細胞培養とインキュベーター【CO2を使う理由】

重炭酸緩衝系と5%CO2
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細胞培養とインキュベーター【CO2を使う理由】

 

なぜ,細胞培養でCO2インキュベーターを使うんですか?

本記事は,このような「なぜ?どうして?」にお答えします.

 

こんにちは.

博士号を取得後,派遣社員として基礎研究に従事しているフールです.

動物の細胞培養では,例外はありますが,37℃・5% CO2インキュベーターを使います.

なぜ,CO2インキュベーターなのでしょうか?

単なる37℃のインキュベーターではダメな理由はなんでしょうか?

本記事では,細胞培養でCO2インキュベーターを使う理由をまとめました.

 

サマリー・生体は,体液のpHを正常範囲に維持するために種々の緩衝系を有している.

・血液のpHを正常な範囲に維持する主要な緩衝系は,HCO3/CO2緩衝系である.

・細胞培養は,HCO3/CO2緩衝系を利用して,培地中のpHを一定の範囲に維持している.

生体に存在する緩衝系

健常人の動脈血のpHは7.37-7.42です.

そして,生体は,pHを正常範囲に維持するメカニズムをもっています.

本記事では,その詳細はまとめません.

詳細は生理学や生化学などの専門書を参考にしてください.

ココでは,代表的な生体の緩衝系だけをお示しします.

細胞外の緩衝系
① 炭酸水素イオン/二酸化炭素(HCO3-/CO2)緩衝系
② リン酸一水素イオン/リン酸二水素イオン(HPO42-/H2PO4-)緩衝系
細胞内緩衝系
③ 有機リン酸(ATP, ADP, AMPなど)
④ ヘモグロビン
呼吸の代償作用
腎の代償作用

細胞培養用の培地は炭酸水素イオン/二酸化炭素緩衝液

動物細胞の培養で使う培地には,以下のものを含んでいます.

1. 血清
2. グルコース
3. アミノ酸
4. ビタミン類
5. 各種イオン・その他栄養素

これは,血液の組成に近い組成となっています.

そして,細胞培養でもpHを正常範囲に維持するメカニズムが必要です.

血液の緩衝系が炭酸水素イオン/二酸化炭素(HCO3-/CO2)緩衝系なので,それにならって炭酸水素イオン/二酸化炭素(HCO3-/CO2)緩衝系が使われるようになりました.

培地を使う直前に,炭酸水素ナトリウム(NaHCO3)を加えていると思います(市販品の場合,すでに入っていることが多いです).

これは,培地を炭酸水素イオン/二酸化炭素緩衝液にするために加えています.

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炭酸水素イオン/二酸化炭素緩衝液で起きていること

重炭酸緩衝系

炭酸水素ナトリウム(NaHCO3)から供給されたHCO3は,細胞の代謝で生じた酸(H+)と結合し,二酸化炭素(CO2)と水(H2O)になります.

緩衝系の存在によって,酸(H+)は二酸化炭素(CO2)に形を変えました.

二酸化炭素(CO2)は揮発性の酸なので,培地の外へ気化して出ていきます

単なる37℃のインキュベーターではダメな理由

もし,インキュベーター内部にCO2が無ければ,緩衝液中のCO2が減っていきます(物質は濃度が高い方から低い方へ移動するので).

緩衝液中のCO2が減ると,炭酸水素ナトリウム(NaHCO3)の量が相対的に多くなるので,培地は塩基性側に偏ってしまいます.

単なるインキュベーターでは,pHを正常範囲に維持するメカニズムがくずれてしまいますね

5% CO2 37℃のインキュベーターの利用

重炭酸緩衝系5%CO2

インキュベーター内部にCO2を充満させると,緩衝液中のCO2と大気中のCO2が平衡になります.

よって,緩衝液中のCO2が減ることなく,pHを正常範囲に維持するメカニズムは機能し続けるわけです.

CO2 インキュベーターが利用できないとき

それでは,CO2インキュベーターが設置できない場合CO2インキュベーターの外で細胞培養しなければならない実験系では,どうすれば良いでしょうか?

そういう時は,HEPES緩衝系を利用します.

私は,細胞培養用培地へ,最終濃度が10-25 mmol/L HEPESとなるように加えています.

 

以上,細胞培養でCO2インキュベーターを使う理由でした.

最後までお付き合いいただきありがとうございました.

次回もよろしくお願いいたします.

2020年3月22日 フール