Zellkulturmedium

Ein Zellkulturmedium bezeichnet in der Zellkultur ein Nährmedium, das für die Kultur von eukaryotischen Zellen verwendet wird.

Eigenschaften

Nährmedien für die Kultur von Tierzellen sind ausschließlich Flüssigmedien. Sie umfassen RPMI-1640, Basal Medium Eagle (BME), Eagle’s Minimal Essential Medium, Dulbecco's Modified Eagle Medium, α-MEM (Minimum Essential Medium Eagle–alpha Modifikation), Ham's F-10, Ham's F-12, Glasgow Minimum Essential Medium (GMEM), Iscove’s Modified Dulbecco’s Medium (IMDM), Leibovitz's L-15 Medium, McCoy's Medium und für die Insektenzellkultur Trichoplusia ni Medium-Formulation Hink (TNM-FH, z. B. Grace's Insect Medium, Supplemented).[1][2] Oftmals wird auch eine 1:1-Mischung von DMEM und Ham's F-12 verwendet, dass die hohe Glucosekonzentration von DMEM mit der hohen Aminosäurekonzentration von Ham's F-12 kombiniert.

Zellkulturmedien sind isotonisch. Die Osmolalität von Blutplasma in Säugern beträgt circa 290 mosm/kg H2O.[3] Bei Medien für Säugerzellen liegt daher die Osmolalität zwischen 270 mosm/kg H2O für RPMI-1640 und 340 mosm/kg H2O für DMEM.[3] Um eine ausreichende Versorgung mit Luftsauerstoff zu ermöglichen, ist weniger als ein Zentimeter Höhe an Medium über den Zellen. Bei Insektenkulturen wird die Osmolalität auf etwa 360 mosm/kg H2O eingestellt.[3] Medien für Amphibienzellen haben eine deutlich niedrigere Osmolalität. Wenn HEPES als zusätzliche Puffersubstanz hinzugegeben wird, muss die Konzentration an Natriumchlorid stöchiometrisch entsprechend gesenkt werden.[3]

Zusammensetzung (Auswahl)

Verschiedene MEM-Derivate, in [mg/L]
BestandteilBME[4]MEM[5]α-MEMa[6]DMEM[7]IMDM[8]
Glycin503030
L2525
L-Arginin × HCl211261268484
L × H2O5025
L3030
L × HCl × H2O10091,4
L × 2 HCl16313163
L7575
L292292292584584
L83142
L × HCl × H2O424242
L265252105105
L265252105105
L × HCl36,477373146146
L-Methionin7,515153030
L16,532326666
L4040
L254242
L2448489595
L-Tryptophan410101616
L, Dinatriumsalz × 2 H2O265252104104
L23,546469494
Ascorbinsäure50
Biotin10,10,013
Cholinchlorid11144
D1114
Folsäure11144
Niacinamid11144
Pyridoxal × HCl11144
Riboflavin0,10,10,10,40,4
Thiaminhydrochlorid11144
Vitamin B121,360,013
i-Inositol2227,27,2
Calciumchlorid (CaCl2) (anhyd.)200200200200165
Eisennitrat (Fe(NO3)3 × 9 H2O)0,1
Kaliumnitrat0,076
Kaliumchlorid (KCl)400400400400330
Magnesiumsulfat (MgSO4) (anhyd.)97,6797,6797,6797,6797,67
Natriumhydrogencarbonat (NaHCO3)22002200220037003024
Natriumchlorid (NaCl)68006800680064004505
Natriumdihydrogenphosphat (NaH2PO4 × H2O)140140140125125
Natriumselenit0,017
D-Glucose (Dextrose)1000100010001000/45004500
Liponsäure0,2
Phenolrot1010101515
Natriumpyruvat110110110
HEPES5958

Zusätze

Dem Medium wird oftmals 10 % Volumenanteil an FCS (auch FKS) hinzugefügt, das Wachstumsfaktoren enthält. Da Proteine für die meisten Zelltypen nicht in der üblichen Nahrung vorkommen (außer bei manchen Blutzellen), denn diese werden im Gegensatz zu kleineren Molekülen in den Blutgefäßen im Blutkreislauf zurückgehalten, wird FCS zur Denaturierung der Proteine hitzeinaktiviert.[9] Daneben wird die Aminosäure Glutamin aufgrund einer Neigung zur Hydrolyse sowie Natriumhydrogencarbonat aufgrund einer Neigung zum Ausgasen bei einem pH-Wert von 7,4 frisch zugegeben.[9] Die Glutaminlösung sollte in Aliquots aufgeteilt bei −20 °C aufbewahrt werden, ebenso sollten glutaminhaltige Medien bei 4 °C aufbewahrt werden, um eine Hydrolyse zu minimieren.[9]

Glutaminzusätze[9]
MediumVolumen einer
200 mM Glutaminlösung
in [ml/l]
Glutamin-Endkonzentration
in [mg/l]
BME Earle10,0292,3
BME Hanks10,0292,3
DMEM (Dulbeccos MEM)20,0584,6
DMEM/Ham F-1212,5365,0
Glasgow MEM10,0292,3
Ham's F-105,0146,2
Ham's F-125,0146,2
IMDM (Iscoves DMEM)20,0584,6
L-15 Medium (Leibovitz)10,3300,0
McCoy 5a7,5219,15
Medium 199 Earle3,4100,0
Medium 199 Hanks3,4100,0
MEM Earle10,0292,3
MEM Hanks10,0292,3
MEM Spinner10,0292,3
RPMI-164010,3300,0
Williams Medium E10,0292,3

200 mM Glutamin entspricht in den meisten Fällen einer 100× Stammlösung. Die Endkonzentration im Medium ist dann 2 mM.

Zur Verstärkung der Pufferwirkung des Mediums wird gelegentlich HEPES zugesetzt, wobei die Konzentration von Natriumchlorid stöchiometrisch gemindert wird, um isotonisch zu bleiben. Bei Lymphozyten der Maus wird oftmals als Reduktionsmittel 50 – 200 μM β-Mercaptoethanol hinzugefügt.[3] Der Nutzen ist umstritten.[3] In der serumfreien Zellkultur ist β-Mercaptoethanol ohne Zugabe von BSA toxisch.[3]

Serumfreies Medium

Für die pharmazeutische Produktion werden dagegen definierte Medien (d. h. ohne unbekannte Komponenten) ohne Bestandteile tierischen Ursprungs (weniger Kontaminationsgefahr) verwendet. Diese enthalten anstatt FCS 5 mg/L bovines Insulin, 5 mg/L humanes Transferrin und 5 μg/L Natriumselenit und, je nach Zelltyp, weitere Zusätze.[10] Ersatzmöglichkeiten für Serum bei verschiedenen Zelllinien sind in der Datenbank Fetal Calf Serum Free Database aufgeführt.[11]

Passende Medien

Medien-Zelltyp-Kombinationen[12]
ZelllinieZellabstammungSpeziesGewebeMedium
293-Zellen [Hek293]EpithelMenschEmbryonale NiereMEM + 10 % FKS
3T3 (NIH 3T3)FibroblastMausEmbryonalDMEM + 10 % FKS
3T6FibroblastMausEmbryonalDMEM + 10 % FKS
A-431EpithelMenschEpidermisDMEM + 10 % FKS
A549-ZellenEpithelMenschLungenkarzinomHam's F-12 K + 10 % FKS
A6EpithelXenopus laevisNiereNCTC 109 Medium zu 75 %, 15 % Aq. Dest. + 10 % FKS
A9 LFibroblastMausBindegewebeDMEM + 10 % FKS
AtT-20EpithelMausHypophysentumorHam's F-10, 15 % Pferdeserum + 2.5 % FKS
BALB/3T3FibroblastMausEmbryonalDMEM + 10 % FKS
BHK-21FibroblastHamsterNiereGMEM + 10 % FKS oder MEM + 10 % FKS und NEAA
BS-C-1EpithelGrüne MeerkatzeNiereMEM + 10 % FKS
BSC40EpithelGrüne MeerkatzeNiereDMEM + 10 % FKS
BTFibroblastRindNasenschleimhautMEM + 10 % FKS und NEAA
C6FibroblastRatteGliomF-12 K, 15 % Pferdeserum + 2,5 % FKS
Caco-2EpithelMenschKolon AdenokarzinomMEM + 20 % FKS und NEAA
CHO-K1EpithelHamsterOvarF-12 + 10 % FKS
Clone 9EpithelRatteLeberF-12 K + 10 % FKS
Clone M-3EpithelMausMelanomHam's F-10, 15 % Pferdeserum + 2,5 % FKS
COS-Zellen: COS-1, COS-7FibroblastGrüne MeerkatzeNiereDMEM + 10 % FKS
CRFKEpithelKatzeNiereMEM + 10 % FKS und NEAA
CV-1FibroblastGrüne MeerkatzeNiereMEM + 10 % FKS
D-17EpithelHundOsteosarkomMEM + 10 % FKS + NEAA
DaudiLymphoidMenschBurkitt-LymphomRPMI-1640 + 10 % FKS
EBFibroblastMenschHautDMEM + 10 % FKS
GH1, GH3EpithelRatteHypophysentumorHam's F-10, 15 % Pferdeserum + 2,5 % FKS
H9LymphoidMenschT-Zell-LymphomRPMI-1640 + 20 % FKS
HaKEpithelHamsterNiereBME + 10 % Rinderserum
HCT-15EpithelMenschKolorektales AdenokarzinomRPMI-1640 + 10 % FKS
HeLa-ZellenEpithelMenschCervixkarzinomMEM + 10 % FKS und NEAA
Hep G2EpithelMenschHepatozelluläres CarcinomMEM + 10 % FKS
HK-2EpithelMenschNiere, HPV-16 transformiertSerumfreies Keratinozyten-medium (K-SFM, von GIBCO) + Hypophysenextrakt und EGF
HL-60LymphoidMenschPromyelocytische LeukämieRPMI-1640 + 20 % FKS
HT-1080EpithelMenschFibrosarkomMEM + 10 % hi FKS und NEAA
HT-29EpithelMenschKolon AdenokarzinomMcCoy's 5 A + 10 % FKS
HUVECEpithelMenschNabelschnurendothelHam's F-12 K + 10 % FKS und 100 μg/ml Heparin
I-10EpithelMausLeydig-ZelltumorHam's F-10, 15 % Pferdeserum + 2,5 % FKS
IEC-6EpithelRatteDünndarmepithelDMEM, 4 mM Glutamin, 1,5 g/l NaHCO3, 4,5 g/l Glucose, 0,1 U/ml Rinderinsulin, 10 % FKS
IM-9LymphoidMenschPeripheres Blut Multiples MyelomRPMI-1640 + 10 % FKS
JEG-3EpithelMenschChorionkarzinomMEM + 10 % FKS
JensenFibroblastRatteSarcomMcCoy's 5 A + 5 % FKS
JurkatLymphoidMenschLymphomRPMI-1640 + 10 % FKS
K-562LymphoidMenschMyelogene LeukämieRPMI-1640 + 10 % FKS
KG-1Myeloidyelo-blastoidMenschKnochenmark ErythroleukämieIMDM + 20 % FKS
L2EpithelRatteLungeHam's F-12 K + 10 % FKS
L6MyeloidRatteSkelettmuskelDMEM + 10 % FKS
L-929FibroblastMausBindegewebeMEM + 10 % FKS
LLC-PK1EpithelSchweinNiereMedium 199, 2,2 g/l NaHCO3 + 3 % FKS
LLC-RK1EpithelKaninchenNiereMedium 199, 1,12 g/l NaHCO3 + 10 % Pferdeserum
LLC-MK2EpithelRhesusaffeNiereMedium 199, 1,68 g/l NaHCO3 + 1 % Pferdeserum
LLC-WRC 256EpithelRatteMilchdrüsenkarzinomMedium 199 + 5 % Pferdeserum
McCoyFibroblastMausUnbekanntMEM + 10 % FKS
MCF7EpithelMenschBrust AdenokarzinomMEM + 10 % FKS und NEAA + 10 μg/ml Insulin
MDBKEpithelRindNiereMEM + 10 % FKS
MDCK-ZellenEpithelHundNiereMEM + 10 % FKS
NRK-49 FFibroblastRatteNiereDMEM, 4 mM Glutamin, 1,5 g/l NaHCO3, 4,5 g/l Glucose + 5 % NKS
NRK-52EEpithelRatteNiereDMEM, 4 mM Glutamin, 1,5 g/l NaHCO3, 4,5 g/l Glucose + 5 % NKS
PC-12neuronalRattePhäochromozytomRPMI-1640 + 10 % hi Pferdeserum und 5 % FKS
PK13EpithelSchweinNiereDMEM + 10 % FKS
PK(15)EpithelSchweinNiereMEM + 10 % FKS
PtK1EpithelPotoroo, Lang-schnauziges Kaninchen-känguruNiereMEM + 10 % FKS
RajiLymphoidMenschBurkitt-LymphomRPMI-1640 + 10 % FKS
RK13EpithelKaninchenNiereMEM + 10 % FKS
SW-13MenschNebennierenrindenkarzinomLeibovitz L-15 + 10 % FKS
T84EpithelMenschKolon AdenokarzinomDMEM/Ham's F-12 (1:1), 2,5 mM Glutamin + 5 % FKS
Vero-ZellenGrüne MeerkatzeNiereMEM + 10 % FKS
WI-38EpithelMenschEmbryonale LungeBME + 10 % FKS
XCEpithelRatteRous SarkomMEM + 10 % FKS und NEAA
Y-1EpithelMausNebennierenrindentumorHam's F-10, 15 % Pferdeserum + 2,5 % FKS
Sf9, Sf21Spodoptera frugiperdaOvarTNM-FH + 10 % hi FKS, oder Sf-900 II SFM (serumfrei), oder Sf-900™ III SFM (serumfrei)
High Five (BTITN-5B1-4)Trichoplusia niOvarTNM-FH + 10 % FKS, oder Express Five SFM (serumfrei)
Schneider 2 (S. 2), D.Mel-2Drosophila melanogasterEmbryoSchneider’s Drosophila Medium + 10 % hi FKS

Waschlösungen

Zum Waschen und zur kurzfristigen Lagerung (wenige Minuten) werden Balanced Salt Solutions wie Phosphatgepufferte Salzlösung (PBS), Hanks-Salze oder Earle-Salze verwendet.

Einzelnachweise

  1. Sabine Schmitz: Der Experimentator: Zellkultur. 4. Auflage, Springer Spektrum, 2020. ISBN 978-3-662-58951-9. S. 145–156.
  2. Gerhard Gstraunthaler, Toni Lindl: Zell- und Gewebekultur. 8. Auflage, Springer, 2021. doi:10.1007/978-3-662-62606-1. S. 92–125.
  3. a b c d e f g Gerhard Gstraunthaler, Toni Lindl: Zell- und Gewebekultur. 8. Auflage, Springer, 2021. doi:10.1007/978-3-662-62606-1. S. 126–130.
  4. Eintrag zu Basal Medium Eagle (BME) bei Thermo Fisher Scientific, abgerufen am 19. September 2023.
  5. Eintrag zu MEM bei Thermo Fisher Scientific, abgerufen am 19. September 2023.
  6. Eintrag zu MEM α, no nucleosides bei Thermo Fisher Scientific, abgerufen am 19. September 2023.
  7. 11885 - DMEM, low glucose, pyruvate (Formulation). In: Thermo Fisher Scientific. Abgerufen am 28. Dezember 2021 (englisch).
  8. IMDM
  9. a b c d Gerhard Gstraunthaler, Toni Lindl: Zell- und Gewebekultur. 8. Auflage, Springer, 2021. doi:10.1007/978-3-662-62606-1. S. 93–95.
  10. Gerhard Gstraunthaler, Toni Lindl: Zell- und Gewebekultur. 8. Auflage, Springer, 2021. doi:10.1007/978-3-662-62606-1. S. 119–123.
  11. Universiteit Utrecht: Fetal Calf Serum Free Database. In: fcs-free.org. Abgerufen am 26. Mai 2023 (englisch).
  12. Gerhard Gstraunthaler, Toni Lindl: Zell- und Gewebekultur. 8. Auflage, Springer, 2021. doi:10.1007/978-3-662-62606-1. S. 89–91.