The Embryo Project Encyclopedia

De 1958 à 1961, Leonard Hayflick et Paul Moorhead aux États-Unis ont développé un moyen en laboratoire de cultiver des souches de cellules humaines avec des ensembles complets de chromosomes. Auparavant, les scientifiques ne pouvaient passustainer des cultures cellulaires avec des cellules qui avaient deux ensembles complets dechromosomes comme des cellules humaines normales (diploïdes). En conséquence, les scientifiques se sont mis à étudier la biologie cellulaire humaine parce qu’il n’existait pas de source fiable de cellules représentant des cellules humaines diploïdes. Dans leurs expériences, Hayflick et Moorhead ont créé des souches durables de cellules humaines qui ont conservé les deux ensembles complets de chromosomes. Ils ont ensuite congelé des échantillons des cultures afin que les cellules restent viables pour la recherche future. Ils ont également noté que les cellules ne pouvaient se diviser qu’un certain nombre de fois avant de se dégrader et de mourir, un phénomène appelé plus tard la limite de Hayflick. L’expérience de Hayflick et Moorhead a permis la recherche sur la biologie du développement et les vaccins qui reposaient sur des souches de cellules humaines.

Hayflick s’est spécialisé dans la culture de cellules dans des environnements contrôlés. En 1958, il rejoint le Wistar Institute à Philadelphie, en Pennsylvanie, une institution de recherche qui étudie la biologie cellulaire et les virus, à l’invitation du nouveau directeur de l’institut, HilaryKoprowski. Koprowski a chargé Hayflick de créer des cultures cellulaires pourutiliser dans les expériences d’autres chercheurs de l’institut. Hayflicklater a cependant rappelé qu’il avait utilisé sa mission de recherche pour étudier les méthodes et les limites des cultures cellulaires. Pour participer à la culture des cellules, Hayflick a recruté son collègue de Wistar, Paul Moorhead, qui a étudié la structure et la fonction des cellules et des chromosomes.

Le manque de longévité des cultures cellulaires humaines normales en laboratoire limitait les recherches que les scientifiques pouvaient faire. Avec les cultures cellulaires, les scientifiques développent des populations de cellules dans des conditions contrôlées par la verrerie pour une utilisation dans la recherche. Les chercheurs cultivent généralement des cellules dans des verreries ou des boîtes de pétri contenant du milieu de croissance, une solution contenant des sels dissous, des sucres et d’autres nutriments cellulaires. Tout au long de la première moitié du XXe siècle, les chercheurs ont émis l’hypothèse que toutes les cultures cellulaires normales et saines avaient une capacité innée à se diviser indéfiniment sur la base de découvertes antérieures publiées par le biologiste Alexis Carrel en 1912 aux États-Unis. En pratique, cependant, les chercheurs n’ont pas observé de division sans fin dans les cellules normales.Au lieu de cela, les cellules en culture se sont finalement dégradées et sont mortes. Les scientifiques ont indiqué que les cellules se sont dégradées parce qu’elles avaient épuisé le milieu de croissance de la culture de tous ses nutriments ou parce que les techniciens de laboratoire n’avaient pas réussi à maintenir des conditions environnementales idéales pour la croissance cellulaire. Les seules cellules humaines qui se divisaient continuellement en laboratoire, appelées lignées cellulaires immortelles, étaient des cellules dérivées de cellules cancéreuses. Ces lignées cellulaires ne représentaient que certains aspects de la biologie cellulaire humaine.

Au milieu du XXe siècle, les chercheurs médicaux ne pouvaient pas expliquer ce qui causait le cancer, et de nombreux scientifiques, y compris Hayflick et Moorhead, ont émis l’hypothèse que certains virus pouvaient causer des excroissances cancéreuses. Bien que de nombreux microbiologistes aient utilisé des cellules dérivées de lignées cellulaires cancéreuses dans la recherche médicale, les cellules n’étaient généralement pas utilisées dans le développement de vaccins, car les scientifiques craignaient que les vaccins ne soient contaminés par des virus cancérigènes éventuellement contenus dans les cellules elles-mêmes. De plus, les cellules des lignées cancéreuses, en raison de leur division constante, étaient hétéroploïdes, ce qui signifie qu’elles avaient un nombre de chromosomes supérieur ou supérieur à celui des cellules humaines normales, qui ont deux ensembles complets de chromosomes. Les cellules hétéroploïdes résultent souvent de la division cellulaire continue sur plusieurs générations de cellules en culture.

Hayflick et Moorehead ont produit des cellules humaines qui pourraient être cultivées sur plusieurs générations, comme des cellules de lignées cellulaires cancéreuses, mais ont également préservé le nombre diploïde de chromosomes des cellules et réduit le risque de virus cancéreux théoriques. Ils ont décrit leur expérience dans « La culture en série de souches de cellules diploïdes humaines », publié en 1961.

Hayflick et Moorhead ont cherché à développer des souches de cellules humaines qui pourraient être cultivées pendant de longues périodes en laboratoire tout en conservant leur nombre de chromosomes diploïdes. Ils ont émis l’hypothèse que s’ils étaient transplantés de petits échantillons de cellules humaines diploïdes provenant de cultures déjà en croissance dans un nouvel environnement de croissance, ils augmenteraient considérablement le nombre de cellules diploïdes en culture. Hayflick et Moorhead ont proposé que la congélation de petites quantités de cellules diploïdes interrompe la croissance et la division cellulaire sans tuer les cellules. Les cellules congelées pouvaient alors être stockées jusqu’à ce que les chercheurs en aient besoin, à quel moment ils pouvaient les conserver, les ramenant à une activité cellulaire normale.Hayflick et Moorhead ont prédit qu’après la décongélation, ces cellules cultivées ne deviendraient pas hétéroploïdes comme les cellules d’autres lignées et conserveraient leur ensemble de chromosomes diploïdes.

L’expérience de Hayflick et de Moorhead visait à la fois à créer une méthode de culture de cellules diploïdes humaines en laboratoire pour une utilisation à long terme en recherche, et à déterminer si ces souches cellulaires contribuaient ou non à la croissance cancéreuse.Hayflick et Moorhead ont d’abord cultivé des cellules humaines dans des cultures de laboratoire, transplanté de petits échantillons de cellules dans de nouveaux conteneurs pour développer des cultures cellulaires supplémentaires et congelé des échantillons de cellules de ces cultures pour préserver les cellules pour des recherches ultérieures. Ensuite, pour tester si les cellules congelées étaient encore viables pour la recherche, Hayflick et Moorheadthawed les cellules congelées et ont tenté d’en faire pousser des cultures cellulaires.Enfin, ils ont implanté des échantillons de ces souches de cellules diploïdes humaines dans des tissus vivants pour voir si elles entraînaient des excroissances cancéreuses.

Pour développer des souches de cellules humaines diploïdes, Hayflick et Moorhead ont commencé à cultiver des cellules à partir de 25 tissus différents prélevés sur des fœtus avortés. Ces cellules sont devenues 25 souches de cellules humaines différentes, nommées numériquement WI-1 via WI-25. Le WI signifiait Wistar Institute, où les cellules ont été développées. Hayflick et Moorhead utilisaient des tissus fœtaux parce que, plus que les cellules adultes, les cellules fœtales se développaient plus facilement dans les cellules fibroblastiques, qui sont des cellules spécialisées qui fournissent un soutien structural à la plupart des tissus corporels. Les cellules de fibroblastes étaient réputées pour la culture cellulaire en laboratoire car elles se développaient rapidement et en continu dans des cultures cellulaires, fournissant une abondance de cellules pour la recherche. Hayflick et Moorhead ont découpé chacun des échantillons de tissus en petites lamelles minces, puis les ont implantées sur la paroi interne de bouteilles de verre remplies de milieu de croissance riche en nutriments. Hayflick et Moorheadpuis ont placé les flacons revêtus de tissus de chaque souche cellulaire dans un environnement chaud pendant trois jours, en remplaçant régulièrement le milieu de croissance par un apport frais, pour commencer la culture cellulaire.

Hayflick et Mooorhead laissent les cultures pousser jusqu’à ce que les cellules recouvrent toute la bouteille de verre. Chaque échantillon de cellules fœtales a ensuite été subdivisé par un processus appelé sous-culture. Au cours de la sous-culture, Hayflick et Moorheader ont retiré un petit échantillon de cellules et ont implanté ces cellules sur le mur d’une nouvelle bouteille en verre remplie de milieu de croissance, créant une nouvelle culture de cellules de la même souche cellulaire. Chaque nouvelle culture cellulaire a constitué une nouvelle génération de cellules qui pourrait elle-même être davantage cultivée par la même méthode, permettant au nombre total de cellules de croître de manière exponentielle. Hayflick et Moorhead ont ensuite divisé des échantillons des cellules restantes en petites portions et les ont congelées pour interrompre la croissance des cellules et arrêter toute division cellulaire ultérieure.

Hayflick et Moorheadcontinuaient les cellules sous-cultivées deux fois par semaine pendant une dizaine de mois, à quel point les cultures cellulaires ont cessé de croître et ont commencé à se dégrader.Hayflick et Moorhead ont émis l’hypothèse que les cellules avaient cessé de se diviser en raison d’une accumulation de produits toxiques de croissance cellulaire dans le milieu de croissance. Hayflick et Moorhead ont essayé d’introduire un milieu de croissance frais exempt de toxines, mais les cultures cellulaires ont continué à se dégrader et à mourir au cours des mois suivants. Cependant, d’autres cultures cellulaires placées dans le même milieu de croissance ne se sont pas dégradées et meurent. Les chercheurs ont conclu que quelque chose à propos des celluleseux-mêmes, et non leur environnement, les ont fait commencer à se détériorer.

Hayflick et Moorhead ont ensuite tenté de déterminer si les cellules qu’ils avaient congelées pouvaient encore être utilisées pour cultiver davantage de cultures cellulaires. Après décongélation de petits échantillons de cellules, Hayflick et Moorheadimplantées les cellules sur les parois des bouteilles en verre. Ils les ont à nouveau cultivées dans des milieux de croissance et ont découvert que, même après la congélation, les cellules poussaient encore dans de nouvelles cultures, qui pourraient elles-mêmes être sous-cultivées. Indépendamment de la congélation ou des sous-cultures antérieures, les chercheurs pourraient utiliser des échantillons de cultures de cellules humaines diploïdes pour développer davantage de cultures de cellules humaines diploïdes. Hayflick et Moorhead avaient créé une souche de cellules humaines adiploïdes qui pouvait être cultivée en laboratoire à une durée indéterminée.

Hayflick et Moorhead ont ensuite étudié si les cellules cultivées dans les nouvelles cultures étaient diploïdes ou non. En écrivant sur l’expérience, ils ont dit qu’ils craignaient que les cellules ne soient pas restées diploïdes parce qu’elles les avaient cultivées sur de nombreuses générations, ce qui peut conduire à une hétéroploïdie. En utilisant des microscopes à la lumière, Hayflick et Moorhead ont examiné des échantillons de cellules pendant la métaphase de la division cellulaire, lorsque les chromosomes sont distincts et facilement visualisés. Ils ont compté le nombre de chromosomes dans 250cellules individuelles pour obtenir une estimation du nombre de cellules ayant encore un nombre adiploïde de chromosomes. Hayflick et Moorhead ont déterminé que plus de 97% des cellules étaient diploïdes même après plus de vingt générations de sous-culture. Hayflick et Moorhead ont conclu que leur processus de culture en série et de congélation des cellules fœtales était une méthode efficace pour préserver une souche de cellules humaines diploïdes.

Enfin, Hayflick et Moorhead devaient montrer que leurs souches cellulaires ne causaient pas le cancer. Le problème avec les lignées cellulaires immortelles créées à partir de cellules cancéreuses était que les chercheurs ont émis l’hypothèse que les cellules pourraient contenir des virus cancérigènes. Afin de s’assurer que leurs souches newcell ne causaient pas de cancer, Hayflick et Moorhead ont testé la souche de cellules WI-25 dans des tissus vivants. Ils ont choisi la souche WI-25 parce qu’elle avait subi le plus de subdivisions et était la souche cellulaire la plus susceptible de causer le cancer. Par conséquent, si ce n’était pas le cas, il était probable qu’aucune des autres souches ne le ferait non plus.

Les chercheurs ont implanté des cellules de la souche cellulaire WI-25 dans les poches de joue de cinq livinghamsters. En tant que groupe témoin expérimental, ils ont également implanté cinq poches de joues d’autres hamsters avec des cellules dérivées de cellules cancéreuses. Au début, des nodules, un signe précoce de développement d’un cancer, sont apparusdans les poches à carreaux des deux ensembles de hamsters. Cependant, après trois semaines, presque tous les nodules des hamsters implantés avec les cellules WI-25 avaient disparu tandis que les nodules des hamsters implantés avec des cellules provenant de lignées de cellules cancéreuses avaient tous augmenté en taille. Hayflicket Moorhead ont effectué des biopsies des nodules restants pour confirmer leur prédiction selon laquelle leurs cellules sous-cultivées ne causaient pas de cancer.Les biopsies ont montré que les nodules des hamsters implantés avec des lignées cellulaires cancéreuses étaient en effet cancéreux, tandis que les nodules de cellules WI-25 étaient dus à une inflammation et à un saignement au site d’implantation.

Hayflick et Moorhead ont également implanté un entraînement cellulaire humain similaire, WI-1, dans les tissus musculaires de cinq patients cancéreux mourants.Il a également implanté des cellules de lignées cellulaires cancéreuses dans cinq autres patients atteints d’un cancer terminal. Comme chez les hamsters, au début, les nodules ont grandisur les sites d’implantation des deux groupes. Après quelques jours, les nodules cellulaires WI-1 ont commencé à reculer, tandis que les nodules se multipliaient chez les patients hospitalisés implantés avec des cellules de lignées cellulaires cancéreuses. À la fin de la semaine, presque tous les nodules WI-1 avaient disparu, et Hayflick et Moorhead ont biopsié les nodules restants dans les deux groupes. Les résultats des biopsies ont montré que les nodules de cellules cancéreuses étaient des cellules hétéroploïdes, tandis que les nodules WI-1 étaient diploïdes et non cancéreux. Les résultats de Hayflicket de Moorhead, qu’ils ont publiés en 1961, ont démontré que les cellules diploïdes humaines pouvaient se propager sur plusieurs générations, comme les lignées cellulaires cancéreuses, sans devenir hétéroploïdes ou cancéreuses.

Les résultats ont eu un impact immédiat et durable sur la compréhension de la biologie du développement et de la recherche scientifique. Les résultats de leur expérience ont déconfirmé l’hypothèse de Carrel de 1912 selon laquelle les cellules normales se développaient indéfiniment en culture, malgré les observations de cultures de cellules se dégradant avec le temps. Carrel avait suggéré que les cellules, dans la pratique, semblaient se détériorer et vieillir au fil du temps était dû à des conditions de croissance imparfaites en laboratoire pour les cellules.Carrel a affirmé que dans des conditions idéales, les cellules dans les cultures pouvaientdiviser indéfiniment, agissant efficacement comme une lignée cellulaire immortelle.Les résultats de Hayflick et Moorhead, cependant, ont indiqué que le vieillissement des inorganismes se produit au niveau cellulaire, un processus appelé sénescence, et que les cellules ne pouvaient subir qu’un nombre limité de divisions avant qu’elles ne se dégradent et ne meurent. Au cours de leur expérience, Hayflick et Moorheadessont tenté de cultiver continuellement des cellules fœtales, remplaçant le vieux milieu de croissance par un milieu frais et riche en nutriments. Cependant, ils ont constaté qu’après environ quarante ou soixante générations, les cellules ont commencé à mourir plutôt que de se reproduire, un phénomène appelé plus tard la limite de Hayflick. Ce résultat a démontré que les cellules ne pouvaient pas croître indéfiniment en culture, même dans des conditions idéales.

La méthode de culture en série de cellules diploïdes humaines de Hayflick et Moorhead a également aidé les scientifiques à maintenir un approvisionnement abondant en cellules humaines diploïdes pour la recherche. Selon les calculs de Hayflick et Moorhead, une seule souche de cellules humaines pourrait être subcultée suffisamment de fois pour produire près de 20 tonnes métriques de cellules viables. Bien qu’il ne soit pas techniquement immortel, cet approvisionnement deviendrait inépuisable à des fins de recherche pratique.

De plus, la création de cellules humaines diploïdes viables a permis la recherche sur les vaccins.Parce que Hayflick et Moorhead ont montré que leurs souches de cellules humaines ne causaient pas de cancer chez les hamsters ou les humains, ces souches pouvaient être utilisées dans les vaccins sans menace de contaminer le vaccin avec un agent cancérigène. Des souches de cellules humaines dérivées de la même manière, telles que WI-38, sont devenues la base des vaccins contre les maladies infantiles telles que la rubéole et la varicelle.

Alors que de nombreux chercheurs ont salué le développement de souches de cellules humaines par Hayflick et Moorhead, certains, y compris l’Église catholique, ont désapprouvé l’utilisation du matériel fœtal avorté dans le développement de vaccins pour des raisons religieuses. TheVatican a déclaré plus tard qu’ils s’opposaient à la méthode de développement de vaccins dérivés de tissus fœtaux, et non à l’utilisation individuelle de ces vaccins pour prévenir les maladies.

Hayflick et Moorhead ont démontré non seulement que les cellules humaines pouvaient être cultivées avec succès dans le laboratoire tout en conservant un nombre diploïde de chromosomes, mais aussi qu’elles pouvaient maintenir les cellules presque indéfiniment à travers la sous-culture en série. En outre, leur expérience a permis à Hayflick de poursuivre ses recherches sur la limite de division cellulaire en culture, appelée plus tard la limite de Hayflick. Les découvertes de Hayflick et de Moorhead ont permis de mener d’autres expériences dans le développement de la biologie du développement et du vaccin en fournissant des cellules humaines abondantes pour la recherche.