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HEK293 Cells: A Cornerstone in Modern Cellular Research and Biotechnology

Human embryonic kidney 293 (HEK293) cells are a human embryonic kidney cell line that has gained widespread popularity in the scientific community due to their versatility and usefulness in a wide range of research applications. The cell line was established in the early 1970s and has since been used for vaccine development, cancer research, drug testing, and signal transduction. This blog post will explore all aspects of the HEK293 cell line, including its origin, culture information, advantages and drawbacks, applications, and resources.

HEK293 Cells: General Information and Origin

What are HEK293 cells?

HEK293 cells are a human embryonic kidney cell line derived from the kidney tissue of an electively terminated human embryo of unknown parenthood. The cells were established by a Dutch biologist named Alex Van der Eb in the early 1970s. They were later immortalized through a transformation with a truncated adenovirus 5 by researcher Frank Graham.

Initially, the cells seemed challenging to transform. However, after many continuous efforts, cell growth happened from an isolated single transformed clone [1]. The cell's transfection with adenovirus 5 led to the inclusion of the E1A and E1B genes in the cell's genome, which prevents cell death and allows for abundant protein production. Before immortalization, the fetal kidney cells were not adequately characterized, so their exact cell type is unknown.

Embryonic kidneys are composed of endothelial, epithelial, and fibroblast cells, so HEK293 cells likely belong to these cells. However, the mRNA and gene products suggest that they are neuronal cells. It is possible that the addition of Ad5 altered the cellular phenotype and gene expression. Fun fact: The "293" in HEK293 refers to the 293rd experiment performed by Graham.

Fun fact: The "293" in HEK293 refers to the 293rd experiment performed by Graham.

Characteristics of HEK293 cells

  • Morphology
  • Cell size
  • Genome and ploidy (chromosome number)

HEK293 cells have a shape that resembles epithelial cells. Embryonic kidneys are composed mainly of fibroblast, endothelial, and epithelial cells. Thus 293 cells resemble one of these cell types in shape.

HEK293 cells in culture

Die Größe von HEK293-Zellen liegt zwischen 11 und 15 µm, was durch die Kulturbedingungen beeinflusst werden kann. In Kultur können die Zellen abgeflacht erscheinen, wenn sie auf einer Oberfläche wachsen, oder abgerundet in Suspension. HEK293-Zellen sind hypotriploid, und etwa 30 % der HEK293-Zellen haben eine modale Ploidie von 64 Chromosomen, aber einige Zellen haben noch mehr Chromosomen. Die Zellen haben außerdem drei Kopien des X-Chromosoms und ein 4-Kilobasenpaar-Fragment des Adenovirus 5, das in Chromosom 19 integriert ist.

Vergleich HEK293 vs. HEK293T-Zelllinie

Von HEK293-Zellen sind viele Derivate abgeleitet worden, darunter HEK293T- und HEK293F-Zellen. HEK293T-Zellen sind eines der am weitesten verbreiteten Derivate und wurden durch den Einbau einer temperaturempfindlichen SV40-T-Antigen-Mutante in das ursprüngliche HEK293-Zellgenom geschaffen. Die Expression des T-Antigens ermöglicht die Replikation von Plasmiden mit einem SV40-Replikationsursprung, wenn sie in 293-T-Zellen transfiziert werden, was zu einer erhöhten Produktion rekombinanter Proteine führt [2]. Weitere Informationen über HEK293-Zelllinienderivate, einschließlich ihrer Entwicklung und Eigenschaften, finden Sie in diesem Übersichtsartikel.

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

Bedingungen

Informationen

Verdopplungszeit der Population

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

Adhärente oder Suspensions-Kulturen

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

Aussaat-Dichte

Teilen Sie die Zellen während der Wachstumsphase bei 80-90 % Konfluenz. Die Zellen mit Accutase ablösen und in einer Dichte von 1 bis 4 x 104 Zellen/cm2 aussäen. Bei einer Aussaatdichte von 1 x 104 Zellen/cm2 bildet sich innerhalb von 4 Tagen eine konfluente Schicht.

Wachstumsmedium

Wachsen Sie 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 und einer CO2-Zufuhr von 5 % aufbewahren.

Lagerung

Zur langfristigen Aufbewahrung in der Dampf- oder Flüssigphase von Flüssigstickstoff lagern. Eine Lagerung bei -80 °C im Gefrierschrank ist zu vermeiden, da dies die Lebensfähigkeit der Zellen beeinträchtigen kann.

Einfrierverfahren und -medium

Verwenden Sie ein langsames Einfrierverfahren für eine optimale Konservierung. Einfrieren in CM-1 oder CM-ACF Einfriermedium, erhältlich bei CLS.

Auftauprozess

Tauen Sie die gefrorenen Zellen in einem 37 °C warmen Wasserbad für 1-2 Minuten auf, bis ein kleiner Eisklumpen zurückbleibt. Überführen Sie die Zellsuspension in ein Zentrifugenröhrchen, fügen Sie vorgewärmtes Wachstumsmedium hinzu und zentrifugieren Sie, um die Gefriermediumkomponenten zu entfernen. Das Zellpellet in frischem Medium resuspendieren und unter optimalen Bedingungen kultivieren.

Biologische Schutzstufe

HEK293-Zellen erfordern eine Handhabung der Biologischen Schutzstufe 1.

Die HEK293-Zelllinie in Forschung und Industrie

Die Anwendungen von HEK293-Zellen sind vielfältig und bedeutend. Sie werden häufig als System für die Expression und Produktion rekombinanter Proteine verwendet. Aufgrund ihres menschlichen Ursprungs sind die in diesen Zellen hergestellten Proteine ihren natürlichen menschlichen Gegenstücken in Bezug auf Struktur und Funktion mit größerer Wahrscheinlichkeit ähnlich, was für therapeutische Anwendungen entscheidend ist.

Darüber hinaus werden HEK293-Zellen häufig zur Untersuchung von Genfunktionen und -regulierung eingesetzt, da sie leicht fremde DNA aufnehmen, was sie zu einem hervorragenden Modell für genetische Manipulationen macht. Diese Zellen spielen auch eine entscheidende Rolle bei der Herstellung von adenoviralen Vektoren, die in der Gentherapie und der Entwicklung von Impfstoffen eingesetzt werden, einschließlich der schnellen Herstellung von Impfstoffen für COVID-19.

  1. Impfstoff- und Proteinproduktion: HEK293-Zellen eignen sich für die groß angelegte Herstellung von Proteinen und therapeutischen Impfstoffen. Die Zelllinie wird außerdem zur Herstellung viraler Vektoren wie adenoassoziierter und adenoviraler Vektoren verwendet [3, 4]. Kürzlich wurden HEK293-Zellen für die Herstellung eines wichtigen rekombinanten Proteins, Erythropoietin (EPO), verwendet [5].
  2. Drogentests: HEK293-Zellen werden häufig für die Prüfung der Toxizität von Arzneimitteln und Naturprodukten verwendet [6, 7].
  3. Krebsforschung: 293-Zellen sind tumorerzeugend, und entscheidende Veränderungen der Genexpression können die Tumorentstehung in dieser Zelllinie verschlimmern. Daher wird die 293-Zelllinie häufig in Krebsstudien verwendet, um die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen zu verstehen und Medikamente zu entwickeln [8].
  4. Transfektionsstudien:Unter Transfektion versteht man das Einbringen von Nukleinsäuren in Zellen, und HEK293-Zellen eignen sich besonders gut für diesen Prozess. Mehr zu diesem Thema erfahren Sie weiter unten.
  5. Die Rolle von HEK293 in der Impfstoff- und Proteinproduktion

    Bei der Herstellung von Impfstoffen haben HEK293-Zellen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Impfstoffen auf Adenovirus-Basis gespielt. Ihre Fähigkeit, in Suspensionskulturen zu wachsen, ermöglicht skalierbare Prozesse, die für die Deckung des weltweiten Impfstoffbedarfs entscheidend sind. Darüber hinaus bietet ihr menschlicher Ursprung einen Vorteil gegenüber anderen Zelllinien, da sie menschenähnliche posttranslationale Modifikationen durchführen können, wodurch die biologische Wirksamkeit der hergestellten Impfstoffe gewährleistet wird.

    Die Vielseitigkeit von HEK293-Zellen erstreckt sich auch auf die Produktion komplexer Proteine, einschließlich monoklonaler Antikörper und Biosimilars, die bei der Behandlung von Krebs, Autoimmunkrankheiten und anderen Erkrankungen eingesetzt werden. Ihre Fähigkeit, Proteine genau zu falten und zu modifizieren, macht sie zu einer bevorzugten Wahl in der rekombinanten Proteinproduktion.

    Warum werden HEK293-Zellen für die Transfektion verwendet?

    Unter Transfektion versteht man das Einbringen 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 haben eine hohe Aufnahmerate für fremde DNA, was auf ihre Fähigkeit zurückzuführen ist, bestimmte virale Gene zu exprimieren, die den Eintritt der DNA in die Zelle erleichtern.
    2. Robustes Wachstum: Diese Zellen wachsen schnell und sind relativ einfach zu pflegen, was für Experimente, die schnelle und zuverlässige Ergebnisse erfordern, von Vorteil ist.
    3. Anpassungsfähigkeit: HEK293-Zellen können unter verschiedenen Bedingungen gezüchtet werden, z. B. in Adhärenz- oder Suspensionskulturen, was sie für die Proteinproduktion in großem Maßstab geeignet macht.
    4. Menschliche Zelllinie: Da es sich um eine menschliche Zelllinie handelt, bieten sie einen relevanteren biologischen Kontext für die menschliche Biologie, was besonders in der therapeutischen Forschung wichtig ist, wo die Reaktion in menschlichen Zellen die Ergebnisse in vivo vorhersagen kann.
    5. Vielseitigkeit: Sie sind in der Lage, Proteine mit komplexen posttranslationalen Modifikationen herzustellen, eine Eigenschaft, die für die Funktionalität vieler Proteine, insbesondere therapeutischer Antikörper, wesentlich ist.

    Tabelle 2: Ausgewählte Forschungspublikationen über die Verwendung von HEK293-Zellen

    Veröffentlichung Titel

    Zeitschrift

    Ziel der Studie

    Bioreaktor im kleinen Maßstab unterstützt HEK293-Zell-Perfusionskulturen mit hoher Dichte für die Produktion von rekombinantem Erythropoietin

    Zeitschrift für Biotechnologie

    In der Studie wurden HEK293-Zellen verwendet, um eine Perfusionsmethode mit hoher Zelldichte für die Produktion rekombinanter menschlicher Erythropoietin-Proteine zu entwickeln.

    Zika-Virus-ähnliche Partikel (VLPs): Stabile Zelllinien und kontinuierliche Perfusionsverfahren als neue potenzielle Plattform für die Impfstoffherstellung

    Impfstoff

    In der Veröffentlichung wird über die Verwendung menschlicher embryonaler Nierenzellen zur Entwicklung einer stabilen Zelllinie berichtet, die virusähnliche Zika-Partikel (VLPs) exprimiert, die vielversprechende Zika-Impfstoffkandidaten sein können und hauptsächlich durch das Wachstum stabiler Zellen in Rührkessel-Perfusionsbioreaktoren hergestellt werden.

    Plastizität der HEK-293-Zellen in Bezug auf das Kulturmedium als Plattform für die Herstellung eines Untereinheitenimpfstoffs gegen das Virus der klassischen Schweinepest

    AMB-Express

    Die Forscher entwickelten eine HEK293-Zelllinie, die das mit dem Schweine-CD154 fusionierte E2-Glykoprotein des KSP-Virus exprimiert, und verglichen das Wachstums- und Expressionsprofil dieser Zellen in vier handelsüblichen Wachstumsmedien.

    Zytotoxizität von Apigenin gegenüber Zelllinien des Multiplen Myeloms und Unterdrückung der iNOS- und COX-2-Expression in STAT1-transfizierten HEK293-Zellen

    Phytomedizin

    HEK293-Zellen wurden mit dem STAT-1-Gen transfiziert, um ein Modell zur Untersuchung der Rolle des STAT1/COX-2/iNOS-Signalwegs bei der Tumorentstehung und bei Entzündungen zu entwickeln, und das hemmende Potenzial von Apigenin gegen diesen Signalweg wurde untersucht.

    Machbare Entwicklung von stabilen HEK293-Klonen durch CRISPR/Cas9-vermittelte ortsspezifische Integration für die Produktion von Biopharmazeutika

    Biotechnologie-Briefe

    Die Autoren berichten, dass die CRISPR/Cas9-Technik ein effizientes und zuverlässiges Werkzeug für die Entwicklung stabiler Zelllinien durch ortsspezifische Integration darstellt.

    Untersuchung der Rolle von GRK2 und GRK3 bei der Internalisierung von μ-Opioidrezeptoren und der Rekrutierung von β-Arrestin2 mithilfe von CRISPR/Cas9-editierten HEK293-Zellen

    Wissenschaftliche Berichte

    In der Publikation wurde die CRISPR-Cas9-Technologie für die Genom-Editierung von HEK293-Zellen verwendet und die G-Protein-gekoppelten Rezeptorkinasen GRK2 und GRK3 ausgeschaltet, um ihre Auswirkungen auf die Internalisierung von µ-Opioid-Rezeptoren und die Rekrutierung von β-Arrestin zu untersuchen.

    HEK293 Subkultur-Protokoll

    Erforderliche Reagenzien
    1. 1X Phosphat-gepufferte Kochsalzlösung (PBS)
    2. 10% Trypsin-PBS
    3. Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM)
    Verfahren

    Vorbereitung der Zellen

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

    Berechnung von Splitfraktion und Saatgutmenge

    1. Bestimmen Sie die Splitfraktion, normalerweise zwischen 1:5 und 1:20.
    2. Berechnen Sie das Volumen für die Pipettierung nach folgender Formel: Vp = (S)(Vd).

    Typ

    Wachstumsfläche (cm^2)

    Benötigte Medien (mL)

    Verhältnis zu 100 mm Schale

    6-Well-Platte

    4.67

    2.5

    1:4

    100-mm-Platte

    55

    10

    1:1

    100 cm2-Kolben

    100

    20

    2:1

    150 mm Platte

    152

    30

    3:1

    Aufteilung der Zellen

    1. Entfernen Sie das alte Medium mit einer Saugpipette.
    2. Waschen Sie die Zellen mit 10 mL 1X PBS.
    3. Inkubieren Sie die Zellen mit Accutase für etwa 10 Minuten.
    4. Neutralisieren Sie das Trypsin mit 1 mL DMEM.
    5. Zentrifugieren Sie die Zellen 2 bis 3 Minuten lang bei 300 g.
    6. Resuspendieren Sie die Zellen in 10 mL DMEM.
    7. Zählen Sie die Zellen oder berechnen Sie die entsprechende Verdünnung anhand der Konfluenz.
    8. Die Zellen auf eine neue Platte aussäen und inkubieren.

Confluent HEK293 cells cultured at CLS 

Vorteile und Beschränkungen der HEK293-Zelllinie

HEK293-Zellen haben besondere Eigenschaften, die sie für die Forschung und die Proteinproduktion attraktiv machen.

Vorteile

  • Hohe rekombinante Proteinproduktion: HEK293-Zellen können große Mengen an rekombinanten Proteinen mit komplexen posttranslationalen Modifikationen produzieren.
  • Flexible Transfektion: Diese Zellen sind sehr effizient für Transfektionsstudien und können mit verschiedenen physikalischen und chemischen Methoden effizient transfiziert werden.
  • Genexpressionsanalyse: Aufgrund ihrer Fähigkeit, effizient transfiziert zu werden, können HEK293-Zellen sowohl für transiente als auch für stabile Genexpressionsanalysen verwendet werden.
  • Reproduzierbarkeit der Ergebnisse: HEK293-Zellen bieten konsistente, zuverlässige und reproduzierbare Ergebnisse, was sie zu einer beliebten Wahl für Forschungslabors macht.

Nachteile der HEK293-Zelllinie

  • Bakterielle Kontamination: Das Risiko einer bakteriellen Kontamination ist eine häufige Herausforderung bei der Kultivierung von Zelllinien, einschließlich HEK293-Zellen. Bakterieninfektionen können den pH-Wert des Kulturmediums verändern, Trübungen verursachen und die Zellform, die Kulturdauer und die Genexpression beeinträchtigen. Um eine Kontamination zu verhindern, müssen die aseptischen Bedingungen für die Zellkultur streng eingehalten werden.
  • Virale Infektion: HEK293-Zellen sind, wie andere menschliche Zelllinien auch, anfällig für menschliche Viruserkrankungen. Diese Infektionen können nur durch PCR-Tests nachgewiesen werden und sind nicht leicht zu erkennen.
  • Kulturdauer: Obwohl die HEK293-Zelllinie immortalisiert ist, kann ein längerer Kulturzeitraum die Gesundheit der Zellen allmählich beeinträchtigen und die Genexpression, die Reproduzierbarkeit und das Zellwachstum beeinträchtigen. Um eine gesunde Kultur zu erhalten, wird empfohlen, die Anzahl der Passagen unter 20 zu halten.

HEK293 Ressourcen-Übersicht: Protokolle, Videos und mehr

HEK293-Zellen sind eine weit verbreitete und gut untersuchte Zelllinie, für deren Pflege und Kultivierung verschiedene Ressourcen zur Verfügung stehen. Hier stellen wir einige Ressourcen vor, um mehr über HEK293-Zellkulturprotokolle zu erfahren:

Videos über die HEK293-Zelllinie

Zahlreiche Lehrvideos über die Subkultivierung, Zellplattierung und Transfektionsprotokolle von HEK293-Zellen sind leicht verfügbar.

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Allgemeine 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.

Quellenangaben

  1. Lin, Y.-C., et al., Genome dynamics of the human embryonic kidney 293 lineage in response to cell biology manipulations. Nature Communications, 2014. 5(1): p. 4767.
  2. Tan, E., et al., HEK293 cell line as a platform to produce recombinant proteins and viral vectors. Frontiers in bioengineering and biotechnology, 2021: S. 1288.
  3. Pulix, M., et al., Molekulare Charakterisierung von HEK293-Zellen als neue vielseitige Zellfabriken. Aktuelle Meinung in Biotechnologie, 2021. 71: p. 18-24.
  4. Alvim, R.G., I. Itabaiana Jr, und L.R. Castilho, Zika virus-like particles (VLPs): Stabile Zelllinien und kontinuierliche Perfusionsprozesse als neue potenzielle Plattform für die Impfstoffherstellung. Vaccine, 2019. 37(47): p. 6970-6977.
  5. Schwarz, H., et al., Small-scale bioreactor supports high density HEK293 cell perfusion culture for the production of recombinant Erythropoietin. Zeitschrift für Biotechnologie, 2020. 309: p. 44-52.
  6. Liu, X., et al., Nanotoxische Effekte von Silber-Nanopartikeln auf normale HEK-293-Zellen im Vergleich zur krebsartigen HeLa-Zelllinie. Internationale Zeitschrift für Nanomedizin, 2021. 16: p. 753.
  7. Patra, B., et al., Piper betle: augmented synthesis of gold nanoparticles and its in-vitro cytotoxicity assessment on HeLa and HEK293 cells. Journal of Cluster Science, 2020. 31: p. 133-145.
  8. Stepanenko, A. und V. Dmitrenko, HEK293 in der Zellbiologie und Krebsforschung: Phänotyp, Karyotyp, Tumorigenität und Stress-induzierte Genom-Phänotyp-Evolution. Gene, 2015. 569(2): p. 182-190.

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