포유류 세포 배양용 물
포유류 세포 배양은 현대 생명과학 연구와 바이오 제조에 필수적입니다. 이러한 세포들은 생물학적 연구, 신약 개발, 백신 개발 및 바이오의약품 생산에서 핵심적인 역할을 합니다. 포유류 세포는 시험관 내에서 생리학적 조건을 재현함으로써, 과학자들이 세포의 행동을 연구하고, 새로운 치료법을 평가하며, 생물학적 제제를 안전하고 효율적으로 생산할 수 있게 해줍니다. 신뢰할 수 있고 재현 가능한 결과를 얻기 위해서는 무균 기법과 고품질의 정제수 사용을 포함한 최적의 배양 조건이 필요합니다.
세포 배양 유형: 1차 세포와 불멸화 세포주
세포 배양은 원핵생물 또는 진핵생물 세포를 통제된 조건 하에서 배양하는, 실험실에서 흔히 사용되는 기술입니다. 세포는 일반적으로 조직(1차 세포)이나 이미 확립된 불멸화 세포주(2차 세포)에서 분리됩니다. 종양 조직에서 유래한 경우를 제외하고는 1차 세포의 수명은 제한적인 반면, 불멸화 세포주는 무한정 증식할 수 있습니다. 또한 1차 세포와 불멸화 세포주를 융합하여 하이브리도마를 생성할 수 있으며, 이 기술은 단일클론 항체를 생산하는 데 사용됩니다. 1차 및 2차 세포와 조직의 복잡한 환경을 재현하려면 특수한 배양 배지가 필요합니다.
세포 배양의 응용 분야
대규모 포유류 세포 배양은 백신, 단백질, 효소, 항체 및 호르몬을 생산하기 위해 생명공학 분야에서 널리 사용됩니다. 세포 배양은 또한 제약 개발을 비롯한 많은 연구 분야에서 활용되며, 이 경우 세포는 암이나 심장병과 같은 질병을 연구하기 위한 모델로 사용됩니다. 배양된 세포는 유전체 분석, 표적 식별 및 검증, 고처리량 스크리닝(HTS)을 위한 세포 기반 분석, 투과성 분석, 그리고 치료용 단백질 생산에 사용됩니다. 현대적인 세포 배양 시스템에는 생세포 분석, 3D 세포 배양, 그리고 장기 기능을 모방하기 위한 복합 조직 배양이 포함됩니다. 이러한 세포 배양 시스템은 미세유체 기술을 활용하여 단일 세포를 배양하거나¹ 대용량 생물반응기를 사용하여 재조합 단백질 생산, 줄기세포 치료제 개발, 심지어 실험실에서 배양된 ‘배양육’²과 같은 다양한 용도를 위해 수백만 개의 세포를 배양할 수 있습니다.
세포 배양 배지의 구성 성분
배양 세포는 현탁 배양 또는 부착 배양(단층) 형태로 특정 배지에서 증식합니다. 세포 배양 배지에는 일반적으로 아미노산, 포도당, 비타민, 무기염, 지질이 포함되며, 동물 혈청, 성장 인자, 호르몬, 항생제, 항산화제 및 기타 성분이 포함될 수도 있습니다. 배지의 유형으로는 혈청 기반, 무혈청, 무동물성, 무단백질 및 화학적으로 정의된 배지가 있습니다. 세포가 건강하게 성장하기 위해서는 충분한 영양분이 공급되어야 하므로, 배지는 정기적으로 보충되어야 합니다. 또한, 부착형 세포주가 밀집도(가용 표면적 전체를 덮는 상태)에 도달하면 성장을 지속하기 위해 재배양해야 합니다. 배지의 준비나 교체 과정은 실험 결과에 영향을 미치거나 세포 주를 파괴할 수 있는 오염 위험을 수반합니다.
수질이 세포 배양에 미치는 영향
세포 오염의 위험을 방지하기 위해 각별한 주의를 기울여야 합니다. 오염은 세포의 성장과 특성을 변화시킬 수 있으며, 오염된 세포를 모르고 사용하면 부정확하거나 잘못된 결과를 초래할 수 있습니다.
물은 조직 또는 세포 배양 과정의 여러 단계에서 사용됩니다. 물은 완충액과 배지의 주성분이며, 첨가제 및 약물의 용해, 바이오리액터, 플라스틱 기구 및 유리 기구의 세척에 사용됩니다. 또한, 물은 오토클레이브 및 인큐베이터와 같은 세포 배양 작업과 관련된 많은 기기에서 사용됩니다. 따라서 수질은 세포 배양 실험 결과에 중요한 역할을 할 수 있습니다.
오염은 생물학적(세균, 곰팡이, 효모, 마이코플라스마, 바이러스, 원생동물 등)이거나 화학적(배지 조제에 사용되는 영양소, 물, 첨가제 또는 사용되는 플라스틱 기구의 오염으로 인한)일 수 있습니다.
박테리아, 효모 또는 곰팡이에 의한 세포 배양 오염은 항상 우려되는 문제이며, 과학자들은 이를 방지하기 위해 많은 노력을 기울입니다. 이러한 오염은 대개 육안이나 광학 현미경으로 확인할 수 있습니다. 화학 물질에 의한 오염 또한 배양 세포의 성장, 형태 또는 행동에 영향을 미칠 수 있지만, 육안으로는 감지되지 않을 수 있습니다.
세포 및 조직 배양에 미치는 수질 오염 물질의 영향
포유류 세포 배양에 영향을 미칠 수 있는 물에 자연적으로 존재하는 화합물로는 다음과 같은 것들이 있습니다:
세균
세균 오염은 배지의 pH를 급격히 변화시키고 순수 배양을 오염시킬 수 있습니다. 세균은 독소를 생성하여 세포의 성장과 기능, 클로닝 효율, 재조합 단백질 생산에 변화를 일으킬 수 있습니다.
내독소
내독소는 그람 음성균 세포벽에서 유래한 지질다당류(LPS)입니다. 이는 가장 흔한 유형의 발열원입니다. 대식세포와 단핵 식세포는 내독소 자극에 반응하여 다양한 염증 유발 사이토카인을 분비합니다. LPS는 심각한 손상을 일으키는 활성산소와 같은 초기 독성 효과와, 세포 기능 장애, 세포 사멸, 괴사와 같은 서서히 나타나는 독성 작용을 유발하는 것으로 알려져 있습니다. 포유류 세포 배양에는 내독소가 없는 물이 필요합니다.
무기 이온
수은, 납, 아연, 니켈, 크롬, 카드뮴과 같은 중금속은 신경교세포 및 신경세포를 포함한 다양한 세포에 독성을 미치는 것으로 입증되었다.
유기 화합물
작은 유기 분자(부식산, 탄닌, 농약, 내분비 교란 물질 등)는 천연수에 흔히 존재하며 수돗물에도 남아 있을 수 있습니다. 이러한 물질은 세포 발달에 영향을 미치는 것으로 알려져 있으므로, 실험실용 정제수 생산 과정에서 적절한 공정을 통해 제거되어야 합니다.
연구: 초여과 초순수가 조직 배양에 미치는 영향
성체 쥐의 심장 조직에서 심근세포를 분리하였다. HEPES 기반 완충액으로 세척한 후, 최소 필수 배지(MEM)에 현탁시켜 라미닌으로 코팅된 배양 접시에 접종하였다. 추출 절차 및 배양에 필요한 완충액을 조제하는 데 초순수를 사용하였다.
두 가지 유형의 물을 사용했다: 갓 정제된 초여과 초순수(물 A)와 사용 전 보관되었으며 초여과 처리를 거치지 않은 초순수(물 B)이다. 물의 품질이 심근세포의 생존력에 미치는 영향을 연구했다.
갓 정제되고 한외여과된 초순수(물 A)로 완충액을 조제했을 때, 길쭉하고 줄무늬가 있는 모양에서 알 수 있듯이 많은 수의 생존 가능한 심근세포가 얻어졌다(그림 1A). 그러나 사용 전에 보관되어 한외여과 처리를 거치지 않은 초순수(물 B)를 사용했을 때는 생존 가능한 세포가 거의 얻어지지 않았다(그림 1B).
그림 1물 A(A) 또는 물 B(B)를 사용하여 준비한 분리 심근세포의 현미경 사진. 이미지 제공: 프랑스 크레테일 의과대학 INSERM U660 소속 C. Plin 및 R. Zini 박사.
플라스틱 카보이 용기에 초순수를 보관하는 동안 박테리아가 번식하여 내독소를 방출할 가능성이 높습니다. 본 연구에서 ‘물 B’의 박테리아 농도는 약 4,000 cfu/mL였으며, 내독소 농도는 8 EU/mL였습니다. ‘물 B’에 포함된 내독소 농도는 심근세포 분리 과정에서 세포에 유해한 영향을 미칠 만큼 높은 수준이었습니다.
결론적으로, 세포 및 조직 배양에는 초순수를 사용하는 것이 권장됩니다. 갓 정제된 초순수를 사용하고, 정수 시스템의 사용 지점에 한외여과 카트리지(Biopak® 폴리셔)를 설치하면, 세포 및 조직 배양 결과에 중대한 영향을 미칠 수 있는 내독소 오염 위험을 제거할 수 있습니다.
물에서 내독소를 제거하기 위한 한외여과
내독소(또는 LPS)는 박테리아가 방출하는 독성 분자입니다. 이는 다양한 유형의 세포의 성장, 기능 및 복제 효율에 영향을 미칠 수 있으므로, 세포를 다루는 연구자들에게 우려의 대상이 됩니다.
LPS는 긴 복합 다당류 꼬리에 공유 결합된 매우 소수성인 지질 그룹(지질 A)으로 구성되어 있어, 수용액에서 큰 응집체를 형성하는 경향이 있습니다. 한외여과는 여과 과정을 통해 내독소를 제거하는 막 기반 기술입니다.
그림 2에 제시된 데이터는 초여과기를 통한 내독소 제거 효율을 보여줍니다. Biopak® 폴리셔는 대량의 내독소도 확실하게 제거하는 초여과 장치입니다. 이 초여과기는 정수 시스템의 출구에 설치됩니다. 이 장치를 통해 공급되는 물은 내독소와 박테리아가 제거되어 있으며, 오토클레이브 처리가 필요하지 않습니다.
그림 2울트라필터(Biopak® 폴리셔)를 이용한 내독소 제거 시연.
세포 배양용 내독소 무함유 정제수
결론적으로, Biopak® 폴리셔와 같은 한외여과 카트리지를 통해 정제된 초순수(Type 1) 물(저항률 18.2 MΩ•cm, 낮은 TOC 수준)은 세포 배양 배지 조제에 적합합니다. 이 물은 박테리아와 내독소는 물론 화학적 오염 물질도 포함되어 있지 않습니다. 한외여과는 필요에 따라 세균 및 내독소가 없는 물을 효율적이고 간편하게 얻을 수 있는 방법입니다. 물을 오토클레이브 처리할 필요가 없습니다. 한외여과를 통해 정제된 초순수는 줄기세포 배양을 포함한 세포 배양에 안전하게 사용할 수 있습니다.
모든 유형의 세포 배양을 다루는 과학자들의 요구에 맞춘 다양한 정수 솔루션이 제공됩니다.