HeLa細胞

20世紀初頭以降、分子生物学、薬理学、ウイルス学、遺伝学におけるほぼすべての科学研究は、生体から採取され、様々な生化学的手法によって培養された一次生細胞サンプルを用いて行われてきました。これにより、細胞の生存能力、すなわち実験室環境での分裂能力が高められました。20世紀半ばには、自然死しないHeLa細胞が科学界に導入されました。これにより、多くの研究が生物学と医学における画期的な進歩につながりました。

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不死化HeLa細胞はどこから来たのでしょうか?

これらの「不死」細胞（不死化とは、細胞が無限に分裂する能力のことです）を得る物語は、ボルチモアのジョンズ・ホプキンス病院に入院していた、31歳の貧しいアフリカ系アメリカ人女性ヘンリエッタ・ラックスさんという患者と関係があります。彼女は5人の子供の母親で、子宮頸がんに8か月間苦しみ、内部放射線療法（密封小線源療法）を受けた後、1951年10月4日にこの病院で亡くなりました。

その少し前、ヘンリエッタの子宮頸がんの治療中に、主治医である外科医ハワード・ウィルバー・ジョーンズが検査のために腫瘍組織のサンプルを採取し、当時生物学士のジョージ・オットー・ゲイが率いていた病院の研究所に送りました。

生物学者は生検の結果に衝撃を受けた。組織細胞は、定められた時間後にアポトーシスによって死滅するのではなく、驚くべき速度で増殖し続けたのだ。研究者は、特定の構造細胞を一つ単離し、それを増殖させることに成功した。その結果得られた細胞は分裂を続け、有糸分裂周期の終わりに死滅を停止した。

そして、患者（名前は公表されていないが、HeLaという略称で暗号化されている）の死後すぐに、謎のHeLa細胞の培養物が出現した。

人体外で入手可能なHeLa細胞がプログラム死しないことが明らかになると、様々な研究や実験におけるHeLa細胞の需要が高まり始めました。そして、この予期せぬ発見をさらに商業化することで、HeLa細胞を多くの科学センターや研究所に販売するための量産体制が整いました。

HeLa細胞の使用

1955年、HeLa細胞はクローン化された最初のヒト細胞となり、癌における細胞代謝、老化プロセス、エイズの原因、ヒトパピローマウイルスやその他のウイルス感染の特性、放射線や毒性物質の影響、遺伝子マッピング、新薬の試験、化粧品の試験などの研究に世界中で使用されてきました。

あるデータによると、これらの急速に増殖する細胞の培養は、世界中で7万～8万件の医学研究に利用されています。科学的ニーズのために、年間約20トンのHeLa細胞が培養されており、これらの細胞に関する特許は1万件以上登録されています。

この新しい実験用生体材料の普及は、1954年にアメリカのウイルス学者が自分たちが開発したポリオワクチンの試験にHeLa細胞株を使用したことにより促進されました。

HeLa細胞培養は、複雑な生物系をより視覚的に表現するためのシンプルなモデルとして、数十年にわたり広く利用されてきました。また、不死化細胞株のクローン化により、遺伝的に同一の細胞を用いた繰り返しの解析が可能になり、これは生物医学研究の前提条件となっています。

初期の医学文献において、これらの細胞の「スタミナ」は既に注目されていました。実際、HeLa細胞は普通の実験室の試験管内でさえ分裂を止めません。しかも、その分裂速度は非常に速いため、実験技師が少しでも不注意を示せば、HeLa細胞は他の培養細胞に確実に侵入し、元の細胞を平然と置き換えてしまいます。その結果、実験の純粋性は極めて疑わしいものとなります。

ちなみに、1974年に実施されたある研究の結果、HeLa細胞が科学者の研究室で他の細胞株を「汚染」する能力があることが実験的に確立されました。

HeLa細胞：研究では何が判明したのか？

なぜHeLa細胞はこのような挙動を示すのでしょうか？それは、健康な体組織の正常細胞ではなく、癌性腫瘍組織サンプルから採取された腫瘍細胞であり、ヒト癌細胞の連続有糸分裂における病理学的に変異した遺伝子を含んでいるためです。本質的には、悪性細胞のクローンです。

2013年、欧州分子生物学研究所（EMBL）の研究者たちは、スペクトル核型分析を用いてヘンリエッタ・ラックスのゲノムのDNAとRNAの配列を解析したと報告しました。そして、HeLa細胞と正常ヒト細胞を比較したところ、HeLa細胞の遺伝子には顕著な違いがあることを発見しました…

しかし、それ以前にHeLa細胞の細胞遺伝学的解析により、多数の染色体異常と部分的なゲノムハイブリダイゼーションが発見されました。HeLa細胞は超三倍体（3n+）の核型を持ち、異質な細胞集団を形成することが判明しました。さらに、クローン化されたHeLa細胞の半数以上に異数性、つまり染色体数の変異が見られ、染色体数は46本ではなく49本、69本、73本、さらには78本にも達していました。

結果として、HeLa細胞における多極性、多動性、あるいは多極性の有糸分裂は、HeLa細胞の表現型のゲノム不安定性、染色体マーカーの喪失、そしてさらなる構造異常の形成に関与していることが判明しました。これらは細胞分裂中の障害であり、染色体の病的な分離につながります。分裂紡錘体の有糸分裂双極性が健常細胞の特徴であるならば、癌細胞の分裂時にはより多くの極と分裂紡錘体が形成され、両方の娘細胞は異なる数の染色体を受け取ります。そして、細胞分裂中の紡錘体の多極性は癌細胞の特徴です。

HeLa細胞における多極性有糸分裂を研究した遺伝学者たちは、がん細胞の分裂過程全体が原理的に間違っているという結論に至った。有糸分裂の前期は短く、分裂紡錘体の形成が染色体分裂に先行する。中期もより早く始まり、染色体は本来の位置を占める時間がなく、無秩序に分布する。つまり、中心体の数は必要数の少なくとも2倍である。

そのため、HeLa細胞の核型は不安定であり、研究室間で大きく異なる可能性があります。その結果、細胞材料の遺伝的同一性が失われているため、多くの研究結果は他の条件下では再現不可能となります。

科学は、生物学的プロセスを制御された方法で操作する能力において大きな進歩を遂げてきました。最新の例としては、米国と中国の研究者グループが3Dプリンターを用いてHeLa細胞から癌腫瘍のリアルなモデルを作成したことが挙げられます。