HeLa-Zellen

Fast alle wissenschaftlichen Forschungen in der Molekularbiologie, Pharmakologie, Virologie und Genetik seit Beginn des 20. Jahrhunderts nutzten Proben primärer lebender Zellen, die aus einem lebenden Organismus gewonnen und mit verschiedenen biochemischen Methoden kultiviert wurden, um ihre Lebensfähigkeit, d. h. ihre Teilungsfähigkeit unter Laborbedingungen, zu verlängern. Mitte des letzten Jahrhunderts erhielt die Wissenschaft HeLa-Zellen, die keinem natürlichen biologischen Tod unterliegen. Dies ermöglichte vielen Studien einen Durchbruch in Biologie und Medizin.

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Woher stammen die immortalisierten HeLa-Zellen?

Die Geschichte der Gewinnung dieser „unsterblichen“ Zellen (Immortalisierung ist die Fähigkeit von Zellen, sich unendlich zu teilen) ist mit einer armen 31-jährigen Patientin des Johns Hopkins Hospital in Baltimore verbunden – einer Afroamerikanerin und Mutter von fünf Kindern namens Henrietta Lacks, die acht Monate lang an Gebärmutterhalskrebs litt und sich einer inneren Bestrahlung (Brachytherapie) unterzogen hatte. Sie starb am 4. Oktober 1951 in diesem Krankenhaus.

Kurz zuvor hatte der behandelnde Arzt, der Chirurg Howard Wilbur Jones, bei dem Versuch, Henrietta wegen eines Gebärmutterhalskrebses zu behandeln, eine Probe des Tumorgewebes zur Untersuchung entnommen und an das Krankenhauslabor geschickt, das damals von George Otto Gey, einem Diplombiologen, geleitet wurde.

Der Biologe war von der Biopsie verblüfft: Die Gewebezellen starben nach der vorgegebenen Zeit nicht durch Apoptose ab, sondern vermehrten sich weiter – und zwar mit erstaunlicher Geschwindigkeit. Dem Forscher gelang es, eine bestimmte Strukturzelle zu isolieren und zu vermehren. Die entstandenen Zellen teilten sich weiter und hörten am Ende des mitotischen Zyklus auf zu sterben.

Und bald nach dem Tod des Patienten (dessen Name nicht bekannt gegeben, sondern als Abkürzung HeLa verschlüsselt wurde) tauchte eine mysteriöse Kultur von HeLa-Zellen auf.

Als klar wurde, dass HeLa-Zellen – die außerhalb des menschlichen Körpers vorkommen – nicht dem programmierten Zelltod unterliegen, stieg die Nachfrage nach ihnen für verschiedene Studien und Experimente. Die weitere Kommerzialisierung dieser unerwarteten Entdeckung führte zur Serienproduktion und zum Verkauf von HeLa-Zellen an zahlreiche wissenschaftliche Zentren und Labore.

Verwendung von HeLa-Zellen

Im Jahr 1955 wurden HeLa-Zellen als erste menschliche Zellen geklont. Seitdem werden HeLa-Zellen weltweit zur Untersuchung des Zellstoffwechsels bei Krebs, des Alterungsprozesses, der Ursachen von AIDS, der Eigenschaften des humanen Papillomavirus und anderer Virusinfektionen, der Auswirkungen von Strahlung und toxischen Substanzen, der Genkartierung, der Erprobung neuer Arzneimittel, der Erprobung von Kosmetika usw. eingesetzt.

Laut einigen Daten wurde die Kultur dieser schnell wachsenden Zellen weltweit in 70.000 bis 80.000 medizinischen Studien eingesetzt. Jährlich werden etwa 20 Tonnen HeLa-Zellkulturen für wissenschaftliche Zwecke gezüchtet, und es wurden mehr als 10.000 Patente für diese Zellen angemeldet.

Die Popularisierung des neuen Laborbiomaterials wurde dadurch erleichtert, dass der HeLa-Zellstamm 1954 von amerikanischen Virologen zum Test des von ihnen entwickelten Polio-Impfstoffs verwendet wurde.

Seit Jahrzehnten wird die HeLa-Zellkultur häufig als einfaches Modell zur Erstellung anschaulicherer Darstellungen komplexer biologischer Systeme eingesetzt. Die Fähigkeit, immortalisierte Zelllinien zu klonen, ermöglicht wiederholte Analysen an genetisch identischen Zellen – eine Voraussetzung für die biomedizinische Forschung.

Schon zu Beginn – in der medizinischen Literatur jener Jahre – wurde die „Ausdauer“ dieser Zellen erwähnt. Tatsächlich teilen sich HeLa-Zellen selbst in einem normalen Laborreagenzglas nicht. Und sie tun dies so aggressiv, dass HeLa-Zellen bei der geringsten Unachtsamkeit der Labortechniker mit Sicherheit in andere Kulturen eindringen und die ursprünglichen Zellen verdrängen, wodurch die Reinheit der Experimente höchst fraglich ist.

Übrigens wurde im Rahmen einer Studie aus dem Jahr 1974 experimentell nachgewiesen, dass HeLa-Zellen in der Lage sind, andere Zelllinien in den Labors von Wissenschaftlern zu „kontaminieren“.

HeLa-Zellen: Was hat die Forschung ergeben?

Warum verhalten sich HeLa-Zellen so? Weil es sich nicht um normale Zellen gesunden Körpergewebes handelt, sondern um Tumorzellen, die aus einer Krebsgewebeprobe gewonnen wurden und pathologisch veränderte Gene der kontinuierlichen Mitose menschlicher Krebszellen enthalten. Im Wesentlichen sind sie Klone bösartiger Zellen.

Im Jahr 2013 berichteten Forscher des Europäischen Laboratoriums für Molekularbiologie (EMBL), dass sie die DNA und RNA im Genom von Henrietta Lacks mittels spektraler Karyotypisierung sequenziert hatten. Beim Vergleich mit HeLa-Zellen stellten sie fest, dass es auffällige Unterschiede zwischen den Genen in HeLa- und normalen menschlichen Zellen gab.

Doch schon früher führte die zytogenetische Analyse von HeLa-Zellen zur Entdeckung zahlreicher Chromosomenaberrationen und einer partiellen genomischen Hybridisierung dieser Zellen. Es stellte sich heraus, dass HeLa-Zellen einen hypertriploiden (3n+) Karyotyp aufweisen und heterogene Zellpopulationen produzieren. Darüber hinaus wurde bei mehr als der Hälfte der geklonten HeLa-Zellen Aneuploidie festgestellt – eine Veränderung der Chromosomenzahl: 49, 69, 73 und sogar 78 statt 46.

Wie sich herausstellte, sind multipolare, polyzentrische oder multipolare Mitosen in HeLa-Zellen an der genomischen Instabilität des HeLa-Phänotyps, dem Verlust von Chromosomenmarkern und der Bildung zusätzlicher struktureller Anomalien beteiligt. Dabei handelt es sich um Störungen während der Zellteilung, die zu einer pathologischen Chromosomentrennung führen. Während die mitotische Bipolarität der Teilungsspindel für gesunde Zellen charakteristisch ist, bildet sich bei der Teilung einer Krebszelle eine größere Anzahl von Polen und Teilungsspindeln, und beide Tochterzellen erhalten eine unterschiedliche Anzahl von Chromosomen. Und die Multipolarität der Spindel während der Zellmitose ist ein charakteristisches Merkmal von Krebszellen.

Bei der Untersuchung multipolarer Mitosen in HeLa-Zellen kamen Genetiker zu dem Schluss, dass der gesamte Prozess der Krebszellteilung grundsätzlich falsch ist: Die Prophase der Mitose ist kürzer, und die Bildung der Teilungsspindel geht der Chromosomenteilung voraus; auch die Metaphase beginnt früher, und die Chromosomen haben keine Zeit, ihren Platz einzunehmen, sondern verteilen sich willkürlich. Die Anzahl der Zentrosomen ist mindestens doppelt so groß wie nötig.

Der Karyotyp der HeLa-Zelle ist daher instabil und kann zwischen Laboren stark variieren. Folglich sind die Ergebnisse vieler Studien – angesichts des Verlusts der genetischen Identität des Zellmaterials – unter anderen Bedingungen schlichtweg nicht reproduzierbar.

Die Wissenschaft hat große Fortschritte bei der kontrollierten Manipulation biologischer Prozesse gemacht. Jüngstes Beispiel ist die Herstellung eines realistischen Modells eines Krebstumors mithilfe von HeLa-Zellen mithilfe eines 3D-Druckers durch eine Forschergruppe aus den USA und China.