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Es geht auch anders - Fetales Kälberserum in der Wissenschaft

Es geht auch andersFetales Kälberserum in der Wissenschaft

Fetales Kälberserum (FKS) wird häufig als Nährlösung für Zellen genutzt. Seine Gewinnung ist aus ethischer Sicht umstritten, da es aus dem Blut ungeborener Kälber gewonnen wird. Nährmedien ohne fetales Kälberserum können in einigen Fällen eine Alternative sein.

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Kälber

Forscher arbeiten immer öfter mit Zell- oder Gewebekulturen, um auf Tierversuche zu verzichten. So werden diese u.a. bei Giftigkeitsprüfungen von Chemikalien oder bei der Medikamentenentwicklung genutzt. Um diese Zellen am Leben zu halten und zum Wachsen zu bringen, benötigen sie ein sog. Nährmedium. Als „Goldstandard“ wurde dafür bisher standardmäßig Blutserum von ungeborenen Kälbern genutzt. Dieses soll die Zellen u.a. mit Hormonen, Wachstumsfaktoren, Proteinen, Aminosäuren, Mineralstoffen und Spurenelementen versorgen. Die genaue Zusammensetzung ist allerdings bis heute nicht bekannt [1] bzw. kann je nach Herkunft stark schwanken. Fetales Kälberserum enthält weniger Stoffe, die das Wachstum der Zellen hemmen und wird daher dem erwachsenener Tiere vorgezogen [1].

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Die Gewinnung von FKS
Kälberserum ist das lukrative Beiprodukt der Fleischgewinnung. Direkt nach der Schlachtung einer tragenden Kuh wird der Fötus aus der Gebärmutter herausgeschnitten. Dann wird dem noch lebenden Kalb eine dicke Nadel zwischen die Rippen direkt ins schlagende Herz gestoßen. Das Blut wird abgesaugt, bis das Tier blutleer ist und stirbt. Noch lebend deshalb, da durch das schlagende Herz eine größere Menge an Blut gewonnen werden kann und es nicht gerinnt. Diese Prozedur geschieht ohne Betäubung, obwohl wissenschaftliche Studien belegen, dass Kälberfeten bereits leidensfähig sind [2]. In manchen Ländern Südamerikas werden die Mutterkühe auf Zuchtfarmen absichtlich zuvor befruchtet, damit sie dann tragend in die Schlachtung gehen. In den USA, Argentinien, Brasilien, Südafrika, Australien und Neuseeland ist es üblich, dass Kühe und Bullen gemeinsam weiden. Wird eine ganze Herde zum Schlachthof gebracht, sind stets trächtige Tiere dabei.

Obwohl es in Deutschland nicht üblich ist, Tiere bewusst vor der Schlachtung zu befruchten, existierte bisher kein Gesetz, welches die Schlachtung trächtiger Rinder verbietet. Doch zukünftig will die Bundesregierung die Schlachtung hochträchtiger Tiere verbieten [3]. Mit diesem Gesetz wird anerkannt, dass zumindest im letzten Drittel der Trächtigkeit davon ausgegangen wird, dass Feten schmerzempfindlich sind und leiden, wenn sie durch den entstehenden Sauerstoffmangel bei der Schlachtung des Muttertiers ersticken. Durch Managementfehler oder unbemerkte Befruchtungen gelangen in Deutschland laut einer Studie der Hochschule für Angewandte Wissenschaften, Hamburg, vermutlich jährlich bis zu 15 % der Rinder trächtig zur Schlachtung. Durch das Gesetz könnte sich der Anteil nun deutlich verringern. Denn in Deutschland war bisher lediglich der Transport trächtiger Rinder im letzten Drittel der Trächtigkeit verboten. Eine FKS-Gewinnung in Deutschland ist nicht bekannt - die Hersteller beziehen das Serum aus dem Ausland.

Das Geschäft ist lukrativ
Der Bedarf an Nährmedien für Zell- und Gewebekulturen und damit auch an Kälberserum ist groß und steigt stetig, da die In-vitro-Forschung immer mehr an Bedeutung gewinnt. Schätzungsweise werden pro Jahr 800 000 l an fetalem Kälberserum benötigt. Das bedeutet, dass nach einer Schätzung der European Biomedical Research Association von 2004 1–2 Mio. Kälber pro Jahr qualvoll sterben müssen [5]. Die Herkunft des Kälberserums bestimmt dabei ebenso den Preis wie die aktuelle Nachfrage. Serum aus Neuseeland oder Australien ist besonders teuer, da das Blut der Inselkühe frei von Seuchen ist. Die Preise pro Liter FKS können deshalb von 100 Euro bis zu mehreren Tausend Euro schwanken [6].

Die hohe Nachfrage nach FKS und die Möglichkeit, damit Geld zu verdienen haben in der Vergangenheit immer wieder zu kriminellen Machenschaften geführt. So wurde z.B. die Herkunft des Serums umgewidmet (FKS aus Südamerika [häufiger Seuchen, schlechte Schlachthygiene] wurde zu FKS aus Frankreich umgewidmet) oder das Kälberserum durch Zusatz von synthetischen Stoffen oder Serum von erwachsenen Kühen gestreckt [6, 7, 8].

Der FKS-Einsatz aus wissenschaftlicher Sicht
Fetales Kälberserum findet neben der Anwendung als Nährmedium auch bei der Kryokonservierung von Zellen Anwendung. Als Nähr- medium eignet es sich, da es ein breites Spektrum an Makromolekülen, Transportproteinen und Spurenelemente, Bindungsproteinen und Anheftungsfaktoren, niedermolekularen Nährstoffen sowie an Hormonen und Wachstumsfaktoren enthält. Dies sind die Gründe, die gegen den Einsatz von FKS sprechen:

  • Durch eine mögliche Kontamination des Serums mit Krankheitserregern, in Abhängigkeit von der Herkunft, kann es zu einem verlangsamten Wachstum der Zellkultur kommen bis hin zu ihrem Absterben.
  • Durch eine fehlende Standardisierbarkeit, bedingt durch Schwankungen in der Zusam- mensetzung, und mögliche Verunreinigun-gen durch Bakterien, Viren oder Prionen, ist Kälberserum kein ideales Nährmedium und schlecht reproduzierbar [5].
  • Im schlimmsten Fall kann es zu einer gesundheitlichen Gefährdung von Patienten kommen, wenn das Kälberblut mit Krankheitserregern kontaminiert wurde und Bestandteile, die mit einem infizierten Serum in Berührung gekommen sind, in die Medikamentenproduktion gelangen [7].
  • Wissenschaftliche Ergebnisse können wegen der heterogenen Zusammensetzung der Nährlösung verfälscht werden. Die variierende Zusammensetzung resultiert aus der unterschiedlichen Herkunft der Mutterrinder und der Nutzung verschiedener Rinderrassen und Weidegründe. Auch sind die Tiere mit verschiedenen Umweltbedingungen konfrontiert.

Auch aus wissenschaftlichen Gründen sollte also auf tierfreie Medien zurückgegriffen werden.

Zwei FKS-Alternativen
Tierfreie Nährmedien sind ethisch unbedenklich, da sie kein Tierleid verursachen. Serumfreie Nährmedien haben darüber hinaus eine exakt definierte Zusammensetzung und sind steril. So ist es möglich, kontrollierte und reproduzierbare Kultivierungsbedingungen zu schaffen, und es droht keine Übertragung von Krankheitserregern. Allgemein unterscheidet man vier Arten von Nährmedien:

  • Medien mit tierischem Serum (FKS)
  • Medien mit humanem Serum (tierserumfrei)
  • serumfreie Medien und
  • serum- und proteinfreie Medien.

Das humane Blutplättchen-Lysat (hPL) gehört zu den tierserumfreien Nährmedien. Da es sich um ein humanisiertes Zellsystem handelt, ist es als Nährmedium für humane Zellen besser geeignet. Es ist zudem reich an spezifischen Wachstumsfaktoren. Die Herstellung erfolgt aus humanen Thrombozytenextrakten, gewonnen aus dem Buffy Coat, der als Abfallprodukt bei der Verarbeitung von Blutpräparaten durch Blutspendezentralen anfällt, und gestaltet sich sowohl kostengünstig als auch unkompliziert [10]. Durch hPL könnten große Teile des globalen Bedarfs an tierserumfreien Nährmedien gedeckt werden. Auch die enthaltenen Wachstumsfaktoren sind jenen des fetalen Kälberserums überlegen. Besonders das dreidimensionale Zellwachstum ist hier hervorzuheben. Es ist zudem von großer Bedeutung für das Wachstum humaner mesenchymaler Stammzellkulturen [11]. Das Wachstum von Endothelzellen stellt sich dagegen nicht optimal dar.

Dennoch überwiegen die Vorteile einer Verwendung von hPL. Durch gepoolte humane Spendereinheiten ist die Variation der Zusammensetzung extrem gering, was eine gute Reproduzierbarkeit der Nährlösungen und ein gleichmäßiges Wachstum von Zellkulturen ermöglicht. Zudem ist das Blut der Spender im Vorfeld auf Krankheitserreger untersucht worden, so dass eine Übertragung von Erregern ausgeschlossen ist.

Nachteilig ist jedoch, dass sich die Zellen erst an das Nährmedium anpassen müssen und zur Verhinderung einer Koagulation Heparin zugesetzt werden muss, das überwiegend aus der Darmschleimhaut von Schweinen gewonnen wird. Jedoch kann hier auf synthetisches Heparin zurückgegriffen werden.

Während der längeren Anpassungsphase der Zellen, die je nach Zelltyp variiert, entstehen Wachstumseinbußen, die für Labore und Institute Kosten verursachen können. Jedoch würde sich dieser Zustand maximal über einige Wochen erstrecken. Hinzu kommt, dass viele Labore unzureichend über den Gebrauch von Alternativnährmedien aufgeklärt sind und gerne auf Altbewährtes zurückgreifen, denn seit den 60er Jahren gilt das fetale Kälberserum als Goldstandard.

Eine weitere Alternative zum fetalen Kälberserum stellen u.a. Humanseren, wie das Human AB-Serum (HABS) dar. AB-Serum ist ein antikörperfreies, humanes Serum der Blutgruppe AB. HABS unterstützt die Vermehrung humaner Osteoblasten, Chondrozyten, Knochenmarkszellen, Endothelzellen und Krebszellen (insbesondere Gliome, Melanome). Humanseren bestehen ausschließlich aus humanem Material [12]. Daher ist humanes Serum für die Kultivierung humaner Zellen besser geeignet als FKS, da Serum wie auch die zu kultivierenden Zellen keiner unterschiedlichen Spezies angehören. In vitro werden die gleichen physiologischen Bedingungen hergestellt, die die Zellen in vivo vorfinden. Humanes Serum eignet sich besonders für die Zellkultur im Bereich der Zell- und Immuntherapie oder des Tissue Engineerings, bei denen Komponenten tierischer Herkunft nicht erwünscht sind.

Julia Schulz

Referenzen
[1] Caroline Rauch at al.: Alternatives to the Use of Fetal Bovine Serum. ALTEX 2011:28, 4/11; S. 305-316
[2] EFSA erklärt Tierschutz - Erkenntisse zum Tierschutz bei Schlachtung tragender Tiere, 2017 http://www.efsa.europa.eu/sites/default/files/corporate_publications/files/animalwelfare-slaughter-170530-de.pdf
[3] Pressemitteilung der Bundestierärztekammer vom 19. Mai 2017 http://www.bundestieraerztekammer.de/index_btk_presse_details.php?X=201705191 25840
[4] Yanela G. Hernández, René W. Fischer: Serum-free Culturing of Mammalian Cells – Adaptation to and Cryopreservation in Fully Defined Media. ALTEX 2007:24, 2/07; S. 110-116
[5] Gstraunthaler und T. Lindl: Thrombozytenextrakte als Alternative zum Fetalen Kälberserum https://www.i-med.ac.at/dpmp/physiologie/research/gstraunthaler/alternative.html
[6] M. Balser, Ch. Berndt, U. Ritzer: Nadel ins Herz. Süddeutsche Zeitung, 11. August 2015
[7] M. Balser, Ch. Berndt, U. Ritzer: Das schmutzige Geschäft mit dem Blut ungeborener Kälber. SZ.de, 10. August 2015
[8] Ch. Berndt, U. Ritzer: Doping in der Petrischale. Süddeutsche Zeitung, 10.November 2015
[9] Richtlinie 2010/63/EU des Europäischen Parlaments und des Rates vom 22. Sept.2010 zum Schutz der für wissenschaftliche Zwecke verwendeten Tiere
[10] Interview mit Ute Steinbusch (PL Bioscience, Aachen): „Extrem geringe Abweichung“, Laborjournal März 2016; S. 48
[11] Katharina Schallmoser, Dirk Strunk: Preparation of Pooled Human Platelet Lysate (pHPL) as an Efficient Supplement for Animal Serum-Free Human Stem Cell Cultures. Journal of Visualized Experiments 2009; DOI: 10.3791/1523; S. 1-4
[12] David Cánovas, Nigel Bird: Human AB serum as an alternative to fetal bovine serum for endothelial and cancer cell culture. ALTEX 2012: 29, 4/12; S. 426-428

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