Hücre kültürü ortamı: Genel bir bakış

Yaşam bilimleri alanında en önemli metodolojilerden biri hücre kültürüdür. Hücrelerin, dokuların veya organların bir hayvan veya bitkiden alınması ve daha sonra bu hücrelerin, dokuların veya organların hayatta kalmaları ve/veya büyümeleri için uygun olan yapay bir ortama yerleştirilmesi, "hücre kültürü" ifadesiyle kastedilen şeydir Optimum hücre gelişimi için temel çevresel ihtiyaçlar kontrollü sıcaklık, hücre tutunması için bir substrat, yeterli bir büyüme ortamı ve optimum pH ve osmolaliteyi koruyan bir inkübatördür. Hücrelerin tam potansiyellerine ulaşabilmeleri için bu koşullara sahip olmaları gerekir.

İn vitro ekim için yeterli bir büyüme ortamının seçilmesi, hücre kültüründe hem en kritik hem de en hayati aşamadır. Kültür ortamı olarak da bilinen bir büyüme ortamı, organizmaların mikroskobik, hücresel veya bitki benzeri bir ölçekte gelişimini teşvik etmek için formüle edilmiş bir sıvı veya jeldir. Hücreleri yetiştirmek için kullanılan ortam genellikle yeterli miktarda enerji ve hücre döngüsünü kontrol eden maddeler içerir. Bir kültür ortamının ana bileşenleri arasında amino asitler, vitaminler, inorganik tuzlar, glikoz ve serum bulunur. Serum ortama eklenir çünkü büyüme faktörleri, hormonlar ve bağlanma faktörleri kaynağı olarak işlev görür. Besiyeri, besin sağlamanın yanı sıra pH ve osmolalite seviyelerinin korunmasına da katkıda bulunur.

Hücre kültüründe kullanılan besiyeri türleri

Hem insan hem de hayvan hücreleri yapay veya sentetik bir ortamda ya da doğal elementlerle desteklenmiş tamamen doğal bir ortamda yetiştirilme potansiyeline sahiptir. Aşağıda, şu anda mevcut olan farklı medya türlerine genel bir bakış sunacağız.

Doğal ortam

Doğal besiyerlerinde yalnızca doğal halleriyle var olan biyolojik sıvılar bulunabilir. Doğal besiyerleri çok çeşitli hayvan hücresi türlerinin yetiştirilmesi için çok yararlı ve kolaydır. Doğal ortamı oluşturan bileşenlerin tam olarak anlaşılamaması, doğal ortam kullanılarak elde edilen sonuçların düşük tekrarlanabilirliğine katkıda bulunan birincil faktördür.

Yapay besiyerleri

Yapay veya sentetik ortamların hazırlanması, besin maddelerinin (hem organik hem de inorganik), serum proteinlerinin, karbonhidratların, kofaktörlerin, vitaminlerin ve tuzların yanı sıra O2 ve CO2 gaz fazlarının eklenmesini içerir [1].

Aşağıdaki işlevlerden birini veya daha fazlasını yerine getirmek için çeşitli yapay ortam türleri geliştirilmiştir: 1) Anında hayatta kalma (kesin bir pH ve ozmotik basınca sahip dengeli bir tuz çözeltisi). 2) Uzun süreli hayatta kalma (farklı organik kimyasal formülasyonları ve/veya serum ile desteklenmiş dengeli bir tuz çözeltisi). 3) Belirsiz gelişim. 4) Özelleşmiş işlevler.

Yapay ortamlar için dört farklı sınıflandırma vardır:

Serum içeren besiyerleri

Hayvan hücrelerini büyütmek için kullanılan ortamda en sık bulunan takviye türü fetal sığır serumudur. Mümkün olan en iyi büyüme koşullarını elde etmek için kültür ortamına düşük maliyetli bir takviye olarak eklenir. Serum, kararsız veya suda çözünmeyen besinler, hormonlar ve büyüme faktörleri, proteaz inhibitörleri ve diğer maddeler için bir taşıyıcı veya şelatör görevi görmenin yanı sıra, zararlı molekülleri de bağlar ve nötralize eder.

Serumsuz Ortam

Ortamda serum bulunmasının bir dizi dezavantajı vardır ve immünolojik araştırmalarda yorumlamada büyük hatalara neden olma potansiyeline sahiptir [2, 3]. Serum içermeyen çeşitli ortamlar oluşturulmuştur [4, 5]. Bu ortamlar genellikle Thermo Fisher Scientific'ten Knockout Serum Replacement ve Knockout DMEM ve kök hücreler için Stem Cell Technologies'ten mTESR ortamı [6] gibi tek bir hücre türünün kültürünü desteklemek için özel olarak formüle edilmiştir [7].

Ayrıca bu besiyerleri, tipik olarak serum tarafından sağlanan saflaştırılmış büyüme faktörleri, lipoproteinler ve diğer proteinleri belirli miktarlarda içermektedir [8]. Bu ortamlar genellikle "tanımlanmış kültürel ortamlar" olarak adlandırılır çünkü bu ortamları oluşturan bileşenler iyi anlaşılmıştır.

Kimyasal olarak tanımlanmış besiyerleri

Bu besiyerleri, herhangi bir kontaminasyonla kirlenmemiş ultra saf inorganik ve organik bileşenler içerir. Ayrıca büyüme faktörleri gibi saf protein ilaveleri de içerebilirler.

belirli yağ asitleri, vitaminler, kolesterol ve amino asitlerin eklenmesiyle birlikte bakteri veya mayanın genetik modifikasyonu, bileşen parçalarının üretilmesiyle sonuçlanır [9].

Protein içermeyen ortamlar

Proteinsiz besiyerleri, hiç protein içermeyen ve bunun yerine sadece protein olmayan elementler içeren besiyerleridir. Serum eklenmiş besiyerleriyle karşılaştırıldığında, protein eklenmemiş besiyerlerinin kullanımı daha fazla hücre çoğalmasını ve protein ekspresyonunu teşvik eder ve sonraki bir süreçte üretilen herhangi bir ürünün saflaştırılmasını kolaylaştırır [10-12]. MEM ve RPMI-1640 gibi formülasyonlara protein dahil değildir. Ancak, gerekli olması halinde protein takviyesi yapılabilir.

Kültür ortamı ve temel bileşenleri

Ticari kültür ortamı toz veya sıvı olarak satın alınabilir ve genellikle amino asitler, glikoz, tuzlar, vitaminler ve diğer besin takviyeleri gibi çeşitli besin maddeleri içerir.

Bu bileşenlere duyulan ihtiyaç her hücre hattı için farklıdır ve bu varyasyonlar çok sayıda farklı ortam formülasyonundan sorumludur. Her bileşen, aşağıdaki paragraflarda özetlenecek olan belirli bir işlevden sorumludur:

Tamponlama sistemleri

Optimum yetiştirme koşullarını korumak için pH kontrol edilmelidir ve bu genellikle iki tamponlama sisteminden biri ile yapılır:

Doğal tamponlama sistemi

Atmosferdeki CO2/H2CO3 oranı ortamdakine eşittir ve doğal bir tamponlama mekanizması oluşturur. Doğal tamponlama mekanizmasını korumak için kültürler %5-10 CO2 içeren bir hava ortamında tutulmalıdır, bu da genellikle bir CO2 inkübatörü kullanılarak elde edilir. Doğal bir tampon kullanmanın en iyi yanlarından biri ucuz ve güvenli olmasıdır.

HEPES

Zwitterion HEPES kullanılarak yapılan kimyasal tamponlama, 7.2-7.4 pH aralığında daha büyük bir tamponlama kapasitesine sahiptir ve düzenlenmiş bir gaz ortamına ihtiyaç duymaz. Belirli hücre tipleri için daha yüksek dozda HEPES zararlı olabilir. HEPES içeren ortamlar da aynı şekilde floresan ışığın fototoksik etkilerine karşı çok daha hassastır [13].

Fenol Kırmızısı

PH göstergesi fenol kırmızısı genellikle ticari olarak temin edilebilen kültür ortamına dahil edilir ve pH'ın sürekli izlenmesine olanak tanır. Hücrelerin genişlemesiyle, bu hücreler tarafından üretilen metabolitler pH'da bir kaymaya ve dolayısıyla besiyerinde bir renk değişimine neden olur. Fenol kırmızısının besiyerinin rengi üzerinde ikili bir etkisi vardır; asidik pH'da sarıya, alkali pH'da mora dönüştürür. Hücre kültürü için en uygun değer olan pH 7,4, besiyerinin floresan kırmızısı görünmesine neden olur.

Ancak fenol kırmızısının birkaç dezavantajı vardır: İlk olarak, fenol kırmızısı, başta östrojen olmak üzere bir dizi steroid hormonunun performansını taklit edebilir [14]. Bu nedenle, meme dokusu gibi östrojene duyarlı hücreleri incelerken, fenol kırmızısı içermeyen bir ortam önerilir. Sodyum-potasyum dengesi, serum içermeyen çeşitli formülasyonlarda fenol kırmızısının varlığıyla bozulur. Ortama serum veya sığır hipofiz hormonu eklenmesi bu etkiyi ortadan kaldırabilir [15]. Üçüncü olarak, akış sitometrik deneylerde tespit, fenol kırmızısının varlığı nedeniyle engellenmektedir.

İnorganik tuzlar

Sodyum, potasyum ve kalsiyum iyonları gibi inorganik tuzlar içeren ortamlar ozmotik dengenin korunmasına yardımcı olur ve membran potansiyelini düzenler.

Amino asitler

Amino asitler proteinin temel bileşenleri olduğundan, şimdiye kadar tasarlanmış olan her bir hücre büyütme ortamının temel bir bileşenidir. Hücreler belirli amino asitleri kendi başlarına üretemedikleri için kültür ortamının esansiyel amino asitleri içermesi önemlidir. Hücrelerin çoğalması için gereklidirler ve mevcut oldukları konsantrasyon, ulaşılabilecek maksimum hücre yoğunluğunu belirler. Özellikle, esansiyel bir amino asit olan L-glutamin özellikle çok önemlidir.

L-glutamin metabolizma için ikincil bir enerji kaynağı olarak işlev görür ve NAD, NADPH ve nükleotid üretimine nitrojen katkısında bulunur. L-glutaminin zamanla hücrelerin kullanamayacağı bir forma dönüşen kararsız bir amino asit olması nedeniyle ortama verilmesi gerekir.

Buna ek olarak, büyüme süreci boyunca tüketilen amino asitleri yeniden doldurmak için ortama esansiyel olmayan amino asitler de verilebilir. Büyüme ortamı esansiyel olmayan amino asitlerle desteklendiğinde hücrelerin büyümesi hızlanır ve canlılıkları artar.

Karbonhidratlar

Şeker formundaki karbonhidratlar temel enerji kaynağıdır. Ortamların çoğu, daha yaygın olan glikoz ve galaktoz şekerlerine ek olarak maltoz ve fruktoz da içerir.

Proteinler ve peptitler

Albümin, transferrin ve fibronektin en yaygın kullanılan proteinler ve peptitlerdir. Bunlar özellikle serum içermeyen ortamlarda önemlidir. Albümin, transferrin, aprotinin, fetuin ve fibronektin, zengin bir protein kaynağı olan serumda bulunabilen proteinlerden bazılarıdır.

Albümin kanda bulunan birincil proteindir ve işlevi su, tuzlar, serbest yağ asitleri, hormonlar ve vitaminler de dahil olmak üzere çeşitli maddeleri bağlamak ve farklı organlar ve hücreler arasında taşımaktır. Albüminin kimyasallara bağlanma yeteneği, onu hücrelerin kültürlendiği ortamdan zararlı bileşiklerin uzaklaştırılması için etkili bir aday haline getirir.

Aprotinin, nötr ve asidik pH'da stabil olmasının yanı sıra yüksek sıcaklıklara ve proteolitik enzimlerin neden olabileceği tahribata karşı dirençli olması nedeniyle hücre kültürü sistemlerinde koruyucu bir maddedir. Diğerlerinin yanı sıra tripsin de dahil olmak üzere bir dizi serin proteazı inhibe edebilir.

Fetuin, fetal ve yeni doğan hayvanların serumunda yetişkin serumuna kıyasla daha yüksek miktarlarda tespit edilebilen bir glikoproteindir. Buna ek olarak, bir serin proteaz inhibitörü olarak işlev görür. Fibronektin proteini, hücre yapışması sürecinde önemli bir bileşendir. Transferrin, demiri taşıyan bir proteindir ve demirin hücrelerin zarlarına iletilmesinden sorumludur.

Yağ asitleri ve lipitler

Serum bulunmadığında serumsuz ortamda çok önemli bir rol oynarlar.

Vitaminler

Hücre gelişimi ve çoğalması için çok sayıda vitamin gereklidir. Vitaminler hücreler tarafından yeterli miktarda üretilemez ve bu nedenle doku kültüründe diyet takviyesi olarak gereklidir.

Hücre kültüründe, serum birincil vitamin kaynağıdır; ancak, ortam da belirli bir hücre tipine uygun hale getirmek için çeşitli vitaminlerle işlenir. En tipik olarak, B grubu vitaminler büyümenin uyarılması için kullanılır.

Eser elementler

Bakır, çinko, selenyum ve trikarboksilik asit ara ürünleri gibi kimyasal elementler eser elementler olarak bilinir. Eser elementler genellikle serumda tipik olarak bulunanların yerini almak için serum içermeyen ortamlara eklenir. Bu elementler sağlıklı bir hücre gelişimi için gerekli olan önemli kimyasal bileşenlerdir. Birçok biyokimyasal reaksiyon, enzim aktivitesi gibi belirli mikro besin maddelerine bağlıdır.

Besiyeri takviyeleri

Belirli hücre hatları için önerilen tam büyüme ortamı, temel ortam ve serumda bulunmayan ekstra bileşenlere ihtiyaç duyar. Bu diyet takviyeleri hücre büyümesini ve uygun metabolik fonksiyonu destekler.

Hormonlar, büyüme faktörleri ve sinyal molekülleri belirli hücre hatlarının uygun şekilde çoğalması için gerekli olsa da aşağıdaki önlemler her zaman alınmalıdır: Takviyelerin eklenmesi tüm büyüme ortamının ozmolalitesini değiştirebileceğinden ve bu da hücre gelişimini engelleyebileceğinden, takviyeler eklendikten sonra ozmolalitenin doğrulanması her zaman tavsiye edilir. Hücre hatlarının çoğu için optimum osmolalite 260 ila 320 mOSM/kg arasında değişmektedir.

Antibiyotikler

Antibiyotikler, hücre büyümesi için gerekli olmamalarına rağmen, bakteriyel ve fungal kirleticilerin gelişimini engellemek için sıklıkla kullanılmaktadır [16]. Antibiyotikler mikoplazma ve dirençli bakteriler tarafından kontaminasyonu gizleyebileceğinden, hücre kültürü için rutin kullanımları önerilmemektedir [17, 18].

Ayrıca antibiyotikler aşırı duyarlı hücrelerin metabolizmasını bozabilir. MilliporeSigma ve Life Technologies tarafından üretilen penisilin-streptomisin kombinasyonları sıklıkla kullanılmaktadır. Plazmosin, TS603, TS516 ve BT260 [19] glioma hücre hatlarının kültüründe kullanılmış ve mikoplazma kontaminasyonunun giderilmesinde etkili olduğu gösterilmiştir (20).

Serum

Albüminler, büyüme faktörleri ve büyüme inhibitörlerinin hepsi serumda mevcuttur. Serum hücre kültürü ortamının en önemli bileşenlerinden biridir çünkü amino asitler, proteinler, vitaminler (özellikle A, D, E ve K gibi yağda çözünen vitaminler), karbonhidratlar, lipidler, hormonlar, büyüme faktörleri, mineraller ve eser elementler sağlar.

Fetal ve dana sığır kaynaklarından elde edilen serum genellikle kültürlenmiş hücrelerin gelişimini desteklemek için kullanılır. Fetal serum bol miktarda büyüme faktörü kaynağıdır ve hücre klonlama ve hassas hücrelerin geliştirilmesi için uygundur. Büyümeyi teşvik etme kabiliyetinin azalması nedeniyle, temas inhibisyonu deneylerinde dana serumu kullanılır. Normal büyüme ortamları genellikle %2 ila %10 serum içerir. Kültür ortamına serum eklenmesi aşağıdaki amaçlara hizmet eder [21]:

  • Serum, hücreler için gerekli besinleri sağlar (hem çözelti içinde hem de proteinlere bağlı olarak).

  • Büyümenin desteklenmesinde ve özelleşmiş hücre aktivitesinde rol oynayan çeşitli büyüme faktörleri ve hormonlar seruma dahildir.

  • Albümin ve transferrin gibi diğer kimyasalları hücre içine taşıyan birçok bağlayıcı protein sunar. Örneğin, albümin yağları, vitaminleri, hormonları vb. hücrelere iletir.

  • Ayrıca fibronektin gibi hücrenin alt tabakaya yapışmasını artıran proteinler de sağlar. Ek olarak, bölünmeden önce hücre genişlemesine yardımcı olan yayılma elemanları üretir.

  • Hücrelerde proteolizi önleyen proteaz inhibitörleri sağlar.

  • Ayrıca Na+, K+, Zn2+ ve Fe2+ gibi mineraller içerir.

  • Ortamın viskozitesini artırır, böylece süspansiyon kültürü çalkalaması sırasında hücreleri mekanik yaralanmalardan korur.

  • Aynı zamanda bir tampon.

Referanslar

[1] Morgan J, Morton H, Parker R. Doku kültüründeki hayvan hücrelerinin beslenmesi; sentetik bir ortam üzerinde ilk çalışmalar. Proc Soc Exp Biol Med. 1950;73:1-8

[2] Kerbel R, Blakeslee D. Bir fötal buzağı serumu bileşeninin kültürdeki memeli hücreleri tarafından hızlı adsorpsiyonu. Hücreye özgü antijenlere karşı antiserum çalışmalarında potansiyel bir artefakt kaynağı. İmmünoloji. 1976;31:881-91

[3] Sula K, Draber P, Nouza K. Popliteal lenf nodu testi ile incelenen hücre aracılı reaksiyonlarda olası bir artefakt kaynağı olarak hücre süspansiyonlarının hazırlanması için kullanılan ortama serum eklenmesi. J Immunogenet. 1980;7:483-9

[4] Mariani E, Mariani A, Monaco M, Lalli E, Vitale M, Facchini A. Ticari serumsuz besiyerleri: hibridoma büyümesi ve monoklonal antikor üretimi. J Immunol Methods. 1991;145:175-83

[5] Barnes D, Sato G. Serum içermeyen ortamda kültürlenmiş hücrelerin büyümesi için yöntemler. Anal Biyokimya. 1980;102:255-70

[6] Yu H, Lu S, Gasior K, Singh D, Vazquez Sanchez S, Tapia O,vd. HSP70, RNA içermeyen TDP-43'ü anizotropik intranükleer sıvı küresel kabuklara şaperonlar. Bilim. 2021;371:

[7] Meharena H, Marco A, Dileep V, Lockshin E, Akatsu G, Mullahoo J,et al. Down sendromunun neden olduğu yaşlanma, nöral progenitörlerin nükleer mimarisini bozar. Hücre Kök Hücre. 2022;29:116-130.e7

[8] Iscove N, Melchers F. Lipopolisakkarit reaktif B lenfosit kültürlerinde serumun albümin, transferrin ve soya fasulyesi lipidi ile tamamen değiştirilmesi. J Exp Med. 1978;147:923-33

[9] Stoll T, Muhlethaler K, von Stockar U, Marison I. Hibridoma büyümesi ve monoklonal antikor üretimi için kimyasal olarak tanımlanmış protein içermeyen bir ortamın sistematik olarak geliştirilmesi. J Biotechnol. 1996;45:111-23

[10] Darfler F. Hibridomların ve bağışıklık sisteminin diğer hücrelerinin büyümesi için proteinsiz bir ortam. In Vitro Cell Dev Biol. 1990;26:769-78

[11] Barnes D, Sato G. Serumsuz hücre kültürü: birleştirici bir yaklaşım. Cell. 1980;22:649-55

[12] Hamilton W, Ham R. Çin hamster hücre hatlarının proteinsiz ortamda klonal büyümesi. In Vitro. 1977;13:537-47

[13] Zigler J, Lepe Zuniga J, Vistica B, Gery I. Işığa maruz bırakılmış HEPES içeren kültür ortamının sitotoksik etkilerinin analizi. In Vitro Cell Dev Biol. 1985;21:282-7

[14] Berthois Y, Katzenellenbogen J, Katzenellenbogen B. Doku kültürü ortamındaki fenol kırmızısı zayıf bir östrojendir: kültürde östrojene duyarlı hücrelerin incelenmesine ilişkin çıkarımlar. Proc Natl Acad Sci U S A. 1986;83:2496-500

[15] Karmiol S. Serum içermeyen besiyerlerinin geliştirilmesi. İçinde: Master JRW, editör. Hayvan Hücre kültürü, 3. baskı. Oxford:Oxford University Press; 2000.

[16] Perlman D. Hücre kültürü ortamlarında antibiyotik kullanımı. Yöntemler Enzimol. 1979;58:110-6

[17] McGarrity G. Hücre kültürlerinde mikoplazma enfeksiyonunun yayılması ve kontrolü. In Vitro. 1976;12:643-8

[18] Masters J, Stacey G. Ortam değiştirme ve hücre dizilerini pasajlama. Nat Protoc. 2007;2:2276-84

[19] Chakraborty A, Laukka T, Myllykoski M, Ringel A, Booker M, Tolstorukov M,vd. Histon demetilaz KDM6A, kromatin ve hücre kaderini kontrol etmek için oksijeni doğrudan algılar. Bilim. 2019;363:1217-1222

[20] Molla Kazemiha V, Azari S, Amanzadeh A, Bonakdar S, Shojaei Moghadam M, Habibi Anbouhi M,et al. Plasmocin™'in hücre kültüründe yaygın olarak kullanılan antibiyotiklerle karşılaştırıldığında mollicutes tarafından enfekte edilen çeşitli memeli hücre hatları üzerindeki etkinliği: yerel bir deneyim. Sitoteknoloji. 2011;63:609-20

[21] Kragh Hansen U. Serum albüminine ligand bağlanmasının moleküler yönleri. Pharmacol Rev. 1981;33:17-53

Farklı bir ülkede olduğunuzu veya şu anda seçili olandan farklı bir tarayıcı dili kullandığınızı tespit ettik. Önerilen ayarları kabul etmek ister misiniz?

Kapat