グルタミンおよびピルビン酸塩含有培地におけるMDCK細胞の成長に対する代謝フラックス分布の比較

哺乳類の細胞培養では、グルタミン代謝と乳酸が不完全なグルコース酸化のために排泄される結果として培地に放出されるアンモニアは、両方とも細胞の成長を本質的に阻害することが知られています。たとえば、ハイブリドーマ細胞など、一部の細胞株では、排泄されたアンモニアも製品の形成に影響を及ぼします。グルタミンは一般に哺乳類細胞の主要なエネルギー源と見なされていますが、グルタミンがピルビン酸塩で置換されている場合、グルタミンを含まない培地でも同様に、さまざまな接着細胞株（MDCK、CHO-K1、およびBHK21）が成長できることが最近発見されました。。このような培地では、放出されたアンモニアと乳酸の両方のレベルが大幅に減少しました。この研究では、代謝フラックス分析（MFA）を、グルタミン含有およびグルタミンを含まない培地で栽培したMadin Darby Canine腎臓（MDCK）細胞に適用されました。MFAの結果は、接着細胞の異なる成長段階におけるMDCK細胞の代謝に対するピルビン酸によるグルタミン置換の影響のさらなる調査を可能にしました。ピルビン酸はTCAサイクルに直接入るように見えましたが、消費されるグルコースのほとんどは乳酸として排泄されました。これまでのところ正確なメカニズムは明確ではありませんが、これにより、グルタミンを含まない培地の細胞代謝に必要なグルコース取り込みが減少しました。さらに、グルタミンをピルビン酸塩に置き換えると、無駄なサイクルによるATPの消費は大幅に減少するように見えました。これらの発見は、グルタミンを含まない培地が細胞による栄養素のより効率的な使用を好むことを意味します。しかし、多くの代謝フラックスは、考慮された2つの栽培で類似していました。たとえば、α-ケトグルタル酸塩をマロンに変換するTCAサイクルの分岐を介したアミノ酸の取り込みと分解率またはフラックスのほとんどは、ミトコンドリアATP合成の原因となります。。また、細胞成長の特定の速度は、両方の栽培でほぼ同じでした。したがって、グルタミン含有からグルタミンを含まない培地へのスイッチは、細胞代謝の劇的な変化なしに一連の利点を提供しました。

In mammalian cell cultures, ammonia that is released into the medium as a result of glutamine metabolism and lactate that is excreted due to incomplete glucose oxidation are both known to essentially inhibit the growth of cells. For some cell lines, for example, hybridoma cells, excreted ammonia also has an effect on product formation. Although glutamine has been generally considered as the major energy source for mammalian cells, it was recently found that various adherent cell lines (MDCK, CHO-K1, and BHK21) can grow as well in glutamine-free medium, provided glutamine is substituted with pyruvate. In such a medium the level of both ammonia and lactate released was significantly reduced. In this study, metabolic flux analysis (MFA) was applied to Madin Darby Canine Kidney (MDCK) cells cultivated in glutamine-containing and glutamine-free medium. The results of the MFA allowed further investigation of the influence of glutamine substitution with pyruvate on the metabolism of MDCK cells during different growth stages of adherent cells, e.g., early exponential and late contact-inhibited phase. Pyruvate seemed to directly enter the TCA cycle, whereas most of the glucose consumed was excreted as lactate. Although the exact mechanisms are not clear so far, this resulted in a reduction of the glucose uptake necessary for cellular metabolism in glutamine-free medium. Furthermore, consumption of ATP by futile cycles seemed to be significantly reduced when substituting glutamine with pyruvate. These findings imply that glutamine-free medium favors a more efficient use of nutrients by cells. However, a number of metabolic fluxes were similar in the two cultivations considered, e.g., most of the amino acid uptake and degradation rates or fluxes through the branch of the TCA cycle converting alpha-ketoglutarate to malate, which is responsible for the mitochondrial ATP synthesis. Besides, the specific rate of cell growth was approximately the same in both cultivations. Thus, the switch from glutamine-containing to glutamine-free medium with pyruvate provided a series of benefits without dramatic changes of cellular metabolism.