Поживні середовища для культивування клітин: Огляд

У галузі медико-біологічних наук однією з найважливіших методологій є культура клітин. Вилучення клітин, тканин або органів у тварин або рослин і подальша імплантація цих клітин, тканин або органів у штучне середовище, сприятливе для їхнього виживання та/або росту, - це те, що мається на увазі під словосполученням "культура клітин" Фундаментальними умовами для оптимального розвитку клітин є контрольована температура, субстрат для прикріплення клітин, відповідне живильне середовище та інкубатор, який підтримує оптимальний рівень рН та осмоляльність. Клітини повинні мати ці умови для того, щоб повністю розкрити свій потенціал.

Вибір адекватного живильного середовища для культивування in vitro є найважливішим і водночас життєво важливим етапом у процесі культивування клітин. Поживне середовище, також відоме як культуральне середовище, - це рідина або гель, створений для стимулювання розвитку організмів у мікроскопічному, клітинному або рослинному масштабі. Середовище, що використовується для культивування клітин, часто містить достатню кількість енергії та речовин, які контролюють клітинний цикл. Основними компонентами живильного середовища є амінокислоти, вітаміни, неорганічні солі, глюкоза і сироватка. Сироватку додають до середовища, оскільки вона є джерелом факторів росту, гормонів і факторів прикріплення. Крім забезпечення поживними речовинами, середовище також сприяє підтримці рівня рН та осмоляльності.

Типи середовищ, що використовуються в культурі клітин

Клітини людини і тварин можна вирощувати як у штучному або синтетичному середовищі, так і в повністю природному середовищі, доповненому природними елементами. Нижче ми надамо вам огляд різних доступних на сьогодні типів середовищ.

Природні середовища

У природних середовищах можна знайти лише біологічні рідини, які існують у своєму природному стані. Природні середовища дуже зручні та прості для культивування широкого спектру типів клітин тварин. Недостатнє розуміння точних компонентів, що входять до складу природних середовищ, є основним фактором, що зумовлює низьку повторюваність результатів, отриманих з використанням природних середовищ.

Штучні середовища

Приготування штучних або синтетичних середовищ передбачає додавання поживних речовин (як органічних, так і неорганічних), сироваткових білків, вуглеводів, кофакторів, вітамінів і солей, а також газових фаз O2 і CO2 [1].

Різні типи штучних поживних середовищ були розроблені для виконання однієї або декількох з наступних функцій: 1) Негайне виживання (збалансований розчин солі з точним рН і осмотичним тиском). 2) Тривале виживання (збалансований сольовий розчин, доповнений різними складами органічних хімічних речовин та/або сироваткою). 3) Невизначений розвиток. 4) Спеціалізовані функції.

Існує чотири різні класифікації штучних поживних середовищ:

Поживні середовища, що містять сироватку

Найпоширенішою добавкою, яку можна знайти в середовищах для вирощування тваринних клітин, є фетальна сироватка великої рогатої худоби. Її додають до живильного середовища як недорогу добавку для досягнення найкращих умов росту. Крім того, що сироватка діє як транспортер або хелатор для нестабільних або нерозчинних у воді поживних речовин, гормонів і факторів росту, інгібіторів протеаз та інших речовин, вона також зв'язує і нейтралізує шкідливі молекули.

Безсироваткове середовище

Присутність сироватки в середовищі має ряд недоліків і може призвести до серйозних помилок в інтерпретації результатів імунологічних досліджень [2, 3]. Було створено безліч різних безсироваткових середовищ [4, 5]. Ці середовища, як правило, спеціально розроблені для підтримки культури одного типу клітин, наприклад, Knockout Serum Replacement і Knockout DMEM від Thermo Fisher Scientific, а також середовище mTESR від Stem Cell Technologies [6] для стовбурових клітин [7].

Крім того, ці середовища містять певну кількість очищених факторів росту, ліпопротеїнів та інших білків, які зазвичай містяться в сироватці крові [8]. Ці середовища часто називають "визначеними культуральними середовищами", оскільки компоненти, що входять до їх складу, добре вивчені.

Хімічно визначені середовища

До складу цих середовищ входять надчисті неорганічні та органічні компоненти, які не зазнали жодного забруднення. Вони також можуть включати чисті білкові добавки, такі як фактори росту.

генетична модифікація бактерій або дріжджів разом із додаванням певних жирних кислот, вітамінів, холестерину та амінокислот призводить до виробництва їхніх складових частин [9].

Безбілкові середовища

Безбілкові середовища - це середовища, які взагалі не містять білка, а натомість містять лише небілкові елементи. Порівняно з середовищами з додаванням сироватки, використання середовищ без білка сприяє більшій проліферації клітин та експресії білка, а також полегшує очищення будь-якого продукту, що утворюється в подальшому процесі [10-12]. Білок не входить до складу таких середовищ, як MEM і RPMI-1640. Однак, за необхідності, білкова добавка може бути додана.

Поживне середовище та його основні компоненти

Комерційні живильні середовища можна придбати у вигляді порошку або рідини, і вони часто містять різноманітні поживні речовини, такі як амінокислоти, глюкоза, солі, вітаміни та інші харчові добавки.

Потреби в цих компонентах відрізняються для кожної клітинної лінії, і ці відмінності зумовлюють велику кількість різних рецептур середовищ. Кожен компонент відповідає за певну функцію, яка буде описана в наступних параграфах:

Буферні системи

Для підтримання оптимальних умов росту необхідно контролювати рН, що часто здійснюється за допомогою однієї з двох буферних систем:

Природна буферна система

Співвідношення CO2/H2CO3 в атмосфері дорівнює співвідношенню в середовищі, створюючи природний буферний механізм. Для того, щоб зберегти природний буферний механізм, культури повинні утримуватися в повітряному середовищі з 5-10% CO2, що часто досягається за допомогою CO2-інкубатора. Однією з найкращих переваг використання природного буферу є його дешевизна та безпечність.

HEPES

Хімічна буферизація з використанням цвіттер-іонів HEPES має більшу буферну здатність в діапазоні рН 7,2-7,4 і не потребує регульованого газового середовища. Для певних типів клітин більша доза HEPES може бути шкідливою. Середовища, що містять HEPES, також набагато чутливіші до фототоксичної дії флуоресцентного світла [13].

Феноловий червоний

Індикатор рН феноловий червоний часто входить до складу комерційних поживних середовищ, що дозволяє здійснювати безперервний моніторинг рН. Метаболіти, що виробляються цими клітинами, розширюючи клітини, викликають зміну рН і, відповідно, зміну кольору середовища. Феноловий червоний має подвійний вплив на колір середовища, роблячи його жовтим при кислому рН і фіолетовим при лужному рН. рН 7,4, оптимальне значення для культури клітин, призводить до того, що середовище виглядає флуоресцентно-червоним.

Але феноловий червоний має кілька недоліків: По-перше, феноловий червоний здатний імітувати дію ряду стероїдних гормонів, в першу чергу естрогенів [14]. Тому при дослідженні чутливих до естрогенів клітин, таких як тканина молочної залози, рекомендується використовувати середовище, вільне від фенолового червоного. Натрієво-калієвий баланс порушується через присутність фенолового червоного в деяких безсироваткових середовищах. Додавання сироватки або гормону гіпофіза великої рогатої худоби до середовища може протидіяти цьому ефекту [15]. По-третє, присутність фенолового червоного перешкоджає виявленню в проточних цитометричних експериментах.

Неорганічні солі

Середовища, що містять неорганічні солі, такі як іони натрію, калію та кальцію, допомагають підтримувати осмотичну рівновагу і регулювати мембранний потенціал.

Амінокислоти

Оскільки амінокислоти є фундаментальними компонентами білка, вони є невід'ємним компонентом кожного середовища для росту клітин, яке коли-небудь було створено. Оскільки клітини не здатні виробляти певні амінокислоти самостійно, важливо, щоб живильне середовище містило незамінні амінокислоти. Вони необхідні для проліферації клітин, і концентрація, в якій вони присутні, визначає максимальну щільність клітин, якої можна досягти. Зокрема, L-глутамін, незамінна амінокислота, є особливо важливою.

L-глутамін функціонує як вторинне джерело енергії для метаболізму і постачає азот для виробництва NAD, NADPH і нуклеотидів. Через те, що L-глутамін є нестабільною амінокислотою, яка з часом переходить у форму, яку клітини не в змозі використовувати, він повинен надходити в середовище.

Крім того, в середовище можна додавати замінні амінокислоти, щоб поповнити ті, які були витрачені в процесі росту. Ріст клітин прискорюється, а їхня життєздатність підвищується, коли до поживного середовища додають замінні амінокислоти.

Вуглеводи

Вуглеводи у вигляді цукрів є основним джерелом енергії. Багато поживних середовищ містять мальтозу і фруктозу на додаток до більш поширених цукрів глюкози і галактози.

Білки та пептиди

Альбумін, трансферин і фібронектин є найбільш часто використовуваними білками і пептидами. Вони особливо важливі в середовищах, які не містять сироватки. Альбумін, трансферин, апротинін, фетуїн і фібронектин - це деякі з білків, які можна знайти в сироватці, яка є багатим джерелом білка.

Альбумін - це основний білок, що міститься в крові, і його функція полягає у зв'язуванні та транспортуванні різних речовин, включаючи воду, солі, вільні жирні кислоти, гормони та вітаміни, між різними органами та клітинами. Здатність альбуміну зв'язуватися з хімічними речовинами робить його ефективним кандидатом для видалення шкідливих сполук із середовища, в якому культивуються клітини.

Апротинін є захисним агентом у системах клітинних культур, оскільки він стабільний при нейтральному і кислому рН, а також стійкий до високих температур і руйнування, яке може бути спричинене протеолітичними ферментами. Він здатний інгібувати ряд серинових протеаз, зокрема трипсин.

Фетуїн - це глікопротеїн, який може бути виявлений у більшій кількості в сироватці крові плода та новонароджених тварин порівняно з сироваткою крові дорослих. Крім того, він діє як інгібітор серинової протеази. Білок фібронектин є важливим компонентом у процесі клітинної адгезії. Трансферин - білок, який транспортує залізо і відповідає за доставку заліза до мембран клітин.

Жирні кислоти та ліпіди

Відіграють вирішальну роль у безсироватковому середовищі, коли сироватка відсутня.

Вітаміни

Численні вітаміни необхідні для розвитку та проліферації клітин. Вітаміни не можуть вироблятися клітинами в достатній кількості, тому вони необхідні в культурі тканин як харчові добавки.

У культурі клітин сироватка є основним джерелом вітамінів, однак середовища також обробляють різними вітамінами, щоб зробити їх придатними для певного типу клітин. Найчастіше для стимуляції росту використовують вітаміни групи В.

Мікроелементи

Такі хімічні елементи, як мідь, цинк, селен і проміжні продукти трикарбонових кислот, відомі як мікроелементи. Мікроелементи часто додають до середовищ, які не містять сироватки, щоб замінити ті, які зазвичай присутні в сироватці. Ці елементи є важливими хімічними компонентами, необхідними для здорового розвитку клітин. Багато біохімічних реакцій залежать від певних мікроелементів, наприклад, активність ферментів.

Добавки до середовища

Повне живильне середовище, запропоноване для певних клітинних ліній, потребує додаткових компонентів, які відсутні у базовому середовищі та сироватці. Ці харчові добавки підтримують ріст клітин і відповідну метаболічну функцію.

Хоча гормони, фактори росту і сигнальні молекули необхідні для належної проліферації певних клітинних ліній, завжди слід дотримуватися наступних запобіжних заходів: Оскільки додавання добавок може змінити осмоляльність всього живильного середовища, що може пригнічувати розвиток клітин, завжди рекомендується перевіряти осмоляльність після додавання добавок. Для більшості клітинних ліній оптимальна осмоляльність знаходиться в діапазоні від 260 до 320 мОсм/кг.

Антибіотики

Антибіотики часто застосовують для пригнічення розвитку бактеріальних і грибкових забруднювачів [16], хоча вони не є необхідними для росту клітин. Оскільки антибіотики можуть приховувати забруднення мікоплазмою та резистентними бактеріями, їх рутинне використання для культури клітин не рекомендується [17, 18].

Крім того, антибіотики можуть порушувати метаболізм гіперчутливих клітин. Часто використовують комбінації пеніцилін-стрептоміцин, вироблені компаніями MilliporeSigma та Life Technologies. Плазмоцин був використаний у культурі клітинних ліній гліоми TS603, TS516 і BT260 [19], і було показано, що він ефективний у видаленні мікоплазмового забруднення [20].

Сироватка

Альбуміни, фактори росту та інгібітори росту присутні в сироватці крові. Сироватка є одним з найважливіших компонентів середовища для культивування клітин, оскільки вона містить амінокислоти, білки, вітаміни (особливо жиророзчинні вітаміни, такі як A, D, E і K), вуглеводи, ліпіди, гормони, фактори росту, мінерали та мікроелементи.

Сироватка з ембріональних і телячих джерел великої рогатої худоби часто використовується для сприяння розвитку культивованих клітин. Фетальна сироватка є багатим джерелом факторів росту і підходить для клонування клітин та розвитку чутливих клітин. Через знижену здатність стимулювати ріст телячу сироватку використовують в експериментах з контактним інгібуванням. Звичайні живильні середовища часто містять від 2% до 10% сироватки. Додавання сироватки до живильного середовища слугує наступним цілям [21]:

  • Сироватка забезпечує клітини необхідними поживними речовинами (як у розчиненому вигляді, так і у зв'язаному з білками стані).

  • Деякі фактори росту і гормони, що беруть участь у стимуляції росту і спеціалізованої клітинної активності, включені в сироватку.

  • Вона містить багато зв'язуючих білків, таких як альбумін і трансферин, які транспортують інші хімічні речовини в клітину. Наприклад, альбумін доставляє в клітини жири, вітаміни, гормони тощо.

  • Він також забезпечує білки, такі як фібронектин, які збільшують адгезію клітин до субстрату. Крім того, він виробляє елементи, які допомагають клітинам розростатися перед поділом.

  • Він містить інгібітори протеази, які запобігають протеолізу в клітинах.

  • Він також містить мінерали, такі як Na+, K+, Zn2+ та Fe2+.

  • Підвищує в'язкість середовища, захищаючи клітини від механічних пошкоджень під час перемішування суспензійної культури.

  • Також є буфером.

Список використаних джерел

[1] Morgan J, Morton H, Parker R. Живлення тваринних клітин у культурі тканин; початкові дослідження на синтетичному середовищі. Proc Soc Exp Biol Med. 1950;73:1-8

[2] Kerbel R, Blakeslee D. Швидка адсорбція компонента сироватки ембріонального теляти клітинами ссавців у культурі. Потенційне джерело артефактів у дослідженнях антисироваток до клітинно-специфічних антигенів. Імунологія. 1976;31:881-91

[3] Sula K, Draber P, Nouza K. Додавання сироватки до середовища для приготування клітинних суспензій як можливе джерело артефактів у клітинно-опосередкованих реакціях, що вивчаються за допомогою тесту підколінних лімфатичних вузлів. J Immunogenet. 1980;7:483-9

[4] Mariani E, Mariani A, Monaco M, Lalli E, Vitale M, Facchini A. Комерційні безсироваткові середовища: ріст гібридом та вироблення моноклональних антитіл. J Immunol Methods. 1991;145:175-83

[5] Барнс Д., Сато Г. Методи вирощування культивованих клітин у безсироватковому середовищі. Anal Biochem. 1980;102:255-70

[6] Yu H, Lu S, Gasior K, Singh D, Vazquez Sanchez S, Tapia Oта ін. HSP70 супроводжує без РНК TDP-43 в анізотропні внутрішньоядерні рідкі сферичні оболонки. Science. 2021;371:

[7] Meharena H, Marco A, Dileep V, Lockshin E, Akatsu G, Mullahoo Jта ін. Старіння, викликане синдромом Дауна, порушує ядерну архітектуру нейронних попередників. Клітинні стовбурові клітини. 2022;29:116-130.e7

[8] Iscove N, Melchers F. Повна заміна сироватки альбуміном, трансферином та соєвим ліпідом у культурах ліпополісахарид-реактивних В-лімфоцитів. J Exp Med. 1978;147:923-33

[9] Stoll T, Muhlethaler K, von Stockar U, Marison I. Систематичне вдосконалення хімічно визначеного безбілкового середовища для росту гібридом та виробництва моноклональних антитіл. J Biotechnol. 1996;45:111-23

[10] Дарфлер Ф. Безбілкове середовище для росту гібридом та інших клітин імунної системи. In Vitro Cell Dev Biol. 1990;26:769-78

[11] Barnes D, Sato G. Безсироваткові культури клітин: об'єднуючий підхід. Cell. 1980;22:649-55

[12] Hamilton W, Ham R. Клональний ріст клітинних ліній китайського хом'яка в безбілкових середовищах. In Vitro. 1977;13:537-47

[13] Zigler J, Lepe Zuniga J, Vistica B, Gery I. Аналіз цитотоксичних ефектів опроміненого світлом середовища, що містить HEPES. In Vitro Cell Dev Biol. 1985;21:282-7

[14] Berthois Y, Katzenellenbogen J, Katzenellenbogen B. Феноловий червоний у культуральних середовищах тканин є слабким естрогеном: наслідки для вивчення естроген-чутливих клітин у культурі. Proc Natl Acad Sci U.S.A. 1986;83:2496-500

[15] Карміол С. Розробка безсироваткових середовищ. In: Master JRW, редактор. Культура клітин тварин, 3-тє видання. Оксфорд: Видавництво Оксфордського університету; 2000.

[16] Перлман Д. Використання антибіотиків у поживних середовищах для культивування клітин. Methods Enzymol. 1979;58:110-6

[17] МакГерріті Г. Поширення та контроль мікоплазмової інфекції клітинних культур. In Vitro. 1976;12:643-8

[18] Мастерс Дж, Стейсі Г. Зміна середовища та пасажування клітинних ліній. Nat Protoc. 2007;2:2276-84

[19] Чакраборти А., Лаукка Т., Милликоскі М., Рінгель А., Букер М., Толсторуков М.та ін. Гістондеметилаза KDM6A безпосередньо відчуває кисень для контролю хроматину та долі клітин. Science. 2019;363:1217-1222

[20] Molla Kazemiha V, Azari S, Amanzadeh A, Bonakdar S, Shojaei Moghadam M, Habibi Anbouhi M та ін. Ефективність Плазмоцину™ на різних клітинних лініях ссавців, інфікованих молікутами, порівняно з загальновживаними антибіотиками в культурі клітин: локальний досвід. Цитотехнологія. 2011;63:609-20

[21] Краг Хансен У. Молекулярні аспекти зв'язування лігандів з сироватковим альбуміном. Pharmacol Rev. 1981;33:17-53

Ми виявили, що ви перебуваєте в іншій країні або використовуєте іншу мову браузера, ніж обрана в даний момент. Бажаєте прийняти запропоновані налаштування?

Закрити