Die traditionelle In-vitro-Zellkultur stützt sich auf vereinfachte Stimuli – einzelne Zytokine, LPS, synthetische Wachstumsfaktorkokteile –, die nie darauf ausgelegt waren, die volle Komplexität des menschlichen Blutes nachzubilden. Eine wachsende Zahl von begutachteten wissenschaftlichen Belegen zeigt nun, dass die direkte Zugabe von menschlichem Plasma oder Serum zu kultivierten Zellen physiologisch relevantere und für die klinische Anwendung aussagekräftigere Ergebnisse liefert. Dieser Leitfaden erläutert die Methode, ihre Anwendungsbereiche und die entscheidenden methodischen Entscheidungen, die Forscher treffen müssen.
Warum menschliches Plasma und Serum – und warum gerade jetzt?
Das grundlegende Problem herkömmlicher Stimuli in der Zellkultur ist der biologische Reduktionismus. Wenn ein Forscher einer Zellkultur LPS oder eine Zytokinmischung zusetzt, setzt er die Zellen einem oder einer Handvoll definierter Mediatoren aus. Menschliches Blut hingegen enthält Tausende von Proteinen, Lipiden, Metaboliten, Hormonen, Gerinnungsfaktoren, Komplementproteinen, Immunglobulinen und Wachstumsfaktoren, die gleichzeitig wirken.
Eine 2025 veröffentlichte Übersichtsarbeit in Klinische und translationale Wissenschaft (Cela et al., PMC11864229) fasst mehr als 40 Studien zusammen, in denen menschliches Plasma oder Serum als physiologisch komplexer Stimulus direkt auf kultivierte Zellen aufgebracht wurde. Die Ergebnisse sind einheitlich: Aus menschlichem Blut gewonnene Fraktionen sind vereinfachten Stimuli überlegen, wenn es darum geht, in-vivo-Zellreaktionen in einem breiten Spektrum von Krankheitsmodellen nachzubilden – Sepsis, COVID-19, COPD, diabetische Ketoazidose, Lebererkrankungen und Krebs.
Die praktische Konsequenz für den Einkauf im Forschungsbereich ist klar: Labore, die translationale Krankheitsmodelle einsetzen, benötigen zunehmend Zugang zu gut charakterisiertem menschlichem Plasma und Serum – nicht nur als Ergänzung, sondern als primären experimentellen Stimulus.
Plasma oder Serum – Was passt besser zu Ihrem Modell?
Die Wahl zwischen Plasma und Serum ist die erste Entscheidung und eine der wichtigsten. Dabei geht es nicht nur um eine Frage der Präferenz – die beiden Fraktionen unterscheiden sich grundlegend in ihrer Zusammensetzung und ihrem Verhalten in der Zellkultur.
Humanplasma wird vor der Zentrifugation mit einem Antikoagulans entnommen. Es enthält Fibrinogen und alle Gerinnungsfaktoren. Wird Plasma in höheren Konzentrationen (≥20% v/v) in der Zellkultur verwendet, kann es zur Gerinnung führen, wenn die Antikoagulanswirkung durch zweiwertige Kationen im Kulturmedium überwunden wird. Dieses Risiko ist insbesondere bei EDTA- und Citrat-Antikoagulanzien relevant. Heparinplasma vermeidet dieses Problem, da Heparin Thrombin unabhängig von der Zusammensetzung des Mediums hemmt – allerdings birgt Heparin bei hohen Konzentrationen eigene Risiken, darunter die Störung der Zelladhäsion und die Beeinträchtigung von Signalwegen. Die Konsensempfehlung aus der Fachliteratur lautet, eine Mindestheparinkonzentration von 0,25 IE/ml einzuhalten, um eine Gerinnung zu verhindern und gleichzeitig Off-Target-Effekte zu minimieren.
Menschliches Serum wird nach natürlicher oder induzierter Gerinnung gewonnen. Es enthält kein Fibrinogen und keine Gerinnungsfaktoren – enthält jedoch zusätzliche Wachstumsfaktoren, die bei der Degranulation der Thrombozyten freigesetzt werden (PDGF, TGF-β, EGF). Dies macht „Off-the-Clot“-Serum (OTC) besonders wertvoll für Anwendungen, bei denen ein maximaler Gehalt an Wachstumsfaktoren erforderlich ist. Serum birgt in der Zellkultur nicht das Gerinnungsrisiko, das bei Plasma besteht, und sein Verhalten über einen breiteren Konzentrationsbereich hinweg ist besser vorhersehbar.
Die praktische Empfehlung: Verwenden Sie Serum, wenn Sie Wachstum, Proliferation, Differenzierung und Signalreaktionen auf die physiologische Blutzusammensetzung untersuchen. Verwenden Sie Plasma, wenn sich die Forschungsfrage speziell auf Gerinnungsfaktoren, Komplementproteine oder krankheitsassoziierte Komponenten bezieht, die durch den Gerinnungsprozess abgebaut oder verändert werden.
Die Wahl des Antikoagulans für Plasma – eine Entscheidung, die sich auf Ihre Ergebnisse auswirkt
Wenn Plasma für Ihr Modell die richtige Wahl ist, muss das Antikoagulans sorgfältig ausgewählt werden. Die drei Standardformate haben jeweils Auswirkungen auf die Zellkultur:
| Antikoagulans | Mechanismus | Geeignet für | Vermeiden Sie es, wenn |
|---|---|---|---|
| EDTA (K2/K3) | Irreversible Ca²⁺/Mg²⁺-Chelatbildung | Immunoassay, Hämatologie, Allgemein IVD | Gerinnungstests; können durch Kationen im Medium bei hohem Plasma-%-Spiegel beeinflusst werden |
| Citrat (3,2%/3,8%) | Reversible Ca²⁺-Chelatbildung | Gerinnungsuntersuchungen; durch Kalzium wiederherstellbare Gerinnung | Hohe Konzentrationen in Zellkulturen (Gerinnungsrisiko) |
| Heparin (Li/Na) | Thrombinhemmung – unabhängig vom Medium | Zellkultur bei ≥20% (v/v); die meisten Translationsmodelle | PCR-Assays; MSC-Kultur in hohen Konzentrationen |
| ACD-A | Citrat + Dextrose | Zelltherapie, PBMC, Thrombozytenpräparate | Routine-Laboruntersuchungen |
Für Krankheitszustandsmodelle, bei denen Plasma als primärer Stimulus verwendet wird – der in der Übersichtsarbeit von Cela et al. beschriebene Ansatz –, ist Heparinplasma mit einer Konzentration von mindestens 0,25 IE/ml in der Regel die am besten geeignete Wahl, da es die Gerinnung verhindert, ohne dabei den kalziumabhängigen Einschränkungen von EDTA und Citrat zu unterliegen.
Konzentrationsprotokolle – Wie viel Plasma oder Serum muss zugegeben werden?
Die Konzentration ist einer der Parameter, bei denen in der Fachliteratur die größten Schwankungen zu beobachten sind; sie reicht je nach Zelltyp und Versuchszweck von 0,5% bis 100% (v/v). Die Übersichtsarbeit von Cela et al. zeigt eine klare Logik auf:
Hohe Konzentrationen (≥20% v/v) sind für Zellen geeignet, die in vivo direkt mit Blut in Kontakt kommen – Endothelzellen, zirkulierende Immunzellen, glatte Gefäßmuskelzellen. Diese Konzentrationen führen innerhalb kurzer Stimulationszeiträume (1–12 Stunden) zu schnellen, nahezu maximalen zellulären Reaktionen. In Sepsis-Modellen induzierte 20%-Plasma von Sepsis-Patienten innerhalb von 8 Stunden eine messbare Hyperpermeabilität der Endothelzellen.
Niedrige Konzentrationen (≤5% v/v) eignen sich für Parenchymzellen, die nicht direkt dem systemischen Kreislauf ausgesetzt sind – Fibroblasten, Myoblasten, Hepatozyten. Diese Konzentrationen ermöglichen die Beobachtung von Wirkungen über längere Zeiträume (24–168 Stunden) und entsprechen besser der verdünnten Plasmakonzentration, die Gewebe außerhalb des Gefäßkompartiments erreicht.
20% (v/v) erweist sich als optimaler Ausgangspunkt für die meisten Endothel- und Immunzellmodelle – hoch genug, um starke Reaktionen auszulösen, und niedrig genug, um komplementvermittelte Zytotoxizität und Gerinnungsartefakte zu vermeiden.
Für Serum gilt dieselbe Logik, mit dem zusätzlichen Vorteil, dass kein Gerinnungsrisiko besteht, sodass höhere Konzentrationen mit größerer Sicherheit getestet werden können.
Anwendungen im Krankheitsbereich – wo die Methode den größten Nutzen bietet
Der überzeugendste Anwendungsfall für menschliches Plasma und Serum als Stimuli in der Zellkultur liegt in der Modellierung spezifischer Krankheitszustände. Die wichtigste Erkenntnis aus der Fachliteratur ist, dass Plasma und Serum aus Krankheitszuständen zelluläre Reaktionen hervorrufen, die sich mit vereinfachten Stimuli – einzelnen Zytokinen, LPS – nicht zuverlässig nachbilden lassen.
Sepsis-Modelle haben die meisten veröffentlichten Daten geliefert. Septisches Plasma, das in einer Konzentration von 10–20% (v/v) auf Endothelzellen (HUVEC, HPMVEC) aufgebracht wurde, induziert durchweg eine erhöhte Permeabilität, ROS-Produktion, Monozytenadhäsion und Zytokinfreisetzung – Reaktionen, die mit dem klinischen Schweregrad der Erkrankung korrelieren. Entscheidend ist, dass DKA-Plasma oxidativen Stress in zerebrovaskulären Endothelzellen induzierte, während ein passendes DKA-Zytomix bei äquivalenten Zytokin-Konzentrationen dies nicht tat – was zeigt, dass das Plasma im Krankheitszustand Faktoren enthält, die oxidativen Stress induzieren, die in vereinfachten, rekonstituierten Stimuli fehlen.
COVID-19-Modelle zeigte, dass Plasma von kritisch erkrankten Patienten die Lebensfähigkeit von Endothelzellen der Lungenmikrogefäße innerhalb einer Stunde beeinträchtigte, während Plasma von genesenen Patienten keinen solchen Effekt hatte – ein Unterschied, der sich anhand des Schweregrads der Erkrankung nicht durch einen festen Zytokin-Reiz reproduzieren ließ.
COPD- und Rauchermodelle verwendeten Serum von Rauchern, um eine verminderte Endothelzellmigration, eine eNOS-Dysfunktion und die Genexpression von Herz-Kreislauf-Erkrankungen in HUVEC nachzuweisen – ein Modell, das die physiologische Irrelevanz der direkten Exposition von Endothelzellen gegenüber Zigarettenrauch in vitro direkt überwindet.
Stoffwechsel- und Bewegungsphysiologie hat menschliches Serum als primären Stimulus für Muskelzellmodelle gewählt – um die Auswirkungen von Nahrungsaufnahme im Vergleich zu Fasten, körperlicher Belastung und Alterung auf die Proteinsynthese und Differenzierung in Myotuben zu untersuchen. Bei diesem Ansatz wird Serum von einzelnen Spendern oder aus aufeinander abgestimmten Spenderpools auf C2C12- oder LHCN-M2-Zellen aufgebracht, wodurch systemische Stoffwechselbedingungen ohne Tierversuche in vivo nachgebildet werden.
Biologische und lebensstilbezogene Variablen – Was muss berücksichtigt werden?
Humanplasma und -serum sind keine einheitlichen Reagenzien. Ihre Zusammensetzung variiert systematisch in Abhängigkeit von Alter, Geschlecht, BMI, Medikamenteneinnahme, Ernährungsgewohnheiten und sportlicher Aktivität des Spenders. Diese Variabilität ist zugleich die Stärke und die Herausforderung dieser Methode.
Zu den in der Literatur dokumentierten Schlüsselvariablen zählen: Unterschiede bei den Sexualhormonen zwischen männlichen und weiblichen Spendern (Östrogene, Progesteron sowie FSH/LH schwanken bei weiblichen Spenderinnen zyklisch und können Steroidrezeptoren in kultivierten Zellen aktivieren); altersbedingte Veränderungen der Albuminkonzentration, der Zytokin-Ausgangswerte und der Metabolitenprofile; sowie BMI-assoziierte Veränderungen im Plasmaproteom, einschließlich Leptin und FABP4.
Die praktischen Auswirkungen auf die Versuchsplanung: Spender sollten beim Vergleich von Krankheits- und Kontrollgruppen nach Alter und Geschlecht abgeglichen werden. Verwenden Sie ausschließlich männliche Spenderpools, wenn hormonelle Schwankungen die Ergebnisse verfälschen könnten – eine direkte Entsprechung zur Bevorzugung von „Human Serum OTC Typ AB männlich“ in den Herstellungsprotokollen CAR-T und ATMP. Ziehen Sie in Basisstudien gepooltes Plasma von mehreren Spendern in Betracht, um individuelle Schwankungen zu reduzieren, oder Einheiten von Einzelspendern, wenn die Reaktion des einzelnen Spenders Gegenstand der Untersuchung ist.
Hitzeinaktivierung – ein häufiger Fehler, den es zu vermeiden gilt
Die Hitzeinaktivierung von menschlichem Plasma oder Serum bei 56 °C über 30 Minuten ist in vielen Labors Standard bei der Herstellung von FBS. Die Anwendung desselben Schritts auf menschliches Plasma oder Serum, das als Stimulus für einen Krankheitszustand dienen soll, stellt einen erheblichen methodischen Fehler dar. Durch die Hitzeinaktivierung werden Zytokine, Wachstumsfaktoren und andere Signalproteine denaturiert – genau jene Komponenten, die den Krankheitsstimulus biologisch aussagekräftig machen. Wenn Sie menschliches Plasma oder Serum als Stimulus zur Modellierung einer Krankheit verwenden, dürfen Sie es nicht hitzeinaktivieren.
Der einzige triftige Grund für die Hitzeinaktivierung von Humanserum für die Zellkultur ist die Komplementdepletion in Modellen, in denen eine komplementvermittelte Zytotoxizität eine Störvariable darstellen würde – und in Krankheitsmodellen ist die Komplementaktivität oft selbst ein Bestandteil der untersuchten pathologischen Reaktion.
Praktische Empfehlungen für Ausgangsmaterial
Die Qualität und Dokumentation des als Stimulus verwendeten menschlichen Plasmas oder Serums wirken sich unmittelbar auf die Reproduzierbarkeit und die behördliche Akzeptanz der Ergebnisse aus. Wesentliche Anforderungen:
- Umfassendes Virus-Screening pro Einheit – mindestens HIV-1/2, HBsAg, HCV, Syphilis; NAT-Screening (HIV-1-RNA, HCV-RNA, HBV-DNA) für Anwendungen, die höhere Sicherheitsstandards erfordern
- Definiertes Antikoagulans — bei der Bestellung angeben und im Abschnitt „Methoden“ dokumentieren; die Ergebnisse sind nicht zwischen verschiedenen Antikoagulansformaten vergleichbar
- Dokumentierte demografische Daten der Spender — Altersgruppe, Geschlecht, Blutgruppe; unerlässlich für die Reproduzierbarkeit und für Kohortenstudien mit vergleichbaren Gruppen
- Einheiten von einem einzigen Spender für die Erstellung von Referenzpanels für Krankheitszustände, bei denen eine Rückverfolgbarkeit auf Spender-Ebene erforderlich ist
- Zusammengefasste Lose für die Basisstimulation, bei der die Variabilität zwischen den Spendern minimiert werden sollte
- Lagerung bei −80 °C wenn labile Faktoren (Gerinnungsfaktoren, Komplement, labile Zytokine) konserviert werden müssen; −20 °C ist für die meisten allgemeinen Serum-Anwendungen akzeptabel
SeamlessBio – Humanplasma und -serum für die translationale Forschung
SeamlessBio liefert Humanplasma und -serum aus zertifizierten Spenderzentren in der EU und den USA in den für translationale Krankheitsmodelle erforderlichen Formaten und Spezifikationen:
- Humanplasma – gepoolt — EDTA, Heparin oder Citrat; Herkunft aus der EU oder den USA; Großmengen verfügbar; NAT-Screening auf Anfrage
- Humanplasma – von einem einzigen Spender — Virus-Screening pro Einheit; lückenlose Rückverfolgbarkeit der Spender; Plasma von Patienten mit bestimmten Erkrankungen auf Anfrage
- Menschliches Plasma – Typ AB, männlich — keine Anti-A/B-Antikörper; ausschließlich männliche Spender; EDTA, Citrat oder ACD-A; für die Zelltherapie und immunologisch sensible Modelle
- Menschliches Serum, OTC, Typ AB, männlich — direkt aus dem Gerinnsel; maximaler Gehalt an Wachstumsfaktoren; die Referenzqualität für CAR-T-, NK-Zell- und MSC-Protokolle
- Human-Serum-Standard — gemischte Spender; kostengünstig; auf Wunsch hitzeinaktiviert oder mit Gammastrahlen bestrahlt
- Entfettetes Humanserum — lipidfreie Matrix für Untersuchungen zur Lipämie-Interferenz
Alle Produkte werden mit Analysezertifikat, Ursprungszeugnis, Sicherheitsdatenblatt und Virus-Screening-Bericht geliefert. Chargenreservierung ohne Vorauszahlung. Keine Mindestbestellmenge.
Fordern Sie ein Muster oder ein Angebot an: info@seamlessbio.de · +49 851 37932226
Literaturverzeichnis
Cela E, Patterson EK, Gill SE, Cepinskas G, Fraser DD. Einsatz von menschlichem Plasma/Serum in der In-vitro-Zellkultur: Ein translationaler Forschungsansatz zur genaueren Aufklärung von Krankheitsmechanismen. Clin Transl Sci. 2025. PMCID: PMC11864229. DOI: 10.1111/cts.70161
Allen SL, Elliott BT, Carson BP, Breen L. Verbesserung der physiologischen Relevanz von Zellkulturen: Möglichkeiten, Überlegungen und zukünftige Ausrichtungen des Ex-vivo-Kokulturmodells. Am J Physiol Cell Physiol. 2023;324(2):C420–C427. PMCID: PMC9902212.
SeamlessBio GmbH, Passau, Deutschland. Dieser Artikel dient ausschließlich wissenschaftlichen Informationszwecken. Produktspezifikationen und Verfügbarkeit auf Anfrage.
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