CHO, HeLa e HEK293: un confronto tra le principali linee cellulari utilizzate per la scoperta di farmaci e lo sviluppo di prodotti biologici. / CHO, HeLa and HEK293: Comparing key cell lines for drug discovery and biologic development

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Le linee cellulari di mammifero sono fondamentali per la produzione di proteine terapeutiche ricombinanti, vaccini ed altri farmaci clinicamente rilevanti. Esistono diverse linee cellulari, ma tre in particolare si distinguono: le cellule di ovaio di criceto cinese (CHO), le cellule HeLa e le cellule epiteliali derivate dal rene embrionale umano (HEK293), ognuna con un ruolo importante nella scoperta di farmaci e nello sviluppo di prodotti biologici.

In questo articolo mettiamo a confronto queste tre linee, analizzando come e quando sono state sviluppate, i loro vantaggi e svantaggi e le innovazioni biomediche che hanno introdotto.

cellule CHO

La storia delle cellule CHO

Tra le linee cellulari più utilizzate per la produzione di farmaci biologici vi sono le cellule CHO. Spesso descritte come il "cavallo di battaglia" della produzione biofarmaceutica, queste cellule sono diventate lo standard di riferimento per la produzione di farmaci biologici negli ultimi decenni.

Come suggerisce il nome, le cellule CHO derivano dalle ovaie dei criceti cinesi ( Cricetulus griseus ) e presentano una sorprendente somiglianza con il sistema cellulare umano, da cui il loro utilizzo nella ricerca medica. Questo risale al 1919, quando vennero impiegate per identificare i batteri pneumococchi.

La linea cellulare CHO è stata creata nel 1957, quando i ricercatori della Facoltà di Medicina dell'Università del Colorado (CO, USA) estrassero cellule epiteliali dall'ovaio di un criceto cinese femmina per studiare i cromosomi umani e gli effetti delle radiazioni. Da allora, sono stati generati molti sottotipi diversi di cellule CHO, con profili di crescita, produttività e sicurezza sempre più elevati.

Le cellule CHO sono state coinvolte nella produzione del primo farmaco terapeutico ricombinante espresso in mammiferi ad ottenere l'approvazione della FDA – l'attivatore tissutale del plasminogeno umano, utilizzato per il trattamento delle malattie cardiovascolari – nel 1987, e ora sono diventate un elemento fondamentale della produzione di biofarmaci.

Perché le cellule CHO?

Forse l'aspetto più importante è che la struttura delle cellule CHO è simile a quella delle cellule umane, il che le rende una piattaforma ideale per lo sviluppo di farmaci da utilizzare nell'uomo. Le cellule CHO possono anche effettuare modificazioni post-traduzionali, come la glicosilazione, simili a quelle presenti nelle cellule umane, il che significa che possono produrre proteine simili alle nostre. Questo le distingue dalle piattaforme di espressione basate su microrganismi, insetti o piante e riduce significativamente la potenziale risposta immunogenica ai farmaci biologici derivati dalle cellule CHO.

Inoltre, crescono bene in colture in sospensione ad alta densità ed in terreni di coltura privi di siero e tollerano bene le variazioni di parametri quali pH, livelli di ossigeno e temperatura, il che ne rende la produzione su scala industriale facile ed economica.

Inoltre, come ha dichiarato Fang Tian, direttore dei contenuti biologici presso l'ATCC (Virginia, USA), a BioTechniques, "le cellule CHO hanno accumulato una vasta esperienza in ambito normativo e produttivo nel corso dei decenni, il che le rende la piattaforma preferita per la produzione di anticorpi monoclonali e di numerose proteine ricombinanti".

Nonostante i numerosi vantaggi, queste cellule presentano anche alcuni svantaggi, ha spiegato Tian: "La loro origine non umana può comportare differenze nella glicosilazione o nel contesto cellulare rispetto alla fisiologia umana, e l'eterogeneità della linea cellulare richiede un'attenta caratterizzazione ed un controllo accurato".

Cellule CHO nella scoperta di farmaci e nello sviluppo di prodotti biologici

La linea cellulare continua a facilitare scoperte fondamentali nella ricerca e nella produzione biomedica. Tian ci ha illustrato alcuni esempi recenti.

Nel 2023, LEQEMBI, una terapia con anticorpi monoclonali prodotta dalla linea cellulare CHO, ha ricevuto l'approvazione della FDA per il trattamento della malattia di Alzheimer. La terapia immuno-oncologica UNLOXCYT, anch'essa prodotta da cellule CHO, ha ottenuto l'approvazione per il carcinoma squamocellulare cutaneo in stadio avanzato nel 2024. Infine, lo scorso anno, ENFLONSIA, un anticorpo monoclonale preventivo prodotto sempre dalla stessa linea cellulare, è stato approvato per il trattamento della malattia delle basse vie respiratorie causata dal virus respiratorio sinciziale.

“Le cellule CHO rimangono fondamentali per i formati di anticorpi di nuova generazione, inclusi i bispecifici e le varianti Fc ingegnerizzate con funzioni effettrici sintonizzate. I progressi nell'ingegneria delle linee cellulari, nell'ottimizzazione dei terreni di coltura e nel monitoraggio digitale dei bioprocessi delle cellule CHO e delle loro linee cellulari derivate hanno ulteriormente aumentato la produttività e la coerenza delle piattaforme di bioproduzione CHO”, ha concluso Tian. “Le cellule CHO rimangono il sistema di produzione predefinito per i farmaci biologici destinati al trattamento di diverse patologie.”

cellule HeLa

Storia delle cellule HeLa

Nata nel 1952, la prima linea cellulare umana immortalizzata, HeLa, continua ad essere uno strumento essenziale nella ricerca biomedica. Come ci ha spiegato Tian, viene spesso utilizzata come sistema di riferimento in genomica funzionale, virologia e ricerca sul cancro e svolge un ruolo importante nella biologia fondamentale, nello sviluppo di test, nella validazione dei target e nello screening ad alto rendimento.

Questa linea cellulare è stata creata da George Gey della Johns Hopkins University (Maryland, USA) utilizzando cellule tumorali prelevate da Henrietta Lacks durante un trattamento per il cancro cervicale. Le cellule, ottenute senza il consenso della Lacks, furono poste in un terreno di coltura e denominate "HeLa" in onore della loro ignara donatrice. Inaspettatamente, le cellule rimasero vive e continuarono a crescere e dividersi, venendo quindi considerate "immortali".

Da allora, queste cellule sono state utilizzate in innumerevoli scoperte scientifiche: dallo sviluppo del primo vaccino contro la poliomielite nel 1953, all'approfondimento della nostra comprensione dell'infezione da HIV negli anni '80, fino al progresso nello studio di diversi tipi di cancro. Hanno inoltre gettato le basi per lavori premiati con il Nobel, tra cui il premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina del 2008, assegnato per una ricerca che ha utilizzato cellule HeLa infette per dimostrare che il papillomavirus umano causa il cancro cervicale. L'anno successivo, il premio è stato conferito agli scienziati che hanno scoperto come i cromosomi siano protetti dai telomeri e dall'enzima telomerasi, un lavoro che ha coinvolto le cellule HeLa. Anche il Premio Nobel per la Chimica del 2014, per lo sviluppo della microscopia a fluorescenza a super risoluzione, si è basato su questa linea cellulare.

Perché le cellule HeLa?

Grazie alla loro capacità di dividersi indefinitamente, le cellule HeLa sono state un pilastro della ricerca nelle scienze biologiche per decenni, apprezzate per la loro "eccezionale robustezza, riproducibilità, ampia disponibilità di dati storici e facilità d'uso", ha spiegato Tian. Hanno l'ulteriore vantaggio di derivare da cellule umane, il che, ha aggiunto Tian, "offre una rilevanza biologica che integra modelli più specializzati o primari".

Oltre alle loro dubbie origini etiche, tra gli svantaggi, secondo Tian, vi è il fatto che derivano da cellule tumorali e sono altamente aneuploidi, il che può limitarne la rilevanza fisiologica per i modelli non patologici.

"Sebbene la linea cellulare rimanga uno strumento potente per la biologia virale e l'ingegneria dei vettori, non è una linea cellulare ospite per la bioproduzione di farmaci approvati dalla FDA."

Le cellule HeLa nella scoperta di farmaci e nello sviluppo di prodotti biologici

"Le cellule HeLa continuano a supportare lo sviluppo di test e studi meccanicistici, tra cui la genomica funzionale basata su CRISPR, le interazioni ospite-patogeno e l'analisi dei percorsi che forniscono informazioni per la scoperta di bersagli nelle fasi iniziali", ha commentato Tian.

Quando le abbiamo chiesto se ci fossero esempi recenti particolarmente interessanti, ha segnalato uno studio del 2025 pubblicato su Cell Reports Methods in cui "le cellule HeLa sono state utilizzate per sviluppare piattaforme di screening antivirale basate su circuiti genici sintetici ed abilitate dalla fluorescenza, capaci di una valutazione ad alto rendimento degli inibitori della proteasi virale", il che potrebbe contribuire ad accelerare la scoperta di farmaci antivirali nelle fasi iniziali.

Le cellule HeLa sono state coinvolte anche in uno studio pubblicato su Nature lo scorso anno, che ha utilizzato lo screening di interferenza CRISPR ad alta risoluzione per mappare in modo esaustivo le interazioni genetiche necessarie alla sopravvivenza nei geni coinvolti nella risposta al danno al DNA. In questo modo sono state scoperte coppie di geni letali sintetici lungo i percorsi di riparazione del danno al DNA, informazioni che potrebbero essere utili per lo sviluppo di farmaci antitumorali di nuova generazione.

cellule HEK293

Storia delle cellule HEK293

Le cellule HEK293 furono create nel 1973 da Frank Graham presso l'Università di Leiden (Paesi Bassi). Lavorando a fianco di Alex Van der Eb, Graham fu un pioniere della tecnica di transfezione con fosfato di calcio, un metodo ampiamente utilizzato per introdurre plasmidi di DNA estraneo nelle cellule, e la impiegò per transfettare cellule renali embrionali umane sane con il DNA dell'adenovirus 5. Dopo molti tentativi ed errori, l'esperimento ebbe successo: venne chiamato 293 perché era il 293° esperimento condotto da Graham a Leiden.

"Le cellule HEK293 si trovano all'incrocio tra biologia ed ingegneria", ha dichiarato Tian a BioTechniques. "[Sono] ampiamente utilizzate nello sviluppo di terapie geniche, vaccini e test funzionali per la scoperta di farmaci", e sono la linea cellulare di elezione per la produzione di vettori di virus adeno-associati (AAV).

Questa linea di ricerca è stata coinvolta in numerose scoperte rivoluzionarie, come la produzione di vaccini contro il COVID-19 e l'Ebola basati su vettori AAV.

Perché le cellule HEK293?

Un'altra linea cellulare umana, la HEK293, è biologicamente rilevante e in grado di esprimere una varietà di proteine ricombinanti con modificazioni post-traduzionali simili a quelle umane, il che riduce al minimo i problemi di immunogenicità.

Inoltre, come ha sottolineato Tian, si prestano molto bene alla transfezione ed alla manipolazione genetica, "il che le rende ideali per l'espressione di proteine ricombinanti, la produzione di vettori virali ed i test cellulari".

Tra gli altri vantaggi si annoverano la versatilità e l'adattabilità: le cellule HEK293 possono essere coltivate in diverse condizioni, inclusa la coltura in sospensione priva di siero, il che le rende adatte alla produzione di proteine su larga scala. Inoltre, crescono rapidamente e sono facili da mantenere, con un'elevata riproducibilità.

Tuttavia, quando le abbiamo chiesto quali fossero gli svantaggi, Tian ha osservato che "come ospiti per la bioproduzione, le cellule HEK293 comportano un rischio maggiore di propagare virus specifici per l'uomo. Ciò richiede rigorosi test di biosicurezza ed una supervisione normativa". Inoltre, "la loro natura embrionale e trasformata implica che potrebbero non riprodurre completamente la biologia dei tessuti maturi, [mentre] i sistemi di espressione transitoria possono introdurre variabilità".

Le cellule HEK293 nella scoperta di farmaci e nello sviluppo di prodotti biologici

Grazie al loro ruolo nello sviluppo di proteine ricombinanti e nella produzione di vettori virali (tra cui AAV e lentivirus) per l'utilizzo nelle terapie geniche, le cellule HEK293 sono un elemento fondamentale della moderna ricerca nelle scienze della vita. Ciò è dimostrato dalle numerose recenti approvazioni di terapie.

Tian ha richiamato la nostra attenzione su tre di questi: ELEVIDYS, una terapia genica per la distrofia muscolare di Duchenne, approvata dalla FDA nel 2023; KEBILIDI, che è diventata la prima terapia genica approvata dalla FDA per la carenza di L-amminoacido aromatico decarbossilasi nel 2024; e ENCELTO, una terapia cellulare incapsulata per la telangectasia maculare idiopatica di tipo 2, che utilizza la linea cellulare HEK293 per produrre vettori virali per la somministrazione genica, approvata lo scorso anno.

"Le cellule CHO, HeLa e HEK293 occupano ciascuna una nicchia distinta e duratura nella scoperta di farmaci e nello sviluppo di prodotti biologici grazie ai loro punti di forza biologici e tecnici complementari", ha concluso Tian.

"Insieme, queste tre linee cellulari costituiscono una base essenziale per la ricerca preclinica e lo sviluppo di farmaci biologici, dalla scoperta alla validazione e alla biofabbricazione."

ENGLISH

Mammalian cell lines are crucial in the production of recombinant therapeutic proteins, vaccines and other clinically relevant drugs. A number of different lines are relied upon, but three in particular stand out from the crowd: Chinese Hamster Ovary (CHO) cells, HeLa cells and human embryonic kidney-derived epithelial (HEK293) cells – each with its own important role to play in drug discovery and biologics development.

Here, we compare these three lines, exploring how and when they were developed, their pros and cons, and the biomedical innovations they have pioneered.

CHO cells

The history of CHO cells

Among the most widely used cell lines for biologics production are CHO cells. Often described as the ‘workhorse’ of biopharmaceuticals manufacturing, these have become the gold standard for biologics production in recent decades.

As their name suggests, CHOs are derived from the ovaries of Chinese hamsters (Cricetulus griseus), and yet they bear a surprising similarity to the human cell system, hence their usage in medical research. This dates back to 1919, when they were used to identify pneumococcus bacteria.

The CHO cell line was established in 1957, when researchers at the University of Colorado Medical School (CO, USA) extracted epithelial cells from the ovary of a female Chinese hamster to study human chromosomes and radiation effects. Since then, many different CHO subtypes have been generated, with increasing growth, productivity and safety profiles.

CHOs were involved in the first mammalian-expressed recombinant therapeutic to gain FDA approval – human tissue plasminogen activator, used for treating cardiovascular diseases – in 1987, and now, have become a cornerstone of biotherapeutic production.

Why CHO cells?

Perhaps most importantly, CHO cell structure is similar to human cell structure, making it an ideal platform for developing drugs for use in humans. CHO cells can also perform post-translational modifications, like glycosylation, similar to those found in human cells, which means they can yield proteins that resemble our own. This sets them apart from microbial, insect or plant-based expression platforms and means that a potential immunogenic response to CHO-derived biologics is significantly reduced.

Moreover, they grow well in high-density suspension culture and in serum-free media and are good at tolerating variations in parameters such as pH, oxygen levels and temperature, making them easy and cost-effective to manufacture on an industrial scale.

Plus, as Fang Tian, Director of Biological Content at ATCC (VA, USA), told BioTechniques, “CHO cells have accumulated an extensive regulatory and manufacturing track record over decades, making them the preferred platform for producing monoclonal antibodies and many recombinant proteins.”

Despite their myriad advantages, these cells do have some drawbacks, Tian explained: “[Their] non-human origin can lead to differences in glycosylation or cellular context compared to human physiology, and cell line heterogeneity requires careful characterization and control.”

CHO cells in drug discovery and biologic development

The cell line continues to facilitate vital breakthroughs in biomedical research and manufacturing. Tian highlighted a few recent examples to us.

In 2023, LEQEMBI, a monoclonal antibody therapy produced by the CHO cell line, received FDA approval for the treatment of Alzheimer’s disease. The CHO-produced immune-oncology therapy UNLOXCYT was granted approval for advanced cutaneous squamous cell carcinoma in 2024. Then, last year, ENFLONSIA, a preventive monoclonal antibody also produced by the cell line, was approved for the treatment of respiratory syncytial virus lower respiratory tract disease.

“CHO cells remain central to next-generation antibody formats, including bispecifics and engineered Fc variants with tuned effector functions. Advances in cell line engineering, media optimization, and digital bioprocess monitoring of CHO and its derivative cell lines have further increased productivity and consistency of CHO bioproduction platforms,” Tian concluded. “CHO remains the default manufacturing system for biologics to treat various diseases.”

HeLa cells

History of HeLa cells

Established in 1952, the first immortalized human cell line, HeLa, continues to be an essential tool in biomedical research. As Tian told us, it is often used as a reference system in functional genomics, virology and cancer research and has an important part to play in fundamental biology, assay development, target validation and high-throughput screening.

The line was created by George Gey of Johns Hopkins University (MD, USA) using tumor cells derived from Henrietta Lacks during treatment for cervical cancer. The cells, obtained without Lacks’ consent, were placed in a culture medium and labeled ‘HeLa’ after their unwitting donor. Unexpectedly, the cells remained alive and continued to grow and divide, hence their being deemed ‘immortal’.

The cells have been used in countless scientific discoveries ever since: from the development of the first polio vaccine in 1953 to furthering our understanding of HIV Infection in the 80s and advancing the study of several cancers. They’ve also set the scene for Nobel Prize winning work, including the 2008 prize in Physiology or Medicine, awarded for research using infected HeLa cells to demonstrate that human papillomavirus causes cervical cancer. The following year, it went to the scientists who discovered how chromosomes are protected by telomeres and the enzyme telomerase, work that involved HeLa cells. The 2014 Chemistry Nobel Prize, for the development of super-resolved fluorescence microscopy, also relied on the cell line.

Why HeLa cells?

Thanks to their ability to divide indefinitely, HeLa cells have been a mainstay of life science research for decades, prized for their “exceptional robustness, reproducibility, extensive historical data and ease of use,” Tian explained. They have the added advantage of being derived from human cells, which, Tian added, “offers biological relevance that complements more specialized or primary models.”

As well as their dubious ethical origins, downsides include the fact that they are cancer-derived and highly aneuploid, which can limit physiological relevance for non-disease models, according to Tian.

“Although the cell line remains a powerful tool for viral biology and vector engineering, it is not a host bioproduction cell line for FDA-approved drugs.”

HeLa cells in drug discovery and biologic development

“HeLa cells continue to support assay development and mechanistic studies, including CRISPR-based functional genomics, host–pathogen interactions and pathway interrogation that inform early-stage target discovery,” Tian commented.

When we asked if there were any particularly exciting recent examples, she flagged a 2025 Cell Reports Methods study in which “HeLa cells were used to develop synthetic gene circuit-based, fluorescence enabled antiviral screening platforms capable of high throughput evaluation of viral protease inhibitors,” which could help to accelerate early stage antiviral drug discovery.

HeLa cells were also involved in a Nature study from last year, which used high-resolution CRISPR interference screening to comprehensively map the genetic interactions required for survival in DNA damage response genes. Doing so uncovered synthetic lethal gene pairs across DNA damage repair pathways, which could inform next-generation cancer drugs.

HeLa cells

History of HeLa cells

Why HeLa cells?

“Although the cell line remains a powerful tool for viral biology and vector engineering, it is not a host bioproduction cell line for FDA-approved drugs.”

HeLa cells in drug discovery and biologic development

Inventing a cell line: we talk all things HEK293 cells with their creator Frank Graham

How do you develop a cell line that changes the course of biomedical research and manufacturing? We spoke to Frank Graham, who created the influential HEK293 cell line, to find out.

HEK293 cells

History of HEK293 cells

HEK293 cells were created in 1973 by Frank Graham at Leiden University (The Netherlands). Working alongside Alex Van der Eb, Graham pioneered the Calcium Phosphate Transfection technique – a widely used method for introducing foreign DNA plasmids into cells – and used it to transfect healthy human embryonic kidney cells with adenovirus 5 DNA. After much trial and error, the experiment was a success: it was named 293 because it was the 293rd experiment that Graham executed at Leiden.

“HEK293 cells sit at the intersection of biology and engineering,” Tian told BioTechniques. “[They] are widely used in the development of gene therapies, vaccines and functional assays for drug discovery,” and are the cell line of choice for the manufacture of adeno-associated virus (AAV) vectors.

This line has been involved in its fair share of breakthroughs, such as the manufacture of AAV-vectored COVID-19 and Ebola vaccines.

Why HEK293 cells?

Another human cell line, HEK293 is biologically relevant and capable of expressing a variety of recombinant proteins with human-like post-translational modifications, which minimizes issues with immunogenicity.

They are also highly amenable to transfection and genetic manipulation, Tian pointed out, “making them ideal for recombinant protein expression, viral vector production and cell-based assays.”

Other benefits include versatility and adaptability: HEK293 cells can be grown in a variety of conditions, including serum-free suspension culture, rendering them suitable for large-scale protein production. Furthermore, they grow rapidly and are easy to maintain, with high reproducibility.

However, when we asked her about their cons, Tian noted that “as a bioproduction host, HEK293 carries a higher risk of propagating human-specific viruses. This requires stringent biosafety testing and regulatory oversight.” In addition, “their embryonic and transformed nature means they may not fully recapitulate mature tissue biology, [while] transient expression systems can also introduce variability.”

HEK293 cells in drug discovery and biologic development

Thanks to their role in the development of recombinant proteins and production of viral vectors (including AAV and lentivirus) for use in gene therapies, HEK293 cells are a staple of modern life science research. This is evidenced in several recent therapeutic approvals.

Tian drew our attention to three of these: ELEVIDYS, a gene therapy for Duchenne muscular dystrophy, approved by the FDA in 2023; KEBILIDI, which became the first FDA-approved gene therapy for aromatic L-amino acid decarboxylase deficiency in 2024; and ENCELTO, an encapsulated cell therapy for idiopathic macular telangiectasia type 2, which utilized the HEK293 cell line to manufacture viral vectors for gene delivery, approved last year.

“CHO, HeLa and HEK293 cells each occupy a distinct and enduring niche in drug discovery and biologics development because of their complementary biological and technical strengths,” said Tian in summary.

“Together, these three cell lines form an essential foundation for preclinical research and biologic development, spanning discovery, validation and bio-manufacturing.”

Da:

https://www.biotechniques.com/cell-and-tissue-biology/sartorius_cld_sptl_cho-hela-and-hek293-comparing-key-cell-lines-for-drug-discovery-and-biologic-development/?utm_campaign=BioTechniques%20-%20Tech%20NL&utm_medium=email&_hsenc=p2ANqtz--vizHHbkU3hqngeRbd2IDBWfjTe_jc_yjOQhxS8T4bzLyB4ZViZh3_s-h8f_QF1Ue6xo9d043NgVzvclIBWD65g-63iL0_5gM3YWADbsWYZjwOhmQ&_hsmi=432636461&utm_content=432568109&utm_source=hs_email

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