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Serum-free Systems
Basics:
Cell culture, the cultivation of cells isolated from live tissue
in vitro (in the test tube), is an acknowledged and valuable
tool in the biomedical research for the determination of
reproducible data. Apart from that, by means of cell cultures
more and more highly effective substances are produced
in large-scale for medicine and research (e.g. Insulin,
Growth Factors, Monoclonal Antibodies or Clotting Factors).
The Cell Culture with Serum:
Cells in vitro need nutrient solutions, so-called media which
guarantee an imitation as exact as possible of the situation
in vivo (in live organism). On the other hand these media
– mixtures of nutrients, salts, trace elements, buffer substances,
growth factors, protective substances and many
other components – must be complemented for this purpose
by the most natural, highly complex additives. Not
long ago animal but also human serum were the means
to be chosen for reasons of production technology and
also because of a lack of alternatives.
Function of Serum in the Cell Culture:
• Hormone factors stimulate cell growth, proliferation
and differentiation.
• Attachment factors favour or enable the attachment
of the cells to the culture dish (Biomatrix).
• Transport and binding proteins take care among other
things of the supply of hormones, minerals and lipids.
• Serum proteins bind toxic substances.
This serum, mostly fetal bovine serum (FCS), is problematic
for several reasons.
Disadvantages of Serum in the Cell Culture:
• The composition of serum is not constant and varies
with the age of the foetus, with the origin and feeding
of the animals and with the time of the year.
• Serum batches have to be tested for their suitability
before use.
• Test results are often not convincing and often not
comparable because of the undefined and inconstant
composition of the serum.
• Risk of a contamination with bacteria, fungi, mycoplasm
and virus from serum.
• Risk of a contamination with TSE-agents (transmissible
spongiform encephalopathy).
• Possibility of a contamination of the end product with
serum proteins or pyrogens.
• Time-consuming cleaning of the end products from culture
media containing serum.
• Availability and costs of the serum.
Introduction/Einführung
1.1
Serum-freie Systeme
Grundlagen:
Die Zellkultur – d.h. die Kultivierung von aus lebenden Geweben
isolierten Zellen in vitro (im Reagenz-Glas) – ist ein
anerkanntes, wertvolles Werkzeug der biomedizinischen
Forschung zur Gewinnung reproduzierbarer Daten. Daneben
bietet es mögliche Ansätze für den Einsatz als Ersatzund
Ergänzungsmethode zum herkömmlichen Tierversuch.
In neuerer Zeit werden mit Hilfe von Zellkulturen immer
mehr hochwirksame Stoffe im großen Maßstab für Medizin
und Forschung hergestellt (Insulin, Wachstumsfaktoren,
Impfstoffe, monoklonale Antikörper, Blutgerinnungsfaktoren
u.s.w.).
Die Zellkultur mit Serum:
Zellen in vitro benötigen zum Wachstum Nährlösungen,
so genannte Medien, die eine möglichst exakte Nachahmung
der Situation in vivo (im lebenden Organismus) gewährleisten.
Diese Medien-Mischungen von Nährstoffen,
Aminosäuren, Vitamine, Salzen, Spurenelementen, Puffersubstanzen,
Wachstumsfaktoren, Schutzstoffen und vielen
anderen Komponenten müssen für ein funktionsfähiges
Zellkulturmedium mit meist natürlichen, hochkomplexen
Zusätzen ergänzt werden. Tierische, aber auch humane
Seren waren bis vor kurzem aus produktionstechnischen
Gründen sowie mangels Alternativen das Mittel der Wahl.
Funktion von Serum in der Zellkultur:
• Hormonelle Faktoren stimulieren Proliferation und Differenzierung
der Zellen.
• Adhäsionsfaktoren begünstigen oder ermöglichen die
Anheftung der Zellen an die Kulturgefäße (Biomatrix).
• Transport- und Bindungsproteine sorgen unter anderem
für die Bereitstellung von Hormonen, Mineralien und
Lipiden.
• Serumproteine binden toxische Stoffe.
Diese Seren, meist fötales Rinderserum (FCS), sind aber
aus unterschiedlichsten Gründen problematisch.
Nachteile von Serum in der Zellkultur:
• Die Zusammensetzung von Serum ist nicht konstant
und variiert mit dem Alter der Föten, mit der Herkunft
und Fütterung der Tiere und je nach Jahreszeit.
• Die Serumchargen müssen vor dem Einsatz auf ihre
Eignung getestet werden.
• Versuchsergebnisse sind durch die nicht definierte
und nicht konstante Zusammensetzung der Seren oft
nicht aussagekräftig und oft nicht vergleichbar.
• Einige Serumbestandteile (z. B. Hydrocortison) können
auf bestimmte Zellen zytostatisch wirken (Glia-Zellen,
Lungenepithelzellen).
• Es besteht das Risiko einer Kontamination der Zellkultur
durch Bakterien, Pilze, Mycoplasmen oder Viren aus
dem Serum.
• Durch das Serum können Kontaminationen mit TSE-
Agenzien (Transmissible Spongioform Encephalopathy)
nicht vollständig ausgeschlossen werden.
• Es besteht das Risiko einer Verunreinigung des Endproduktes
mit Serumproteinen oder Pyrogenen.
• Aus serumhaltigen Kulturen sind die Endprodukte
schwieriger und technisch aufwendiger aufzureinigen.
• Seren sind nicht immer in ausreichender Menge und
Qualität verfügbar und zudem teuer.
BIOTECH GmbH