細胞培養中的鐵和亞鐵

鐵在無血清真核細胞（包括雜交瘤和中國倉鼠卵巢 (CHO) 細胞）培養中的重要性和用途

鐵是一種無血清培養基添加劑，可用於生物製造、組織工程和特殊培養基：

鐵是細胞培養中不可或缺的過渡金屬。它同時具有有益和有毒的特性。因此，管理鐵的含量和輸送是一大挑戰。使用血清時，細胞培養中鐵的自然生理輸送是由轉鐵蛋白介導的。無血清、無動物蛋白質及無蛋白質培養基的發展，大大增加了培養過程中鐵毒性的可能性。這在生物製造和組織工程中尤為關鍵，因為鐵介導的氧化和羰基壓力可能會改變細胞培養產品的化學性質。

經典和市售的培養基大致可分為三類：基底配方中不含鐵的培養基：Ames' Medium；Basal Medium Eagle (BME)；BGJb Medium Fitton-Jackson Modification；Click's Medium；CMRL-1066 Medium：Fischer's Medium; Iscove's Modified Dulbecco's Medium (IMDM); L-15; McCoy's 5A Modified Medium; medium 199;RPMI-1640; Swim's S-77 Medium;Waymouth Medium MB;含有硝酸鐵者：Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM)；Glascow Modified Eagle「s Medium (GMEM)；H-Y Medium (Hybri-Max^®)；Medium 199；Williams Medium E；以及含有硫酸亞鐵者（一般以 Ham」s Nutrient Mixtures 為基礎）：F-12 Coon's Modification；Nutrient Mixture，Ham's F-10；Nutrient Mixture，Ham's F-12；Nutrient Mixture，Ham's F-12 Kaighn「s Modification (F12K)；MCDB Medium；以及Serum-Free/Protein Free Hybridoma Medium。

DMEM/Ham」s Nutrient Mixture F-12 (50:50)同時含有硝酸鐵和硫酸亞鐵。

許多用於開發生物製造和組織工程專用培養基的培養基，在其配方中都不含鐵，或是經過重新設計，專門用來管理鐵的傳輸和毒性。以 Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM)、Nutrient Mixture、Ham's F-12、DMEM/Ham's Nutrient Mixture F-12 (50:50) 或任何其他無機鐵補充的培養基開發的專利培養基，通常會移除鐵鹽，並以螯合鐵取代。其他重要的專屬培養基（如 Iscove's Modified Dulbecco's Medium (IMMM)）一般都會添加螯合鐵。

鐵輸送的管理是開發適合生物製造和組織工程的細胞培養系統最複雜，但也是最重要的要求之一。不當的鐵管理不僅會影響細胞，也會影響細胞產品的品質。有關螯合鐵作為細胞培養添加劑的更完整討論，請造訪我們的 Media Expert^®。

鐵在細胞培養系統中的主要功能：

鐵是細胞呼吸和新陳代謝所必需的。如果沒有鐵，細胞就會停止生長，最終死亡。鐵可以進行單價氧化還原反應。

• 血紅素是哺乳類動物中最主要的血紅素蛋白質。它的主要功能是結合、輸送和釋放分子氧。在氧的結合、輸送和釋放過程中，血紅素結合的鐵保持在亞鐵狀態。當血紅蛋白結合的鐵被氧化為鐵質時，它就無法運送氧氣。氧化的血紅素稱為偏紅血色素。
• 瞬間色素是位於線粒體中的一組含血紅素的蛋白質。它們的功能是沿著呼吸鏈將電子依序轉移，從而將氧還原成水，並以 ATP 的形式儲存能量。
• 鐵以非血清素的形式存在於琥珀酸脫氫酶（EC 1.3.99.1）中，這是一種催化富馬酸形成的酵素。
• 鐵作為酵素的輔助因子，可保護細胞免於氧化損傷。

鐵的化學特性使其成為有用的無血清培養基添加劑：

設計穩定且有用的培養基需要瞭解鐵的化學特性。

鐵在生理溶液中以亞鐵和鐵態存在。它經常以硝酸鹽或硫酸鹽的形式加入細胞培養基。在溶液中，它會依據培養基的氧化劑和還原劑成分，以及它與這些物質的接觸情況，進行氧化還原循環。鐵對培養基氧化還原電位的敏感性取決於與鐵複合的分子。鐵複合物可與氨基酸、核苷酸、生理螯合劑和蛋白質等生物分子形成。特定的複合物非常重要，因為它們會決定鐵是否可參與細胞生長、催化毒性反應或變成系統不可利用的物質。游離或無效螯合的鐵會對細胞造成很大的毒性。適當螯合的鐵可支持細胞的生命，對細胞培養系統而言是不可或缺的。

鐵最適當的細胞外生理螯合物是鐵蛋白和轉铁蛋白。鐵蛋白是鐵的主要儲存分子。

鐵質：

鐵質是鐵在有氧條件下的穩定氧化狀態，也是細胞使用的正常氧化狀態。在生理 pH 值的溶液中，未被螯合劑或載體分子結合的鐵會形成幾乎不溶的氫氧化鐵複合物。化學反應相當複雜。然而，不需要完全了解它，就可以知道鐵可能會因為這些複合物的形成而流失。鐵可以被培養基中的強還原劑還原為亞鐵。在細胞培養中值得關注的鐵還原劑包括超氧自由基和抗壞血酸。抗壞血酸（維生素 C）是一種被廣泛研究的細胞還原劑，也是常用的培養基成分。抗壞血酸可將 EDTA 還原為 EDTA 亞鐵。

在細胞外環境中，由於沉澱造成的鐵的損失和還原為亞鐵都是不可取的。如果在培養系統中加入轉铁蛋白，就可以避免這兩種情況的發生。鑑於以上的事實，我們應該慎重考慮直接在培養基中加入鐵鹽是否適當。

亞鐵：

亞鐵可在細胞培養基中還原為亞鐵。自由參與 Fenton 化學反應的氧化亞鐵狀態的鐵是培養基氧化壓力的主要來源。該反應涉及亞鐵催化過氧化氫轉換為氫氧化物離子和氫氧自由基，同時亞鐵氧化為鐵。此反應在細胞培養中非常重要，因為當此反應發生時，會產生細胞培養系統中最具破壞性的物質 - 羥基自由基。這種自由基幾乎會與培養基或細胞中的任何分子反應。它的反應性非常高，通常會在非常接近其形成部位的地方發生反應。氫氧自由基在細胞培養中的一個主要作用是啟動脂質過氧化反應。亞鐵介導的脂質過氧化作用可與鐵發生在許多螯合複合物中：亞鐵可螯合到磷酸、ADP、ATP、草酸鹽和檸檬酸鹽。

催化亞鐵轉換為鐵的酶是鐵氧化酶。Ceruloplasmin 是一種血清蛋白，具有鐵氧化酶活性，可加速鐵蛋白結合的亞鐵氧化為鐵，並促進轉鐵蛋白與之結合。

亞鐵和鐵會與半胱氨酸等硫醇複合。亞鐵：半胱氨酸複合物可透過 Fenton 化學作用參與氫氧自由基的生成。

可促進雜交瘤、中國倉鼠卵巢 (CHO) 及其他哺乳類真核細胞在無血清培養物中生長的鐵產品：

我們的《細胞培養基專家^® 》深入探討了這種和其他無血清和無蛋白質培養基補充品。Media Expert^® 包含有關原材料、元件使用建議、配方策略和參考資料的其他部分。當您對真核哺乳類動物細胞培養系統有任何疑問或問題時，請造訪培養基專家^® 以獲得有用的指導

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