Zellkulturen
Wie funktionieren Zell- und Gewebekulturen?
In Zellkulturen werden Zellen in Medien gezüchtet, die speziell für den gewählten Zelltyp ausgewählt wurden, entweder in Form einer Suspensions- oder einer Adhärenzkultur (Monolayer). In der Regel enthalten die Medien Verbindungen wie Aminosäuren, Glukose, Vitamine, anorganische Salze und Lipide. Sie können auch tierisches Serum, Wachstumsfaktoren, Hormone, Antibiotika und Antioxidantien enthalten. Es sind verschiedene Arten von Medien erhältlich, darunter serumbasierte, serumfreie, tierfreie, proteinfreie und chemisch definierte Varianten, die mit anderen Komponenten wie beispielsweise Kälberserum ergänzt werden können. Die Zellen werden dann in einem Inkubator kultiviert, um optimale Zellwachstumsbedingungen – wie Temperatur, Sauerstoff- und Kohlendioxidgehalt – zu gewährleisten.
Kultivierte Zellen benötigen eine konstante Zufuhr von Nährstoffen, um ein gesundes Wachstum aufrechtzuerhalten. Sobald die Konfluenz erreicht ist – also der Punkt, an dem die verfügbare Oberfläche vollständig bedeckt ist – müssen adhärente Zelllinien subkultiviert werden, um ein kontinuierliches Wachstum zu ermöglichen. Sowohl beim Medienwechsel als auch bei der Subkultivierung ist es von entscheidender Bedeutung, jegliche chemische oder biologische Kontamination der Kultur zu vermeiden.
Wozu dient eine Zellkultur?
Zellkulturen finden in der Forschung, Bioproduktion und Diagnostik vielfältige Anwendungen.
Tier-, Bakterien- und Pflanzenzellkulturen werden routinemäßig zur Untersuchung biologischer Prozesse und der Genetik sowie zur Herstellung biologisch gewonnener Moleküle wie Impfstoffe, Proteine, Enzyme, Antikörper und Hormone verwendet. Bei der Erforschung und Entwicklung von Arzneimitteln dienen Säugetierzellkulturen beispielsweise als Modelle für die Untersuchung von Krankheiten und ermöglichen die Identifizierung und Validierung von Zielmolekülen. Sie werden auch in zellbasierten Screening-Assays mit hohem Durchsatz verwendet, um die Wirksamkeit und Sicherheit potenzieller neuer Arzneimittel zu testen. Im klinischen Umfeld werden Zellkulturtechniken häufig eingesetzt, um den für eine Infektionskrankheit verantwortlichen Organismus zu bestimmen und die wirksamsten antimikrobiellen Wirkstoffe zur Behandlung zu ermitteln.
Warum sollten Sie die Zellkulturtechnik verwenden?
Zellkulturtechniken sind ein äußerst wichtiges Instrument in der Zell- und Molekularbiologie. Sie bieten Forscher:innen hervorragende Modellsysteme, um die normale Physiologie und Biochemie von Zellen, die Wirkung von Medikamenten und toxischen Verbindungen sowie Mutagenese und Karzinogenese zu untersuchen.
Zellkultur-Kontaminationen und das Absterben von Zellen sind ein großes Problem, das sich negativ auf nachgelagerte Experimente auswirken kann. Wasser wird in vielen Schritten des Zellkulturprozesses verwendet – es ist der Hauptbestandteil von Puffern und Medien und kann zum Auflösen von Zusatzstoffen und Medikamenten verwendet werden. Die Verwendung von gereinigtem Wasser ist für den Erfolg der Experimente unerlässlich, da Zellkulturen durch Mikroorganismen, biologisch aktive Zelltrümmer und Nebenprodukte sowie organische und anorganische Verbindungen verunreinigt und damit beeinträchtigt werden.
Welche Arten von Verunreinigungen im Wasser können Kontaminationen der Zellkultur verursachen und die Zellkulturergebnisse beeinflussen?
Die wichtigsten Arten von Verunreinigungen, die die Leistung von Zellkulturtechniken beeinträchtigen, sind Bakterien, Endotoxine, organische Verbindungen und ionische Verunreinigungen.
1. Bakterien
Bakterien vermehren sich unter typischen Zellkulturbedingungen und können daher schnell die eigentliche Zellkultur überwachsen. Das führt dazu, dass der Nährstoffgehalt im Medium sinkt und toxische Nebenprodukte zunehmen. Die bakterielle Kontamination einer Zellkultur kann auch zu plötzlichen pH-Änderungen des Mediums und zur Kontamination zuvor reiner Kulturen führen.
2. Endotoxine
Endotoxine werden von den meisten gramnegativen Bakterien freigesetzt. Diese Endotoxine beeinflussen verschiedene Zelltypen, sogar solche, denen CD14-Endotoxinrezeptoren fehlen. Sie regen Makrophagen und mononukleare Phagozyten zur Freisetzung einer Reihe von entzündungsfördernden Zytokinen an. Zu den sich daraus ergebenden nachteiligen Auswirkungen gehören Veränderungen des Zellwachstums und der Zellfunktion, die Produktion rekombinanter Proteine und eine Verringerung der Effizienz des Klonens.
3. Organische Verbindungen
Kleine organische Verbindungen, die häufig im Wasser vorkommen – wie Huminsäuren, Tannine, Pestizide und endokrine Disruptoren – können die Zellentwicklung negativ beeinträchtigen. Sie stellen eine unkontrollierte Nährstoffquelle für das Bakterienwachstum dar und sollten daher aus Wasser entfernt werden, das zur Herstellung von Materialien für die Zellkultur verwendet wird.
4. Ionen
Ionische Zellkultur-Kontaminationen, insbesondere durch mehrwertige Ionen und Schwermetalle, müssen gering gehalten werden. Schwermetalle – zum Beispiel Quecksilber und Blei – sind dafür bekannt, für eine Reihe von Zelltypen zytotoxisch zu sein.
Welche Wasserqualität sollte verwendet werden, um eine Kontamination der Zellkultur zu vermeiden?
Die Verwendung des richtigen Wassertyps für Ihre Anwendung ist entscheidend. Säugetier-Zellkulturen erfordern typischerweise apyrogenes Reinstwasser vom Typ 1. Für weniger empfindliche Bakterienzellkulturen ist auch Reinwasser des Typs 2+ geeignet. Zur Herstellung von Medien und Puffern sollte Typ 1-Reinstwasser verwendet werden, um Kontaminationen der Zellkultur durch Bakterien, Hefen und Viren zu verhindern.
| Widerstand (MΩ cm) bei 25°C | TOC (ppb) | Partikel (µm) | Bakterien (KBE/ml) | Endotoxine (EU/ml) | Nukleasen | Erforderliche Laborwasserqualität | |
| Bakterienzellkultur | >1 | <50 | <0,2 | <1 | NA | NA | Typ II+ Reinwasser |
| Säugetierzellkultur | >18 | <10 | <0,2 | <1 | <0,002 | Nicht nachweisbar | Typ I Reinstwasser |
| Pflanzenzellkultur | >18 | <10 | <0,2 | <1 | NA | NA | Typ I Reinstwasser |
| Histologie | >1 | <50 | <0,2 | <1 | NA | NA | Typ II+ Reinwasser |
| Hydrokultur | >1 | <50 | <0,2 | <1 | NA | NA | Typ II+ Reinwasser |
Wie löst ELGA Probleme mit der Wasserreinheit für Zellkulturen?
Das ELGA-Team unterstützt Kunden kompetent bei der Ermittlung der korrekten Wasserreinheit für ihre Anwendungen. Wir bieten ein breites Sortiment an Rein- und Reinstwasseranlagen für Zellkultur-Anwendungen. Gut geeignet sind unter anderem das Chorus 1 Lifescience-System zur Versorgung mit Typ 1-Reinstwasser oder eine Chorus 2 bzw. 2+ Anlage für die Erzeugung von Typ 2-Wasser.
Fazit
Die Zellkultur ist ein wichtiges Instrument der Zell- und Molekularbiologie. Die Art der Kultur bestimmt die genauen Anforderungen an die dafür nötige Wasserreinheit. Das Wasser für Bakterienzellkulturen sollte mindestens Typ 2+ Qualität aufweisen. Die empfindlicheren Säugetierzellkulturen erfordern Typ 1-Reinstwasser mit einem hohen Widerstand (> 18 MΩ cm), das im Wesentlichen frei von Bakterien, Endotoxinen und anderen Verunreinigungen ist.
Die breite Palette der ELGA Rein- und Reinstwasseranlagen hilft Laboren weltweit, Zellkulturtechniken durchzuführen, ohne sich um die Kontamination ihrer Zellkultur durch Wasserverunreinigungen sorgen zu müssen.
