Stres oksydacyjny w hodowli komórkowej

Importance of oxidative stress in serum-free eukaryotic, including hybridoma and Chinese Hamster Ovary (CHO) cell, cultures

Oxygen, In Biomanufacturing; Tissue Engineering and Specialty Media:

Tlen dwucząsteczkowy jest niezbędnym składnikiem systemów hodowli komórkowej. Jednak tlen jest również silnym mediatorem toksyczności w hodowli komórkowej. Toksyczność przypisywana bezpośrednio i pośrednio tlenowi jest powszechnie określana jako stres oksydacyjny. Stres oksydacyjny jest konsekwencją silnych właściwości utleniania i chemii wolnych rodników tlenu. Stres oksydacyjny może być zwiększany lub zmniejszany przez inne składniki systemu hodowli komórkowej.

Stres oksydacyjny występuje we wszystkich mediach do hodowli komórkowej. Jest on szczególnie ważny w pożywkach bez surowicy i białek, ponieważ brakuje wielu właściwości antyoksydacyjnych surowicy. Wiele strategii formułowania stosowanych w celu opracowania pożywek bez surowicy i białek w rzeczywistości promuje stres oksydacyjny.

Stres oksydacyjny może modyfikować zarówno komórki, jak i produkty komórkowe. Może prowadzić do apoptozy komórek i/lub modyfikacji białek, sieciowania i wytrącania osadów. Jest to szczególnie ważne w przypadku biomodyfikacji białek terapeutycznych, takich jak przeciwciała monoklonalne i inżynieria tkankowa. Ekspert ds. mediów szczegółowo omawia stres oksydacyjny i zapewnia wgląd w to, jak zarządzać dostarczaniem określonych składników do komórek w systemach hodowlanych przy minimalnym promowaniu stresu oksydacyjnego. 

Podstawowe funkcje tlenu w systemach hodowli komórkowych:

Komórki beztlenowe wykorzystują tlen jako ostateczny akceptor elektronów w procesie oddychania komórkowego. W procesie tym tlen jest redukowany do wody, a energia jest magazynowana w postaci ATP.

Chemiczne właściwości tlenu, które czynią go użytecznym, jak i potencjalnie szkodliwym medium bez surowicy:

Wiele problemów z in vitro żywotnością i funkcjonowaniem komórek można przypisać tlenowi i jego wolnym rodnikom. Wolne rodniki definiuje się jako atomy lub cząsteczki zawierające jeden lub więcej niesparowanych elektronów. Są one wysoce reaktywne i biorą udział w wielu różnych reakcjach chemicznych. Zmieniając stany orbitali elektronowych lub przyjmując jeden elektron na raz, tlen występuje w kulturze komórkowej jako wiele gatunków jonowych i rodnikowych. Wiele z tych gatunków jest bezpośrednio lub pośrednio destrukcyjnych.

Domolekularny tlen w stanie podstawowym

Domolekularny tlen w stanie podstawowym jest wolnym rodnikiem, ponieważ posiada dwa niesparowane elektrony o spinie równoległym w zewnętrznym orbitalu p. Taka konfiguracja elektronów nie jest zbyt reaktywna. Ta konfiguracja elektronów nie jest bardzo reaktywna zgodnie z zasadą wykluczenia Pauliego. Jednak tlen w stanie podstawowym łatwo reaguje z rodnikami karbonylowymi, tworząc organiczny rodnik nadtlenowy. Karbonylowe rodniki allilowe, które są tworzone w wielonienasyconych kwasach tłuszczowych przez silne czynniki utleniające, takie jak wolny rodnik hydroksylowy i są jednymi z najważniejszych rodników karbonylowych in vitro i in vivo.

Tlen singletowy

Tlen singletowy występuje w dwóch stanach. Tlen singletowy, O₂ ¹δg, nie ma niesparowanych elektronów i nie jest rodnikiem. Powstaje w wyniku dostarczenia energii wystarczającej do odwrócenia spinu jednego elektronu i wepchnięcia go na wspólny orbital π. Usuwa to ograniczenie spinu opisane przez Pauliego dla wiązania dwuelektronowego. Bardziej reaktywny stan tlenu singletowego, O₂ ¹σg , jest rodnikiem, który zawiera dwa niesparowane elektrony o przeciwnych spinach na oddzielnych orbitalach π. Szybko rozpada się do ¹δg. W procesie tym traci energię w postaci światła. W odpowiednich warunkach tlen singletowy może powstawać w wyniku reakcji z porfiryną lub flawinami w obecności światła. Tlen singletowy może reagować z organicznymi sprzężonymi wiązaniami podwójnymi, tworząc endoperoksydy, dioksetany i wodoronadtlenki i nadtlenki oraz z organicznymi siarczkami, tworząc sulfotlenki.

Nadtlenek

Nadtlenek zawiera jeden dodatkowy niesparowany elektron i jest rodnikiem. Istnieje wiele sposobów powstawania wolnych rodników ponadtlenkowych in vitro. Jednym z nich jest interakcja tlenu ze składnikami łańcucha transportu elektronów w komórce. Nadtlenki reagują i redukują metale przejściowe, takie jak żelazo i miedź. Te zredukowane metale katalizują zestaw reakcji, w wyniku których powstają wolne rodniki hydroksylowe.

Nadtlenek

Nadtlenek zawiera dwa dodatkowe sparowane elektrony i nie jest rodnikiem. Gdy dwa rodniki ponadtlenkowe reagują w roztworze, ulegają reakcji znanej jako dysmutacja. Reakcja ta skutkuje przeniesieniem jednego elektronu i utworzeniem nadtlenku wodoru oraz tlenu w stanie podstawowym. Jony nadtlenkowe są protonowane w fizjologicznym pH i występują jako nadtlenek wodoru. Istnieje wiele dodatkowych sposobów tworzenia się nadtlenku wodoru w roztworze fizjologicznym.

Wolne rodniki hydroksylowe

Wolne rodniki hydroksylowe&powstają in vitro oraz in vivo w wyniku reakcji ogólnie określanej jako reakcja Fentona. Reakcja ta opisuje katalizowaną żelazem homolizę nadtlenku wodoru z utworzeniem jonu wodorotlenkowego i wolnego rodnika hydroksylowego. Miedź może również katalizować tę reakcję. Wolny rodnik hydroksylowy jest niezwykle reaktywnym utleniaczem. Chociaż powoduje uszkodzenia wszystkich klas biomolekuł, można argumentować, że jednym z jego najbardziej szkodliwych natychmiastowych skutków jest inicjacja peroksydacji lipidów. Peroksydacja lipidów jest zjawiskiem samonapędzającym się, w którym pośredniczy organiczny rodnik peroksylowy.

Organiczne rodniki nadtlenowe

Organiczne rodniki nadtlenowe powstają, gdy allilowe rodniki karbonylowe wiążą tlen w stanie podstawowym. Jest to niezwykle ważna reakcja in vitro i in vivo, ponieważ głównymi cząsteczkami, które podlegają tej chemii są wielonienasycone kwasy tłuszczowe (PUFA). Karbonylowe rodniki allilowe powstają, gdy wolne rodniki hydroksylowe odrywają atom wodoru od węgla allilowego. W ten sposób powstaje organiczny rodnik nadtlenowy, który uczestniczy w reakcji łańcuchowej utleniania lipidów, prowadzącej do uszkodzenia błony komórkowej i śmierci komórki.

Peroksynitryny:

Niektóre komórki produkują zewnątrzkomórkowy tlenek azotu jako cząsteczkę sygnalizującą. Nadtlenki reagują z tlenkiem azotu tworząc nadtlenoazotyny. Nadtlenoazotyny bardzo szybko reagują z dwutlenkiem węgla, tworząc rodniki tlenku węgla i dwutlenku azotu.

Reaktywność chemiczna tlenu jest ściśle kontrolowana in vivo, a komórki rozwinęły szeroki wachlarz mechanizmów obrony przed destrukcyjnymi formami tlenu. Pomyślny rozwój systemów hodowli komórkowych, które są stabilne i nietoksyczne, wymaga zrozumienia przyczyn i skutków działania rodników tlenowych

.