Transfektion ist der Prozess des Einbringens von Nukleinsäuren in Säugetier- oder Insektenzellen. Im Gegensatz zur bakteriellen Transformation, die sich auf die bakterielle Aufnahme von DNA bezieht, beschreibt die Transfektion spezifisch den Transfer in eukaryotische Zellen.

Lipidvermittelte Transfektion

Kationische Lipidreagenzien (Lipofectamine, FuGENE, jetPEI) bilden Liposomen, die negativ geladene DNA einkapseln. Die positiv geladenen Liposomen fusionieren mit der negativ geladenen Zellmembran und setzen die DNA im Zytoplasma frei.

Das Lipid-zu-DNA-Verhältnis ist entscheidend. Die meisten Reagenzien erfordern eine Optimierung im Bereich von 2–4 µL Lipid pro µg DNA. Die Transfektionseffizienz hängt vom Zelltyp ab — HEK 293 und HeLa sind gut transfizierbar; Primärzellen und Suspensionszellen sind schwieriger. Serum im Medium kann einige Lipidreagenzien hemmen. Die meisten Protokolle empfehlen die Transfektion in serumreduziertem Medium (Opti-MEM) und den Wechsel zu Vollmedium nach 4–6 Stunden.

Calciumphosphat-Co-Präzipitation

DNA wird mit CaCl₂ gemischt und tropfenweise zu einer phosphatgepufferten Lösung gegeben, wodurch ein feiner Niederschlag aus Calciumphosphat-DNA-Komplexen entsteht. Der Niederschlag setzt sich auf den Zellen ab und wird durch Endozytose aufgenommen.

Diese Methode ist sehr kostengünstig, aber pH-empfindlich. Der optimale pH-Wert (typischerweise 6,95–7,05) muss für jeden Zelltyp empirisch bestimmt werden. Der Niederschlag muss fein und gleichmäßig sein — große Aggregate reduzieren die Effizienz und erhöhen die Toxizität. Calciumphosphat funktioniert gut für adhärente Zelllinien, aber schlecht für Primär- und Suspensionszellen.

Elektroporation

Ein kurzer Hochspannungspuls (100–300 V, 1–25 ms) erzeugt vorübergehende Poren in der Zellmembran, durch die DNA eindringen kann. Die Elektroporation funktioniert für fast alle Zelltypen, einschließlich Primärzellen, Stammzellen und Suspensionszellen, die chemischen Methoden widerstehen.

Kommerzielle Elektroporationssysteme (Neon, Nucleofector, Gene Pulser) verwenden optimierte Pulsparameter und proprietäre Lösungen, um 70–90% Effizienz in schwer transfizierbaren Zellen zu erreichen. Der Nachteil ist ein signifikanter Zelltod (20–50%), und eine sorgfältige Optimierung von Zelldichte, DNA-Menge und Pulsparametern ist erforderlich.

Virale Transduktion

Rekombinante Viren übertragen genetisches Material mit hoher Effizienz auf ein breites Spektrum von Zelltypen. Die häufigsten Vektorsysteme:

• Lentivirus: infiziert sich teilende und nicht-teilende Zellen und integriert sich in das Genom, was eine stabile Langzeitexpression ermöglicht. Die Verpackungskapazität beträgt ~8 kb.
• Retrovirus: infiziert nur sich teilende Zellen. Wird für stabile Expression in schnell proliferierenden Zellen verwendet.
• Adeno-assoziierte Viren (AAV): nicht-integrierend, geringe Immunogenität, gut für die in-vivo-Anwendung. Verpackungskapazität ~4,5 kb.
• Adenovirus: hoher Titer, infiziert viele Zelltypen, löst aber eine Immunantwort aus. Wird für transiente, hochgradige Expression verwendet.

Stabile vs. transiente Transfektion

Transiente Transfektion: Die DNA bleibt episomal und wird durch Zellteilung verdünnt. Die Expression erreicht ihr Maximum nach 24–48 Stunden und hält 2–7 Tage an. Wird für Kurzzeitexperimente, Reporter-Assays und Proteinproduktion verwendet.

Stabile Transfektion: Ein selektierbarer Marker (Puromycin, G418/Hygromycin-Resistenz) wird co-transfiziert, und Zellen, die die DNA in ihr Genom integriert haben, werden über 7–14 Tage selektiert. Die resultierende stabile Zelllinie behält die Expression dauerhaft bei.