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WO1987002383A1 - Process and medium for field-induced fusion of macromolecules in living cells - Google Patents

Process and medium for field-induced fusion of macromolecules in living cells

Info

Publication number
WO1987002383A1
WO1987002383A1 PCT/DE1986/000418 DE8600418W WO8702383A1 WO 1987002383 A1 WO1987002383 A1 WO 1987002383A1 DE 8600418 W DE8600418 W DE 8600418W WO 8702383 A1 WO8702383 A1 WO 8702383A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
medium
cells
electrolyte
macromolecules
temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE1986/000418
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Ulrich Zimmermann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GCA Corp
Original Assignee
GCA Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by GCA Corp filed Critical GCA Corp
Publication of WO1987002383A1 publication Critical patent/WO1987002383A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N13/00Treatment of microorganisms or enzymes with electrical or wave energy, e.g. magnetism, sonic waves
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N15/00Mutation or genetic engineering; DNA or RNA concerning genetic engineering, vectors, e.g. plasmids, or their isolation, preparation or purification; Use of hosts therefor
    • C12N15/09Recombinant DNA-technology
    • C12N15/87Introduction of foreign genetic material using processes not otherwise provided for, e.g. co-transformation

Definitions

  • the invention relates to a method for field-induced introduction of macromolecules, such as. B. genetic information carriers, in particular DNA and molecules comparable in size, such as. B. proteins, in living cells, comprising the following process steps:
  • the invention also relates to a medium for performing this method.
  • a method for introducing chemical substances into cells in which the cells are suspended in a physiological electrolyte solution and an electric field with the field strength of 10 3 to at a temperature between 0 ° C and 25 ° C 10 5 V / cm are exposed, so that membrane breakthroughs occur, through which chemical substances from the liquid surrounding the cell can get into the cell interior.
  • the cell suspension is heated in order to accelerate the healing processes of the cell membranes.
  • the object of the invention is to improve a method for introducing macromolecules into living cells in such a way that significantly improved yields are obtained when introducing macromolecules, and that at the same time lower concentrations of the substances to be introduced are necessary.
  • This object is achieved according to the invention in a method of the type described in the introduction in that the enzymatic pretreatment is carried out using prototype enzymes, in that the isotonic aqueous medium with an electrolyte and a non-electrolyte component is used to suspend the cells for the actual sinus transfer of the macromolecules, that the Suspension is cooled to a temperature between 0 ° C and 10 ° C, and that one or more electric fields are applied with supercritical field strength.
  • a special role for the survival rate of the cells is played by the enzymatic pretreatment with prototypical enzymes, through which the cell membrane becomes more stable against high-energy electric fields.
  • a certain amount of siectrolyte in the isotonic aqueous medium is also essential, due to the symmetry of the distribution of the breakthroughs in the cell membrane can be controlled within certain limits.
  • the cooling of the cell suspension to a temperature between 0 ° C and 10 ° C serves to extend the life of the membrane breakthroughs, so that the absorption rate of macromolecules in the cell interior assumes practical values, even if the macromolecules are only present in comparatively low concentrations in the injection medium.
  • dispase or pronase as protolytic enzymes has proven to be particularly favorable, whereby when using pronase precautions must be taken that this protolytic enzyme is no longer present in the medium surrounding the cells during the infiltration process, since the pronase Activity within the cell causes it to die.
  • the healing process of the membrane breakthroughs preferably takes place by raising the temperature to approximately 37 ° C. after the injection process has ended.
  • Another object of the invention is to provide a medium for performing the method.
  • This object is achieved in a generic medium in that the electrolyte content is 25 mmol to 60 mmol and that the non-electrolyte component has a concentration by which the osmolarity of the medium is increased to such an extent that the medium is isotonic.
  • the medium also contains the macromolecules to be introduced.
  • the electrolyte portion in the aqueous isotonic medium makes it possible to control the distribution of the openings on the membrane surface of the cell.
  • a particularly symmetrical breakthrough pattern is obtained with an electrolyte content of approximately 30 mmol.
  • the breakthroughs with an assumed spherical shape of the cell are almost symmetrically distributed on both "pole caps" of the cell, so that on the one hand a maximum absorption rate for the macromolecules is achieved and on the other hand not too large a concentration of large membrane breakthroughs on a relatively small surface of the Cell takes place, which significantly improves the ability of the cell to survive.
  • the electrostatic part is composed of aine or divalent cations and mono- or divalent anions. No further demands are made of the cations and anions themselves than that they must be cell-compatible in the usual way.
  • the non-electrolyte tail of the medium is preferably made from one or more of the non-electrolytes sugar, sugar alcohol, amino sugar and related compounds such as. B. inositol.
  • phosphate buffer which is added to the medium, for example in a concentration of 1 mmol, is not absolutely necessary, but is recommended for ampfindiicheran Zeilsystamen. It should be noted that the proportion of phosphate buffer must be taken into account as part of the elecolyte.
  • RPMI 1640 medium available from Boehringer, Mannheim
  • FCS fetal calf serum
  • the RPMI medium was decanted and replaced with an isotonic solution with low ionic strength (280 mmol inositol and 1.1 mmol phosphate buffer).
  • the slide was then centrifuged at approx. 140 g.
  • the centrifuged lines were suspended in a solution of low ionic strength to which 0.1 mg / ml Dispasa was added (6 units / mg, quality level 1, Boehringer, Mannheim). After this treatment with protolytic enzyme, the cells were washed with the actual infiltration medium and suspended in it.
  • the composition of the medium was as follows:
  • the field pulses were applied to the gel suspension cooled to 4 ° C., the density of the cells being 2 ⁇ 10 5 to 2.3 ⁇ 10 6 cell / ml.
  • the DNA to be introduced was added to the medium in a concentration of 1 ⁇ g / ml before the application of the field pulses.
  • Plasmid DNA was exposed to 3 x 50 units of Eco R 1 by exposure at 37 ° C for 3 hours
  • the introduction by means of electrically induced breakthroughs in the cell membranes was carried out analogously to the instructions of Zimmermann et al (U. Zimmermann, G. Pilwat and F. Riemann, Biophys. J. 14, 881 (1974).
  • the pulse duration was set to 5 ⁇ s.
  • the suspension was kept at 4 ° C. for one to two minutes, after which the suspension was removed from the chamber using a micropipette and placed in a volume of 15 ml of a healing medium which was preheated to 37 ° C.
  • the composition of the healing medium was as follows:
  • the cells were held in the healing medium at 37 ° C for about 20 minutes.
  • the number of clones at 1 ⁇ g DNA / ml The number of cells fluctuated between 6 x 10 5 and 7 x 10 6 in the

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Abstract

Process for field-induced fusion of macromolecules into living cells comprising the following sequences, a) enzymatic pre-treatment of the cells; b) suspending the cells in an aqueous, isotonic medium; c) moderating the cell suspension to a temperature of between 0o C and 25o C; d) use of electric field pulses to create passages through the membrane which can be healed; e) heating the cell suspension to heal the membrane passages after application of the field pulses to a temperature above ambient temperature. The process is improved in such a way that significantly higher yields are obtained when fusing these molecules and simultaneously lower concentrations of the substances to be fused are required, this being achieved by the fact that the enzymatic pre-treatment is effected with protolytic enzymes, that the isotonic aqueous medium is used with an electrolyte and non electrolyte portion in order to suspend the cells for the actual incorporation of the macromolecules, that the suspension is cooled to a temperature of between 0o C and 10o C, and that one or several electrical field pulses are applied at a super-critical field strength.

Description

B e s c h r e i b u n g : Description :

Verfahren und Medium zum feldinduzierten Einschleusen von Makromolekülen in lebende ZellenMethod and medium for field-induced introduction of macromolecules into living cells

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum feldinduzierten Einschleusen von Makromolekülen, wie z. B. genetischen Informationsträgern, insbesondere DNA und in der Größe vergleichbaren Molekülen, wie z. B. Proteinen, in lebende Zellen, das folgende Verfahrensschritte umfaßt:The invention relates to a method for field-induced introduction of macromolecules, such as. B. genetic information carriers, in particular DNA and molecules comparable in size, such as. B. proteins, in living cells, comprising the following process steps:

a) Enzymatische Vorbehandlung der Zellen; b) Suspendieren der Zellen in einem wassrigen, isotonischen Medium; c) Temperieren der Zellsuspension auf eine Temperatur zwischen 0° C und 25° C; d) Anwendung elektrischer Feldpulse zur Schaffung von ausheilbaren Membrandurchbrüchen; e) Erwärmen der Zeil suspension zum Ausheilen der Membrandurchbrüche nach dem Applizieren der Eeldpulse auf eine Temperatur oberhalb der Raumtemperatur. Die Erfindung betrifft außerdem ein Medium zur Durchführung dieses Verfahrens.a) enzymatic pretreatment of the cells; b) suspending the cells in an aqueous, isotonic medium; c) tempering the cell suspension to a temperature between 0 ° C and 25 ° C; d) application of electrical field pulses to create curable membrane breakthroughs; e) heating the Zeil suspension to heal the membrane breakthroughs after applying the Eeld pulses to a temperature above room temperature. The invention also relates to a medium for performing this method.

Aus der DE-PS 24 05 119 ist ein Verfahren zum Einschleusen von chemischen Substanzen in Zellen bekannt, bei dem die Zellen in einer physiologischen Elektrolytlösung suspendiert und bei einer Temperatur zwischen 0º C und 25° C einem elektrischen Feld mit der Feldstärke von 103 bis 105 V/cm ausgesetzt werden, so daß Membrandurchbrüche entstehen, durch die chemische Substanzen aus der die Zelle umgebenden Flüssigkeit in das Zellinnere gelangen können. Zum Ausheilen der Membrandurchbrüche wird die Zellsuspension erwärmt, um die Ausheilvorgänge der Zellmembranen zu beschleunigen.From DE-PS 24 05 119 a method for introducing chemical substances into cells is known, in which the cells are suspended in a physiological electrolyte solution and an electric field with the field strength of 10 3 to at a temperature between 0 ° C and 25 ° C 10 5 V / cm are exposed, so that membrane breakthroughs occur, through which chemical substances from the liquid surrounding the cell can get into the cell interior. To heal the membrane breakthroughs, the cell suspension is heated in order to accelerate the healing processes of the cell membranes.

Ebenfalls bekannt ist, dem Verfahren der DE-PS 24 05 119 einen Vorbehandlungsschritt vorzuschalten, in dem die Zellen einer enzymatischen Behandlung unterworfen werden, um die Zellmembranen gegenüber elektrischen Feldern stabiler zu machen.It is also known to precede the process of DE-PS 24 05 119 with a pretreatment step in which the cells are subjected to an enzymatic treatment in order to make the cell membranes more stable with respect to electric fields.

In anderen Verfahren zum Einschleusen von chemischen Substanzen in Zellen wurden neben den oben erwähnten isotonischen, reinen Elektrolyt-Lösungen auch isαtαnische reine Nichtelektrolyt-Lösungen von Inosit oder Saccharose verwendet.In other processes for introducing chemical substances into cells, in addition to the isotonic, pure electrolyte solutions mentioned above, isotonic pure non-electrolyte solutions of inositol or sucrose have also been used.

In allen Fällen war jedoch die Ausbeute des Einschieusens von größeren Biomolekülen, wie z. B. DNA, in lebende Zellen relativ klein, selbst wenn in dem die Zellen umgebenden Medium größere Konzentrationen der einzuschleusenden Substanzen vorlagen. Sehr häufig waren die Membrandurchbrüche auf relativ kleine Gebiete der Zellmembran beschränkt, was die Fähigkeit zur Ausheilung der Membran stark herabsetzt.In all cases, however, the yield of the injection of larger biomolecules, such as. B. DNA, relatively small in living cells, even if larger concentrations in the medium surrounding the cells of the substances to be introduced. Very often the membrane breakthroughs were limited to relatively small areas of the cell membrane, which greatly reduced the ability to heal the membrane.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Einschleusen von Makromolekülen in lebende Zellen derart zu verbessern, daß deutlich verbesserte Ausbeuten beim Einschleusen von Makromolekülen erhalten werden, und daß gleichzeitig geringere Konzentrationen der einzuschleusenden Substanzen notwendig werden.The object of the invention is to improve a method for introducing macromolecules into living cells in such a way that significantly improved yields are obtained when introducing macromolecules, and that at the same time lower concentrations of the substances to be introduced are necessary.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die enzymatische Vorbehandlung mit protolvtischen Enzymen erfolgt, daß das isotonische wässrige Medium mit einem Elektrolyt- und einem NichtslektrolytAnteil zum Suspendieren der Zellen für die eigentliche Sinschleusung der Makromoleküle verwendet wird, daß die Suspension auf eine Temperatur zwischen 0° C und 10° C abgekühlt wird, und daß ein oder mehrere elektrische Feidpuise mit superkritischer Feldstärke appliziert werden.This object is achieved according to the invention in a method of the type described in the introduction in that the enzymatic pretreatment is carried out using prototype enzymes, in that the isotonic aqueous medium with an electrolyte and a non-electrolyte component is used to suspend the cells for the actual sinus transfer of the macromolecules, that the Suspension is cooled to a temperature between 0 ° C and 10 ° C, and that one or more electric fields are applied with supercritical field strength.

Das Einschleusen von Makromolekülen in Zellen macht es erforderlich, größere Durchbrüche in den Zeilmembranen zu schaffen, welche zusätzlich noch sine relativ lange Lebensdauer aufweisen müssen, damit eine merkliche Aufnahme der Makromoleküle in das Zellinnere erfolgt. Die Schaffung von größeren Durchbrüchen in der Zellmembran kann nur mit elektrischen Feldpulsen erzielt werden, deren Feldstärke oberhalb der kritischen Feldstärke liegt, wobei die kritische Feldstärke die niedrigste Feldstärke ist, bei. der gerade an Stellen der Zellmembran, die sen0recht von den elektrischen Feldlinien durchsetzt werden, erste Durchbrüche der Membran entstehen. Die vorgenannten Verfahrensmerkmale der Erfindung wirken nun in der Weise zusammen, daß die größeren Durchbrüche, die durch die superkritischen Felder in der Zellmembran entstehen, nahezu symmetrisch über die Zellmembranoberfläche verteilt sind, d. h. die Durchbrüche sind nicht nur auf wenige Stellen der Zellmembran konzentriert.The introduction of macromolecules into cells makes it necessary to create larger breakthroughs in the cell membranes, which must additionally have a relatively long lifespan, so that the macromolecules are noticeably absorbed into the cell interior. The creation of larger ones Breakthroughs in the cell membrane can only be achieved with electrical field pulses whose field strength is above the critical field strength, the critical field strength being the lowest field strength. The first breakthroughs of the membrane occur in places of the cell membrane that are penetrated by the electrical field lines. The above-mentioned process features of the invention now work together in such a way that the larger breakthroughs that arise from the supercritical fields in the cell membrane are distributed almost symmetrically over the cell membrane surface, ie the breakthroughs are not only concentrated on a few locations on the cell membrane.

Eine besondere Rolle für die Überlebensrate der Zellen spielt die enzymatische Vorbehandlung mit protolvtischen Enzymen, durch die die Zellmembran stabiler gegenüber hochenergetischen elektrischen Feldern wird, wesentlich ist weiterhin ein gewisser Siektrolytanteil in dem isotonischen wässrigen Medium, durch den die Symmetrie der Verteilung der Durchbrüche in der Zeilmembran in gewissen Grenzen gesteuert werden kann. Das Abkühlen der Zeilsuspension auf eine Temperatur zwischen 0° C und 10° C dient zur Verlängerung der Lebensdauer der Membrandurchbrüche, so daß die Aufnahmequote von Makromolekülen in das Zellinners praktikable Werte annimmt, selbst wenn die Makromoleküle nur in vergleichsweise geringen Konzentrationen in dem Einschleusungsmedium vorliegen. Zur Erhaltung der Lebensfähigkeit, d. h. der Teilungsfähigkeit der Zella ist es zum Abschluß des Einschieusungsverfahrens notwendig, die Temperatur zu erhöhen, um nach der Aufnahme der Makromoleküle in das Zellinnere den Ausheiiprozeß der Membrandurchbrüche zu beschleunigen.A special role for the survival rate of the cells is played by the enzymatic pretreatment with prototypical enzymes, through which the cell membrane becomes more stable against high-energy electric fields. A certain amount of siectrolyte in the isotonic aqueous medium is also essential, due to the symmetry of the distribution of the breakthroughs in the cell membrane can be controlled within certain limits. The cooling of the cell suspension to a temperature between 0 ° C and 10 ° C serves to extend the life of the membrane breakthroughs, so that the absorption rate of macromolecules in the cell interior assumes practical values, even if the macromolecules are only present in comparatively low concentrations in the injection medium. To maintain the viability, ie the ability to divide Zella, at the end of the injection process, it is necessary to raise the temperature in order to accelerate the annealing process of the membrane breakthroughs after the macromolecules have been absorbed into the interior of the cell.

Als besonders günstig hat sich der Einsatz von Dispase oder auch Pronase als protolytische Enzyme erwiesen, wobei beim Einsatz der Pronase Vorkehrungen getroffen werden müssen, daß dieses protolytische Enzym während dem Einschleusungsvorgang möglichst nicht mehr in dem die Zellen umgebenden Medium vorhanden ist, da die Pronasa-Aktivität innerhalb der Zelle zum Absterben derselben führt.The use of dispase or pronase as protolytic enzymes has proven to be particularly favorable, whereby when using pronase precautions must be taken that this protolytic enzyme is no longer present in the medium surrounding the cells during the infiltration process, since the pronase Activity within the cell causes it to die.

Wenn die Zellsuspension während dem Einschleusen auf ungefähr 4° C gehalten wird, hat man für eine große Auswahl von Zellsystemen optimale Verhältnisse der Geschwindigkeitskonstanten der Ausheilung der Membrandurchbrüche, der Austauschgeschwindigkeit selbst und anderen Austauschvorgängen, die negativ auf die Überiebensrate der Zelle wirken.If the cell suspension is kept at around 4 ° C during the introduction, then for a large selection of cell systems there are optimal ratios of the rate constants for the healing of the membrane breakthroughs, the exchange rate itself and other exchange processes which have a negative effect on the rate of wetting of the cell.

3este Ergebnisse werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielt, wenn die superkritische Feldstärke ungefähr das Zwei- bis Dreifache der oben definierten kritischen Feldstärke beträgt.The best results are achieved in the method according to the invention if the supercritical field strength is approximately two to three times the critical field strength defined above.

Der Ausheilvorgang der Membrandurchbrüche geschieht vorzugsweise durch eine Temperaturerhöhung auf ungefähr 37° C, nachdem der Einschieusungsvorgang beendet ist. Bei besonders empfindlichen Zeiltypen ist es teilweise angebracht, die Zellen nach dem Einschleusungsvorgang in ein spezielles Ausheilmedium zu überführen, in dem dann der Ausheilprozeß ebenfalls bei erhöhter Temperatur durchgeführt wird.The healing process of the membrane breakthroughs preferably takes place by raising the temperature to approximately 37 ° C. after the injection process has ended. In the case of particularly sensitive cell types, it is sometimes appropriate to transfer the cells into a special healing medium after the introduction process, in which the healing process is then also carried out at elevated temperature.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Medium zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.Another object of the invention is to provide a medium for performing the method.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Medium dadurch gelöst, daß der Elektrolytanteil 25 mMol bis 60 mMoi beträgt und daß der Nichtelektroiytanteil eine Konzentration aufweist, durch die die Osmolarität des Mediums so weit erhöht wird, daß das Medium isotonisch ist. Das Medium enthält gleichzeitig auch die einzuschleusenden Makromoleküle.This object is achieved in a generic medium in that the electrolyte content is 25 mmol to 60 mmol and that the non-electrolyte component has a concentration by which the osmolarity of the medium is increased to such an extent that the medium is isotonic. The medium also contains the macromolecules to be introduced.

Wie zuvor schon erwähnt, ist es mit Hilfe des Elektrolytantails in dem wässrigen isotonischen Medium möglich, die Verteilung der Durchbrüche auf der Membranoberfläche der Zelle zu steuern.As previously mentioned, the electrolyte portion in the aqueous isotonic medium makes it possible to control the distribution of the openings on the membrane surface of the cell.

Ein besonders symmetrisches Durchbruchsmuster erhält man bei einem Eiektrolytanteil von ungefähr 30 mMol. Hierbei liegen die Durchbrüche bei einer angenommenen kugelförmigen Gestalt der Zelle beinahe symmetrisch verteilt auf beiden "Polkappen" der Zelle, so daß zum einen eine maximale Aufnanmequote für die Makromoleküle erreicht wird und zum anderen keine zu große Konzentration von großen Membrandurchbrüchen auf einer relativ kleinen Oberfläche der Zelle erfolgt, wodurch die überiebensfähigkeit der Zelle wesentlich begünstigt wird. Zweckmäßigerweisa setzt sich der Elaktroiytarteil aus ain- oder zweiwertigen Kationen und ein- oder zweiwertigen Anionen zusammen. An die Kationen und Anionen selbst werden keine weiteren Forderungen gestellt, als daß sie in der üblichen Weise zellverträglich sein müssen.A particularly symmetrical breakthrough pattern is obtained with an electrolyte content of approximately 30 mmol. The breakthroughs with an assumed spherical shape of the cell are almost symmetrically distributed on both "pole caps" of the cell, so that on the one hand a maximum absorption rate for the macromolecules is achieved and on the other hand not too large a concentration of large membrane breakthroughs on a relatively small surface of the Cell takes place, which significantly improves the ability of the cell to survive. Appropriately, the electrostatic part is composed of aine or divalent cations and mono- or divalent anions. No further demands are made of the cations and anions themselves than that they must be cell-compatible in the usual way.

Der Nichtelaktrolytantail des Mediums wird vorzugsweise aus einem oder mehreren der Nichtelektrolyte Zucker, Zuckeralkohol, Aminozucker und damit verwandte Verbindungen, wie z. B. Inosit, gebildet.The non-electrolyte tail of the medium is preferably made from one or more of the non-electrolytes sugar, sugar alcohol, amino sugar and related compounds such as. B. inositol.

Nicht zwingend notwendig, jedoch bei ampfindiicheran Zeilsystamen zu empfehlen, ist die zusätzliche Pufferung des Mediums mit einem Phosphatpuffer, der beispielsweise in einer Konzentration von 1 mMol dem Medium zugegeben wird. Zu beachtan ist, daß der Phosphatpufferanteil als Teil des Elaktrolytantaiis zu berücksichtigen ist.Additional buffering of the medium with a phosphate buffer, which is added to the medium, for example in a concentration of 1 mmol, is not absolutely necessary, but is recommended for ampfindiicheran Zeilsystamen. It should be noted that the proportion of phosphate buffer must be taken into account as part of the elecolyte.

Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden im folgenden anhand eines Beispiels noch näher erläutert:These and other advantages of the invention are explained in more detail below using an example:

Einschleusen von E.coli-Plasmiden in Maus-LymphozytenzellenIntroducing E. coli plasmids into mouse lymphocyte cells

Maus-Lymphozytanzelien wurden in einem RPMI 1640-Medium (erhältlich von Boehringer, Mannheim), das mic 5 % FCS (fetal calf serum) versetzt war, vermehrt. Für das Einschlausungsexperiment wurde das RPMI- Medium dekantiert und durch aine isotonische Lösung mit niedriger lonenstärke (280 mMol Inosit und 1,1 mMol Phosphatpuffer) ersatzt. Danach wurden dia Zallen mit ca. 140 g zentrifugiert. Die abzentrifugierten Zeilen wurden in einer Lösung von niadriger lonenstärke suspendiert, zu dar 0,1 mg/ml Dispasa zugegeben wurde (6 Einheiten/mg, Qualitätsstufa 1, Boehringer, Mannheim). Nach dieser Behandlung mit protolytischem Enzym wurden die Zellen mit dem eigentlichen Einschleusungsmedium gewaschen und in diesem suspendiert. Die Zusammensatzung des Mediums war wie folgt:Mouse lymphocyte cells were propagated in RPMI 1640 medium (available from Boehringer, Mannheim), which was mixed with 5% FCS (fetal calf serum). For the inclusion experiment, the RPMI medium was decanted and replaced with an isotonic solution with low ionic strength (280 mmol inositol and 1.1 mmol phosphate buffer). The slide was then centrifuged at approx. 140 g. The centrifuged lines were suspended in a solution of low ionic strength to which 0.1 mg / ml Dispasa was added (6 units / mg, quality level 1, Boehringer, Mannheim). After this treatment with protolytic enzyme, the cells were washed with the actual infiltration medium and suspended in it. The composition of the medium was as follows:

30 mMol KCl 20 mMol Inosit und 1,1 mMol Phosphatpuffer (pH 7,2).30 mmol KCl 20 mmol inositol and 1.1 mmol phosphate buffer (pH 7.2).

Die Feldpulse wurden auf die auf 4° C abgekühlte Zailsuspension angewendet, wobei die Dichte der Zellen 2 x 105 bis 2,3 x 106 Zelian/ml betrug. Dia einzuschleusende DNA wurde vor dem Applizieren der Feldpulse dem Medium in einer Konzentration von 1 μg/ml zugegeben.The field pulses were applied to the gel suspension cooled to 4 ° C., the density of the cells being 2 × 10 5 to 2.3 × 10 6 cell / ml. The DNA to be introduced was added to the medium in a concentration of 1 μg / ml before the application of the field pulses.

Als DNA wurde die zirkuläre Form eines Piasmids pSV 2-neo, das ein Neomvcin-resistentas Gen umfaßt, verwendet. Die teilweise linearisiert eingesetzteThe circular form of a piasmid pSV 2-neo, which comprises a neomvcin-resistant gene, was used as DNA. The partially linearized one

Plasmid-DNA wurde durch ein dreistündiges Einwirken bei 37° C von 3 x 50 Einheiten von Eco R 1 aufPlasmid DNA was exposed to 3 x 50 units of Eco R 1 by exposure at 37 ° C for 3 hours

50 μg Plasmid-DNA hergestellt, wobei jeweils50 μg of plasmid DNA were prepared, each time

50 Einheiten von Eco R 1 nach 0, 1 und 2 Stunden zugegeben wurden. Daran schließen sich zwei Zyklen einer Phenol/Chloroform-Extraktion an, aus der die DNA mit 2 Voiumenteilen. Ethanol ausgefällt wird. Das Plasmid selbst wurde aus E.coli isoliert.50 units of Eco R 1 after 0, 1 and 2 hours were added. This is followed by two cycles of a phenol / chloroform extraction, from which the DNA is divided into two parts. Ethanol is precipitated. The plasmid itself was isolated from E. coli.

Die Einschleusung mittels elektrisch induzierten Durchbrüchen in den Zellmembranen wurde analog den Vorschriften von Zimmermann et al durchgeführt (U. Zimmermann, G. Pilwat und F. Riemann, Biophys. J. 14, 881 (1974). Die Pulsdauer wurde auf 5 μs eingestellt. Die Suspension wurde nach dem Appliziaren der Pulse für eine bis zwei Minuten bei 4° C gehalten, danach wurde die Suspension mittels einer Mikropipette aus der Kammer entfernt und in ein Volumen von 15 ml eines Ausheil-Mediums, das auf 37° C vorgeheizt wurde, überführt. Die Zusammensetzung des Ausheilungs-Mediums war wie folgt:The introduction by means of electrically induced breakthroughs in the cell membranes was carried out analogously to the instructions of Zimmermann et al (U. Zimmermann, G. Pilwat and F. Riemann, Biophys. J. 14, 881 (1974). The pulse duration was set to 5 μs. After application of the pulses, the suspension was kept at 4 ° C. for one to two minutes, after which the suspension was removed from the chamber using a micropipette and placed in a volume of 15 ml of a healing medium which was preheated to 37 ° C. The composition of the healing medium was as follows:

120 mMol Natriumchlorid 3,5 mMol KCl 3,5 mMol K2HPO4 3 mMol KH2PO4 0,5 mMol Magnesium-Acetat 0 ,1 mMol Calcium-Acetat und 10 mMol Glucose120 mmol sodium chloride 3.5 mmol KCl 3.5 mmol K 2 HPO 4 3 mmol KH 2 PO 4 0.5 mmol magnesium acetate 0.1 mmol calcium acetate and 10 mmol glucose

Dia Zellen wurden in dem Ausheilungs-Medium während etwa 20 Minuten bei 37° C gehalten.The cells were held in the healing medium at 37 ° C for about 20 minutes.

Nach der vollständigen Ausheilung der Zellmembranen wurden die Zeilen abzentrifugiert und in ein Nährmedium (RPMI 1640) mit 5 % FCS überführt und 48 Stunden lang inkubiert. Nach der Behandlung mit einem Seiektionsmedium wurde die Ausbeute an geklönten Zeilen durch das Zählen der gabildetan Kolonien (innerhalb von 12 bis 18 Tagen nach der Zugabe des Seiaktionsmediums) festgestellt. Die Ergebnisse der Experimente sind in den Tabellen 1 und 2 fastgehalten.After the cell membranes had completely healed, the cells were centrifuged off and transferred to a nutrient medium (RPMI 1640) with 5% FCS and incubated for 48 hours. After treatment with In a selection medium, the yield of cloned lines was determined by counting the colonies formed (within 12 to 18 days after the addition of the selection medium). The results of the experiments are almost kept in Tables 1 and 2.

Bei den Experimenten wurde die Faldstärka der Feldpulse variiert. Eine Feldstärke von 8 kv/cm war für gute Ausbeuten von Klonen ausreichend, obwohl 10 kv/cm in den meisten Experimenten bessere und besser reproduzierbare Ergebnisse erbrachten. Eine weitere Erhöhung der Feldstärke bis zu 20 kv/cm oder mehrfache Anwendung von Pulsen (z. B. 3 Pulse in einem Intervall von 20 sec bei 10 kv/cm) erbringen keine entsprechend vergrößerte Ausbeute von stabilen Klonen.In the experiments, the fall strength of the field pulses was varied. A field strength of 8 kv / cm was sufficient for good clone yields, although 10 kv / cm gave better and more reproducible results in most experiments. A further increase in the field strength up to 20 kv / cm or multiple use of pulses (e.g. 3 pulses in an interval of 20 sec at 10 kv / cm) do not result in a correspondingly increased yield of stable clones.

Tabelle 1Table 1

Ausbeute an stabilen, d. h. lebensfähigen Klonen unter verschiedenen Feldbedingungen und unter Verwendung von zirkularer Plasmid-DNA. Falls nicht anders vermerkt, beträgt dia DNA-Konzentration 1 μg/ml. Zahlen in Klammern beziehen sich auf diaYield of stable, i.e. H. viable cloning under various field conditions and using circular plasmid DNA. Unless otherwise noted, the DNA concentration is 1 μg / ml. Numbers in brackets refer to dia

Zahl der Klone bei 1 μg DNA/ml. Die Zahl der Zallen schwankte zwischen 6 x 10 5 und 7 x 106 in denNumber of clones at 1 μg DNA / ml. The number of cells fluctuated between 6 x 10 5 and 7 x 10 6 in the

Experimenten. Kontrallexperimente , in denen die Zallan gleichen experimentellen Bedingungen ausgesetzt wurden, jedoch ohne dia Anwendung von elektrischen Faidpulsen, produzierten keine oder nur einzelne Klone.

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Experiments. Contral experiments in which the Zallan were exposed to the same experimental conditions, but without the use of electric Faid pulses, produced no or only individual clones.
Figure imgf000013_0001

Taballe 2Table 2

Vergleich der Ausbeuten von stabilen Klonen, die mit zirkulärer und linearer Plasmid-DNA erhalten wurden. Die Ergebnisse wurden in parallelen Experimenten erhalten, wobei 1 μg/ml DNA und 1,3 bzw. 2,4 x 106 Zellan/ml für die zirkuläre und die lineare Form von DNA verwendet wurden. Comparison of the yields of stable clones obtained with circular and linear plasmid DNA. The results were obtained in parallel experiments, using 1 μg / ml DNA and 1.3 or 2.4 × 10 6 cells / ml for the circular and the linear form of DNA.

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Figure imgf000015_0001

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e : Patent claims: 1. Verfahren zum feldinduzierten Einschleusen von Makromolekülen, wie z. B. von genetischen Informationsträgern, insbesondere DNA, und in der Größe vergleichbaren Biomolekülen, wie z. B. Protainen, in lebende Zellen, das die folgenden Verfahransschritte umfaßt:1. Method for field-induced introduction of macromolecules, such as. B. from genetic information carriers, in particular DNA, and in size comparable biomolecules, such as. B. Protainen, in living cells, which comprises the following procedural steps: a) enzymatische Vorbehandlung der Zellen; b) Suspendieren der Zellen in einem wässrigen, isotonischen Medium; c) Temperieren der Zelisuspension auf aine Temperatur zwischen 0° C und 25° C; d) Anwendung elektrischer Feldpulsa zur Schaffung von ausheilbaran Membrandurchbrüchen; a) Erwärmen der Zellsuspension zum Ausheilen der Membrandurchbrüche nach dem Applizieren der Feidpulse auf aine Temperatur oberhalb der Raumtemperatur,a) enzymatic pretreatment of the cells; b) suspending the cells in an aqueous, isotonic medium; c) tempering the cell suspension to a temperature between 0 ° C and 25 ° C; d) application of electrical field pulses to create curable membrane breakthroughs; a) heating the cell suspension to heal the membrane breakthroughs after applying the Feidpulse to a temperature above room temperature, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß f) die enzymatische Vorbehandlung mit protolytischen Enzymen erfolgt, daß g) das isotonische wässrige Medium mit einem Elektrolyt- und einem Nichtalektrolyt-Anteil zum Suspendieren der Zellen für die eigentliche Einschleusung der Makromoleküle verwendet wird, daß h) dia Suspension auf eine Temperatur zwischen 0° C und 10° C abgekühlt wird, und daß i) ein oder mehrera elektrische Feldpulsa mit superkritischer Feldstärke appliziert werden.the method being characterized in that f) the enzymatic pretreatment with protolytic enzymes is carried out in that g) the isotonic aqueous medium with an electrolyte and a non-electrolyte portion is used to suspend the cells for the actual introduction of the macromolecules, that h) the suspension is at a temperature between 0 ° C and 10 ° C is cooled, and that i) one or more electric field pulses with supercritical field strength are applied. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als protolytische Enzyme Dispase oder Pronase verwendet werden.2. The method according to claim 1, characterized in that dispase or pronase are used as protolytic enzymes. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zailsuspension auf ungefähr3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the dial suspension to approximately 4° C abgekühlt wird.4 ° C is cooled. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die superkritische Feldstärke das Zwei- bis Dreifache der kritischen Feldstärke beträgt.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the supercritical field strength is two to three times the critical field strength. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Applizieren des Faldpulses oder der Feldpulse auf ungefähr5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that after the application of the fall pulse or the field pulses to approximately 37° C erwärmt wird. 37 ° C is heated. 6. Medium zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Eiektrolytanteil 25 mMoi bis6. Medium for performing the method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the electrolyte portion to 25 mMoi 60 mMoi beträgt und daß der Nichtelektrolytantail eine Konzentration aufweist, durch die die Osmolarität des Mediums so weit erhöht wird, daß das Medium isotonisch ist.Is 60 mMoi and that the non-electrolyte antail has a concentration by which the osmolarity of the medium is increased to such an extent that the medium is isotonic. 7. Medium nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolytanteil ungefähr 30 mMoi beträgt.7. Medium according to claim 6, characterized in that the electrolyte content is approximately 30 mMoi. 8. Medium nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Eiektrolytanteil ein- oder zweiwertige Kationen und ein- oder zweiwertige Anionen umfaßt.8. Medium according to claim 6 or 7, characterized in that the electrolyte portion comprises mono- or divalent cations and mono- or divalent anions. 9. Medium nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Nichtalaktrolytanteil einen oder mehrere aus der Reihe der Nichtelektrolyta der Zucker, Zuckaralkohoie, Aminozucker und dazu verwandte Verbindungen, wie z. B. Inosit, umfaßt.9. Medium according to one of claims 6 to 8, characterized in that the non-alkali metal portion one or more of the series of non-electrolytes of sugar, sugar alcohol, amino sugar and related compounds such as. B. Inositol. 10. Medium nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Eiektrolytanteil einen Phosphatpuffer umfaßt. 10. Medium according to one of claims 5 to 9, characterized in that the electrolyte portion comprises a phosphate buffer.
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