Komórki HeLa

Prawie wszystkie badania naukowe w biologii molekularnej, farmakologii, wirusologii, genetyce od początku XX wieku wykorzystywały próbki pierwotnych żywych komórek, które były pozyskiwane z żywego organizmu i hodowane różnymi metodami biochemicznymi, co pozwalało na wydłużenie ich żywotności, czyli zdolności do podziału w warunkach laboratoryjnych. W połowie ubiegłego wieku nauka otrzymała komórki HeLa, które nie podlegają naturalnej śmierci biologicznej. I to pozwoliło wielu badaniom stać się przełomem w biologii i medycynie.

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ]

Skąd pochodzą znieśmiertelnione komórki HeLa?

Historia pozyskania tych „nieśmiertelnych” komórek (nieśmiertelność to zdolność komórek do nieskończonego dzielenia się) wiąże się z biedną 31-letnią pacjentką szpitala Johns Hopkins w Baltimore – Afroamerykanką, matką piątki dzieci o imieniu Henrietta Lacks, która po ośmiomiesięcznej chorobie na raka szyjki macicy i poddaniu się radioterapii wewnętrznej (brachyterapii) zmarła w tym szpitalu 4 października 1951 roku.

Krótko przed tym, gdy Henrietta była leczona z raka szyjki macicy, lekarz prowadzący, chirurg Howard Wilbur Jones, pobrał próbkę tkanki guza do badania i wysłał ją do laboratorium szpitalnego, którym kierował wówczas George Otto Gey, licencjat z biologii.

Biolog był oszołomiony biopsją: komórki tkanki nie obumarły po wyznaczonym czasie w wyniku apoptozy, ale nadal się rozmnażały, i to w zadziwiającym tempie. Naukowcowi udało się wyizolować jedną konkretną komórkę strukturalną i ją rozmnożyć. Powstałe komórki nadal się dzieliły i przestały obumierać pod koniec cyklu mitotycznego.

A wkrótce po śmierci pacjenta (jego imienia nie ujawniono, ale zaszyfrowano je skrótem HeLa), pojawiła się tajemnicza kultura komórek HeLa.

Gdy stało się jasne, że komórki HeLa – dostępne poza ludzkim ciałem – nie podlegają zaprogramowanej śmierci, popyt na nie do różnych badań i eksperymentów zaczął rosnąć. A dalsza komercjalizacja niespodziewanego odkrycia doprowadziła do organizacji produkcji seryjnej – sprzedaży komórek HeLa do licznych ośrodków naukowych i laboratoriów.

Wykorzystanie komórek HeLa

W 1955 roku komórki HeLa stały się pierwszymi sklonowanymi komórkami ludzkimi, a następnie wykorzystano je na całym świecie do badań nad metabolizmem komórek nowotworowych, procesem starzenia, przyczynami AIDS, charakterystyką wirusa brodawczaka ludzkiego i innych infekcji wirusowych, wpływem promieniowania i substancji toksycznych, mapowaniem genów, testowaniem nowych leków i kosmetyków itp.

Według niektórych danych, hodowla tych szybko rosnących komórek została wykorzystana w 70-80 tysiącach badań medycznych na całym świecie. Około 20 ton hodowli komórek HeLa jest hodowanych rocznie na potrzeby naukowe, a ponad 10 tysięcy patentów dotyczących tych komórek zostało zarejestrowanych.

Popularność nowego biomateriału laboratoryjnego stała się łatwiejsza dzięki temu, że w 1954 roku szczep komórek HeLa został wykorzystany przez amerykańskich wirusologów do przetestowania opracowanej przez nich szczepionki przeciwko polio.

Przez dziesięciolecia hodowla komórek HeLa była szeroko stosowana jako prosty model do tworzenia bardziej wizualnych wersji złożonych systemów biologicznych. A możliwość klonowania zimmortalizowanych linii komórkowych umożliwia powtarzane analizy na genetycznie identycznych komórkach, co jest warunkiem wstępnym badań biomedycznych.

Już na samym początku – w literaturze medycznej tamtych lat – zauważono „wytrzymałość” tych komórek. Rzeczywiście, komórki HeLa nie przestają się dzielić nawet w zwykłej probówce laboratoryjnej. I robią to tak agresywnie, że jeśli laboranci wykażą się najmniejszą niedbałością, komórki HeLa z pewnością przenikną do innych kultur i spokojnie zastąpią pierwotne komórki, w wyniku czego czystość eksperymentów jest wysoce wątpliwa.

Nawiasem mówiąc, w wyniku jednego z badań, przeprowadzonego już w 1974 r., eksperymentalnie potwierdzono zdolność komórek HeLa do „zanieczyszczania” innych linii komórkowych w laboratoriach naukowców.

Komórki HeLa: co wykazały badania?

Dlaczego komórki HeLa zachowują się w ten sposób? Ponieważ nie są to normalne komórki zdrowych tkanek ciała, ale komórki nowotworowe uzyskane z próbki tkanki nowotworowej i zawierające patologicznie zmienione geny ciągłej mitozy ludzkich komórek nowotworowych. W istocie są to klony komórek złośliwych.

W 2013 r. naukowcy z Europejskiego Laboratorium Biologii Molekularnej (EMBL) poinformowali, że zsekwencjonowali DNA i RNA w genomie Henrietty Lacks za pomocą kariotypowania spektralnego. A gdy porównali go z komórkami HeLa, odkryli, że istnieją uderzające różnice między genami w komórkach HeLa i normalnych komórkach ludzkich...

Jednak już wcześniej analiza cytogenetyczna komórek HeLa doprowadziła do odkrycia licznych aberracji chromosomowych i częściowej hybrydyzacji genomowej tych komórek. Okazało się, że komórki HeLa mają kariotyp hipertriploidalny (3n+) i produkują heterogeniczne populacje komórek. Ponadto stwierdzono, że ponad połowa sklonowanych komórek HeLa ma aneuploidię - zmianę liczby chromosomów: 49, 69, 73, a nawet 78 zamiast 46.

Jak się okazało, mitozy wielobiegunowe, policentryczne lub wielobiegunowe w komórkach HeLa są zaangażowane w niestabilność genomową fenotypu HeLa, utratę markerów chromosomowych i powstawanie dodatkowych nieprawidłowości strukturalnych. Są to zaburzenia podczas podziału komórki, prowadzące do patologicznej segregacji chromosomów. Jeśli mitotyczna bipolarność wrzeciona podziałowego jest charakterystyczna dla zdrowych komórek, to podczas podziału komórki nowotworowej powstaje większa liczba biegunów i wrzecion podziałowych, a obie komórki potomne otrzymują różną liczbę chromosomów. A wielobiegunowość wrzeciona podczas mitozy komórkowej jest charakterystyczną cechą komórek nowotworowych.

Badając wielobiegunowe mitozy w komórkach HeLa, genetycy doszli do wniosku, że cały proces podziału komórek nowotworowych jest w zasadzie niepoprawny: profaza mitozy jest krótsza, a powstanie wrzeciona podziałowego poprzedza podział chromosomów; metafaza również zaczyna się wcześniej, a chromosomy nie mają czasu zająć swojego miejsca, rozkładając się chaotycznie. Otóż liczba centrosomów jest co najmniej dwa razy większa niż to konieczne.

Zatem kariotyp komórki HeLa jest niestabilny i może się znacznie różnić między laboratoriami. W konsekwencji wyniki wielu badań – biorąc pod uwagę utratę tożsamości genetycznej materiału komórkowego – są po prostu niemożliwe do odtworzenia w innych warunkach.

Nauka poczyniła wielkie postępy w zakresie zdolności do kontrolowanego manipulowania procesami biologicznymi. Najnowszym przykładem jest stworzenie realistycznego modelu guza nowotworowego przy użyciu komórek HeLa za pomocą drukarki 3D przez grupę badaczy z USA i Chin.