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]
Bestandteil	BME^[4]	MEM^[5]	α-MEMa^[6]	DMEM^[7]	IMDM^[8]
Glycin			50	30	30
L-Alanin			25		25
L-Arginin × HCl	21	126	126	84	84
L-Asparagin × H₂O			50		25
L-Asparaginsäure			30		30
L-Cystein × HCl × H₂O			100		91,4
L-Cystin × 2 HCl	16	31	31	63
L-Glutaminsäure			75		75
L-Glutamin	292	292	292	584	584
L-Histidin	8		31	42
L-Histidin × HCl × H₂O		42	42		42
L-Isoleucin	26	52	52	105	105
L-Leucin	26	52	52	105	105
L-Lysin × HCl	36,47	73	73	146	146
L-Methionin	7,5	15	15	30	30
L-Phenylalanin	16,5	32	32	66	66
L-Prolin			40		40
L-Serin			25	42	42
L-Threonin	24	48	48	95	95
L-Tryptophan	4	10	10	16	16
L-Tyrosin, Dinatriumsalz × 2 H₂O	26	52	52	104	104
L-Valin	23,5	46	46	94	94
Ascorbinsäure			50
Biotin	1		0,1		0,013
Cholinchlorid	1	1	1	4	4
D-Calciumpantothenat	1	1	1	4
Folsäure	1	1	1	4	4
Niacinamid	1	1	1	4	4
Pyridoxal × HCl	1	1	1	4	4
Riboflavin	0,1	0,1	0,1	0,4	0,4
Thiaminhydrochlorid	1	1	1	4	4
Vitamin B₁₂		1,36		0,013
i-Inositol	2	2	2	7,2	7,2
Calciumchlorid (CaCl₂) (anhyd.)	200	200	200	200	165
Eisennitrat (Fe(NO₃)₃ × 9 H₂O)				0,1
Kaliumnitrat					0,076
Kaliumchlorid (KCl)	400	400	400	400	330
Magnesiumsulfat (MgSO₄) (anhyd.)	97,67	97,67	97,67	97,67	97,67
Natriumhydrogencarbonat (NaHCO₃)	2200	2200	2200	3700	3024
Natriumchlorid (NaCl)	6800	6800	6800	6400	4505
Natriumdihydrogenphosphat (NaH₂PO₄ × H₂O)	140	140	140	125	125
Natriumselenit					0,017
D-Glucose (Dextrose)	1000	1000	1000	1000/4500	4500
Liponsäure			0,2
Phenolrot	10	10	10	15	15
Natriumpyruvat			110	110	110
HEPES					5958

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]
Medium	Volumen einer 200 mM Glutaminlösung in [ml/l]	Glutamin-Endkonzentration in [mg/l]
BME Earle	10,0	292,3
BME Hanks	10,0	292,3
DMEM (Dulbeccos MEM)	20,0	584,6
DMEM/Ham F-12	12,5	365,0
Glasgow MEM	10,0	292,3
Ham's F-10	5,0	146,2
Ham's F-12	5,0	146,2
IMDM (Iscoves DMEM)	20,0	584,6
L-15 Medium (Leibovitz)	10,3	300,0
McCoy 5a	7,5	219,15
Medium 199 Earle	3,4	100,0
Medium 199 Hanks	3,4	100,0
MEM Earle	10,0	292,3
MEM Hanks	10,0	292,3
MEM Spinner	10,0	292,3
RPMI-1640	10,3	300,0
Williams Medium E	10,0	292,3

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]
Zelllinie	Zellabstammung	Spezies	Gewebe	Medium
293-Zellen [Hek293]	Epithel	Mensch	Embryonale Niere	MEM + 10 % FKS
3T3 (NIH 3T3)	Fibroblast	Maus	Embryonal	DMEM + 10 % FKS
3T6	Fibroblast	Maus	Embryonal	DMEM + 10 % FKS
A-431	Epithel	Mensch	Epidermis	DMEM + 10 % FKS
A549-Zellen	Epithel	Mensch	Lungenkarzinom	Ham's F-12 K + 10 % FKS
A6	Epithel	Xenopus laevis	Niere	NCTC 109 Medium zu 75 %, 15 % Aq. Dest. + 10 % FKS
A9 L	Fibroblast	Maus	Bindegewebe	DMEM + 10 % FKS
AtT-20	Epithel	Maus	Hypophysentumor	Ham's F-10, 15 % Pferdeserum + 2.5 % FKS
BALB/3T3	Fibroblast	Maus	Embryonal	DMEM + 10 % FKS
BHK-21	Fibroblast	Hamster	Niere	GMEM + 10 % FKS oder MEM + 10 % FKS und NEAA
BS-C-1	Epithel	Grüne Meerkatze	Niere	MEM + 10 % FKS
BSC40	Epithel	Grüne Meerkatze	Niere	DMEM + 10 % FKS
BT	Fibroblast	Rind	Nasenschleimhaut	MEM + 10 % FKS und NEAA
C6	Fibroblast	Ratte	Gliom	F-12 K, 15 % Pferdeserum + 2,5 % FKS
Caco-2	Epithel	Mensch	Kolon Adenokarzinom	MEM + 20 % FKS und NEAA
CHO-K1	Epithel	Hamster	Ovar	F-12 + 10 % FKS
Clone 9	Epithel	Ratte	Leber	F-12 K + 10 % FKS
Clone M-3	Epithel	Maus	Melanom	Ham's F-10, 15 % Pferdeserum + 2,5 % FKS
COS-Zellen: COS-1, COS-7	Fibroblast	Grüne Meerkatze	Niere	DMEM + 10 % FKS
CRFK	Epithel	Katze	Niere	MEM + 10 % FKS und NEAA
CV-1	Fibroblast	Grüne Meerkatze	Niere	MEM + 10 % FKS
D-17	Epithel	Hund	Osteosarkom	MEM + 10 % FKS + NEAA
Daudi	Lymphoid	Mensch	Burkitt-Lymphom	RPMI-1640 + 10 % FKS
EB	Fibroblast	Mensch	Haut	DMEM + 10 % FKS
GH1, GH3	Epithel	Ratte	Hypophysentumor	Ham's F-10, 15 % Pferdeserum + 2,5 % FKS
H9	Lymphoid	Mensch	T-Zell-Lymphom	RPMI-1640 + 20 % FKS
HaK	Epithel	Hamster	Niere	BME + 10 % Rinderserum
HCT-15	Epithel	Mensch	Kolorektales Adenokarzinom	RPMI-1640 + 10 % FKS
HeLa-Zellen	Epithel	Mensch	Cervixkarzinom	MEM + 10 % FKS und NEAA
Hep G2	Epithel	Mensch	Hepatozelluläres Carcinom	MEM + 10 % FKS
HK-2	Epithel	Mensch	Niere, HPV-16 transformiert	Serumfreies Keratinozyten-medium (K-SFM, von GIBCO) + Hypophysenextrakt und EGF
HL-60	Lymphoid	Mensch	Promyelocytische Leukämie	RPMI-1640 + 20 % FKS
HT-1080	Epithel	Mensch	Fibrosarkom	MEM + 10 % hi FKS und NEAA
HT-29	Epithel	Mensch	Kolon Adenokarzinom	McCoy's 5 A + 10 % FKS
HUVEC	Epithel	Mensch	Nabelschnurendothel	Ham's F-12 K + 10 % FKS und 100 μg/ml Heparin
I-10	Epithel	Maus	Leydig-Zelltumor	Ham's F-10, 15 % Pferdeserum + 2,5 % FKS
IEC-6	Epithel	Ratte	Dünndarmepithel	DMEM, 4 mM Glutamin, 1,5 g/l NaHCO3, 4,5 g/l Glucose, 0,1 U/ml Rinderinsulin, 10 % FKS
IM-9	Lymphoid	Mensch	Peripheres Blut Multiples Myelom	RPMI-1640 + 10 % FKS
JEG-3	Epithel	Mensch	Chorionkarzinom	MEM + 10 % FKS
Jensen	Fibroblast	Ratte	Sarcom	McCoy's 5 A + 5 % FKS
Jurkat	Lymphoid	Mensch	Lymphom	RPMI-1640 + 10 % FKS
K-562	Lymphoid	Mensch	Myelogene Leukämie	RPMI-1640 + 10 % FKS
KG-1	Myeloidyelo-blastoid	Mensch	Knochenmark Erythroleukämie	IMDM + 20 % FKS
L2	Epithel	Ratte	Lunge	Ham's F-12 K + 10 % FKS
L6	Myeloid	Ratte	Skelettmuskel	DMEM + 10 % FKS
L-929	Fibroblast	Maus	Bindegewebe	MEM + 10 % FKS
LLC-PK1	Epithel	Schwein	Niere	Medium 199, 2,2 g/l NaHCO3 + 3 % FKS
LLC-RK1	Epithel	Kaninchen	Niere	Medium 199, 1,12 g/l NaHCO3 + 10 % Pferdeserum
LLC-MK2	Epithel	Rhesusaffe	Niere	Medium 199, 1,68 g/l NaHCO3 + 1 % Pferdeserum
LLC-WRC 256	Epithel	Ratte	Milchdrüsenkarzinom	Medium 199 + 5 % Pferdeserum
McCoy	Fibroblast	Maus	Unbekannt	MEM + 10 % FKS
MCF7	Epithel	Mensch	Brust Adenokarzinom	MEM + 10 % FKS und NEAA + 10 μg/ml Insulin
MDBK	Epithel	Rind	Niere	MEM + 10 % FKS
MDCK-Zellen	Epithel	Hund	Niere	MEM + 10 % FKS
NRK-49 F	Fibroblast	Ratte	Niere	DMEM, 4 mM Glutamin, 1,5 g/l NaHCO3, 4,5 g/l Glucose + 5 % NKS
NRK-52E	Epithel	Ratte	Niere	DMEM, 4 mM Glutamin, 1,5 g/l NaHCO3, 4,5 g/l Glucose + 5 % NKS
PC-12	neuronal	Ratte	Phäochromozytom	RPMI-1640 + 10 % hi Pferdeserum und 5 % FKS
PK13	Epithel	Schwein	Niere	DMEM + 10 % FKS
PK(15)	Epithel	Schwein	Niere	MEM + 10 % FKS
PtK1	Epithel	Potoroo, Lang-schnauziges Kaninchen-känguru	Niere	MEM + 10 % FKS
Raji	Lymphoid	Mensch	Burkitt-Lymphom	RPMI-1640 + 10 % FKS
RK13	Epithel	Kaninchen	Niere	MEM + 10 % FKS
SW-13		Mensch	Nebennierenrindenkarzinom	Leibovitz L-15 + 10 % FKS
T84	Epithel	Mensch	Kolon Adenokarzinom	DMEM/Ham's F-12 (1:1), 2,5 mM Glutamin + 5 % FKS
Vero-Zellen		Grüne Meerkatze	Niere	MEM + 10 % FKS
WI-38	Epithel	Mensch	Embryonale Lunge	BME + 10 % FKS
XC	Epithel	Ratte	Rous Sarkom	MEM + 10 % FKS und NEAA
Y-1	Epithel	Maus	Nebennierenrindentumor	Ham's F-10, 15 % Pferdeserum + 2,5 % FKS
Sf9, Sf21		Spodoptera frugiperda	Ovar	TNM-FH + 10 % hi FKS, oder Sf-900 II SFM (serumfrei), oder Sf-900™ III SFM (serumfrei)
High Five (BTITN-5B1-4)		Trichoplusia ni	Ovar	TNM-FH + 10 % FKS, oder Express Five SFM (serumfrei)
Schneider 2 (S. 2), D.Mel-2		Drosophila melanogaster	Embryo	Schneider’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

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

[1] Sabine Schmitz: Der Experimentator: Zellkultur. 4. Auflage, Springer Spektrum, 2020. ISBN 978-3-662-58951-9. S. 145–156.

[Lindl_92-2] Gerhard Gstraunthaler, Toni Lindl: Zell- und Gewebekultur. 8. Auflage, Springer, 2021. doi:10.1007/978-3-662-62606-1. S. 92–125.

[Lindl_126-3] ↑ ^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

[Lindl_93-9] Gerhard Gstraunthaler, Toni Lindl: Zell- und Gewebekultur. 8. Auflage, Springer, 2021. doi:10.1007/978-3-662-62606-1. S. 93–95.

[Lindl_119-10] 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).

[Lindl_89-12] Gerhard Gstraunthaler, Toni Lindl: Zell- und Gewebekultur. 8. Auflage, Springer, 2021. doi:10.1007/978-3-662-62606-1. S. 89–91.

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