HeLa: как впервые удалось культивировать «бессмертные» клетки человеческого тела

Фабрика клеток HeLa

Вскоре после смерти Генриетты стали создавать фабрику HeLa — масштабное предприятие, которое дало бы возможность еженедельно выращивать триллионы клеток HeLa. Фабрику построили по одной-единственной причине — чтобы остановить полиомиелит.

К концу 1951 года мир охватила крупнейшая в истории эпидемия полиомиелита. Закрывались школы, родители были в панике. Срочно требовалась вакцина. В феврале 1952 года Джонас Солк из Университета Питтсбурга объявил, что он разработал первую в мире вакцину против полиомиелита, но не может предлагать ее детям, пока не проверит всесторонне ее безопасность и эффективность. Для этого требовались культивируемые клетки в таких огромных промышленных объемах, в каких их никогда прежде не производили.

Национальный фонд детского паралича (NFIP) — благотворительная организация, созданная президентом Франклином Делано Рузвельтом, который сам был поражен параличом в результате полиомиелита, — готовил крупнейшие в истории медицины полевые испытания вакцины от полиомиелита. Планировалось, что Солк сделает прививки двум миллионам детей, а NFIP возьмет у них кровь, чтобы проверить, появился ли иммунитет.

Однако придется провести миллионы реакций нейтрализации, когда сыворотка крови привитых детей смешивается с живыми вирусами полиомиелита и культивируемыми клетками. Если вакцина сработала, то сыворотка крови привитых детей должна заблокировать вирус полиомиелита и защитить клетки. В противном случае вирус инфицирует клетки и вызовет повреждения, которые ученые смогут увидеть под микроскопом.

Сложность заключалась в том, что для тестов нейтрализации использовали клетки обезьян, которые в процессе этой реакции погибали. Это было проблемой — не потому, что заботились о животных (об этом тогда, в отличие от нашего времени, речь не шла), но потому, что обезьяны стоили дорого. Миллионы реакций нейтрализации с клетками обезьян обошлись бы в миллионы долларов, поэтому NFIP стал лихорадочно искать такую клетку для культивирования, которая была бы способна массово размножаться и которая стоила бы дешевле, нежели клетки обезьян.

NFIP обратился за помощью к Гаю и к некоторым другим специалистам по культивированию клеток, и Гай понял, что это поистине золотое дно. В результате благотворительности NFIP ежегодно получал в среднем 50 миллионов долларов пожертвований, и бо́льшую часть этой суммы его директор хотел передать клеточным культиваторам, чтобы те нашли способ массового производства клеток, о чем все мечтали уже многие годы.

Предложение поступило как нельзя вовремя: по счастливой случайности вскоре после звонка от NFIP с просьбой о помощи Гай понял, что клетки Генриетты растут не так, как любые человеческие клетки, которые он до сих пор встречал.

Большинство клеток в культуре растут в один слой в виде сгустка на поверхности стекла, а это означает, что быстро заканчивается свободное пространство. Увеличение числа клеток требует больших трудозатрат: ученым нужно вновь и вновь соскребать клетки из пробирки и распределять их по нескольким новым емкостям, чтобы дать клеткам новое пространство для роста.

Как выяснилось, клетки HeLa очень неприхотливы: для роста им не требовалась стеклянная поверхность, они могли расти, плавая в культуральной среде, которую непрерывно помешивало «волшебное устройство», — важная технология, разработанная Гаем, сегодня ее именуют выращиванием в суспензии.

Это означало, что клетки HeLa не были ограничены пространством в той степени, что все прочие; они могли делиться до тех пор, пока оставалась культуральная среда. Чем больше емкость с культуральной средой, тем больше вырастало клеток. Это открытие означало, что, если клетки HeLa чувствительны к вирусу полиомиелита (ибо некоторые клетки к нему нечувствительны), это решило бы проблему массового производства клеток и помогло бы избежать испытания вакцины на миллионах обезьяньих клеток.

И вот в апреле 1952 года Гай и его коллега из совещательного комитета NFIP Уильям Шерер — молодой научный сотрудник из Университета Миннесоты, недавно защитивший диссертацию, — попытались инфицировать клетки Генриетты вирусом полиомиелита. Через несколько дней они обнаружили, что HeLa на самом деле более чувствительны к вирусу, нежели любые другие до сих пор культивированные клетки. И они поняли, что нашли именно то, что требовалось NFIP.

Они также понимали, что, прежде чем начать массовое производство любых клеток, нужно найти новый способ их транспортировки. Отправка в багажном отсеке самолета, которой пользовался Гай, отлично подходила для того, чтобы переслать несколько пробирок коллегам, но была слишком дорогостоящей для больших объемов. Миллиарды выращенных клеток не принесут пользы, если эти клетки нельзя будет доставить в нужное место. И ученые начали экспериментировать.

В 1952 году, в День поминовения, Гай взял несколько пробирок с HeLa и с достаточным объемом питательной среды, так чтобы хватило на несколько дней для жизни клеток, и поместил их в жестяную емкость, выстланную пробкой и наполненную льдом во избежание перегрева. Снабдив все это подробными инструкциями по уходу, он послал Мэри на почту отправить посылку с пробирками Шереру в Миннесоту.

В связи с праздником все почтовые отделения Балтимора были закрыты, кроме центрального офиса в деловой части города. Чтобы попасть туда, Мэри пришлось сменить несколько трамваев, но в конце концов она добралась. Равно как и клетки: спустя четыре дня посылка прибыла в Миннеаполис. Шерер поместил клетки в инкубатор и начал выращивать. Впервые живые клетки успешно перенесли отправку почтой.

В последующие месяцы, чтобы удостовериться, что клетки могут перенести длительное путешествие в любом климате, Гай и Шерер отправляли пробирки с HeLa самолетом, поездом и грузовым автомобилем по всей стране — из Миннеаполиса в Норвич (штат Нью-Йорк) и обратно. Клетки погибли только в одной пробирке.

Когда в NFIP узнали, что HeLa чувствительны к вирусу полиомиелита и могут выращиваться в больших количествах при невысоких затратах, немедленно был заключен договор с Уильямом Шерером, и он стал контролировать развитие Центра распространения HeLa в Университете Таскиги — в одном из самых престижных в стране университетов для черных.

NFIP выбрал для этого проекта Университет Таскиги из-за Чарльза Байнума, директора «Мероприятий для негров» (Negro Activities) этого фонда. Байнум — учитель-естественник и активист борьбы за гражданские права, первый в стране черный директор фонда — хотел разместить центр в Таскиги ради сотен тысяч долларов финансирования, множества рабочих мест и возможности обучения для молодых черных ученых.

Уже через несколько месяцев команда из шести черных ученых и лаборантов построила в Таскиги фабрику, невиданную ранее: вдоль стен выстроились промышленные стальные автоклавы для паровой стерилизации, рядами стояли огромные чаны с механически перемешиваемой питательной средой, инкубаторы, полные стеклянных бутылей для клеточных культур, и автоматические дозаторы клеток — высокие, с длинными тонкими металлическими ручками, впрыскивающими клетки HeLa в одну пробирку за другой.

Каждую неделю команда в Таскиги готовила тысячи литров культуральной среды по рецепту Гая, смешивая соли, минералы и сыворотку крови, взятой у множества учащихся, солдат и фермеров-хлопкоробов, откликнувшихся на объявления в местной газете о сдаче крови за деньги.

Несколько лаборантов выполняли функции конвейера контроля качества и каждую неделю просматривали в микроскопы сотни тысяч культур клеток HeLa, чтобы убедиться в их жизнеспособности и здоровье. Другие строго по расписанию отправляли клетки исследователям по всей стране в 23 центра тестирования вакцины против полиомиелита.

В конце концов штат команды в Таскиги вырос до 35 ученых и лаборантов, которые производили еженедельно 20 тысяч пробирок с HeLa — около 6 триллионов клеток. Это была самая первая фабрика по производству клеток, и началась она с одной-единственной пробирки HeLa, которую Гай отправил Шереру в первой пробной посылке вскоре после смерти Генриетты.

С помощью этих клеток ученые смогли доказать эффективность вакцины Солка. Вскоре в New York Times появились фотографии склонившихся над микроскопами черных женщин, которые рассматривали клетки и держали в своих черных руках пробирки с HeLa.

Заголовок гласил:

ОТДЕЛЕНИЕ В ТАСКИГИ ПОМОГАЕТ БОРОТЬСЯ С ПОЛИОМИЕЛИТОМ

Коллектив ученых-негров играет ключевую роль в разработке вакцины доктора Солка.

КЛЕТКИ HELA РАСТУТ

Черные ученые и лаборанты, многие из них были женщинами, использовали клетки черной женщины во имя спасения жизней миллионов американцев, большинство из которых были белыми. И происходило это в том самом университете и в то же самое время, когда государственные официальные лица проводили исследование сифилиса, получившее позорную известность.

Поначалу центр в Таскиги поставлял клетки HeLa только в лаборатории, которые испытывали вакцины от полиомиелита. Однако, когда стало ясно, что клеток HeLa хватит на всех, их стали отправлять всем ученым, готовым их приобрести за десять долларов плюс стоимость доставки авиапочтой.

Если ученые хотели выяснить, как будут вести себя клетки в той или иной среде, как они отреагируют на определенный химический препарат или как они строят определенный белок, то обращались к клеткам HeLa.

Хотя они и были раковыми, у них были все основополагающие характеристики нормальных клеток: они строили белок и взаимодействовали между собой, подобно нормальным клеткам, делились и продуцировали энергию, переправляли генетический материал и регулировали этот процесс, были чувствительны к инфекциям, что делало их оптимальным инструментом для синтеза и изучения всего, что только можно, в том числе бактерий, гормонов, белков и особенно вирусов.

Вирусы размножаются путем «впрыскивания» в живую клетку частиц своего генетического материала. Они в некотором смысле перепрограммируют клетку так, что она начинает воспроизводить вирусные частицы вместо самой себя.

Когда дело дошло до выращивания вирусов, то, как и во многих других случаях, злокачественная природа HeLa лишь делала их более полезными. Клетки HeLa росли намного быстрее нормальных и поэтому быстрее приносили результаты. Клетки HeLa были «рабочей лошадкой» — выносливой, недорогой и вездесущей.

Время было самое подходящее. В начале 1950-х годов ученые только начинали понимать природу вирусов, и, когда клетки Генриетты появились в лабораториях по всей стране, исследователи принялись заражать их всевозможными вирусами — герпесом, корью, свинкой, ветрянкой, лошадиным энцефалитом, — чтобы изучить, каким образом вирус проникает в клетки, размножается в них и распространяется.

Клетки Генриетты помогли заложить основы вирусологии, однако это было только началом. В первые годы после смерти Генриетты, получив первые пробирки с ее клетками, исследователи по всему миру смогли сделать несколько важных научных открытий. Во-первых, группа ученых использовала HeLa для разработки методов заморозки клеток без их повреждения или изменения.

Благодаря этим методам клетки стали пересылать по всему миру отработанным и стандартизированным способом, который использовался для транспортировки замороженных пищевых продуктов и замороженной спермы для разведения скота. Это также означало, что ученые могут сохранять клетки и в промежутках между экспериментами, не беспокоясь об их питании и стерильности. Однако больше всего ученых порадовал тот факт, что заморозка позволяла «зафиксировать» клетки в их самых разных состояниях.

Клетка замораживалась подобно нажатию кнопки «пауза»: деление, метаболизм и все прочие процессы останавливались и возобновлялись после разморозки, как если бы просто нажали кнопку «пуск».

Теперь ученые могли приостанавливать развитие клеток с любой периодичностью на протяжении эксперимента, чтобы сравнить реакцию тех или иных клеток на лекарственный препарат через одну, две или шесть недель. Они могли наблюдать состояние одних и тех же клеток в разные периоды развития: ученые надеялись увидеть, в какой именно момент нормальная клетка, растущая в культуре, становится злокачественной — феномен, названный спонтанной трансформацией.

Заморозка стала первой в списке поразительных усовершенствований, которые появились в сфере культивирования тканей благодаря HeLa. Еще одним прорывом можно считать стандартизацию процесса культивирования клеток — область, в которой до той поры наблюдалась сплошная неразбериха.

Гай с коллегами жаловались, что тратят чересчур много времени на приготовление питательной среды и на то, чтобы клетки оставались живыми. Однако более всего их беспокоило, что, поскольку все пользовались разными ингредиентами при составлении питательной среды, разными рецептами, разными клетками и разными техниками и мало кто знал о методах коллег, было сложно или практически невозможно повторить проведенный кем-либо эксперимент.

А повторение — необходимая часть науки: открытие не считается действительным, если другие не могут повторить эксперимент и получить те же результаты. Гай и другие ученые опасались, что без стандартизации методов и материалов может наступить застой в области культивирования тканей.

Гай и несколько его коллег уже организовали комитет по разработке процедур в целях «упрощения и стандартизации техники культивирования тканей». Они также убедили две недавно возникшие компании, поставляющие биопрепараты, — Microbiological Associates и Difco Laboratories — начать производство и продажу ингредиентов для питательной среды, для чего обучили их необходимым техникам. Эти компании еще только приступили к продаже этих ингредиентов, и поэтому культиваторам клеток, как и прежде, приходилось готовить среду самостоятельно, используя совершенно разные рецепты.

Стандартизация в этой области была невозможна до тех пор, пока не случилось несколько событий: во-первых, в Университете Таскиги было начато массовое производство HeLa; во-вторых, исследователь Гарри Игл из Национального института здравоохранения (National Institutes of Health, NIH) использовал HeLa для разработки первой стандартизированной среды, которую можно было бы производить галлонами и поставлять готовой к использованию; а в-третьих, с помощью HeLa Гай и некоторые другие ученые выяснили, какая стеклянная посуда и какие пробки для пробирок наименее токсичны для клеток.

Лишь теперь ученые во всем мире впервые смогли работать с одними и теми же клетками, растущими в одной и той же культуральной среде, используя одно и то же оборудование, которое все они могли купить и доставить в свои лаборатории. А вскоре они смогут даже пользоваться первыми клонами человеческих клеток, к чему стремились многие годы.

Сегодня при слове «клон» нам представляются ученые, создающие живых животных целиком — как известную всем овечку Долли, — используя ДНК единственного родителя. Однако, прежде чем начать клонировать целый животный организм, ученые клонировали отдельные клетки — клетки Генриетты.

Чтобы понять важность клонирования клеток, нужно знать две вещи: во-первых, что культура HeLa выросла не из единственной клетки Генриетты, а из среза ее опухоли, который представлял собой скопление клеток. Во-вторых, даже клетки из одного и того же образца зачастую ведут себя по-разному. Это значит, что некоторые из них растут быстрее других, некоторые быстрее воспроизводят вирус полиомиелита, тогда как другие обладают большей сопротивляемостью к определенным антибиотикам.

Ученые хотели вырастить клоны клеток — линии клеток, произошедшие от однойединственной клетки, — и использовать их уникальные особенности. С HeLa группа ученых из Колорадо добилась успеха: вскоре ученый мир пользовался не только HeLa, но и сотнями, а затем и тысячами их клонов.

Первые технологии клонирования и выращивания клеток, разработанные благодаря HeLa, привели науку к значительным успехам, включая выделение стволовых клеток, клонирование целых животных и экстракорпоральное оплодотворение (ЭКО). Тем временем клетки HeLa, будучи в большинстве лабораторий стандартными человеческими клетками, использовались для исследований, благодаря которым, возможно, появилась и новая область генетики человека.

Долгое время ученые считали, что человеческие клетки содержат сорок восемь хромосом — нитей ДНК внутри клеток, в которых собрана вся наша генетическая информация. Однако хромосомы слипались вместе, и точно сосчитать их не удавалось.

В 1953 году один генетик из Техаса по ошибке смешал не ту жидкость с HeLa и некоторыми другими клетками. Эта случайность оказалась счастливой. Хромосомы в клетках набухли и отделились друг от друга, и ученые впервые смогли подробно рассмотреть каждую из них. Это случайное открытие стало первым в череде открытий, позволивших двум исследователям из Испании и Швеции обнаружить, что нормальная человеческая клетка содержит сорок шесть хромосом.

Теперь, зная, сколько хромосом должен иметь человек, ученые могли сказать, что у кого-то их больше или меньше, и с помощью этой информации диагностировать генетические заболевания. Довольно скоро исследователи во всем мире начали выявлять хромосомные нарушения.

Так, было выяснено, что у больных с синдромом Дауна была дополнительная хромосома в двадцать первой паре, страдавшие синдромом Клайнфельтера имели лишнюю половую Х-хромосому, а у пациентов с синдромом Шерешевского — Тернера эта хромосома отсутствовала или была дефектной.

С появлением всех этих новых разработок спрос на клетки HeLa вырос, и центр в Таскиги уже был не в состоянии его удовлетворить. Владелец Microbiological Associates — военный по имени Сэмюел Ридер — в науке не разбирался, однако его деловой партнер Монро Винсент сам был исследователем и понимал, насколько велик потенциальный рынок клеток.

Клетки требовались множеству ученых, и мало кто из них имел время или возможность самостоятельно выращивать их в достаточных количествах. Исследователи хотели просто покупать клетки, и поэтому Ридер и Винсент решили использовать HeLa в качестве «трамплина» для запуска первого промышленного коммерческого центра по поставке клеток.

Все началось с фабрики клеток, как ее называл Ридер. В городе Бетесда, штат Мэриленд, посреди просторного склада, бывшего некогда фабрикой по производству чипсов Fritos, он соорудил огороженное стеклом помещение и установил движущийся ленточный конвейер с сотнями встроенных штативов для пробирок. За пределами стеклянной комнаты все было организовано почти как в Таскиги — огромные чаны с культуральной средой, только еще бо́льших размеров.

Когда клетки были готовы к отгрузке, раздавался громкий звонок, и все рабочие фабрики, включая служащих отдела почтовых отправлений, прерывали текущие дела, как следует мылись в стерилизационной, надевали халаты и шапочки и выстраивались у ленты конвейера. Одни наполняли пробирки, другие закрывали их резиновыми пробками, запечатывали или помещали их в переносной инкубатор, где те хранились до момента упаковки к отправке.

Крупнейшими клиентами Microbiological Associates стали лаборатории вроде Национального института здравоохранения, они постоянно заказывали миллионы клеток HeLa по установленному графику. Однако ученые из любой точки мира могли сделать заказ, заплатить менее чем пятьдесят долларов, и Microbiological Associates тотчас высылала им пробирки с клетками HeLa.

Ридер заключил договор с несколькими крупными авиакомпаниями, и поэтому, откуда бы ни поступил заказ, курьер отправлял клетки ближайшим рейсом, в аэропорту их забирали и доставляли в лаборатории на такси. Так шаг за шагом зарождалась многомиллиардная отрасль по продаже человеческих биоматериалов.

Ридер нанял лучших специалистов по выращиванию клеток, чтобы те рассказали ему о самом важном в этом процессе и показали, как их надо готовить. Одним из ученых, консультировавших Ридера, был Леонард Хейфлик — возможно, самый известный из первых культиваторов клеток, который по сей день работает в этой области. Когда я беседовала с ним, он сказал: «Microbiological Associates и Сэм Ридер совершили настоящую революцию в этой области, и я не единственный, кто с легкостью называет это революцией».

_{Отрывок из книги Ребекки Склут «Бессмертная жизнь Генриетты Лакс». М.: Издательство Альпина нон-фикшн, 2024.}