Als Transfektion wird in der Zellbiologie das Einbringen von Fremd-DNA oder -RNA in tierische und teilweise auch andere eukaryotische Zellen bezeichnet.Lottspeich, F. und Engels, J.W.: Bioanalytik. Spektrum Akademischer Verlag, 2. Auflage 2006, ISBN 3-8274-1520-9 In eukaryotischen Zellen wird im Gegensatz zu ähnlichen Prozessen bei bakteriellen oder auch pflanzlichen Zellen nicht von Transformation gesprochen, da die Transformation in Säugetierzellen die Entartung von Zellen in einen bösartigen Zustand (Tumor, Krebs) beschreibt.

Prinzip Bei der Transfektion unterscheidet man zwischen dem nur zeitweiligen Einbringen einer Nukleinsäure in eine Wirtszelle (transiente Transfektion) und dem dauerhaften Einbau in das Genom (stabile Transfektion). Durch Abbauprozesse wird fremde DNA normalerweise schnell abgebaut oder durch Mitose verdünnt.T. K. Kim, J. H. Eberwine: Mammalian cell transfection: the present and the future. In: Analytical and bioanalytical chemistry. Band 397, Nummer 8, August 2010, S. 3173–3178, , PMID 20549496, . Nach dem Einbau in die Wirts-DNA oder mit einem geeigneten Replikationsursprung (dann als Episom) ist sie davor geschützt. Je nach Zellart eignen sich verschiedene Verfahren zur Transfektion. Bei Genexpressionsanalysen ist zu bedenken, dass die Wahl der Methode und des Vektors einen Einfluss auf die Genexpression hat.A. A. Stepanenko, H. H. Heng: Transient and stable vector transfection: Pitfalls, off-target effects, artifacts. In: Mutation Research. Band 773, 07 2017, S. 91–103, , PMID 28927539. In Zelllinien, die entweder EBNA1 (z. B. 293E) oder das große T-Antigen (z. B. 293T) bilden, kann die Expressionsdauer einer transienten Transfektion episomal verlängert werden, indem im Vektor ein Replikationsursprung des EBV bzw. des SV40 vorkommt.Y. Durocher, S. Perret, A. Kamen: High-level and high-throughput recombinant protein production by transient transfection of suspension-growing human 293-EBNA1 cells. In: Nucleic acids research. Band 30, Nummer 2, Januar 2002, S. E9, , PMID 11788735, . Zur stabilen Transfektion werden meist im Vektor Selektionsmarker verwendet, die ein selektives Heranwachsen transfizierter Zellen erlauben. Typische Antibiotika zur Selektion sind Geneticin (oder G418), Puromycin, Zeocin, Hygromycin B und Blasticidin S.

Chemische Verfahren Chemische Verfahren zur Transfektion beruhen auf der Komplexierung von Nukleinsäuren mit einem Trägermaterial – einem Transfektionsreagenz, das bereitwillig von Zellen aufgenommen wird. Dabei wird die zu transfizierende Nukleinsäure von positiven Ladungen des Transfektionsreagenz elektrostatisch gebunden. Aufgrund des Phospholipid-Bilayer-Aufbaus der Zellmembran ist die Zelloberfläche überwiegend mit negativen Ladungen versehen. Das Transfektionsreagenz mindert die Abstoßung der negativ geladenen Nukleinsäure und der überwiegend negativ geladenen Zelloberfläche.A. A. Gurtovenko: Molecular-Level Insight into the Interactions of DNA/Polycation Complexes with Model Cell Membranes. In: The journal of physical chemistry. B. Band 123, Nummer 30, 08 2019, S. 6505–6514, , PMID 31290315. Um die Biokompatibilität zu erhöhen, werden verschiedene Biopolymere zur Verwendung als Transfektionsreagenz untersucht.C. O. Franck, L. Fanslau, A. Bistrovic Popov, P. Tyagi, L. Fruk: Biopolymer-based Carriers for DNA Vaccine Design. In: Angewandte Chemie. Band 60, Nummer 24, 06 2021, S. 13225–13243, , PMID 32893932, .

Calcium-Phosphat-Präzipitation Ein schonendes und dabei günstiges Transfektionsverfahren ist die 1973 durch Frank L. Graham und Alex J. van der Eb entwickelte Calcium-Phosphat-Präzipitation.F. L. Graham, A. J. van der Eb: A new technique for the assay of infectivity of human adenovirus 5 DNA. In: Virology. Band 52, Nummer 2, April 1973, S. 456–467, , PMID 4705382.S. Bacchetti, F. L. Graham: Transfer of the gene for thymidine kinase to thymidine kinase-deficient human cells by purified herpes simplex viral DNA. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 74, Nummer 4, April 1977, S. 1590–1594, , PMID 193108, .R. E. Kingston, C. A. Chen, H. Okayama: Calcium phosphate transfection. In: Current protocols in immunology. Chapter 10, Mai 2001, S. Unit 10.13, , PMID 18432676.P. Kumar, A. Nagarajan, P. D. Uchil: Transfection of Mammalian Cells with Calcium Phosphate-DNA Coprecipitates. In: Cold Spring Harbor protocols. Band 2019, Nummer 10, 10 2019, , PMID 31575800.

In einem Gemisch aus Calciumchlorid und Natriumphosphat bindet die zu übertragende DNA an ausfallendes Calciumphosphat. Die ausgefallenen Kristalle werden der Zellkultur zugegeben und von den Zellen durch Endozytose aufgenommen. Die „Berieselung“ der Zellen mit dem Präzipitat ist für die Zellen negativer Stress. Der ganze Vorgang ist stark von einer Vielzahl von Parametern abhängig, deren richtige Einstellung zudem von Zellart zu Zellart variiert: Menge der Plasmid-DNA Reinheit der Plasmid-DNA Konzentration der Carrier-DNA (ein Überschuss an genomischer DNA zur Bildung einer ausreichenden Menge an Präzipitat) Quelle der Carrier-DNA (optimal ist autologe DNA) Größe der Carrier-DNA Salzkonzentration und pH der Lösung Inkubationsdauer Präselektionsdauer bei Herstellung von Zelllinien durch permanente Expression bzw. Erholungsphase bei der Messung der rekombinanten Genaktivität bei transienter Expression Die Methode erfordert experimentelles Geschick und ist nicht für alle Zellen mit gleichem Erfolg anwendbar. Sie funktioniert nur bei adhärent wachsenden Zellen wie z. B. den etablierten Nagerzelllinien der L-Zellen und 3T3-Zellen von Mäusen sowie den Hamsterzelllinien BHK und CHO zufriedenstellend. Mit dieser Methode wurde aber auch Transfektion von Protoplasten durchgeführt.Hain, R. et al. (1985): Uptake, integration, expression and genetic transmission of a selectable chimaeric gene by plant protoplasts. In: Molecular und General Genetics 199(2); 161-168;

Lipofektion

mini|300px|Strukturformel des Lipids SM-102

Genetisches Material kann mit Hilfe von basischen Lipiden zu Liposomen verpackt werden, die mit der Zellmembran (genauer: mit der Endosomenmembran) fusionieren, in Zellen eingebracht werden.P. L. Felgner, T. R. Gadek, M. Holm, R. Roman, H. W. Chan, M. Wenz, J. P. Northrop, G. M. Ringold, M. Danielsen: Lipofection: a highly efficient, lipid-mediated DNA-transfection procedure. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 84, Nummer 21, November 1987, S. 7413–7417, , PMID 2823261, . Am Menschen verwendete basische Lipide sind ALC-0315 und SM-102.

Kationische Polymere Das älteste derartige Verfahren ist die Komplexierung von Plasmid-DNA mit Diethylaminoethyl-Dextran. Die DEAE-Dextran-MethodeP. Kumar, A. Nagarajan, P. D. Uchil: DEAE-Dextran Transfection. In: Cold Spring Harbor protocols. Band 2018, Nummer 7, 07 2018, , PMID 29967279.A. Vaheri, J. S. Pagano: Infectious poliovirus RNA: a sensitive method of assay. In: Virology. Band 27, Nummer 3, November 1965, S. 434–436, , PMID 4285107. ist recht zellverträglich und erzielt Transfektionseffizienzen von bis zu 30 %. Diese positiv geladenen, stark verzweigten Polymere komplexieren die Plasmid-DNA und werden von den Zielzellen aufgenommen. Die Methode ist in der Regel besser zellverträglich als die kationische Lipofektion. Ebenfalls wird Poly-L-LysinY. Kodama, Y. Yatsugi, T. Kitahara, T. Kurosaki, K. Egashira, M. Nakashima, T. Muro, H. Nakagawa, N. Higuchi, T. Nakamura, H. Sasaki: Quaternary complexes modified from pDNA and poly-l-lysine complexes to enhance pH-buffering effect and suppress cytotoxicity. In: Journal of pharmaceutical sciences. Band 104, Nummer 4, April 2015, S. 1470–1477, , PMID 25652194. und PolybrenS. Kawai, M. Nishizawa: New procedure for DNA transfection with polycation and dimethyl sulfoxide. In: Molecular and Cellular Biology. Band 4, Nummer 6, Juni 1984, S. 1172–1174, , PMID 6330534, . als Transfektionsreagenz verwendet. Zusätze von Poly-Glutaminsäure können die bei manchen kationischen Polymeren beschriebene Toxizität mindern. DMSO kann die Permeabilität der Zellmembran erhöhen.W. H. Lewis, P. R. Srinivasan, N. Stokoe, L. Siminovitch: Parameters governing the transfer of the genes for thymidine kinase and dihydrofolate reductase into mouse cells using metaphase chromosomes or DNA. In: Somatic cell genetics. Band 6, Nummer 3, Mai 1980, S. 333–347, , PMID 6931407.

Ein weiteres einfaches und (im Gegensatz zu anderen kommerziellen Reagentien) günstiges Verfahren der Transfektion bietet die Transfektion mittels Polyethylenimin (PEI),O. Boussif, F. Lezoualc'h, M. A. Zanta, M. D. Mergny, D. Scherman, B. Demeneix, J. P. Behr: A versatile vector for gene and oligonucleotide transfer into cells in culture and in vivo: polyethylenimine. In: Proc Natl Acad Sci U S A. (1995), Band 92(16), S. 7297–301. PMID 7638184; .M. Wirth, P. Fritsche, N. Stojanovic, M. Brandl, S. Jaeckel, R. M. Schmid, D. Saur, G. Schneider: A Simple and Cost-Effective Method to Transfect Small Interfering RNAs Into Pancreatic Cancer Cell Lines Using Polyethylenimine. In: Pancreas. 7. Oktober 2010 (Epub). PMID 20938367.P. A. Longo, J. M. Kavran, M. S. Kim, D. J. Leahy: Transient mammalian cell transfection with polyethylenimine (PEI). In: Methods in enzymology. Band 529, 2013, S. 227–240, , PMID 24011049, . welches im Vergleich zur Lipofektion hohe Transfektionseffizienzen sowohl für siRNA (> 85 %) als auch Plasmid-DNA bei niedriger Toxizität liefert.W. T. Godbey, K. K. Wu, A. G. Mikos: Poly(ethylenimine) and its role in gene delivery. In: J Control Release. (1999), Band 60(2-3), S. 149–60. PMID 10425321.D. Goula, C. Benoist, S. Mantero, G. Merlo, G. Levi, B. A. Demeneix: Polyethylenimine-based intravenous delivery of transgenes to mouse lung. In: Gene Ther. (1998), Band 5(9), S. 1291–5. PMID 9930332. PDF. PEI-DNA-Komplexe binden an negativ geladene Glykosaminoglykane auf der Zelloberfläche.M. Hanzlíková, M. Ruponen, E. Galli, A. Raasmaja, V. Aseyev, H. Tenhu, A. Urtti, M. Yliperttula: Mechanisms of polyethylenimine-mediated DNA delivery: free carrier helps to overcome the barrier of cell-surface glycosaminoglycans. In: The journal of gene medicine. Band 13, Nummer 7–8, Juli 2011, S. 402–409, , PMID 21721076. Die Transfektionseffizienz hängt vom Vorhandensein positiver Ladungen auf der Oberfläche der Nukleinsäure-Polyethylenimin-Komplexe ab, denn wenn im Verhältnis zu viel Nukleinsäure bzw. zu wenig PEI verwendet wird, nimmt die Aufnahme in Zellen stark ab. Eine Zugabe von Valproinsäure zum Zellkulturmedium erhöht die Expression rekombinanter Proteine.T. A. Arena, P. D. Harms, A. W. Wong: High Throughput Transfection of HEK293 Cells for Transient Protein Production. In: Methods in molecular biology. Band 1850, 2018, S. 179–187, , PMID 30242687.

Dendrimere Dendrimere sind verzweigte Moleküle, die dadurch eine hohe Anzahl funktioneller Gruppen tragen können. Verschiedene Polyamid-,J. Haensler, F. C. Szoka: Polyamidoamine cascade polymers mediate efficient transfection of cells in culture. In: Bioconjugate Chemistry. Band 4, Nummer 5, 1993, S. 372–379, , PMID 8274523. Peptid-,R. Sapra, R. P. Verma, G. P. Maurya, S. Dhawan, J. Babu, V. Haridas: Designer Peptide and Protein Dendrimers: A Cross-Sectional Analysis. In: Chemical Reviews. Band 119, Nummer 21, 11 2019, S. 11391–11441, , PMID 31556597.M. Heitz, S. Javor, T. Darbre, J. L. Reymond: Stereoselective pH Responsive Peptide Dendrimers for siRNA Transfection. In: Bioconjugate Chemistry. Band 30, Nummer 8, 08 2019, S. 2165–2182, , PMID 31398014. Poly(2-(dimethylamino)ethylmethacrylat) (PDMAEMA)IDW-Online (vom 12. September 2011) und Polyethylenimin-Dendrimere wurden zur Transfektion entwickelt.J. W. Wiseman, C. A. Goddard, D. McLelland, W. H. Colledge: A comparison of linear and branched polyethylenimine (PEI) with DCChol/DOPE liposomes for gene delivery to epithelial cells in vitro and in vivo. In: Gene Ther. (2003), Band 10(19), S. 1654–1662. PMID 12923564.

Rezeptorvermittelte Transfektion