Ana sayfaya git

Hücre kültürü besiyerleri: Genel bir bakış

Yaşam bilimleri alanında en önemli metodolojilerden biri hücre kültürüdür. "Hücre kültürü" terimi, bir hayvan veya bitkiden hücre, doku veya organların alınması ve daha sonra bu hücre, doku veya organların hayatta kalmaları ve/veya büyümeleri için elverişli yapay bir ortama nakledilmesi anlamına gelir. Optimum hücre gelişimi için temel çevresel ihtiyaçlar, kontrollü sıcaklık, hücrelerin tutunması için bir substrat, uygun bir büyüme ortamı ve optimum pH ve osmolaliteyi koruyan bir inkübatördür. Hücrelerin tam potansiyeline ulaşarak büyüyebilmesi için bu koşulların sağlanması gerekir.

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

Hücre kültüründe kullanılan ortam türleri

Hem insan hem de hayvan hücreleri, yapay veya sentetik bir ortamda ya da doğal unsurlarla takviye edilmiş tamamen doğal bir ortamda yetiştirilebilir. Aşağıda, şu anda mevcut olan farklı ortam türlerine genel bir bakış sunacağız.

Doğal besiyerleri

Doğal besiyerlerinde yalnızca doğal halleriyle bulunan biyolojik sıvılar bulunur. Doğal besiyerleri, çok çeşitli hayvan hücre tiplerinin yetiştirilmesi için oldukça yararlı ve kolaydır. Doğal besiyerlerini oluşturan kesin bileşenlerin tam olarak anlaşılmaması, doğal besiyerleri kullanılarak elde edilen sonuçların tekrarlanabilirliğinin düşük olmasının başlıca nedenidir.

Yapay besiyerleri

Yapay veya sentetik besiyerlerinin 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 bir veya daha fazlasını yerine getirmek amacıyla çeşitli yapay besiyolları geliştirilmiştir: 1) Anında hayatta kalma (kesin pH ve ozmotik basınca sahip dengeli bir tuz çözeltisi). 2) Uzun süreli hayatta kalma (farklı organik kimyasal formülasyonları ve/veya serum ile takviye edilmiş dengeli bir tuz çözeltisi). 3) Süresiz gelişim. 4) Özel işlevler.

Yapay besiyerleri dört farklı sınıfa ayrılır:

Serum içeren ortamlar

Hayvan hücrelerinin yetiştirilmesinde kullanılan besiyerlerinde en sık rastlanan takviye türü fetal sığır serumu'dur. Mümkün olan en iyi büyüme koşullarını sağlamak amacıyla, düşük maliyetli bir takviye olarak kültür besiyerine eklenir. Serum, kararsız veya suda çözünmeyen besin maddeleri, hormonlar ve büyüme faktörleri, proteaz inhibitörleri ve diğer maddeler için taşıyıcı veya kenetleyici görevi görmenin yanı sıra, zararlı molekülleri de bağlayarak etkisiz hale getirir.

Serumsuz Ortam

Besiyerlerinde serum bulunmasının bir dizi dezavantajı vardır ve immünolojik araştırmalarda yorumlamada ciddi hatalara yol açma potansiyeli taşır [2, 3]. Bugüne kadar çok çeşitli serum içermeyen besiyerleri geliştirilmiştir [4, 5]. Bu besiyerleri genellikle tek bir hücre tipinin kültürünü desteklemek üzere özel olarak formüle edilmiştir; örneğin, Thermo Fisher Scientific’in Knockout Serum Replacement ve Knockout DMEM ürünleri ile Stem Cell Technologies’in kök hücreler için geliştirdiği mTESR besiyeri [6] bunlara örnektir [7].

Ayrıca, bu besiyerleri, normalde serum tarafından sağlanan saflaştırılmış büyüme faktörleri, lipoproteinler ve diğer proteinleri belirli miktarlarda içerir [8]. Bu besiyerlerini oluşturan bileşenler iyi bilindiği için, bu besiyerlerine genellikle "tanımlanmış kültür besiyerleri" denir.

Kimyasal olarak tanımlanmış besiyerleri

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

 Bakteri veya mayanın genetik olarak modifiye edilmesi, belirli yağ asitleri, vitaminler, kolesterol ve amino asitlerin eklenmesiyle birlikte, bu ortamların bileşenlerinin üretilmesini sağlar [9].

Proteinsiz besiyerleri

Proteinsiz besiyerleri, hiç protein içermeyen ve bunun yerine sadece protein dışı unsurlar içeren besiyerleridir. Serum ilaveli besiyerleriyle karşılaştırıldığında, protein ilavesi yapılmamış besiyerlerinin kullanımı, daha fazla hücre çoğalmasını ve protein ekspresyonunu teşvik eder ve sonraki aşamalarda üretilen herhangi bir ürünün saflaştırılmasını kolaylaştırır [10-12]. MEM ve RPMI-1640 gibi formülasyonlarda protein bulunmaz. Ancak, gerekirse bir protein takviyesi verilebilir.

Kültür besiyerleri ve temel bileşenleri

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

Bu bileşenlere olan ihtiyaç her hücre hattı için farklıdır ve bu farklılıklar, çok sayıda farklı besiyeri formülasyonunun ortaya çıkmasına neden olmaktadır. Her bileşen belirli bir işlevi yerine getirir; bu işlevler aşağıdaki paragraflarda özetlenmiştir:

Tamponlama sistemleri

Optimum büyüme koşullarını sağlamak için pH'ın kontrol edilmesi gerekir; bu genellikle iki tamponlama sisteminden biri ile yapılır:

Doğal tamponlama sistemi

Atmosferdeki CO2/H2CO3 oranı, besiyerindeki oranla eşittir ve bu da doğal bir tamponlama mekanizması oluşturur. Doğal tamponlama mekanizmasını korumak için, kültürler %5-10 CO2 içeren bir hava ortamında tutulmalıdır; bu genellikle bir CO2 inkübatörü kullanılarak sağlanır. Doğal tampon kullanmanın en büyük avantajlarından biri, hem ucuz hem de güvenli olmasıdır.

HEPES

Zwitteriyon HEPES kullanılarak yapılan kimyasal tamponlama, 7,2-7,4 pH aralığında daha yüksek tamponlama kapasitesine sahiptir ve kontrollü bir gaz ortamı gerektirmez. Bazı hücre tipleri için yüksek dozda HEPES zararlı olabilir. HEPES içeren besiyerleri de aynı şekilde floresan ışığın fototoksik etkilerine karşı çok daha duyarlıdır [13].

Fenol Kırmızısı

pH göstergesi olan fenol kırmızısı, genellikle piyasada bulunan kültür ortamlarına dahil edilir ve pH'ın sürekli izlenmesini sağlar. Hücrelerin çoğalmasıyla, bu hücreler tarafından üretilen metabolitler pH'da bir kaymaya ve dolayısıyla ortamın renginde bir değişikliğe neden olur. Fenol kırmızısı, besiyerinin rengi üzerinde ikili bir etkiye sahiptir; asidik pH'da sarıya, alkali pH'da ise mora dönüşür. Hücre kültürü için optimal değer olan pH 7,4, besiyerinin floresan kırmızı görünmesine neden olur.

Ancak fenol kırmızısının birkaç dezavantajı vardır: İlk olarak, fenol kırmızısı başta östrojen olmak üzere bir dizi steroid hormonun etkisini taklit edebilir [14]. Bu nedenle, meme dokusu gibi östrojene duyarlı hücreler üzerinde çalışma yaparken fenol kırmızısı içermeyen bir besiyeri kullanılması önerilir. Sodyum-potasyum dengesi, birçok serumsuz formülasyonda fenol kırmızısının varlığı nedeniyle bozulur. Ortama serum veya sığır hipofiz hormonu eklenmesi bu etkiyi ortadan kaldırabilir [15]. Üçüncü olarak, akış sitometrisi deneylerinde tespit işlemi, fenol kırmızısının varlığı nedeniyle zorlaşır.

İnorganik tuzlar

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

Amino asitler

Amino asitler, proteinin temel bileşenleri oldukları için, bugüne kadar geliştirilmiş her hücre büyüme ortamının vazgeçilmez bir bileşenidir. Hücreler belirli amino asitleri kendi başlarına üretemedikleri için, kültür ortamının esansiyel amino asitleri içermesi önemlidir. Bunlar, hücrelerin çoğalması için gereklidir ve bunların bulunduğu konsantrasyon, ulaşılabilecek maksimum hücre yoğunluğunu belirler. Özellikle, esansiyel bir amino asit olan L-glutamin son derece önemlidir.

L-glutamin, metabolizma için ikincil bir enerji kaynağı olarak işlev görür ve NAD, NADPH ve nükleotidlerin üretimine azot sağlar. L-glutamin, zamanla hücrelerin kullanamayacağı bir forma dönüşen kararsız bir amino asit olduğu için, besiyerine eklenmesi gerekir.

Ayrıca, büyüme süreci boyunca tüketilen amino asitleri yenilemek amacıyla besiyerine esansiyel olmayan amino asitler de eklenebilir. Büyüme besiyerine esansiyel olmayan amino asitler eklendiğinde, hücrelerin büyümesi hızlanır ve canlılıkları artar.

Karbonhidratlar

Şeker formundaki karbonhidratlar, başlıca enerji kaynağıdır. Birçok besiyerinde, glikoz ve galaktoz gibi yaygın şekerlerin yanı sıra maltoz ve fruktoz da bulunur.

Proteinler ve peptitler

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

Albümin, kanda bulunan başlıca proteindir ve işlevi, su, tuzlar, serbest yağ asitleri, hormonlar ve vitaminler dahil olmak üzere çeşitli maddeleri farklı organlar ve hücreler arasında bağlayıp taşımaktır. Albüminin kimyasallara bağlanma yeteneği, onu hücrelerin kültürlendiği besiyerinden zararlı bileşikleri uzaklaştırmak için etkili bir aday haline getirir.

Aprotinin, nötr ve asidik pH'da kararlı olmasının yanı sıra yüksek sıcaklıklara ve proteolitik enzimlerin neden olabileceği tahribata dirençli olması nedeniyle hücre kültürü sistemlerinde koruyucu bir ajandır. Tripsin dahil olmak üzere bir dizi serin proteazı inhibe etme yeteneğine sahiptir.

Fetuin, yetişkin serumuna kıyasla fetal ve yenidoğan hayvanların serumunda daha yüksek miktarlarda saptanabilen bir glikoproteindir. Buna ek olarak, bir serin proteaz inhibitörü olarak da işlev görür. Fibronektin proteini, hücre yapışması sürecinde temel bir bileşendir. Transferrin, demiri taşıyan ve demiri hücre zarlarına ulaştırmaktan sorumlu bir proteindir.

Yağ asitleri ve lipitler

Serum bulunmadığında, serumsuz besiyerinde 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 besin takviyesi olarak vazgeçilmezdir.

Hücre kültüründe serum, vitaminlerin birincil kaynağıdır; ancak besiyerleri, belirli bir hücre tipine uygun hale getirmek için çeşitli vitaminlerle de zenginleştirilir. Genellikle büyümeyi teşvik etmek için B grubu vitaminler kullanılır.

Eser elementler

Bakır, çinko, selenyum ve trikarboksilik asit ara maddeleri gibi kimyasal elementler eser elementler olarak bilinir. Eser elementler, genellikle serumda bulunanları ikame etmek amacıyla serum içermeyen besiyerlerine eklenir. Bu elementler, sağlıklı hücre gelişimi için gerekli olan önemli kimyasal bileşenlerdir. Enzim aktivitesi gibi birçok biyokimyasal reaksiyon, belirli mikro besin maddelerine bağlıdır.

Besiyeri takviyeleri

Belirli hücre hatları için önerilen tam büyüme besiyeri, temel besiyeri ve serumda bulunmayan ek bileşenlere ihtiyaç duyar. Bu besin takviyeleri, hücre büyümesini ve uygun metabolik işlevi destekler.

Hormonlar, büyüme faktörleri ve sinyal molekülleri belirli hücre hatlarının uygun şekilde çoğalması için gerekli olsa da, aşağıdaki önlemler her zaman alınmalıdır: Takviyelerin eklenmesi, tam büyüme ortamının osmolalitesini değiştirebilir ve bu da hücre gelişimini engelleyebileceğinden, takviyeleri ekledikten sonra osmolaliteyi her zaman kontrol etmek tavsiye edilir. Çoğu hücre hattı için optimum osmolalite 260 ile 320 mOSM/kg arasındadır.

Antibiyotikler

Antibiyotikler, hücre büyümesi için gerekli olmasa da, bakteriyel ve fungal kontaminantların gelişimini engellemek amacıyla sıklıkla kullanılır [16]. Antibiyotikler, mikoplazma ve dirençli bakteriler kaynaklı kontaminasyonu gizleyebileceğinden, hücre kültürü için rutin olarak kullanılması önerilmez [17, 18].

Ayrıca, antibiyotikler aşırı duyarlı hücrelerin metabolizmasını bozabilir. MilliporeSigma ve Life Technologies tarafından üretilen penisilin-streptomisin kombinasyonları sıklıkla kullanılmaktadır. Plasmocin, TS603, TS516 ve BT260 gliom hücre hatlarının kültüründe kullanılmıştır [19] ve mikoplazma kontaminasyonunu ortadan kaldırmada etkili olduğu gösterilmiştir (20).

Serum

Serumda albüminler, büyüme faktörleri ve büyüme inhibitörleri bulunur. Serum, amino asitler, proteinler, vitaminler (özellikle A, D, E ve K gibi yağda çözünen vitaminler), karbonhidratlar, lipitler, hormonlar, büyüme faktörleri, mineraller ve eser elementler sağladığı için hücre kültürü besiyerinin en önemli bileşenlerinden biridir.

Kültürlenmiş hücrelerin gelişimini desteklemek için genellikle fetal ve dana sığır kaynaklı serum kullanılır. Fetal serum, büyüme faktörleri açısından zengindir ve hücre klonlaması ile hassas hücrelerin gelişimi için uygundur. Büyümeyi destekleme yeteneğinin daha düşük olması nedeniyle, dana serumu temas inhibisyon deneylerinde kullanılır. Normal büyüme ortamları genellikle %2 ila %10 oranında serum içerir. Kültür ortamına serum eklenmesi aşağıdaki amaçlara hizmet eder [21]:

  • Serum, hücreler için gerekli besin maddelerini (hem çözelti halinde hem de proteinlere bağlı olarak) sağlar.

  • Serumda, büyümeyi teşvik eden ve özel hücre aktivitesinde rol oynayan çeşitli büyüme faktörleri ve hormonlar bulunur.

  • Serum, diğer kimyasalları hücreye taşıyan albümin ve transferrin gibi birçok bağlanma proteini sağlar. Örneğin, albümin yağları, vitaminleri, hormonları vb. hücrelere taşır.

  • Ayrıca, hücrelerin substrata yapışmasını artıran fibronektin gibi proteinler de sağlar. Buna ek olarak, bölünmeden önce hücre genişlemesine yardımcı olan yayılma unsurları üretir.

  • Hücrelerde proteolizi önleyen proteaz inhibitörlerini sağlar.

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

  • Besiyerinin viskozitesini artırarak, süspansiyon kültürü çalkalama sırasında hücreleri mekanik hasardan korur.

  • Aynı zamanda bir tampondur.

Kaynakça

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

[2] Kerbel R, Blakeslee D. Kültürdeki memeli hücreleri tarafından fetal dana serumu bileşeninin hızlı adsorpsiyonu. Hücreye özgü antijenlere karşı antiserum çalışmalarında potansiyel bir artefakt kaynağı. Immunology. 1976;31:881-91

[3] Sula K, Draber P, Nouza K. Popliteal lenf düğümü testi yoluyla incelenen hücre aracılı reaksiyonlarda olası bir artefakt kaynağı olarak hücre süspansiyonlarının hazırlanmasında kullanılan besiyerine serum ilavesi. 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. Serumsuz besiyerinde kültürlenmiş hücrelerin büyütülmesine yönelik yöntemler. Anal Biochem. 1980;102:255-70

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

[7] Meharena H, Marco A, Dileep V, Lockshin E, Akatsu G, Mullahoo J, vd. Down sendromunun neden olduğu yaşlanma, nöral progenitörlerin nükleer yapısını bozar. Cell Stem Cell. 2022;29:116-130.e7

[8] Iscove N, Melchers F. Lipopolisakkarit reaktif B lenfosit kültürlerinde serumun albümin, transferrin ve soya lipidi ile tamamen ikame edilmesi. 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 proteinsiz bir besiyerinin sistematik olarak iyileştirilmesi. J Biotechnol. 1996;45:111-23

[10] Darfler F. Hibridomların ve bağışıklık sisteminin diğer hücrelerinin büyümesi için protein içermeyen bir besiyeri. 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. Proteinsiz besiyerlerinde Çin hamster hücre hatlarının klonal büyümesi. In Vitro. 1977;13:537-47

[13] Zigler J, Lepe Zuniga J, Vistica B, Gery I. Işığa maruz kalmış 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 besiyerlerindeki fenol kırmızısı zayıf bir östrojendir: kültürdeki östrojene duyarlı hücrelerin incelenmesi ile ilgili çıkarımlar. Proc Natl Acad Sci U S A. 1986;83:2496-500

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

[16] Perlman D. Hücre kültürü besiyerlerinde antibiyotik kullanımı. Methods Enzymol. 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. Ortamın değiştirilmesi ve hücre hatlarının pasajlanması. Nat Protoc. 2007;2:2276-84

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

[20] Molla Kazemiha V, Azari S, Amanzadeh A, Bonakdar S, Shojaei Moghadam M, Habibi Anbouhi M, ve ark. Hücre kültüründe yaygın olarak kullanılan antibiyotiklerle karşılaştırıldığında, mollicutes ile enfekte olmuş çeşitli memeli hücre hatlarında Plasmocin™'in etkinliği: yerel bir deneyim. Cytotechnology. 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