojišča in tako ščiti celice pred mehanskimi poškodbami med mešanjem suspenzijskih kultur.

  • Je tudi pufer.

Reference

[1] Morgan J, Morton H, Parker R. Nutrition of animal cells in tissue culture; initial studies on a synthetic medium (Prehrana živalskih celic v tkivni kulturi; prve študije o sintetičnem gojišču). 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 (Hitra adsorpcija komponente fetalnega telečjega seruma s celicami sesalcev v kulturi). Potencialni vir artefaktov v študijah antiserumov na celično specifične antigene. Imunologija. 1976;31:881-91

[3] Sula K, Draber P, Nouza K. Dodatek seruma gojišču, ki se uporablja za pripravo celičnih suspenzij, kot možen vir artefaktov pri celično posredovanih reakcijah, preučevanih s testom poplitealnih bezgavk. J Immunogenet. 1980;7:483-9

[4] Mariani E, Mariani A, Monaco M, Lalli E, Vitale M, Facchini A. Komercialna gojišča brez seruma: rast hibridomov in proizvodnja monoklonskih protiteles. 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. Down-syndrome-induced senescence disrupts nuclear architecture of neural progenitors. Cell Stem Cell. 2022;29:116-130.e7

[8] Iscove N, Melchers F. Popolna zamenjava seruma z albuminom, transferinom in sojinimi lipidi v kulturah limfocitov B, reaktivnih na lipopolisaharid. 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 (Gojišče brez beljakovin za rast hibridomov in drugih celic imunskega sistema). In Vitro Cell Dev Biol. 1990;26:769-78

[11] Barnes D, Sato G. Serum-free cell culture: a unifying approach (Gojenje celic brez seruma: enoten pristop). Cell. 1980;22:649-55

[12] Hamilton W, Ham R. Clonal growth of chinese hamster cell lines in protein-free media (Klonska rast celičnih linij kitajskega hrčka v medijih brez beljakovin). 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 (Razvoj gojišč brez seruma). In: Master JRW, urednik. Animal Cell Culture, 3. izdaja. Oxford: Oxford University Press; 2000.

[16] Perlman D. Use of antibiotics in cell culture media (Uporaba antibiotikov v medijih za celične kulture). Methods Enzymol. 1979;58:110-6

[17] McGarrity G. Spread and control of mycoplasmal infection of cell cultures (Širjenje in nadzor mikoplazemske okužbe celičnih kultur). In Vitro. 1976;12:643-8

[18] Masters J, Stacey G. Changing medium and passaging cell lines (Spreminjanje gojišča in prehajanje celičnih linij). Nat Protoc. 2007;2:2276-84

[19] Chakraborty A, Laukka T, Myllykoski M, Ringel A, Booker M, Tolstorukov M,et al. Histonska demetilaza KDM6A neposredno zaznava kisik za nadzor kromatina in usode celic. 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. Citotehnologija. 2011;63:609-20

[21] Kragh Hansen U. Molecular aspects of ligand binding to serum albumin (Molekularni vidiki vezave ligandov na serumski albumin). Pharmacol Rev. 1981;33:17-53

Ugotovili smo, da ste v drugi državi ali uporabljate drug jezik brskalnika, kot je trenutno izbran. Ali želite sprejeti predlagane nastavitve?

Zapri