Zellkulturmedien - Für Ihre Zellen nur das Beste

Sie suchen ein paar nützliche Tipps und Tricks für Ihre neue Zellkultur?

In unserem Blogartikel "Tipps und Tricks für die Zellkultur" haben wir ein paar nützliche Produkte für Ihre Zellkultur zusammengestellt. Außerdem finden Sie dort eine kleine Übersicht über die wichtigsten Medienzusätze, Kits und Antibiotika, sowie deren Einsatz in der Zellklultur. 

Alternativen zum Fetalen Kälberserum

Zell- und Gewebekultur stellten lange Zeit einen Widerspruch zu einer vegetarischen oder veganen Ernährung, wenn man die Verwendung von fetalem Kälberserum (FBS oder FCS) genauer betrachtet. Dieses wird aus dem Blut von Föten gewonnen, die geschlachteten, trächtigen Kühen entnommen werden. Der jährliche Bedarf in der Forschung wird auf etwa 800.000 Liter FBS geschätzt, welches aus zwei Millionen Feten gewonnen wird. Dieses ethische Dilemma wird sehr ungern thematisiert, da man ungern, jahrzehntelange etablierte Methoden verändern will.

Die Möglichkeit von Alternativen wird vermehrt diskutiert und getestet. Neben ethischen Bedenken besteht auch ein wirtschaftliches Interesse die teuerste Komponente in der Zell- und Gewebekultur (ca. 1 EUR pro ml) langfristig zu ersetzen. Das Zusammenspiel bestimmter Hormone und Wachstumsfaktoren für die einen sogenannten „mitogenen“ Stimulus, der die Zellteilung initiiert, ist weiterhin noch nicht vollständig geklärt. Man vertraut weiterhin vielmehr einer undefinierten Zusammensetzung von Hormonen, Aminosäuren, Vitaminen, anorganischen Salzen oder Fettsäuren. Dabei besteht jedoch auch die Gefahr des Einbringens von toxischen Stoffen, bakteriellen Toxinen und unerwünschten Bakterien (insbesondere Mycoplasmen), Viren oder Prionen.

Die Zusammensetzung ist zudem einmalig und der geographischen Herkunft der Gewinnung (z.B. USA, Südamerika oder Ozeanien) abhängig, so dass streng genommen mehrere Faktoren den Erfolg der späteren Kultivierung beeinflussen. Der Prozess der Serumgewinnung aus trächtigen Kühen erfolgt teilweise unter nicht ethisch akzeptablen Bedingungen und schmerzfreien Bedingungen für den Fetus.

In den letzten Jahrzehnten hatte man zwar serumfrei, chemisch definierte Medien entwickelt, in denen Hormone oder Wachstumsfaktoren in gereinigter und definierter Form dem Medium zugesetzt werden. Der Bedarf an Kälberserum ist dennoch trotz aller Bemühungen, den Verbrauch zu reduzieren, weiter gestiegen.

Gstrauntahler und Lindl schlagen die Verwendung von Thromozytenextrakten, die aus Lysaten humaner Thrombozyten erzeugt werden, vor. Dabei spielen insbesondere die α-Granula innerhalb dieser Blutzellen eine entscheidende Rolle, da in Ihnen Wachstumsfaktoren gespeichert sind. Man geht davon aus, dass PDGF, FGF, TGF-b, VEGF die Faktoren sind, die für die Kultivierung von Zellen essenziell sind. Die Lysate werden den Basalmedien wie MEM, DMEM oder RPMI 1640 in einer 5%igen Konzentration beigefügt.

Eine neue innovative Idee stammt von einer Gruppe aus Singapur, die CHO- sowie mesenchymale Stammzellen in einem Medium mit dem Extrakt der Alge Chlorella vulgaris statt Kälberserum kultivierten. Gouldi und Defendi-Cho nahmen diese Erkenntnisse zum Anlass, ihre eigenen Experimente mit Chlorella vulgaris-Extrakten (CVE) aus Nahrungsergänzungsmitteln und Chlorella-Wachstumfaktgor (CGF) aus Chlorella pyrenoidosa als Flüssigkeit durchzuführen.  Beide Substanzen wurden in serum-freien DMEM gelöst, abzentrifugiert, wieder resuspendiert und mittels Massenspektrometrie (LC-MS) mit den Daten von fetalem Kälberserum verglichen. In einem Signal-Cluster stimmten alle drei überein, der größte darin enthaltene Peak stammte von Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD+) und/oder NAD-Phosphat (NADP+). Ihre ersten Experimente führten Sie mit HEK-293- (human embryonic kidney cells) sowie Rinder-Fibroblasten (Embryonic Bovine Tracheal cells, EBTr-Kulturen) durch. Es stellte sich zunächst nur eine Vitalitätsrate von 25% ein. CVE erwies sich zudem als geeigneter.

In weiteren Optimierungsversuchen verwendeten sie ein serumfreies Essentiel 8 Medium als Grundlage, das mit einer optimalen Rezeptur aus CVE, Insulin sowie den Wachstumsfaktoren basic-FGF und TGF-β ergänzt wurde. Die erzielte Vitalitätsrate von 75% ist vergleichbar mit einem Medium mit klassischem FCS. Die Wachstumsfaktoren regten zudem die Zellteilung an. Die wachstumsfördernde Wirkung von NAD(P) aus dem CVE wurde auch als positive Komponente diskutiert.

Die beiden Arbeiten zeigen, dass es durchaus möglich ist, fetales Kälberserum in der Zell- und Gewebekultur mittels einer Alternative zu ersetzen. Ethische, ökologische und ökonomische Gründe werden ernsthaft diskutiert. Mit definierten Komponenten im Kulturmedium werden auch Ergebnisse transparent und reproduzierbar. Chargengebundene Effekt lassen sich ausschließen. Die Gefahr der Kotaminationen durch Bakterien, Viren oder Prionen wird minimiert. Die Veränderung wäre vergleichbar mit der Verwendung von „Vitaminlösungen“ statt Hefeextrakten in Selektionsmedien für die Bakteriologie. Die Zukunft wird zeigen, welche Entwicklungen und Möglichkeiten sich für serumfreie Medien ergeben. Wer hätte auch schon vor 20 Jahren gedacht, dass man bei Fast-Food-Ketten vegane Burger serviert bekommt?

Literatur:

Defendi-Cho, G., & Gould, T. M. (2021). In Vitro Culture of Bovine Fibroblasts using Select Serum-Free Media Supplemented with Chlorella vulgaris Extract. bioRxiv.

Gstraunthaler, G., & Lindl, T. (2013). Zell-und Gewebekultur. Zell-und Gewebekultur, 10, 978-3.