Veröffentlicht: 2023 | Zuletzt überprüft: Mai 2026

HEK293-Zellen: Ein Eckpfeiler der modernen Zellforschung und Biotechnologie

Human Embryonic Kidney 293 (HEK293)-Zellen sind eine menschliche embryonale Nierenzelllinie, die in der wissenschaftlichen Gemeinschaft aufgrund ihrer Vielseitigkeit und Nützlichkeit in einer Vielzahl von Forschungsanwendungen große Beliebtheit erlangt hat. Die Zelllinie wurde in den frühen 1970er Jahren etabliert und wird seitdem für die Impfstoffentwicklung, Krebsforschung, Arzneimitteltests und die Signaltransduktion genutzt. Dieser Blogbeitrag beleuchtet alle Aspekte der HEK293-Zelllinie, einschließlich ihrer Herkunft, Informationen zur Kultivierung, Vor- und Nachteile, Anwendungen und Ressourcen.

HEK293-Zellen: Allgemeine Informationen und Herkunft

Was sind HEK293-Zellen?

HEK293-Zellen sind eine menschliche embryonale Nierenzelllinie, die aus dem Nierengewebe eines selektiv abgetriebenen menschlichen Embryos unbekannter Abstammung gewonnen wurde. Die Zellen wurden Anfang der 1970er Jahre von dem niederländischen Biologen Alex Van der Eb etabliert. Später wurden sie durch eine Transformation mit einem verkürzten Adenovirus 5 durch den Forscher Frank Graham immortalisiert.

Anfangs schien die Transformation der Zellen schwierig zu sein. Nach vielen unermüdlichen Anstrengungen kam es jedoch zu einem Zellwachstum aus einem isolierten, einzelnen transformierten Klon [1]. Die Transfektion der Zelle mit Adenovirus 5 führte zur Einbindung der E1A- und E1B-Gene in das Zellgenom, was den Zelltod verhindert und eine reichliche Proteinproduktion ermöglicht. Vor der Immortalisierung wurden die fetalen Nierenzellen nicht ausreichend charakterisiert, sodass ihr genauer Zelltyp unbekannt ist.

Embryonale Nieren bestehen aus Endothel-, Epithel- und Fibroblastenzellen, daher gehören HEK-293-Zellen wahrscheinlich zu diesen Zelltypen. Die mRNA und die Genprodukte deuten jedoch darauf hin, dass es sich um neuronale Zellen handelt. Es ist möglich, dass die Zugabe von Ad5 den zellulären Phänotyp und die Genexpression verändert hat. Wissenswertes: Die „293“ in HEK293 bezieht sich auf das 293. Experiment, das Graham durchgeführt hat.

Wissenswertes: Die „293“ in HEK293 bezieht sich auf das 293. Experiment, das von Graham durchgeführt wurde.

Eigenschaften von HEK293-Zellen

• Morphologie
• Zellgröße
• Genom und Ploidie (Chromosomenzahl)

HEK293-Zellen haben eine Form, die Epithelzellen ähnelt. Embryonale Nieren bestehen hauptsächlich aus Fibroblasten, Endothel- und Epithelzellen. Somit ähneln 293-Zellen in ihrer Form einem dieser Zelltypen.

Die Größe von HEK-293-Zellen liegt zwischen 11 und 15 µm, was von den Kulturbedingungen beeinflusst werden kann. In Kultur können die Zellen abgeflacht erscheinen, wenn sie auf einer Oberfläche wachsen, oder rund, wenn sie in Suspension kultiviert werden. HEK-293-Zellen sind hypotriploid, und etwa 30 % der HEK-293-Zellen weisen eine modale Ploidie von 64 Chromosomen auf, einige Zellen besitzen jedoch noch mehr Chromosomen. Die Zellen besitzen zudem drei Kopien des X-Chromosoms und ein 4-Kilobasenpaar-Fragment des Adenovirus 5, das in Chromosom 19 integriert ist.

Vergleich der Zelllinien HEK293 und HEK293T

Von den ursprünglichen HEK-293-Zellen wurden viele Derivate abgeleitet, wie beispielsweise die gängigen 293-Zellderivate HEK293T und HEK293F. HEK293T-Zellen gehören zu den am häufigsten verwendeten Derivaten und wurden durch Einbau eines temperaturempfindlichen SV40-T-Antigen-Mutanten in das ursprüngliche HEK-293-Zellgenom erzeugt. Die Expression des T-Antigens ermöglicht die Replikation von Plasmiden mit einem SV40-Replikationsursprung, wenn diese in 293-T-Zellen transfiziert werden, was zu einer erhöhten Produktion rekombinanter Proteine führt [2]. Weitere Informationen zu HEK-Zelllinien-Derivaten, einschließlich ihrer Entwicklung und Eigenschaften, finden Sie in diesem Übersichtsartikel.

Grundlagen der HEK293-Zellkultur: Eine Schritt-für-Schritt-Anleitung

Bedingungen

Informationen

Populationsverdopplungszeit

Die Verdopplungszeit der HEK293-Zelllinie liegt zwischen 24 und 45 Stunden, mit einem Durchschnitt von 30 Stunden.

Adhärente oder Suspensionskulturen

HEK293-Zellen können sowohl in adhärenter als auch in Suspensionsform gezüchtet werden. Adhärente Zellen wachsen als Monolayer, während Suspensionskulturen als Sphäroide wachsen.

Aussaatdichte

Teilen Sie die Zellen während der Wachstumsphase bei 80–90 % Konfluenz. Lösen Sie die Zellen mit Accutase ab und säen Sie sie mit einer Dichte von 1 bis 4 × 10⁴ Zellen/cm² aus. Bei einer Aussaatdichte von 1 × 10⁴ Zellen/cm² bildet sich innerhalb von 4 Tagen eine konfluente Schicht.

Wachstumsmedium

Züchten Sie die Zellen in Eagle’s Minimum Essential Medium (EMEM) mit 2 mM L-Glutamin und 10 % fötalem Rinderserum (FBS). Wechseln Sie das Medium zweimal pro Woche.

Wachstumsbedingungen (Temperatur, CO₂)

Für ein optimales Wachstum in einem befeuchteten Inkubator bei 37 °C mit einer CO2-Zufuhr von 5 % halten.

Lagerung

Zur Langzeitkonservierung in der Dampf- oder Flüssigphase von flüssigem Stickstoff lagern. Eine Lagerung im -80 °C-Gefrierschrank vermeiden, da dies die Zellviabilität beeinträchtigen kann.

Einfrierverfahren und Medium

Verwenden Sie für eine optimale Konservierung ein langsames Einfrierverfahren. Frieren Sie die Zellen in CM-1- oder CM-ACF-Einfriermedium ein, das bei CLS erhältlich ist.

Auftauprozess

Tauen Sie gefrorene Zellen 1–2 Minuten lang in einem 37 °C warmen Wasserbad auf, bis nur noch ein kleiner Eisklumpen übrig bleibt. Übertragen Sie die Zellsuspension in ein Zentrifugenröhrchen, geben Sie vorgewärmtes Wachstumsmedium hinzu und zentrifugieren Sie, um Bestandteile des Gefriermediums zu entfernen. Resuspendieren Sie das Zellpellet in frischem Medium und kultivieren Sie es unter optimalen Bedingungen.

Biosicherheitsstufe

HEK293-Zellen erfordern eine Handhabung der Biosicherheitsstufe 1.

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Die HEK293-Zelllinie in Forschung und Industrie

Die Anwendungsmöglichkeiten von HEK293-Zellen sind vielfältig und bedeutend. Sie werden häufig als System für die Expression und Produktion rekombinanter Proteine genutzt. Aufgrund ihres menschlichen Ursprungs ähneln die in diesen Zellen produzierten Proteine in Struktur und Funktion eher ihren natürlichen menschlichen Gegenstücken, was für therapeutische Anwendungen entscheidend ist.

Darüber hinaus werden HEK293-Zellen oft in der Erforschung von Genfunktion und -regulation eingesetzt, da sie fremde DNA leicht aufnehmen und somit ein hervorragendes Modell für genetische Manipulationen darstellen. Diese Zellen spielen auch eine entscheidende Rolle bei der Herstellung von adenoviralen Vektoren, die in der Gentherapie und der Impfstoffentwicklung verwendet werden, einschließlich der raschen Entwicklung von Impfstoffen gegen COVID-19.

Impfstoff- und Proteinproduktion: HEK-293-Zellen eignen sich für die großtechnische Herstellung von Proteinen und therapeutischen Impfstoffen. Die Zelllinie wird darüber hinaus zur Erzeugung viraler Vektoren wie adenoassoziierter und adenoviraler Vektoren genutzt. In jüngster Zeit wurden HEK293-Zellen zur Herstellung eines wichtigen rekombinanten Proteins, Erythropoetin (EPO), eingesetzt.

Arzneimitteltests: HEK-293-Zellen werden häufig zur Prüfung der Toxizität von Arzneimitteln und Naturstoffen eingesetzt.

Krebsforschung: 293-Zellen sind tumorogen, und entscheidende Veränderungen der Genexpression können die Tumorentstehung in dieser Zelllinie verstärken. Daher wird die 293-Zelllinie häufig in Krebsstudien eingesetzt, um die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen zu verstehen und Medikamente zu entwickeln.

Transfektionsstudien: Transfektion ist der Prozess der Einführung von Nukleinsäuren in Zellen, und HEK293-Zellen eignen sich besonders gut für diesen Prozess. Mehr zu diesem Thema wird weiter unten erläutert.

Die Rolle von HEK293 bei der Impfstoff- und Proteinproduktion

Bei der Impfstoffproduktion haben HEK293-Zellen maßgeblich zur Entwicklung von Adenovirus-basierten Impfstoffen beigetragen. Ihre Fähigkeit, in Suspensionskulturen zu wachsen, ermöglicht skalierbare Prozesse, die für die Deckung des weltweiten Impfstoffbedarfs entscheidend sind. Zudem bietet ihr menschlicher Ursprung einen Vorteil gegenüber anderen Zelllinien, da sie menschenähnliche posttranslationale Modifikationen durchführen können, was die biologische Wirksamkeit der hergestellten Impfstoffe sicherstellt.

Die Vielseitigkeit von HEK293-Zellen erstreckt sich auf die Herstellung komplexer Proteine, darunter monoklonale Antikörper und Biosimilars, die zur Behandlung von Krebs, Autoimmunerkrankungen und anderen Leiden eingesetzt werden. Ihre Fähigkeit, Proteine präzise zu falten und zu modifizieren, macht sie zu einer bevorzugten Wahl in der rekombinanten Proteinproduktion.

Warum werden HEK293-Zellen für die Transfektion verwendet?

Transfektion ist der Prozess der Einführung von Nukleinsäuren in Zellen, und HEK293-Zellen eignen sich besonders gut für diesen Prozess. Es gibt mehrere Gründe, warum HEK293-Zellen für die Transfektion bevorzugt werden:

1. Hohe Transfektionseffizienz: HEK293-Zellen weisen eine hohe Aufnahmefähigkeit für fremde DNA auf, was auf ihre Fähigkeit zurückzuführen ist, bestimmte virale Gene zu exprimieren, die den Eintritt von DNA in die Zelle erleichtern.
2. Robustes Wachstum: Diese Zellen wachsen schnell und sind relativ einfach zu kultivieren, was für Experimente von Vorteil ist, die schnelle und zuverlässige Ergebnisse erfordern.
3. Anpassungsfähigkeit: HEK293-Zellen können unter verschiedenen Bedingungen gezüchtet werden, einschließlich Adhäsions- oder Suspensionskulturen, was sie für die großtechnische Proteinproduktion geeignet macht.
4. Menschliche Zelllinie: Als menschliche Zelllinie bieten sie einen relevanteren biologischen Kontext für die Humanbiologie, was besonders in der therapeutischen Forschung wichtig ist, wo die Reaktion in menschlichen Zellen Vorhersagen über In-vivo-Ergebnisse zulässt.
5. Vielseitigkeit: Sie sind in der Lage, Proteine mit komplexen posttranslationalen Modifikationen zu produzieren – eine Eigenschaft, die für die Funktionalität vieler Proteine, insbesondere therapeutischer Antikörper, unerlässlich ist. 

HEK293-Subkulturprotokoll

Erforderliche Reagenzien

1. 1X phosphatgepufferte Kochsalzlösung (PBS)
2. 10 % Trypsin-PBS
3. Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM)

Vorgehensweise

Zellvorbereitung

1. Überprüfen Sie die HEK-Zellen unter dem Mikroskop, um sicherzustellen, dass sie zu etwa 90 % konfluent sind.
2. Reinigen Sie den Arbeitsplatz unter Einhaltung aseptischer Techniken und sterilisieren Sie den Abzug mit UV-Licht.
3. Wischen Sie die Arbeitsfläche mit 70 %igem Ethanol ab.
4. Wärmen Sie alle Reagenzien in einem 37 °C warmen Wasserbad vor.

Berechnung der Teilungsfraktion und der Aussaatmenge

1. Bestimmen Sie die Teilungsfraktion, die typischerweise zwischen 1:5 und 1:20 liegt.
2. Berechnen Sie das Pipettiervolumen anhand der Formel: Vp = (S)(Vd).

Medienvolumina und Aufteilungsprotokolle

Für die Zellkultur erfordern verschiedene Gefäße spezifische Medienvolumina und weisen unterschiedliche Wachstumsflächen auf. Beispielsweise hat eine 6-Well-Platte eine Wachstumsfläche von 4,67 cm² pro Well und benötigt etwa 2,5 ml Medium, während eine 100-mm-Platte eine Wachstumsfläche von 55 cm² hat und 10 ml Medium erfordert. Der Prozess der Zellaufteilung umfasst das Entfernen des alten Mediums, das Waschen mit PBS, die Inkubation mit Accutase, die Neutralisierung mit DMEM, das Zentrifugieren, das Resuspendieren in neuem Medium und schließlich das Ausplattieren auf eine neue Platte. Detaillierte Schritte und Verhältnisse für andere Gefäße wie 100 cm²-Kolben und 150-mm-Platten entnehmen Sie bitte der Originalquelle.

Häufig gestellte Fragen zu HEK293-Zellen

HEK293-Zellen werden in der wissenschaftlichen Forschung häufig verwendet, was natürlich zahlreiche Fragen zu ihrer Natur, ihrem Ursprung und ihren Eigenschaften aufwirft. Im Folgenden gehen wir auf einige dieser häufig gestellten Fragen ein.