Wachstumsmedien für Zellkulturen

Wachstumsmedien für Zellkulturen: Geschichte und der Übergang von natürlichen zu synthetischen Medien

Zellkultur oder Gewebekultur ist eine der Techniken, die in den Biowissenschaften am häufigsten eingesetzt werden und bei der Zellen unter kontrollierten Bedingungen außerhalb ihrer natürlichen Umgebung gezüchtet werden. Die Zellen oder Gewebe werden aus ihren ursprünglichen Quellen entnommen und anschließend zum Überleben und zur Vermehrung in eine künstliche Umgebung gebracht (1).

Für die Zellkultivierung werden Zellkulturmedien verwendet, die im Allgemeinen eine Energiequelle, Aminosäuren, anorganische Salze, Vitamine, Wachstumsfaktoren, Hormone, Nährstoffe und Serum als Quelle für Wachstumsfaktoren umfassen. Diese Zellkulturmedien sollten auch zur Aufrechterhaltung des pH-Werts und der Osmolalität beitragen (2).

Geschichte der Zellkulturmedien

Der erste Fall einer In-vitro-Tierkultur ereignete sich im Jahr 1882, als Sydney Ringer eine ausgewogene Salzlösung namens „Ringer-Lösung“ entwickelte und Froschherzen erfolgreich am Schlagen hielt, nachdem er sie aus dem Körper entfernt hatte (3,4). Dies führte zu einer Kette von nacheinander entwickelten ausgewogenen Salzlösungen, darunter die Locke-Lösung, die Tyrode-Lösung, die Krebs-Ringer-Bicarbonat-Lösung, die Gey-Lösung, die Earle-Lösung und die Hanks-Lösung.

Dieser Entwicklungskette in Zellkulturmedien folgte 1907 die Arbeit von Ross G. Harrison, der mehrere Wochen lang erfolgreich das scheinbare Auswachsen von Nervenfasern eines Frosches in Lymphflüssigkeit überwachte, die frisch aus den Lymphsäcken eines Frosches entnommen worden war erwachsener Frosch (5). Dieser Versuch gilt auch als Beginn der tierischen Zellkultivierung.

Die Verwendung natürlicher Zellkulturmedien

Inspiriert von Harrison erforschten Alexis Carrel und Montrose T. Burrows mehr über Lymphflüssigkeit als Kultivierungsmedium und fanden heraus, dass diese für die Kultivierung von Zellen warmblütiger Tiere ungeeignet ist und verwendeten stattdessen Plasma.

Alexis Carrel war der erste Mensch auf der Welt, dem es gelang, somatische Zellen von Säugetieren zu kultivieren, und erhielt 1912 den Nobelpreis für Physiologie und Medizin für seine Forschungen zur Gefäßnaht und Transplantation von Blutgefäßen und Organen (6).

Etablierung synthetischer Medien

Harry Eagle, ein Arzt und Pathologe, entdeckte, dass eine Reihe von Aminosäuren und Vitaminen für die Kultivierung vieler Zelltypen unverzichtbar sind und entwickelte Ende der 1950er Jahre an den National Institutes of Health „Eagle's Minimal Essential Medium“, das sechs Glucose enthält anorganische Salze, 13 Aminosäuren, acht wasserlösliche Vitamine und dialysiertes Blutserum. Damit legte Eagle den Grundstein für die In-vitro-Kultivierung lebender Zellen, die noch heute weltweit in Laboren eingesetzt werden.

Die erste vollständig synthetische Nährlösung wurde 1965 von Richard G. Ham an der University of Colorado hergestellt. Allerdings funktionierte das „Ham's F12“-Medium nur mit CHO-Zellen (8), einer Zelllinie aus den Eierstöcken chinesischer Hamster. Mit der Zeit erlangten die Forscher ein besseres Verständnis darüber, welche Wachstumsfaktoren, Hormone, Vitamine, Spurenelemente und andere Substrate Zellen benötigen, um außerhalb ihrer natürlichen Umgebung zu gedeihen, was zu einem maßgeschneiderten Medium und ihrer kontinuierlichen Weiterentwicklung führte.

References:

1. McKeehan WL, Barnes D, Reid L, Stanbridge E, Murakami H, Sato GH. Grenzen in der Zellkultur von Säugetieren. Zellentwickler Biol. 1990 Jan;26(1):9-23. doi: 10.1007/BF02624149. PMID: 2407711.

2. Vis MAM, Ito K, Hofmann S. Einfluss des Kulturmediums auf zelluläre Interaktionen in In-vitro-Co-Kultursystemen. Front Bioeng Biotechnol. 2020 4. August;8:911. doi: 10.3389/fbioe.2020.00911. PMID: 32850750; PMCID: PMC7417654.

3. Yao T, Asayama Y. Tierzellkulturmedien: Geschichte, Eigenschaften und aktuelle Probleme. Reprod Med Biol. 2017. März 21;16(2):99-117. doi: 10.1002/rmb2.12024. PMID: 29259457; PMCID: PMC5661806.

4. Ringer S. Ein weiterer Beitrag zum Einfluss der verschiedenen Bestandteile des Blutes auf die Kontraktion des Herzens. J Physiol. 1883 Jan;4(1):29-42.3. doi: 10.1113/jphysiol.1883.sp000120. PMID: 16991336; PMCID: PMC1484842.

5. Harrison RG, Greenman MJ, Mall FP, Jackson CM. Beobachtungen der lebenden, sich entwickelnden Nervenfaser. Anat Rec. 1907;1:116–128.

6. Carrel A. Künstliche Aktivierung des Wachstums von Bindegewebe in vitro. J Exp Med. 1913 1. Jan.;17(1):14-9. doi: 10.1084/jem.17.1.14. PMID: 19867620; PMCID: PMC2125019.

7. Eagle H. Der spezifische Aminosäurebedarf einer menschlichen Karzinomzelle (Stain HeLa) in Gewebekultur. J Exp Med. 1955. Juli 1;102(1):37-48. doi: 10.1084/jem.102.1.37. PMID: 14392239; PMCID: PMC2136494.

8. Evans VJ, Bryant JC, Mcquilkin WT, Fiormonti MC, Sanford KK, Westfall BB, Earle WR. Untersuchungen von Nährmedien für Gewebezellen in vitro. II. Ein verbessertes proteinfreies, chemisch definiertes Medium für die Langzeitkultivierung von Zellen des Stamms L-929. Krebs Res. 1956 Jan.;16(1):87-94. PMID: 13284736.