XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Введение

С самого зарождения медицины шёл поиск модельного объекта, который бы позволил получить условия, аналогичные человеческому организму для разработки и тестирования новых лекарственных препаратов, для проведения экспериментов. Линия клеток HeLa была первой линией человеческих раковых клеток, идеальный модельный объект для проведения исследований человеческих раковых заболеваний и не только. Именно на них была разработана первая вакцина от полиомиелита, всего примерно через год после создания линии. Данный тип клеток считается «вечными», из-за своей способности к бесконечному делению, а именно благодаря тому, что они продуцируют такой фермент как теломераза, позволяющий наращивать теломеры с достаточно высокой скоростью, то результаты с их использованием достаточно достоверно воспроизводят в разных лабораториях. Ещё примечательно то, что на своей поверхности они несут универсальный набор рецепторов, который позволяет использовать их для исследования действия различных веществ. Это могут быть как простые неорганические так белки и нуклеиновые кислоты. Они являются неприхотливыми в культивировании и хорошо переносят заморозку и консервацию. Клетки данной линии, с момента их обнаружения, использовались в исследованиях самых различных заболеваний таких, как рак и СПИД, а также для изучения воздействия радиации и токсичных веществ, составления генетических карт и много чего другого. Благодаря исследованиям на клетках этой линии удалось разработать вакцину против полиомиелита. Их также применяли в исследовании при клонировании, для отработки методов искусственного оплодотворения.

История происхождения и применения линии

HeLa – это клеточная линия, которая была получена в 1951 году после взятия клеток опухоли шейки матки Генриетты Лакс методом биопсии. Эти клетки стали первыми человеческими клетками, способными делиться в лабораторных условиях.

Исследовать данные клетки опухоли взялся биолог Джордж Гей. Благодаря своим исследования он заметил, что нормальные клетки женщины умирали, а раковые принимались активно делиться бесконечное число раз. За это их прозвали «бессмертными». В лаборатории Гея культура исследуемых раковых клеток была названа HeLa, то есть по первым буквам имени и фамилии пациентки. Так появилась новая «бессмертная» линия клеток, которая действительно не умирает.

Культура клеток HeLa распространилась по многим лабораториям мира. На ней стали тестировать вакцину от полиомиелита, для этого построили первую фабрику по производству клеточных линий. HeLa впервые была клонирована, отправлена в космос, где ставили многочисленные опыты, заражалась вирусами и облучалась радиоактивными волнами. Благодаря результатам исследований над данной линией, спустя 30 лет ученые выяснили, что вирус папилломы человека (ВПЧ) вызывает рак шейки матки. Клетки HeLa продвинули медицину вперед и спасли жизни многих людей.

В 1955 клетки HeLa стали использоваться учеными по всему миру. Исследовались: метаболизм клетки при раке; старение клеток; причины возникновения СПИДа; особенности многих вирусных заболеваний; воздействие мутагенов на клетки; картирование генов.

Клетки HeLa имели такое большое значения в медицине и биологии, потому что они содержали патологические измененные гены непрерывного митоза раковых клеток человека. Также анализ данных клеток привел к открытию многочисленных хромосомных патологий и частичной геномной гибридизации этих клеток. Благодаря изучению методического деления клетки HeLa генетики пришли к выводу, что весь процесс деления раковых клеток идет неправильно.

В 1953 году на клетках HeLa были проведены первые эксперименты по окраске хромосом гематоксилином. Результатом данных исследований было зарождение генетической медицины.

В 1954 году за счет «бессмертности» HeLa ученые смогли размножить и изучить клоны отдельных клеток, так зародилось клонирование.

В 1965 году появились первые гибриды – химерные клетки, созданные путем слияния HeLa с лимфоцитами мыши.

В 1986 году на модели HeLa был показан механизм заражения клеток вирусом иммунодефицита человека, это способствовало более глубокому пониманию биологии СПИДа.

В 1989 году появилось новое направление в изучении продолжительности жизни человека, благодаря открытому новому ферменту теломеразы в клетках HeLa.

В 2005 году клетки стали использовать для изучения потенциальных опасностей наноструктур для живых клеток.

В 2013 появляется индивидуальная геномика клеточных линий, в результате секвенирования генома клеточных линий HeLa.

Генетические особенности линии

При рассматривании лини с генетической стороны, в первую очередь бросаются в глаза кариотипические особенности HeLa. Нормальные человеческие клетки, как известно, имеют 46 хромосом. Клетки HeLa же могут иметь от 76 до 80 сильно мутированных хромоом. Кариотип линии характеризуется как гипертриплоидный с варьируемым числом хромосом. Массивные перестройки присуствуют на хромосомах 5, 19, Х и, больше всего, на 11й. Явление значительного количества мутаций хромосомного уровня именуется хромотрипсисом. Хромотрипсис является характерной чертой приблизительно 3% известных раковых заболеваний. Геном линии таким образом характеризуется значительным количеством различных мутаций: точечных (свыше 1.7 миллионов), делеций (около свыше 15 тысяч), инсерций (свыше 3000).

Причиной перечисленных отклонений является вирус папилломы человека, который и был первопричиной причиной раковой трансформации клеток в то время, когда они ещё были частью человеческого организма. ВПЧ способен встраивать свою ДНК в инфицированную клетку и экспрессирует белок-инактиватор небезызвестного белка p53, играющего важную роль в клетки, выражая антимутагенную и подавляя рост опухолей. Его инактивация приводит к перерождению клетки в раковую. Так же для HeLa характерна гиперактивность белка теломеразы, даруя клеткам бессмертие и способность делится с большой скоростью. В линии клеток HeLa присутствуют около 10 сайтов на хромосомах, в которых был обнаружен геном ВПЧ18.

Применение в современных исследованиях

Клетки HeLa находят широкое применение в различных биомедицинских исследованиях или при разработке новых видов фармацевтических препаратов, в особенности противоопухолевого действия. Было проведено множество исследований на данной линии клеток. Например, исследование при разработке вакцина против полиомиелита, так же ещё одним исследование в котором с использованием МТТ-теста необходимо провести сравнение цитотоксического действия цисплатина в отношении клеток линии HeLa Kyoto и линии HeLa Kyoto, содержащей генетически-кодируемый сенсор пероксида водорода HyPer2 (линия HeLa Kyoto–HyPer2), и с помощью метода окрашивания трипановым синим выявить дозы цисплатина, вызывающие гибель клеток при различных сроках воздействия, то есть проверить чувствительность клеток линии Hela Kyoto, трансфицированных сенсором HyPer2, к действию цисплатина. И результатами данного исследования стало то что, благодаря изучению цитотоксического действия цисплатина данным методом удалось определить концентрацию препарата, вызывающую гибель определенного числа клеток, а также чуть позже выяснилось что концентрация цисплатина, соответствующая IC50, при воздействии в течение 24 ч не приводит к гибели клеток HeLa Kyoto–HyPer2, а вызывает торможение их деления.

Также можно сказать про современное исследование, где исследователи из университетов Цинхуа и Дрексельского изготовили опухолевидный комок раковых клеток с помощью 3D-принтера. Для этого они смешали такие вещества как желатин, альгинат натрия, фибрин и линию клеток Hela, после чего данная смесь подавалась в 3D-принтер и он слой за слоем воспроизвел структуру опухоли. Ещё одним важным экспериментом стоит отметить клонирование. Благодаря успехам ученых из Колорадо, многие ученые использовали клоны клеток линии Hela. Вскоре первые технологии клонирования и выращивания клеток привели науку к значительным успехам, включая выделение стволовых клеток, клонирование целых животных и экстракорпоральное оплодотворение.

Проблема контаминации

Линии клеток HeLa считаются бессмертными, из-за устойчивости к среде и быстрому размножению. Они заражают другие культуры клеток в лаборатории, поэтому некоторые результаты исследований признаются учеными недействительными. Степень загрязнения клеток HeLa среди других типов клеток неизвестна, потому что немногие исследователи проверяют идентичность или чистоту уже установленных клеточных линий. Было продемонстрировано, что значительная часть клеточных линий in vitro - примерно 10%, на самом деле являются клетками HeLa, потому что исходные клетки в клеточной культуре были перегружены быстро растущей популяцией, полученной из клеток-загрязнителей HeLa.

Не смотря на то, что со времени первого проблемы контаминации клетками HeLa других клеточных линий уже прошло более 50 лет, и не смотря на взрывоподобное развитие лабораторных техник и методов контроля, проблема не утратила своей актуальности для научного сообщества мира. Контаминация не является уникальной чертой клеток HeLa, однако последние являются наиболее частыми виновниками. По данным результатам исследования [MacLeod et al], контаминация посторонними клетками была обнаружена 45 из 252 рассмотренных линий клеток от 27 различных поставщиков. Нужно, однако, отметить, что большинство контаминаций всё-таки были мягкого характера: «вторгающиеся» линия относилась к тому же виду, что и основная. Методы скрининга чистоты линий продолжают улучшаться, увеличивая точность и скорость анализа. На смену хромосомному бендингу пришла генетическая идентификация путём амплификации минисаттелитных регионов а так же путём профайлинга коротких тандемных повторов. Однако, их имплементация ещё не достигла желаемого уровня в лабораториях мира.

Заключение

На данный момент линия клеток HeLa является одним из мощнейших модельных объектов, и являются даже более актуальными, чем 50 лет назад, в года своего открытия. Они находят широкое применение во многих областях биологических и медицинских наук. Эти клетки являются незаменимым инструментом при исследовании и борьбе с одним из наиболее резистентных заболевания двадцать первого века – раком. И самое важное, что применение клеток HeLa на ежегодной основе позволяет снизить угрозу жизни людей-добровольцев, упростить доклинические испытания и избежать применения лабораторных животных.