Fetales Kälberserum

Bedeutung und Einsatz

Fetales oder Fötales Kälberserum (FKS) wird aus dem Blut von Kuhfeten gewonnen. Es ist ein wichtiger Bestandteil vieler Nährmedien für Zellkulturen, also für die Aufzucht und Kultivierung von Zellen außerhalb eines Organismus. Häufiger als „FKS“ werden die englischen Bezeichnungen fetal bovine serum (FBS), fetal calf serum (FCS) oder newborn calf serum (NCS) verwendet.

FKS enthält zahlreiche, teilweise noch unbekannte Proteine. Dazu gehören Wachstumsfaktoren, die Zellen zum Wachstum in Zellkulturflaschen benötigen. Es erfüllt damit mehrere Aufgaben zugleich: Es liefert Nähr- und Signalstoffe, unterstützt das Anhaften von Zellen und schützt sie in bestimmten Arbeitsschritten.

Verwendung beim Einfrieren und bei Enzymen

Bei der Kryokonservierung, dem Einfrieren von Zellen oder empfindlichen Proteinen, wird meist 1 % bis 20 % Kälberserum zugesetzt. Es soll Zellen vor Frostschäden schützen. Dafür gibt es inzwischen auch FKS-freie Alternativen.

In Zellkulturen werden Enzyme wie Trypsin eingesetzt, um Zellen von der Kulturschale zu lösen. Nach einer bestimmten Einwirkzeit muss die Enzymreaktion gestoppt werden. Dies geschieht häufig durch die Zugabe von FKS: Es enthält Proteaseinhibitoren, besonders α-1-Antitrypsin. Außerdem bietet es dem Enzym viele alternative Substrate, auf die es stattdessen wirken kann.

Zusammensetzung und Messwerte

FCS enthält verschiedene Stoffgruppen:

• Serumproteine wie Albumin, Fetuin, Globuline einschließlich Immunglobulinen und IgG, Haptoglobin, Komplementfaktoren sowie die Proteaseinhibitoren α1-Antitrypsin und α2-Makroglobulin.
• Transportproteine wie Transferrin, Coeruloplasmin, Transcortin, Thyroxin-bindendes Globulin, HDL, LDL und Apolipoprotein.
• Adhäsionsfaktoren, also Stoffe zur Unterstützung des Zellanhaftens, etwa Fibronectin, Laminin, Vitronectin und Kollagen α1.
• Enzyme, darunter Lactat-Dehydrogenase, Alkalische Phosphatase, γ-Glutamyl-Transferase, ALT/GPT, AST/GOT, Carboxypeptidase und Kreatinkinase.
• Hormone wie Insulin, Glucagon, Corticosteroide, Vasopressin, T3, T4, Parathormon, Wachstumshormon, Hypophysenhormone und Prostaglandine.
• Wachstumsfaktoren und Cytokine, zum Beispiel EGF, FGF, NGF, ECGF, PDGF, VEGF, IGFs, Interleukine, Interferone und TGFs.
• Fettsäuren, Lipide, Vitamine, Elektrolyte, Spurenelemente, Kohlenhydrate sowie nichtproteinäre Stickstoffverbindungen.

Die Zusammensetzung schwankt zwischen Proben deutlich. Beispielsweise beträgt der durchschnittliche Endotoxingehalt 0,356 ng/ml, die Streuung liegt bei 0,008–10,0 ng/ml. Der durchschnittliche Gesamtproteingehalt beträgt 3,8 g/100 ml bei einer Streuung von 3,2–7,0 g/100 ml. Für Glucose werden durchschnittlich 125 mg/100 ml und Werte von 85–247 mg/100 ml angegeben. Der pH-Wert beträgt im Durchschnitt 7,40 und liegt zwischen 7,20–7,60.

Qualitätsanforderungen und Herstellung

Good Manufacturing Practice (GMP, deutsch Gute Herstellungspraxis) bezeichnet Reinheits- und Qualitätsrichtlinien für die Arzneimittelherstellung. Auch Zellkulturen für therapeutische Anwendungen, beispielsweise Tissue Engineering oder Stammzelltransplantation, müssen diese Richtlinien erfüllen.

Unter GMP-Bedingungen ist die Verwendung von Kälberserum aus mehreren Gründen problematisch. Unbekannte Proteine können bei Patienten starke Nebenwirkungen und Allergien auslösen. Außerdem kann das Serum verunreinigt sein und Krankheiten übertragen, etwa durch Mykoplasmen. Deshalb werden synthetische Stoffe mit definierten Eigenschaften und serumfreie Kulturmedien entwickelt, insbesondere für Zelltherapie und Regenerative Medizin.

Zur Herstellung werden Gebärmutter und ungeborener Fötus entnommen. Der Fötus wird aus der Hülle genommen und abgenabelt. Anschließend wird Blut aus seinem Herzen entnommen und zur Serumsgewinnung verwendet.

Ersatzstoffe und Kritik

Seit 2005 arbeitet die ETH Zürich im Projekt „Serumfrei“ an einem Ersatz für FKS. Dieser besteht aus einzelnen Verbindungen, ist „chemisch voll definiert“ und soll den FKS-Anteil in Kulturmedien deutlich senken. Ein standardisiertes Nährmedium kann außerdem Kontaminationen durch Mykoplasmen verhindern. Zellkulturen, die mit FKS hergestellt wurden, sind als therapeutische Zellen kaum registrierbar.

Inzwischen gibt es viele serumfreie Medien für Zelllinien und Stammzellen. Eine weitere Alternative ist humanes Plättchenlysat (HPL), das aus plättchenreichem Blutplasma gewonnen wird und auch in GMP-Qualität erhältlich ist.

Ärzte gegen Tierversuche e.V. kritisiert FKS, weil dafür jährlich etwa ein bis zwei Millionen Tiere getötet würden. Die Organisation nennt humanes Blutplättchen-Lysat und synthetische Ersatzseren als unkompliziert und kostengünstig herstellbare Alternativen. Für humane Zellen seien Medien aus humanem Material besser geeignet. Der Umstieg erfolgt dennoch nicht durchgehend, weil sich Zellkulturen erst an das neue Nährmedium anpassen müssen; dabei können Wachstumseinbußen und kurzfristige Kosten für Labore entstehen.