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HeLa Cell Line: Revolutionizing Research

Since their discovery in 1951, Hela cells, a strain of immortalized cells named after Henrietta Lacks, have been employed widely in scientific study. Henrietta Lacks, a 31-year-old African-American mother of five, was diagnosed with cervical cancer the same year she died. George Otto Gey, the director of the Tissue Culture Laboratory at the Johns Hopkins Hospital, collected and multiplied her cervical carcinoma cells, which proved exceptionally resilient and prolific, enabling their broad application in scientific research. In contrast to other human cells, HeLa cells could be maintained and multiplied in vitro, representing a considerable advance in medical research.

History of Hela Cells

Henrietta Lacks was taken to the Johns Hopkins Hospital in 1951 for abnormal vaginal bleeding and later received treatment for cervical cancer. Her first therapy consisted of taking tissue samples from her cervix without permission. The cervical biopsy yielded tissue samples for George Otto Gey's clinical examination, which were studied in the tissue culture laboratory. In contrast to earlier specimens, Gey's lab assistant noted that the cells were doubling every 20–24 hours and expanding rapidly. Gey propagated the cells just before Lacks' death, and they were the first viable human in vitro cell line. The cells were named after the first two letters of Henrietta Lacks' first and last names and were given to any scientist who requested them to advance research.

Even though the cells were gathered without Lacks' or her family's permission, permission was neither necessary nor commonly requested at the time. There was no duty to warn patients or their family members that discarded or surgically obtained materials were the physician's or medical facility's property. In the 1970s, a public leak exposed Henrietta's actual name, and the Lacks family was asked for DNA samples to assist in identifying contaminated cell lines. The HeLa cell line originated from a sample of Lacks' cervical tissue and has been multiplied in cell culture to the extent that much exceeds the total number of cells in her body. There are several strains of HeLa cells as they continue to mutate in cell cultures, but all of them are the descendants of the tumor cells extracted from Lacks.

Bewegung, Teilung und Tod von HeLa-Gebärmutterhalskrebszellen unter dem Mikroskop

Faszinierende Eigenschaften von HeLa-Zellen

HeLa-Zellen sind leicht zu kultivieren und vermehren sich schnell. Sie sind auch für ihre hohe Anfälligkeit für Virusinfektionen bekannt. Sie sind besonders empfänglich für das menschliche Adenovirus 3, das Enzephalomyokarditis-Virus und die Polioviren 1, 2 und 3. Diese Eigenschaft macht HeLa-Zellen für die Untersuchung der Replikation, des Aufbaus und der Pathogenese dieser Viren sowie für die Entwicklung neuer antiviraler Strategien unverzichtbar. Darüber hinaus werden HeLa-Zellen häufig als Transfektionswirte für die Untersuchung der Genfunktion und -regulation, für die Produktion rekombinanter Proteine und für die Gentherapie verwendet.

  1. Selbst für Krebszellen haben HeLa-Zellen eine ungewöhnlich hohe Zellproliferationsrate und eine unbegrenzte Lebensdauer, was sie für wissenschaftliche Untersuchungen hervorragend geeignet macht.
  2. HeLa-Zellen besitzen eine aktive Telomerase-Form, die eine unbegrenzte Zellteilung und Immortalisierung ermöglicht.
  3. HeLa-Zellen überwinden die Hayflick-Grenze, d. h. die maximale Anzahl von Zellteilungen, die die meisten normalen Zellen durchlaufen können, bevor sie altern.
  4. HeLa-Zellen haben eine hypertriploide Chromosomenzahl (3n+). Die durchschnittliche Chromosomenzahl in HeLa-Zellen beträgt 82, kann aber von 70 bis 164 reichen (anstelle der üblichen diploiden Zahl von 46). Diese Chromosomen werden als "HeLa-Signaturchromosomen" bezeichnet. Hela-Zellen haben einen komplexen Karyotyp, der durch ein hohes Maß an Aneuploidie und strukturellen Umlagerungen gekennzeichnet ist. HeLa-Zellen weisen in 98 % der Zellen ein kleines telozentrisches Chromosom und in 1385 untersuchten Zellen 100 % Aneuploidie auf. Diese Chromosomenanomalien spielen eine wesentliche Rolle für die schnelle Wachstumsrate und Immortalisierung von HeLa-Zellen und werden auch mit Gebärmutterhalskrebs in Verbindung gebracht.
  5. Aufgrund des horizontalen Gentransfers vom humanen Papillomavirus 18 (HPV18) auf menschliche Gebärmutterhalszellen haben die HeLa-Zellen ein anderes Genom als Henrietta Lacks.

Aufbau von HeLa-Zellen

HeLa-Zellen haben einen Durchmesser von 10 - 20 µm, je nach Kulturbedingungen. Die meisten Säugetierzellen haben einen Durchmesser zwischen 10 und 100 µm. Eine der kleinsten Zellen des Menschen, die roten Blutkörperchen, haben einen Durchmesser von etwa 8 µm. Andererseits können Muskelfaserzellen und Neuronen extrem lang sein.

Chromassie-Blau gefärbte HeLa-Zellen

Erstaunliche Anwendungen von HeLa-Zellen in der Biologie

HeLa-Zellen wurden zur Erforschung von Krebs, AIDS, der Auswirkungen von Strahlung und Toxinen, zur Genkartierung und für zahllose andere wissenschaftliche Arbeiten verwendet. Mehr als 60.000 wissenschaftliche Artikel wurden über die HeLa-Forschung veröffentlicht, und monatlich werden es mehr als 300 mehr.

Ausrottung der Kinderlähmung

In den 1950er Jahren testete Jonas Salk den ersten Polio-Impfstoff mit HeLa-Zellen. Diese Zellen waren anfällig für eine Infektion mit Poliomyelitis, was zum Tod der infizierten Zellen führte. Infolgedessen waren HeLa-Zellen für Polio-Impfstofftests sehr gefragt, da die Ergebnisse schnell verfügbar waren.

Virologie

HeLa-Zellen wurden mit zahlreichen Viren infiziert, darunter HIV, Zika, Herpes und Mumps, um neue Impfstoffe und Medikamente zu testen und zu entwickeln. Dr. Richard Axel entdeckte, dass HeLa-Zellen durch Hinzufügen des CD4-Proteins mit HIV infiziert werden können, so dass das Virus untersucht werden kann. HeLa-Zellen wurden zur Erforschung der Expression des Papillomavirus E2 und der Apoptose verwendet und spielten auch eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Impfstoffen gegen das humane Papillomavirus (HPV).

Krebs

HeLa-Zellen wurden für zahlreiche Krebsstudien verwendet, u. a. zu Sexualsteroidhormonen wie Östradiol, Östrogen und Östrogenrezeptoren sowie zu östrogenähnlichen Verbindungen wie Quercetin und seinen krebsvorbeugenden Eigenschaften. HeLa-Zellen wurden auch verwendet, um die Auswirkungen von Flavonoiden und Antioxidantien mit Östradiol auf die Vermehrung von Krebszellen zu untersuchen.

Weitere bemerkenswerte Anwendungen sind

  1. Krebsbehandlungen: Hela-Zellen waren entscheidend für die Entwicklung von Krebsmedikamenten wie Camptothecin, einem von der FDA zugelassenen Arzneimittel zur Behandlung von Eierstock-, Lungen- und Gebärmutterhalskrebs.
  2. Thalidomid und Multiples Myelom: Anhand von HeLa-Zellen wurde aufgezeigt, wie das Medikament Thalidomid, das ursprünglich zur Behandlung der morgendlichen Übelkeit eingesetzt wurde, angeborene Behinderungen verursachen kann, was zu seinem Einsatz bei der Behandlung des Multiplen Myeloms führte.
  3. Verstehen von HIV und AIDS: Die Entdeckung, dass HIV Schwierigkeiten hat, HeLa-Zellen zu infizieren, verbesserte das Verständnis der Forscher für das Virus und öffnete die Tür für die Entwicklung von HIV- und AIDS-Medikamenten.
  4. Zelluläre Alterung: HeLa-Zellen haben es Forschern ermöglicht, die Biologie des Alterns und die Krankheiten, die zu vorzeitiger Alterung führen, zu erforschen, was zur Entdeckung regenerierbarer Chromosomen führte, die Zelldegeneration und -schäden im Laufe der Zeit verhindern.
  5. Blutkrankheiten: HeLa-Zellen wurden verwendet, um die Wirksamkeit von Hydroxyharnstoff gegen verschiedene bösartige Blutkrankheiten und Anämie zu untersuchen; Hydroxyharnstoff wird heute zur Behandlung der Sichelzellkrankheit und von bösartigen Erkrankungen der weißen Blutkörperchen eingesetzt.
  6. Röntgenstrahlen: 1956 nutzten Wissenschaftler HeLa-Zellen, um die Auswirkungen von Röntgenstrahlen auf lebende Organismen zu untersuchen und so ein besseres Verständnis für die Gefahren hoher und wiederkehrender Strahlendosen medizinischer Röntgenstrahlen zu gewinnen.
  7. Innovative Entdeckungen: HeLa-Zellen haben eine entscheidende Rolle bei mehreren bedeutenden Entdeckungen in der Biologie gespielt, die zu Fortschritten in der Krebsmedizin, dem Wissen über HIV/AIDS und vielem mehr geführt haben.
  8. Zelluläre Alterung: Forscher, die mit HeLa-Zellen arbeiteten, erhielten den Nobelpreis für ihre Erkenntnisse über die Zellalterung und die Verhinderung von Zelldegeneration und Zellschäden im Laufe der Zeit.

Was sind potenziell immortalisierte Zellen?

Immortalisierte Zelllinien sind Zellen, die so verändert wurden, dass sie sich kontinuierlich teilen und über lange Zeiträume gezüchtet werden können. Sie stammen aus Quellen mit Chromosomenanomalien oder Mutationen und können aus Tumoren gewonnen werden. Um das Wachstum fortzusetzen, teilen Wissenschaftler einen Teil der Zellen in neue Zellkulturgefäße und vermehren sie für weitere Experimente.

HeLa-Zellen gelten wie andere Zelllinien als "unsterblich", da sie sich in Zellkulturgefäßen unbegrenzt teilen können, solange die primären Bedingungen für das Überleben der Zellen aufrechterhalten werden (d. h. sie werden in einer geeigneten Umgebung unterstützt und gepflegt). Es gibt zahlreiche Stämme von HeLa-Zellen, weil sie in Zellkulturen immer wieder mutieren, aber sie stammen alle von denselben Lacks-Tumorzellen ab. Die Zahl der in Zellkulturen vermehrten HeLa-Zellen übersteigt bei weitem die Zahl der im Körper von Henrietta Lacks gefundenen Zellen.

Herstellung, Qualitätskontrolle und Haltbarkeit von HeLa-Zellen

HeLa-Zellen können mit Standard-Zellkulturmethoden kultiviert und geerntet werden, wenn sie zu etwa 80-90 % konfluiert sind. Die Zellen sind relativ einfach zu handhaben und können in verschiedenen Umgebungen kultiviert werden.

Auftauen gefrorener HeLa-Zellen

  1. Legen Sie das Kryovial in ein antibakterielles 37°C-Wasserbad mit sauberem Wasser.
  2. Schnelles Auftauen für 40 bis 60 Sekunden. Das Fläschchen herausnehmen und in einen sterilen Durchflussschrank stellen.
  3. Das Fläschchen mit 70%igem Alkohol abwischen und die Zellsuspension in ein 15-ml-Zentrifugenröhrchen mit 8 ml Kulturmedium überführen.
  4. Die Zellen rekonstituieren, drei Minuten lang bei 300 x g zentrifugieren und den Überstand verwerfen (alternativ mit Medium verdünnen und das Gefriermedium 24 Stunden später entfernen, wenn nicht sofort zentrifugiert wird).
  5. Übertragen Sie die in 10 ml neuem Kulturmedium suspendierten Zellen in zwei T25-Zellkulturflaschen.

Subkultivierung von HeLa-Zellen

  1. Entfernen Sie das alte Medium aus dem Zellkulturkolben.
  2. Spülen Sie die adhärenten Zellen mit PBS ohne Kalzium und Magnesium ab. Verwenden Sie 3-5 ml PBS für T25- und 5-10 ml für T75-Zellkulturflaschen.
  3. Geben Sie Accutase in die Zellkulturflasche. Verwenden Sie 1-2 ml pro T25- und 2,5 ml pro T75-Zellkulturflasche. Achten Sie darauf, dass die Zellschicht vollständig bedeckt ist.
  4. Inkubieren Sie die Zellkulturflasche 8-10 Minuten lang bei Raumtemperatur.
  5. Resuspendieren Sie die Zellen vorsichtig mit dem Medium. Fügen Sie 10 ml Medium hinzu und pipettieren Sie vorsichtig auf und ab, um die Zellaggregate aufzubrechen.
  6. Die Zellsuspension 3 Minuten lang bei 300 x g zentrifugieren.
  7. Resuspendieren Sie die Zellen in frischem Medium.
  8. Verteilen Sie die resuspendierten Zellen in neue Zellkulturflaschen, die frisches Medium enthalten.
  9. Lagern Sie die Zellen zur langfristigen Aufbewahrung in flüssigem Stickstoff.

Wenn Sie diese Schritte befolgen, können Sie Zellen subkultivieren und eine gesunde Zellkultur für zukünftige Experimente erhalten.

Wie wird die HeLa-Zelllinie hergestellt?

HeLa-Zellen werden mithilfe einer Technik hergestellt, die als Zellkultur bekannt ist. Zellkultur ist das kontrollierte Wachstum von Zellen, normalerweise in einer Laborumgebung. Eine Zellprobe wird einem lebenden Organismus entnommen und in eine Kulturschale mit einem nährstoffreichen Medium, wie Eagle's Minimum Essential Medium (EMEM) oder Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM), gegeben, um eine Zelllinie zu etablieren. Die Zellen werden dann unter Bedingungen bebrütet, die das körpereigene Milieu nachahmen, einschließlich einer bestimmten Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Sauerstoffmenge, einer befeuchteten Atmosphäre mit 5% CO2 bei 37 Grad Celsius.

Einmal in der Kultur etabliert, können sich HeLa-Zellen unbegrenzt teilen und wachsen und werden so zu einer unsterblichen Zelllinie. Dies ist auf Mutationen in bestimmten Genen wie den Tumorsuppressorgenen p53 und p16INK4a zurückzuführen, die es den Zellen ermöglichen, die zelluläre Seneszenz und Apoptose zu umgehen. HeLa-Zellen aus CLS werden im Labor nach wie vor mit denselben Techniken gezüchtet wie die ursprüngliche HeLa-Zelllinie.

HeLa-Zelllinie: Zukünftige Forschungsperspektiven

Die wissenschaftliche Forschung stützt sich seit fast 70 Jahren auf die HeLa-Zelllinie. Ihre einzigartigen Eigenschaften und ihre Vielseitigkeit machen sie zu einem unverzichtbaren Instrument für die Krebsbiologie und die Arzneimittelforschung, das ein erhebliches Potenzial für zukünftige Entwicklungen bietet.

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