Fehlersuche bei Zellkulturkontaminationen
Überblick
Kontaminationsarten
Häufige Ursache und Vermeidung von Kontaminationen
Mikrobielle Kontaminationen (Bakterien, Pilze, Hefen)
Mykoplasmen
Virale Kontamination
Chemische Kontamination
Allgemeine Tipps und Techniken
Arbeiten mit der biologischen Sicherheitswerkbank
Pipettieren und Vermeiden von Aerosolen
Desinfektion
Durchführen der Routineüberwachung gesunder Zellen
Kulturkontamination: Ein Überblick
Üblicherweise werden mit dem Begriff "Zellkulturkontamination" Bakterien unter den Zellen und trübe Medien assoziiert, diese unerwünschten Eindringlinge sind jedoch in der Kulturflasche in der Lage, viele Formen anzunehmen. Virale und chemische Verunreinigungen können ebenfalls erhebliche Auswirkungen auf die Gesundheit der Kulturen haben und es ist für die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse von entscheidender Bedeutung, dass die Zelllinien nicht kreuzkontaminiert werden.
Wie weit verbreitet ist die Kontamination von Zellen? Auf der Grundlage von Studien der FDA, der ATCC und anderer Organisationen wird angenommen, dass gegenwärtig 5 bis 30 % aller Zellkulturen allein mit Mykoplasmenarten kontaminiert sind. In einer Studie lag die Häufigkeit der viralen Kontamination gängiger Zelllinien bei über 25 %5 und bei nicht zytopathischen Viren ist es noch wahrscheinlicher als bei Mykoplasmen, dass sie nicht entdeckt werden, da der Gesundheitszustand der Kultur keine Hinweise auf ihr Vorhandensein liefert.
Abbildung 1.Zellkontamination
Der Schlüssel zur Überwachung einer bestimmten Kontaminante liegt manchmal in der Leichtigkeit, mit der sie nachweisbar ist. Bakterien-, Pilz- und Hefeverunreinigungen sind oft mit ungeschultem Auge sichtbar und können die Zellen in der Kultur schnell abtöten, aber aufgrund der subtilen Morphologie können bedeutende mikrobielle Eindringlinge wie Mykoplasmen schwieriger zu identifizieren sein. Im Vergleich dazu lassen sich Viren mit der herkömmlichen Lichtmikroskopie überhaupt nicht nachweisen und ihre Entdeckung wird daher häufig durch die Beobachtung unerklärlicher Ablösungen oder anderer Anzeichen einer schlechten Zellgesundheit oder sogar des Zelltods ausgelöst.
Eine der größten Schwierigkeiten, denen Biologen in den letzten Jahren gegenüber standen, ist die Verunreinigung oder sogar völlige Fehlidentifizierung von Forschungszelllinien. Wenn Sie mehr über dieses wichtige Thema erfahren möchten, klicken Sie hier, um sich über die Ursachen und die Verbreitung kreuzkontaminierter Zelllinien zu informieren und zu erfahren, wie Sie die Integrität der Zelllinienidentität bewerten können.
Bakterien-, Pilz- (einschließlich Schimmelpilz-) und Hefekontaminationen sind in der Regel mit bloßem Auge als schnell einsetzende Trübung und Farbveränderung des Nährmediums sichtbar (vorausgesetzt, das Medium ist mit Phenolrot, dem gebräuchlichsten ungiftigen pH-Indikator, angereichert). Mit der Standard-Lichtmikroskopie lassen sich auch Bakterienzellen und Pilzstrukturen nachweisen, sodass durch die tägliche mikroskopische Beobachtung der Kulturen ein frühzeitiger Nachweis einer mikrobiellen Kontamination sichergestellt und geeignete Maßnahmen ermöglicht werden, sobald erste Anzeichen sichtbar werden. Es ist von besonderer Wichtigkeit, dass kontaminierte Kulturen umgehend entfernt werden, damit benachbarte Kulturen sowie die sterile Umgebung der Gewebekultur, einschließlich Kulturbrutschränke, Bäder und die Biosicherheitswerkbank, geschützt werden. Darüber hinaus sollen spezifische Tests auf Bakterien und Pilze als Teil eines routinemäßigen und regelmäßigen Qualitätskontrollverfahrens durchgeführt werden.
Häufige Ursachen und Vorbeugung von mikrobieller Kontamination
Mykoplasmen sind eine Gattung von Bakterien, die keine Zellwände besitzen und daher von Antibiotika, die das Bakterienwachstum durch Hemmung der Zellwandbildung begrenzen, nicht beeinträchtigt werden. Ihre flexible Morphologie und Zellgröße im Bereich von 0,15 bis 0,3 µm resultiert darin, dass sie sich den Standardverfahren der Zellkulturfiltration entziehen können, bei denen häufig Filter mit einer Porengröße von 0,22 µm eingesetzt werden. Im Gegensatz zu den meisten anderen bakteriellen Verunreinigungen sind Mykoplasmen bei einer zufälligen Prüfung nicht zu erkennen und aufgrund ihrer Morphologie und ihrer geringen Größe nur schwer mit dem Lichtmikroskop zu erfassen. Der Mykoplasmentiter in der Kultur kann 108 Organismen/ml erreichen, ohne eine Trübung des Mediums zu verursachen. Sie töten die von ihnen infizierten Säugerzellen in der Regel nicht ab, haben aber erhebliche Auswirkungen auf die Kulturen, indem sie den Zellstoffwechsel verändern, Chromosomenaberrationen verursachen, das Zellwachstum verlangsamen und die Zellanhaftung beeinträchtigen. Kurz gesagt, sie werden wahrscheinlich die Ergebnisse der meisten Versuche, die mit den betroffenen Zelllinien durchgeführt werden, drastisch beeinflussen.
Abbildung 2.Das Vorhandensein von Mykoplasmen in kontaminierten Kulturen (rechts) wird unter Einsatz der Fluoreszenzmikroskopie mit gängigen DNA-Nachweisreagenzien wie DAPI oder Hoechst aufgedeckt.
Die verschiedenen Quellen der Mykoplasmenkontamination im Labor können eine Herausforderung darstellen. Da bestimmte Mykoplasmenarten auf der menschlichen Haut zu finden sind, können sie durch mangelhafte aseptische Technik sowie durch kontaminierte Zusätze wie fötales Rinderserum eingeschleppt werden. Mykoplasmen sind in hohem Maße zwischen benachbarten kontaminierten Zellkulturen übertragbar. Für die Behandlung von Mykoplasmen ist die Filtration von Medien und Puffern mit Membranen mit einer Porengröße von 0,1 µm oder weniger erforderlich, da durch Filtereinheiten mit Standardmedien mit einer Porengröße von 0,22 oder 0,45 µm diese kleinen Organismen nicht ausgeschlossen werden können.
Vorbeugung, Erkennung und Beseitigung von Mykoplasmenkontaminationen
Sobald Mykoplasmen eine Kultur kontaminiert haben, können sie sich schnell auf andere Bereiche des Labors ausbreiten. Die strikte Einhaltung guter Laborpraktiken ist entscheidend und Routineuntersuchungen von Kulturen auf Mykoplasmen sind für die erfolgreiche Kontrolle einer Mykoplasmenkontamination dringend zu empfehlen. Zu den drei gängigsten Nachweismethoden gehören die Mykoplasmenkultur, die DNA-Färbemethode und der PCR-basierte Nachweis. Wir bieten eine Vielzahl von Lösungen für den Nachweis und die Beseitigung von Mykoplasmen. Es ist von entscheidender Bedeutung, eine Routine für das Mykoplasmen-Screening von Kulturen einzurichten, selbst wenn kein Verdacht auf das Vorhandensein dieses Kontaminanten im Labor vorliegt.
Einer mikrobiellen Kontamination vorbeugen: sind Antibiotika die Antwort? Eine davon ist der routinemäßige Einsatz von Antibiotika in Gewebekulturen, entweder allein oder in Cocktails mit Antimykotika. Wie bei den vom Arzt verordneten therapeutischen Antibiotika kann der kontinuierliche oder unangemessene Einsatz von Antibiotika zur Entwicklung resistenter Stämme führen, die nur schwer auszurotten sind und den Einsatz von Antibiotika einer späteren Generation erfordern, die für die Zellkulturen toxisch sein können. Jüngste Studien haben zusätzliche Bedenken hinsichtlich des Potenzials einer veränderten Genexpression in kultivierten Zellen in Gegenwart von Antibiotika aufgeworfen. |
Virale Kontamination
Viren gehören zu den am schwierigsten nachzuweisenden Kontaminanten in Zellkulturen und erfordern mikroskopische Methoden, die für die meisten Forschungslabore nicht durchführbar sind. Sie können aus der Zellquelle Patient oder Wirtstier stammen und bei mehreren Zelllinien von biotechnologischer Bedeutung wurde nachgewiesen, dass sie endogene Retroviren aufwiesen. Häufiger werden Zellen durch Viren infiziert, die in den für ihre Kultivierung verwendeten Materialien tierischen Ursprungs enthalten sind. Aufgrund ihrer geringen Größe lassen sich Viren nur sehr schwer aus Medien, Seren und anderen Lösungen biologischen Ursprungs entfernen. Da die meisten Viren jedoch wirts- und sogar gewebebeschränkt sind, kann dies ihre Fähigkeit zur arten- oder gewebeübergreifenden Infektion einschränken. Obwohl Viren in Zellkulturen häufiger vorkommen, als vielen Forschern bewusst ist, können sie eine erhebliche Störgröße in der Zellkultur darstellen oder nicht, wenn sie keine zytopathischen oder andere schädliche Wirkungen auf Zellen ausüben.
Abgesehen von der potenziellen Auswirkung auf kultivierte Zellen ist ein Hauptproblem bei der Verwendung virusinfizierter Zellkulturen die potenzielle Gesundheitsgefahr, die sie für die Mitarbeiter im Labor darstellen. Bei der Arbeit mit Geweben oder Zellen von Menschen oder nicht menschlichen Primaten ist darauf zu achten, stets besondere Sicherheitsvorkehrungen zu treffen, um eine mögliche Übertragung von Virusinfektionen (HIV, Hepatitis B, Epstein-Barr, Affen-B-Virus u. a.) von den Zellkulturen auf die Mitarbeiter im Labor zu vermeiden. Die Beauftragten für Umweltsicherheit der Einrichtung sollten zu den Verfahren für die Arbeit mit potenziell gefährlichen Geweben, Kulturen oder Viren befragt werden. Weitere Informationen zur Risikobewertung für Laborpersonal, das mit Zellkulturen arbeitet, finden Sie hier
Best Practices zur Verringerung der Viruskontaminationen von Zellkulturen:
*Begrenzung der Anzahl biologischer Quellen (Lieferanten, Tiere), denen Zellen entnommen werden.
*Auswahl von Tieren/Zellen, die weniger virenempfindlich sind.
*Beziehen der Zellen aus Quellen, die Virustests durchführen und eine Zertifizierung für virusfreie Zelllinien bieten.
Chemische Kontamination
Jede nicht lebende Verunreinigung von Zellkulturen wird häufig als "chemische" Kontaminante eingestuft. Diese Kontaminanten können aus Reagenzien oder Wasser, die in Medien oder Puffern verwendet werden, oder aus Geräten und Zubehör stammen. Beispiele hierfür sind freie Radikale, Metallionen, Rückstände von Desinfektions- und Reinigungsmitteln oder sogar Endotoxine, die auch dann noch vorhanden sind, wenn die vorgelagerten bakteriellen Verunreinigungen nicht mehr vorhanden sind.
Tipps zur Vermeidung chemischer Kontaminationen:
*Verwenden Sie für die Zubereitung von Puffern und Lösungen sowie für das Resuspendieren von lyophilisierten Reagenzien immer Laborwasser.
*Alle wiederverwendbaren Laborgeräte müssen gründlich gespült und an der Luft getrocknet werden – das Autoklavieren hat keine Auswirkung auf Reinigungsmittelrückstände.
*Beziehen Sie Medien, Zusatzstoffe und Serum (FBS, FCS) ausschließlich von Anbietern, die zertifizierte Endotoxin-Tests anbieten.
Allgemeine Tipps und Techniken zur Verhinderung und Beseitigung von Kontaminationen
Arbeiten in der biologischen Sicherheitswerkbank
Bei der Arbeit in der biologischen Sicherheitswerkbank ist es hilfreich, daran zu denken, dass der Luftstrom der Schlüssel zur Aufrechterhaltung einer sterilen Umgebung ist. Es ist wichtig, dass sowohl die hinteren als auch die vorderen Belüftungsöffnungen immer frei bleiben, damit ein effektiver Luftstrom sichergestellt wird. Die Werkbank sollte vor jedem praktischen Einsatz mit allen erforderlichen Materialien bestückt werden, um die Gefahr einer Übertragung von Kontaminanten auf die Ärmel und Hände des Bedieners zu minimieren.
Nach dem Einsetzen des Luftstroms sollten mindestens zwanzig Minuten vergehen, bevor die zu verwendenden Gegenstände in die Werkbank gestellt werden. Alle Gegenstände, die in die Werkbank gelangen, müssen zunächst mit 70%igem (v/v) sterilem Alkohol besprüht und mit fusselfreien Tüchern abgewischt werden, um das Eindringen von Staub und Partikeln in die Werkbank zu verhindern. Stellen Sie sicher, dass vor dem Öffnen von Deckeln oder Behältern ein ausreichender Luftstrom vorhanden ist, damit dieser den Arbeitsbereich von eventuell eingebrachten Partikeln reinigen kann.
Abbildung 3.Arbeiten in der Sicherheitswerkbank
Pipettieren und Vermeiden von Aerosolen
Einwegpipetten aus Kunststoff – auch serologische Pipetten genannt und mit einem Fassungsvermögen von 1-100 ml erhältlich – sind unverzichtbare Werkzeuge für die Zellkultur. Diese müssen einzeln verpackt sein, um die Sterilität zu gewährleisten. Durch die Einhaltung der folgenden Hinweise können die mit dem Pipettieren verbundenen Kontaminations- und Sicherheitsrisiken minimiert werden.
- Verwenden Sie automatische Pipettierhilfen, wobei jede Pipettierhilfe ausschließlich in nur einer Werkbank eingesetzt wird. Um Kontaminationen zu vermeiden, sollte die Pipettierhilfe regelmäßig in ihre Einzelteile zerlegt und desinfiziert werden. Achten Sie darauf, dass die Filter der Pipettierhilfe sachgerecht aufbewahrt und regelmäßig gewechselt werden.
- Verwenden Sie, wenn möglich, Pipetten mit Stopfen (oben mit Watte verschlossen), insbesondere beim Übertragen von Medium. Vermeiden Sie es, Flüssigkeit in den Pipettenstopfen zu ziehen. Wenn der Stopfen versehentlich benetzt wird, ist es wichtig, den Filter der Pipettierhilfe sofort auszuwechseln.
- Vermeiden Sie ein Berühren der serologischen Pipette, indem Sie diese nur zum Teil auspacken, das Ende auf die Pipettierhilfe stecken und dann die Papierhülle entfernen.
- Um die Bildung kontaminierender Aerosole zu vermeiden, dürfen keine Blasen im Medium oder in der Pipette entstehen.
Desinfektion
Durch den Einsatz von Methoden zur Desinfektion/Dekontamination von Kulturabfällen, Arbeitsflächen und Geräten muss nicht nur das Kontaminationsrisiko gesenkt werden, sie müssen auch für das Laborpersonal sicher sein. Tragen Sie bei der Verwendung von konzentrierten Desinfektionsmitteln immer eine geeignete persönliche Schutzausrüstung (PSA) wie Handschuhe und Augenschutz. Die ausgewählten Handschuhe sollten gegen die zu verarbeitende Substanz schützen. Die Tabellen der Hersteller helfen bei der Auswahl der besten Handschuhe für eine bestimmte Aufgabe. Die wichtigsten Desinfektionsmittel werden in Gruppen eingeteilt und ihre jeweiligen Vorzüge können wie folgt zusammengefasst werden:
Natriumhypochlorit oder Bleichmittel
- Gutes Allzweckdesinfektionsmittel
- Aktiv gegen Viren
- Ätzend gegenüber Metallen – sollte nicht auf Metalloberflächen wie Zentrifugen verwendet werden
- Wird leicht durch organische Stoffe deaktiviert und sollte daher häufig frisch zubereitet werden
- Verwenden Sie eine handelsübliche Bleiche, um eine 10 %ige (v/v) Lösung in Abwasserflüssigkeiten oder zur Oberflächendesinfektion herzustellen
Alkohol (z. B. Ethanol, Isopropanol)
- Wirksame Konzentrationen: 70 % für Ethanol, 60-70 % für Isopropanol
- Wirksam gegen Bakterien. Ethanol ist bei den meisten Viren wirksam, aber nicht bei nicht umhüllten Viren
- Isopropanol ist nicht wirksam gegen Viren
- Aldehyde sind Reizstoffe, die nur in eingeschränktem Maß eingesetzt werden sollten
Desinfektionsmittel auf Phenolbasis sollten vermieden werden, da sie nicht als Teil des Prüfprogramms der EU-Biozid-Verordnung unterstützt werden.
Routineüberwachung gesunder Zellen
Die Überwachung von Zellkulturen ist ein wichtiger Bestandteil der täglichen Zellkultur. In diesem Tutorial werden die Grundlagen der Überwachung von Zellen erläutert, einschließlich des Aussehens einer gesunden Kultur, der Zellkonfluenz und der verschiedenen Phasen des Zellkulturwachstums. In diesem Video werden auch gängige Indikatoren für eine Kontamination mit Bakterien und Mykoplasmen gezeigt.
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