Transferrin in der Zellkultur: Ein wichtiger Eisenträger für serumfreie Systeme

I. Struktur von Transferrin (TF)

TF enthält 679 Aminosäurereste mit einem Molekulargewicht von etwa 79 kDa und einem isoelektrischen Punkt von etwa 6,6. Seine Aminosäuresequenz umfasst 38 Cysteinreste, die 19 Paare von Disulfidbindungen bilden können, die für die Stabilisierung der Proteinstruktur von entscheidender Bedeutung sind, und es verfügt über drei N-Glykosylierungsstellen. TF besteht aus zwei strukturell ähnlichen Eisenbindungsdomänen: einer N-terminalen Domäne (336 aa) und einer C-terminalen globulären Domäne (343 aa). Die beiden Domänen sind durch eine kurze Spacer-Sequenz verbunden.

Jede Fe³⁺-Bindungsstelle in den Domänen enthält vier konservierte Aminosäuren, darunter zwei Tyrosine, eine Asparaginsäure und ein Histidin, und diese Reste sind in einer oktaedrischen Geometrie angeordnet. Darüber hinaus sind an den Fe³⁺-Bindungsstellen zwei durch Carbonationen bereitgestellte Sauerstoffatome erforderlich, um die Eisenatome zu stabilisieren. In der Nähe der TF-Bindungsstellen spielen Gly-65, Glu-83, Tyr-85, Arg-124, Lys-206, Ser-248 und Lys-296 eine Schlüsselrolle bei der Eisenfreisetzung. Der Protonierungseffekt des Lys-206-Lys-296-Basenpaars, das sich in der Domäne gegenüber dem N-Terminus befindet, kann die offene oder geschlossene Konformation von TF induzieren.

II. Funktionen von Transferrin (TF)

Eisen ist eines der wesentlichen Elemente für die Aufrechterhaltung des Zellwachstums, der Zellproliferation und der Stoffwechselaktivitäten. Der größte Teil des freien Eisens im Körper wird durch Transferrin transportiert und abgegeben. Transferrin (TF), das wichtigste eisenbindende und eisentransportierende β-Globulin im Plasma, ist in erster Linie für den Transport des aus dem Magen-Darm-Trakt absorbierten Eisens und des beim Erythrozytenabbau freigesetzten Eisens verantwortlich. Im menschlichen Serum beträgt die TF-Konzentration etwa 2,5 g/L, 30 % davon sind mit Eisen besetzt. TF kommt hauptsächlich in drei Formen vor: Holo-Transferrin (Holo-TF), teilweise gesättigtes Transferrin (Sidero-TF) und Apo-Transferrin (Apo-TF).

Im extrazellulären Kompartiment (pH ≈ 7,5) hat der Transferrinrezeptor (TFR) eine höhere Bindungsaffinität für eisengebundenes TF (Holo-TF) als für die eisenfreie Form (apo-TF). Dadurch wird eisengebundener TF anschließend internalisiert, wohingegen Apo-TF an der Zelloberfläche freigesetzt wird. In Endosomen (pH ≈ 5,6) bindet TFR bevorzugt an Apo-TF gegenüber Holo-TF und vermittelt so den Transport von Apo-TF von Endosomen zurück zur Plasmamembran. Durch diesen Prozess wird Eisen in die Zellen transportiert und TF recycelt.

Eisen ist für die In-vitro-Zellkultur von entscheidender Bedeutung. Als Cofaktor verschiedener Enzyme ist Transferrin an mehreren zellulären physiologischen Funktionen beteiligt, von denen drei Schlüsselaspekte im Folgenden beschrieben werden:

1. Beteiligung am zellulären Atmungsstoffwechsel
Mitochondrien sind der Ort des zellulären oxidativen Stoffwechsels und das Energiezentrum der Zellen. In diesem Prozess spielt die Succinatdehydrogenase auf der Mitochondrienmembran eine entscheidende Rolle. Als Bestandteil der Succinatdehydrogenase ist Eisen am zellulären oxidativen Stoffwechsel und der Energieproduktion beteiligt.

2. Schutz der Zellen vor oxidativen Schäden
Als Kern der Eisen-Porphyrin-Struktur ist Eisen ein wichtiger Bestandteil von Enzymen wie Katalase und Peroxidase. Es beseitigt die Toxizität von Wasserstoffperoxid, Phenolen, Aminen und Aldehyden und schützt die Zellen vor Schäden durch Peroxide, einschließlich H₂O₂. Es bietet antioxidativen Schutz für die Zellen und verbessert die Zellgesundheit.

3. Verbesserung der Zelldichte und Lebensfähigkeit
Eisen ist ein wesentliches Element für die Zellproliferation. Ohne Eisen können Zellen während der Proliferation nicht von der G1-Phase in die S-Phase übergehen, und Eisenmangel induziert zelluläre Apoptose und Zelltod. Eisenmangel beeinträchtigt die DNA-Synthese während der Zellreplikation, da Eisen ein Bestandteil der Ribonukleotidreduktase ist – dem geschwindigkeitsbestimmenden Enzym, das die Umwandlung von Ribonukleotiden in Desoxyribonukleotide bei der DNA-Synthese katalysiert.

III. Anwendungen von Transferrin in serumfreien Kulturen

Transferrin (TF) ist ein unverzichtbarer Bestandteil in der Zellkultur. Insbesondere in serumfreien Medien (SFM) wird TF in großem Umfang in der Bioproduktion eingesetzt, beispielsweise bei der Produktion monoklonaler Antikörper, der rekombinanten Proteinsynthese sowie der Kultur von Immunzellen und Stammzellen.

1.Verbesserung des Zellwachstums und der Produktausbeute
Die Ergänzung von TF in serumfreien Medien (SFM) unterstützt die hochdichte Kultur von CHO-Zellen, verlängert die Produktionszyklen und steigert die Proteinausbeute.
Die Zugabe von TF zu serumfreiem Medium für Hybridomzellen verbessert die Zellproliferationsrate und die Lebensfähigkeit.
Durch die Regulierung der Eisenhomöostase reduziert Transferrin die Heterogenität der Proteinglykoformen und gewährleistet die Chargenkonsistenz von Arzneimitteln.
Bei Anwendung auf serumfreie Kulturen von CAR-T-Zellen, NK-Zellen und mesenchymalen Stammzellen (MSCs) erhält TF die Lebensfähigkeit und funktionellen Eigenschaften der Zellen aufrecht.

2. Vereinfachung und Standardisierung der Formulierung
Als Kernbestandteil von Nahrungsergänzungsmitteln wie ITS (Insulin-Transferrin-Selen) und SPIT/SPITE kann TF Serum ersetzen, um tierversuchsfreie, chemisch definierte Formulierungen zu erhalten und Chargenschwankungen zu reduzieren.

3. Ersatz für chemische Chelatoren
Chemische Chelatoren (z. B. EDTA, Citrat) sind schwer zu regulierende Redoxzyklen und neigen zur Bildung freier Radikale. Der Vorteil der Eisenbindung durch TF besteht darin, dass sie auf natürlichen rezeptorvermittelten Wegen beruht, ohne dass freie Radikale als Nebenprodukte entstehen.

Beijing Anrate Biotechnology Co., Ltd. bietet industriell hergestelltes, tierversuchsfreies, rekombinantes menschliches Transferrin aus Hefe und CHO-Zellen. Anfragen und Probeversuche sind willkommen.

Wichtiger Hinweis