Hücre kültürü ortamları, hücrelerin in vitro hayatta kalmasını, çoğalmasını ve fonksiyonlarını desteklemek üzere özel olarak formüle edilmiş sıvı veya jel maddelerdir. Bu ortamlar, amino asitler, vitaminler, inorganik tuzlar ve glikoz gibi temel besinlerin yanı sıra pH’ı, osmolalitesi düzenleyen tampon ajanlar ve genellikle serum gibi tamamlayıcı bileşenler içerir ve hücrelerin tutunması ile büyümesini destekler.

Hücre kültürü ortamları, in vivo fizyolojik koşulları taklit eden yapay bir çevre görevi görür; böylece hücreler normal metabolik işlevlerini sürdürebilir, bölünme döngülerini gerçekleştirebilir ve organizma dışında özgül fenotiplerini ifade edebilirler. Bu ortamların bileşimi ve formülasyonu, tür, hücre tipi ve amaçlanan uygulamaya göre değişiklik gösterir; temel çoğalmadan özel farklılaşma ya da rekombinant protein üretimine kadar çeşitlilik arz etmektedir.

^{Hücre Kültürü Ortamı (Yapay zeka ile üretilmiştir)}

Hücre Kültürü Ortamı Türleri

Doğal Ortamlar

Doğal ortamlar, plazma, serum, lenf veya doku özütleri gibi biyolojik kaynaklardan doğrudan elde edilir. Doku kültüründe kullanılan ilk ortamlar arasında yer alırlar ve doğal büyüme faktörleri, hormonlar ile adezyon molekülleri bakımından zengindir. Ancak bileşimleri genellikle tanımsızdır ve partiler arasında değişkenlik gösterir, bu da kontrollü deneylerde tekrarlanabilirliği sınırlar. Bu nedenle, daha standart formülasyonlar tarafından büyük ölçüde yerleri alınmıştır.

Yapay (Sentetik) Ortamlar

Yapay veya sentetik ortamlar, iyi tanımlanmış kimyasal bileşenlerden oluşur ve hücre büyümesi için tutarlı ve tekrarlanabilir ortamlar sağlamak üzere formüle edilir. Bunlar şu şekilde alt gruplara ayrılır:

Dengeli Tuz Çözeltileri (BSS): Temel iyonları içerir ve osmotik dengeyi sağlar (örn. PBS, HBSS). Tek başlarına uzun süreli kültür için yetersizdirler ancak daha karmaşık ortamların temelini oluştururlar.
Bazal Ortamlar: Minimum Essential Medium (MEM) ve Dulbecco’s Modified Eagle Medium (DMEM) gibi amino asitler, vitaminler, tuzlar, glikoz ve tampon ajanları sağlar. Birçok adeziv ve süspansiyon hücresi için uygundur.
Karmaşık Ortamlar: RPMI-1640 ve Iscove's Modified Dulbecco’s Medium (IMDM) gibi daha zenginleştirilmiş ortamlar, özellikle lenfositler ve hibritomalar gibi metabolik olarak daha talepkar veya hızlı büyüyen hücreler için kullanılır.
RPMI-1640, özellikle hematopoetik hücreler başta olmak üzere birçok memeli hücresinin kültüründe yaygın olarak kullanılan, çok amaçlı bir hücre kültürü ortamıdır. Bu ortam, başlangıçta Buffalo, New York’taki Roswell Park Memorial Institute (RPMI) tarafından geliştirilmiş olup, McCoy’s 5A ortamının modifiye edilmiş bir versiyonudur. RPMI-1640, periferik kan lenfositlerinin uzun süreli kültürü için optimize edilmiştir. Diğer birçok memeli hücre kültürü ortamından farklı olarak, bikarbonat tampon sistemi kullanır ve genellikle pH 8 seviyesinde formüle edilir.

2023 yılında Sabancı Üniversitesi Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi Biyolojik Bilimler ve Biyo Mühendislik programında yapılan çalışmada, insan kemik iliğinden izole edilen mezenkimal kök hücrelerin (BM-MSC) beyin benzeri endotel hücrelerine (BLEC) farklılaştırılması için kapsamlı bir protokol geliştirilmiştir. Çalışmada, BM-MSC’lerin farklılaşma sürecinde üç farklı ortam (Endopan, EGM-2, IMDM) kullanılmış ve IMDM ortamının BLEC farklılaşmasını desteklemede üstün olduğu belirlenmiştir. Ayrıca, retinoik asit (RA) ilavesi ile farklılaşma süresi 14 günden 9 güne indirgenmiştir. Hipoksiyi taklit etmek amacıyla kullanılan kimyasal düzenleyiciler CoCl₂ (200 μM) ve Na₂SO₃ (4 mM) ile beyin endotel hücre spesifik markerlarının (occludin, CD-31, ZO-1, claudin-5) ekspresyonunda anlamlı artış gözlenmiştir. Fetal bovin serum (FBS) ve sentetik serum B27 karşılaştırıldığında, FBS’nin BLEC farklılaşmasını desteklemede daha etkili olduğu ortaya konmuştur. Son olarak, Matrigel üzerinde tüp oluşumu testi ile farklılaştırılan hücrelerin fonksiyonel endotelyal özellikler gösterdiği doğrulanmıştır. Sabancı Üniversitesi’nde yapılan bu çalışma, kök hücrelerin kültür ortamı ve farklılaştırma protokollerinin optimizasyonuna yönelik önemli veriler sunarak, insan kaynaklı tam fonksiyonel kan-beyin bariyeri modellerinin geliştirilmesine katkı sağlamaktadır.

Suplementasyon

Serum İçeren Ortamlar

Genellikle fetal sığır serumu (FBS) bazal ortamlara eklenir ve hücre büyümesini artırır. Albümin, hormonlar, büyüme faktörleri, lipidler ve adezyon molekülleri sağlar. Ancak serumun tanımsız yapısı ve parti değişkenliği standartlaştırmayı zorlaştırır.Fetal bovin serumunun (FBS) kullanımı, özellikle sığır süngerimsi ensefalopatisi gibi bulaşıcı hastalık riskleri nedeniyle sınırlandırılmıştır. Buna ek olarak, ticari FBS örneklerinin %20 ila %50’sinin virüs pozitif olduğu rapor edilmiş ve bu durum etik açıdan da ciddi tartışmalar yaratmıştır. Bu nedenle, hayvansal kaynaklı içerikler içermeyen, üretim verimliliğini artıran, saflaştırma süreçlerini kolaylaştıran ve aynı zamanda maliyet açısından da uygulanabilir olan kültür ortamlarının geliştirilmesi önemli bir gereksinim hâline gelmiştir. Ayrıca ökaryotik hücrelerin kültüründe %20’ye kadar veya daha yüksek oranlarda kullanılabilir. FBS, hücrelerin canlı kalmasını ve çoğalmasını destekleyen temel besin maddeleri ile büyüme faktörlerini sağlayarak hücre kültürü ortamının işlevselliğini artırır.

Serumsuz ve Kimyasal Olarak Tanımlanmış Ortamlar

Serum içermeyen hücre kültürü ortamları, hidrolizatlar, amino asitler, vitaminler ve inorganik tuzlar gibi çeşitli büyüme faktörlerini içerecek şekilde formüle edilir. Bu ortamlar, serum içeren sistemlerde karşılaşılabilecek tanımsız bileşen kaynaklı değişkenlikleri ve kontaminasyon risklerini en aza indirmeyi amaçlar. Ancak bazı serum içermeyen ortamlar yine de serum albümini, hormonlar, taşıyıcı proteinler ve hücre tutunmasına yardımcı maddeler gibi hayvansal kökenli içerikler barındırabilir. Bu tür bileşenler, karmaşık yapılarından dolayı analitik olarak tam tanımlanamamakta ve potansiyel viral bulaş riski taşımaktadır. Özellikle yüzeye tutunma gereksinimi olmayan hücre hatlarında bu ortamlar oldukça başarılı olurken, içeriklerinin değişkenliği ve biyogüvenlik açısından oluşturdukları riskler önemli sınırlamalar yaratmaktadır.

S. Öztürk ve arkadaşları tarafından yapılan çalışma, serum içermeyen (serum-free) kültür ortamlarında hücrelerin proliferasyonunu ve bazı büyüme faktörleri ile sitokinlerin salgılanmasını optimize etmeye yönelik koşulları incelemiştir. İstanbul Üniversitesi araştırmacıları tarafından yürütülen bu çalışmada, ticari ürün üretiminde kullanılan hücre hatlarının serum içermeyen ortamlarda çoğalmasını ve hedef proteinlerin ekonomik olarak elde edilmesini sağlamak amacıyla farklı ortamların etkileri değerlendirilmiştir. Bulgular, serum içermeyen ortamların hücre büyümesini destekleyebildiğini, ancak ortam bileşenleri ile kültür koşullarının dikkatli optimize edilmesinin hücre fonksiyonları ve verimliliği açısından kritik olduğunu ortaya koymuştur. Çalışma, biyofarmasötik üretim süreçlerinde serum-free ortamların etkin kullanımına dair önemli bilgiler sunmaktadır.

^{Hücre Kültüründe Kullanılan Ortamlar (Yapay zeka ile üretilmiştir)}

Ortam Optimizasyonu ve Kullanımı

Seçim Kriterleri

Her hücre tipi için optimal ortam, besin gereksinimleri, tutunma özellikleri, büyüme kinetiği ve araştırılan biyolojik soruya bağlıdır. Bazı ortamlar nöronal farklılaşma gibi özgül işlevlere uyarlanırken, diğerleri genel çoğalmayı destekler.

Kültür Modları

Parti Kültürü: Kültür süresince tek bir ortam bileşimi kullanılır. Besinler zamanla tükenir, atık ürünler birikir; alt kültür veya ortam değişimi gerekir.
Beslemeli Parti Kültürü: Kültür sürecinde besinler kademeli olarak eklenir. Bu, canlılık ve üretkenliği uzatır; biyoreaktörlerde ve protein üretim sistemlerinde yaygın kullanılır.

Optimizasyon Parametreleri

Ortam performansını etkileyen temel unsurlar arasında glikoz konsantrasyonu, glutamin stabilitesi, amino asit oranları, pH tamponlama, osmolalitesi ve redoks dengesi yer alır. Bu parametrelerin dikkatli ayarlanması, hücre canlılığını, üretkenliğini ve fonksiyonel tutarlılığını artırır.

Limiting factors in Escherichia coli fed-batch production of recombinant proteins” başlıklı çalışmada (Sandén et al., 2002), E. coli hücrelerinde fed-batch stratejisinin rekombinant protein üretimine etkisi detaylı şekilde incelenmiştir. Yüksek spesifik büyüme hızında (μ = 0.5 h⁻¹) indüklenen kültürlerde, düşük hızda indüklenenlere (μ = 0.1 h⁻¹) göre yaklaşık %100 daha fazla β-galaktosidaz üretildiği ve ürünün toplam hücre proteininin %30’una kadar ulaştığı belirtilmiştir. Transkripsiyon seviyeleri iki koşulda benzer bulunsa da, ribozomal RNA (rRNA) miktarının büyüme hızına paralel olarak azaldığı gözlemlenmiştir; bu da translasyon kapasitesinin sınırlayıcı bir faktör olduğunu göstermektedir. Ayrıca, yüksek üretim hızında asetat birikimi gözlenmiş, bu durumun Krebs döngüsü ara ürünlerinin tükenmesine ya da glisin ve alanin açısından fakir olan model proteine bağlı amino asit dengesizliğine işaret ettiği öne sürülmüştür. Bulgular, yüksek spesifik büyüme hızının ürün verimini artırdığını ancak metabolik yükü de beraberinde getirdiğini; buna karşın düşük hızın ise karbon ve enerji sınırlamalarıyla üretimi kısıtladığını ortaya koymaktadır. Bu nedenle, fed-batch üretim sistemlerinde büyüme hızının dikkatli şekilde optimize edilmesi, verimli rekombinant protein sentezi için kritik bir parametre olarak öne çıkmaktadır.

^{Bir Grup Türk Araştırmacı (Yapay zeka ile üretilmiştir)}

İzmir’de bir deri fabrikasının yan ürünlerinden izole edilen Bacillus sp. L21 suşu, alkalin proteaz üretimi potansiyeli olan bir bakteri olarak tanımlanmıştır. Suşun fenotipik ve genotipik kimliklendirmesi tamamlanmış ve endüstriyel ölçekte kullanılmak üzere düşük maliyetli bir enzim üretim ortamı geliştirmek amacıyla çalışılmıştır. Bu çalışmada, farklı karbon ve azot kaynakları taranmış; en uygun ortam bileşenleri olarak soya fasulyesi unu, maltos, Tween 80 ve başlangıç pH değeri belirlenmiştir. Deneysel tasarım ve yanıt yüzeyi metodolojisi (RSM) kullanılarak ortam optimizasyonu yapılmış ve istatistiksel analizler sonucunda, 3,0 g/l soya fasulyesi unu, 30-40 g/l maltos, 0,35 g/l Tween 80 ve başlangıç pH 8,0 koşullarında maksimum proteaz aktivitesine ulaşıldığı tespit edilmiştir. Bu çalışma, Türkiye’de yapılan biyoteknolojik ortam optimizasyon çalışmalarına önemli bir örnek teşkil etmekte ve alkalin proteaz üretiminde maliyet etkin ortam tasarımının başarısını göstermektedir.

Hücre Kültürü Ortamları