细胞培养中的三件铁和亚铁



铁在无血清真核细胞(包括杂交瘤和中国仓鼠卵巢(CHO)细胞)培养中的重要性和用途


 铁,一种无血清培养基补充剂,可用于生物制造;组织工程及特殊培养基

铁是细胞培养中必不可少的过渡金属。它同时具有有益性和毒性。因此,铁价管理和达成是一项重大挑战。在培养过程中,铁的自然生理传递是通过血清转铁蛋白介导的。无血清,无动物蛋白和无蛋白培养基的发展大大增加了培养中铁的毒性可能性。这在生物制造和组织工程中尤为关键,因为铁介导的氧化和羰基应力可以改变细胞培养产物的化学性质。。

经典和市售培养基大致可分为三类:在基础配方中不含铁的:埃姆斯培养基;Eagle基本培养基(BME);BGJb培养基(Fitton-Jackson 修正);克氏培养基;CMRL-1066培养基:费歇尔培养基;伊斯科夫改良达尔伯克氏培养基(IMDM);L-15;麦考伊的5A改良培养基;199培养基;罗米特-1640;Swim's S-77培养基;韦茅斯培养基MB;含有硝酸铁的:达尔伯克改良伊格尔培养基(DMEM);格拉斯克改良伊格尔培养基(GMEM);H-Y培养基(Hybri-Max®);中199培养基;以及威廉姆斯培养基E;和含有硫酸亚铁(一般基于Ham营养混合物):F-12库恩改良培养基;Ham F-10营养混合物;营养素混合物,Ham F-12营养混合物;Ham F-12开恩改良营养混合物(F12K);MCDB培养基;和无血清/无蛋白杂交瘤培养基。

DMEM/Ham F-12营养混合物(50:50)中同时含有硝酸铁和硫酸亚铁。

许多用作生物制造和组织工程专用培养基开发基础的培养基在其配方中不含铁,或经过专门改造可管理铁价和毒性。以达尔伯克改良伊格尔培养基(DMEM)为基础研制的自主培养基;Ham F-12营养混合物,;和DMEM/Ham F-12营养混合物(50:50)或任何其他无机铁补充培养基通常将铁盐去除并由螯合铁代替。专用于培养基开发的其他重要基础培养基如伊斯科夫改良达尔伯克氏培养基(IMDM)一般都补充了螯合铁。

铁价管理是生物制造和组织工程适用细胞培养系统开发中最复杂也最重要的要求之一。铁价管理不当不仅影响细胞,而且影响细胞产物的质量。如需更深入探讨螯合铁作为细胞培养添加剂的相关内容,请访问我们的培养基专家


 铁在细胞培养系统中的主要功能:

铁对于细胞呼吸和新陈代谢至关重要。没有铁,细胞将停止生长,最终死亡。铁可以发生单价氧化还原反应。其氧化型和还原型分别称为三价铁和二价铁(亚铁)。

 

  • 血红蛋白是哺乳动物中主要的含血红素蛋白质。其主要功能是结合、运输和释放分子氧。血红蛋白结合铁在氧结合、运输和释放过程中仍处于亚铁状态。当血红蛋白结合铁被氧化成三价铁时便不能运输氧气。氧化血红蛋白称为高铁血红蛋白。
  • 细胞色素是一组含血红素的蛋白质,位于线粒体中。它们的功能是使电子沿着呼吸链按顺序转移,从而将氧气还原成水,并以ATP的形式储存能量。细胞色素对电子的转移涉及铁的氧化和还原循环。
  • 铁以非血红素形式存在,作为琥珀酸脱氢酶(EC 1.3.99.1)的一部分,琥珀酸脱氢酶是一种催化富马酸盐形成的酶。
  • 作为一种酶辅助因子,铁能够保护细胞免受氧化损伤。它作为过氧化氢酶和过氧化物酶等酶的血红素成分存在,催化过氧化物转化为水。


 铁的化学特性使其成为一种有用的无血清培养基补充剂:

要设计稳定有用的培养基需了解铁的化学性质。铁的管理是细胞培养的关键成功因素。

铁在生理溶液中既存在亚铁状态,也存在三价铁状态。它经常作为硝酸盐或硫酸盐添加到细胞培养基中。在溶液中,根据培养基中氧化剂和还原剂的组成及其对这些试剂的暴露程度,铁会发生氧化还原循环。铁对培养基氧化还原电位的敏感性取决于将其复合化的分子。铁复合物可与氨基酸、核苷酸、生理螯合剂、蛋白质等生物分子复合。这些特定复合物非常重要,因为它们将决定铁是否可用于参与细胞生长,催化毒性反应或变得不可用于此系统。游离或无效螯合铁可能对细胞有很大毒性。适当的络合铁可用于支持细胞生长,对细胞培养系统至关重要。

铁的最合适细胞外生理复合物是铁蛋白和转铁蛋白。铁蛋白是铁的主要储存分子。


 三价铁:

三价铁是铁在有氧条件下的稳定氧化态,也是细胞使用的正常氧化态。在生理pH值溶液中,不与螯合剂或载体分子结合的三价铁将形成几乎不溶的氢氧化铁络合物。化学特性相当复杂。然而,没有必要完全理解它,只需认识到铁可能由于这些复合物的形成而丢失。在培养基中加入强还原剂可将三价铁还原成二价铁。细胞培养中重要的铁还原剂包括超氧自由基和抗坏血酸。广泛研究的细胞还原剂和经常使用的培养基成分是抗坏血酸(维生素C)。抗坏血酸盐可以将三价铁:EDTA还原成亚铁:EDTA。亚铁:EDTA可以通过芬顿化学催化羟自由基的形成。

在细胞外环境中,由于沉淀造成的铁损失和铁还原都是不希望发生的事件。当培养系统中包含转铁蛋白时,这两种情况都可以避免。鉴于上述事实,应强烈考虑是否适合在培养基中直接添加铁盐。在没有血清保护特性的无血清培养基中,这个问题变得越来越重要。


 亚铁:

三价铁可在细胞培养基中还原成二价铁。自由参与芬顿化学的亚铁氧化态铁是培养基中氧化应激的主要来源。该反应为亚铁催化过氧化氢转化为氢氧根离子和羟自由基,同时亚铁氧化为三价铁。这种反应在细胞培养中非常重要,因为当它发生时,它会产生在细胞培养系统中最具破坏性的因子-羟自由基。这种自由基几乎会与培养基或细胞中的任何分子发生反应。它的反应性很强,因而通常反应位置非常接近其形成位置。羟自由基在细胞培养中的主要作用之一是引发脂质过氧化反应。亚铁离子介导的脂质过氧化作用可以在许多螯合复合物中的铁上发生:亚铁离子可以螯合成磷酸盐、ADP、ATP、草酸盐和柠檬酸盐。

催化亚铁转化为三价铁的酶是铁氧化酶。铜蓝蛋白是一种血清蛋白,具有铁氧化酶活性,可加速铁蛋白结合的亚铁氧化为三价铁,并通过转铁蛋白促进其结合。在缺乏铁氧化酶活性的情况下,亚铁离子转化为三价铁的过程较为缓慢。

亚铁和三价铁将与硫醇(如半胱氨酸)复合。亚铁:半胱氨酸复合物可通过芬顿化学参与羟自由基的生成。


 可在无血清培养中增强杂交瘤、中国仓鼠卵巢(CHO)和其他哺乳动物真核细胞生长的铁产品:

     

我们的细胞培养基专家对此和其他无血清和无蛋白培养基补充剂可提供深入的讨论。培养基专家包含有关原材料、成分使用建议、配方策略和参考等其他部分。每当您遇到有关真核哺乳动物细胞培养系统的问题或疑问时,请访问培养基专家以获取有用的指导。