Stellen Sie sich vor, Sie möchten einen Blumengarten anlegen. Sie können nach Blumen suchen, die perfekt in Ihre Umgebung passen, auch wenn sie teuer sind und eine fachkundige Pflege erfordern. Oder Sie können sich für Sorten entscheiden, die vielleicht nicht ideal sind, aber überall wachsen, erschwinglich sind und nicht viel Pflege brauchen. Wenn Sie ein Forschungsprojekt beginnen und sich entscheiden müssen, ob Sie menschliche Primärzellen oder unsterbliche Zelllinien verwenden wollen, müssen Sie eine Reihe von Faktoren berücksichtigen.
Möchten Sie ein Zellkulturmodell aufbauen, das die menschliche In-vivo-Situation genau wiedergibt? In diesem Fall sind menschliche Primärzellen die bessere Wahl. Wenn Sie vorhaben, Ihre Ergebnisse zu veröffentlichen, sollten Sie auch bedenken, dass die Gutachter möglicherweise möchten, dass Sie Ihre Ergebnisse in einem System validieren, das für die menschliche Physiologie relevant ist. Oder wollen Sie ein Modell, das einfach zu handhaben und gut etabliert ist? In diesem Fall wären unsterbliche Zelllinien zu bevorzugen, auch wenn sich die Zellen möglicherweise nicht genau so verhalten wie beim Menschen.
Humane Primärzellen: ein Blick ins wahre Leben
Humane Primärzellen werden direkt aus Geweben isoliert und behalten die morphologischen und funktionellen Merkmale ihres Ursprungsgewebes. So sind beispielsweise im ursprünglichen Tumorgewebe von Darmkrebs mehrere Tumormarker und bekannte microRNAs erhalten geblieben. Im Vergleich dazu weisen Zelllinien Unterschiede in ihrer Expression auf (Pastor et al., 2010).
Primäre Zellen leben jedoch nicht ewig. Sie durchlaufen Seneszenzprozesse und haben ein begrenztes Potenzial zur Selbsterneuerung und Differenzierung. Mit zunehmendem Alter zeigen sie morphologische und funktionelle Veränderungen, weshalb man sie in frühen Passagen verwenden sollte. Auch die genetischen Merkmale und das Alter der Spender sind wichtig, da sich ihre Zellen unter denselben Kulturbedingungen unterschiedlich verhalten können. Dies kann von Vorteil sein, wenn Sie untersuchen wollen, wie sich bestimmte zelluläre Merkmale innerhalb der Population unterscheiden, oder wenn Sie neue Wirkstoffe testen wollen. Andererseits erfordern Ihre Tests eine geringe Varianz? Dann sollten Sie Zellen desselben Spenders verwenden. Ein Vorteil humaner Primärzellen ist, dass Sie nicht auf Tiermodelle angewiesen sind. Das bedeutet, dass Sie Unterschiede zwischen den Spezies vermeiden können – etwa bei der Anatomie, den molekularen Signalwegen und dem Stoffwechsel -, die sich auf die Toxizität und die Wirkungsweise von Arzneimitteln auswirken können.
Die Art und Weise, wie Sie mit Primärzellen umgehen, entscheidet über den Erfolg
Humane Primärzellkulturen können aus gesunden Zellen oder Krebszellen angelegt werden. Sie stammen von gesunden Spendern, Organspenden, chirurgischen Präparaten, fötalen Geweben oder postmortalen Spendern. Bei der Planung Ihrer Experimente sollten Sie bedenken, dass die Quelle für menschliche Primärzellen begrenzt ist. Das bedeutet, dass Sie möglicherweise kein weiteres Material von demselben Spender erhalten können. Außerdem sind Primärkulturen, die aus Gewebeexplantaten gewonnen werden, eine Mischung aus verschiedenen Zellen in unterschiedlichen Stadien. Wenn Sie also homogenere Kulturen anlegen wollen, müssen Sie möglicherweise bestimmte Zelltypen aufreinigen. Da Primärzellen empfindlicher sind als Zelllinien, benötigen sie oft zusätzliche Nährstoffe und Wachstumsfaktoren.
Da verschiedene Zelltypen unterschiedliche Medien zum Wachsen und Überleben benötigen, sollten Sie die Kulturbedingungen stets für jeden Zelltyp optimieren. Zelllinien benötigen hohe Mengen an Serum. Serum ist jedoch nicht standardisiert und verschiedene Chargen können eine hohe Variabilität der vielen enthaltenen Substanzen aufweisen. Dies kann die Ergebnisse Ihrer Forschung stark beeinflussen und sie sogar widersprüchlich machen. Bei menschlichen Primärzellen ist zu beachten, dass hohe Antibiotikakonzentrationen ihre Lebensfähigkeit und ihr Wachstum beeinträchtigen. Wenn die Zellen die verschiedenen Stadien der Kultur erreichen, müssen Sie sie charakterisieren und alle morphologischen und funktionellen Veränderungen feststellen. Dies ist für die Qualitätskontrolle von Bedeutung. Zu einer guten Zellkulturpraxis gehört natürlich auch, dass Sie alle Informationen dokumentieren, die zur Nachverfolgung der Materialien und Methoden erforderlich sind. Auf diese Weise stellen Sie sicher, dass Ihr Modell transparent und reproduzierbar ist (Pamies et al., 2018).
Bekämpfung von Endotoxin-Kontaminationen in Zellkulturen
Kontaminationen bedrohen Zellkulturstudien. Nicht nur Bakterien, Pilze, Hefen und Mykoplasmen sind die Übeltäter, auch Endotoxine verursachen Probleme. Sie beeinträchtigen das Wachstum und die Funktion von Zellen sowohl in vitro als auch in vivo (Ryan et al., 2018). Endotoxine sind Lipopolysaccharide, die aus der äußeren Membran der meisten gramnegativen Bakterien stammen und auch bei hohen Temperaturen stabil sind. Endotoxine kontaminieren häufig Laborgeräte, da sie eine hohe Affinität für hydrophobe Materialien wie Kunststoff aufweisen. Zu den Kontaminationsquellen gehören das zum Waschen verwendete Wasser, Medien und Seren, Zusatzstoffe, Laborkunststoffe und Glasgeräte. Endotoxine können mit dem Limulus-Amöbozyten-Lysat (LAL)-Test nachgewiesen werden, da LAL in ihrer Gegenwart quantifizierbare Gel-Klumpen bildet.
Verschiedene Zelltypen reagieren unterschiedlich auf das Vorhandensein von Endotoxinen, und Endotoxin-Grenzwerte sollten für jeden Zelltyp in In-vitro-Kulturen festgelegt werden (Nomura et al., 2017). Um das Risiko einer Endotoxinkontamination zu minimieren, sollten Sie zertifizierte nicht-pyrogene Medien, Seren und Laborgeräte verwenden und das im Labor verwendete Wasser überprüfen, insbesondere wenn Sie mit empfindlichen Zellen arbeiten.
Zelllinien: ein integraler Bestandteil der biologischen Forschung
Die Arbeit mit Primärzellen beruht auf jahrzehntelanger Forschung mit Zelllinien. Seit dem frühen 20. Jahrhundert haben Zelllinien Wissenschaftlern große Einblicke in die biologischen Prozesse menschlicher Zellen ermöglicht. Unsterbliche Zelllinien sind zu einem leistungsfähigen Werkzeug für unzählige Anwendungen geworden, darunter die Prüfung des Arzneimittelstoffwechsels und der Zytotoxizität, die Untersuchung der Genfunktion sowie die Herstellung von Impfstoffen, Antikörpern und biologischen Verbindungen.
Wie bereits erwähnt, bestimmt das Ziel Ihrer Forschung die Art der Zellkultur, die Sie verwenden. Forscher, die grundlegende biologische Prozesse untersuchen, zelluläre Funktionen manipulieren, neue Methoden etablieren oder erste Screenings durchführen wollen, wählen in der Regel immortalisierte Zelllinien. Und warum? Sie sind kostengünstig, einfach zu handhaben und können über längere Zeiträume in Kultur gehalten werden. Außerdem lassen sich Zelllinien leicht manipulieren und erweitern. (Kaur et al., 2012). Steht Hochdurchsatz-Screening auf der Tagesordnung? Auch hier könnte die unbegrenzte Verfügbarkeit von Material ein Vorteil sein.
Auch wenn experimentelle Ergebnisse, die mit Zelllinien gewonnen wurden, klar interpretiert und konsistent mit früheren Studien verglichen werden können, sollte man bedenken, dass die physiologische Relevanz dieser Studien möglicherweise nicht sehr hoch ist. Außerdem sind den Möglichkeiten von Zelllinien Grenzen gesetzt. Einige weisen nur eine marginale Ähnlichkeit mit den ursprünglichen Primärzellen auf, da serielle Passagen zu Variationen im Genotyp und Phänotyp führen können. So kann es zu einem veränderten Genomgehalt und einem anormalen Expressionsprofil kommen. Den Zelllinien fehlen wichtige morphologische oder funktionelle Merkmale, so dass sie möglicherweise nicht in der Lage sind, relevante Biomarker zu induzieren. Dies bedeutet, dass die mit Zelllinien im Labor erzielten Ergebnisse nicht vollständig auf den Menschen übertragen werden können. Über längere Zeiträume hinweg können unsterbliche Zelllinien auch durch andere Zellen oder Mikroorganismen kontaminiert werden (siehe Blog-Beitrag: Mykoplasmen-Kontamination – Kleine Organismen verursachen große Probleme). Beachten Sie also bitte diesen Ratschlag: Bevor Sie mit Zelllinien arbeiten, sollten Sie diese immer zuerst validieren, um sicherzustellen, dass Ihre Zellen nicht falsch identifiziert oder kontaminiert sind (Lorsch et al., 2014).
Kurz gesagt, richten Sie Ihre Wahl von menschlichen Primärzellen oder unsterblichen Zelllinien nach Ihrem Forschungsziel. In vielen Fällen bieten unsterbliche Zelllinien ein sehr wertvolles Modell für Vorversuche. Verwenden Sie dann humane Primärzellen, um wichtige Ergebnisse zu wiederholen. Dies verbessert die Übertragung und macht Ihre Ergebnisse relevanter für die menschliche Physiologie.