Образование и рост волоса

Новые подробности из жизни волосяного фолликула

Волосяной покров — отличительная черта млекопитающих, однако молекулярный механизм, лежащий в основе роста волос, остаётся мало изученным. Волосяной фолликул формируется эпителиальными стволовыми клетками под действием биохимических «стимулов» со стороны клеток волосяного сосочка (ВС-клеток), «населяющих» волосяную луковицу и управляющих процессами развития волоса. Недавнее исследование показало, что, будучи изъятыми из ткани и помещёнными на питательную среду, ВС-клетки теряют способность индуцировать образование фолликула. Оказалось, эту способность ВС-клеткам придают костные морфогенетические белки (в частности, КМБ-6), управляя экспрессией «профильных» генов в клетках волосяного сосочка.

Клетки волосяного сосочка — пункт управления ростом волос

Практически все клетки в организме человека идентичны с генетической точки зрения, а характерные черты строения и функциональные особенности они приобретают за счет различной активности генов, которая и приводит к специализации клеток — «настройке» их на выполнение конкретной работы в составе определенной ткани и органа. Исключение — конечно, только подтверждающее правило, — составляют высокоспециализированные клетки, которые в процессе развития вообще утрачивают ядро со всем генетическим материалом, а заодно и некоторые другие органеллы. К ним относятся некоторые клетки крови (эритроциты, тромбоциты), а также ороговевшие клетки кожи — корнеоциты.

«Жизненный цикл» клетки, как правило, ограничен строго заданным числом клеточных делений, а способностью к неограниченному делению в здоровой ткани обладают лишь стволовые клетки, являющиеся неспециализированными предшественниками плеяды клеток-«специалистов». (Впрочем, стволовые клетки тоже обладают определенной специализацией — например, из стволовых гемопоэтических клеток могут получаться только различные клетки крови, а «последователи» эндотелиальных полипотентных клеток образуют ткани, выстилающие полости внутренних органов.) Дифференциация стволовых клеток, как и процесс эмбрионального развития, находится под сложнейшим контролем биохимического «фона» тех тканей, в которых эти клетки развиваются. Этот «фон» составляют многочисленные факторы роста и дифференцировки, имеющие, главным образом, белковую природу.

Рост волос, являющихся неотъемлемой частью покровов тела млекопитающих, во многом обязанных своим теплокровием именно строению кожи и ее способностью к оволосению, также является следствием дифференцировки стволовых клеток — полипотентных клеток кожи. Волосяной фолликул — «корень» волоса — образуется из эпителиальных стволовых клеток, дифференцировкой которых «руководят» клетки волосяного сосочка (ВС-клетки, Dermal papilla cells), выделяя в межклеточную среду определенные морфогенетические факторы. Считается, что ВС-клетки управляют стадиями развития фолликула и, следовательно, ростом и обновлением волос. Однако этот механизм весьма запутан, — ведь работа ВС-клеток тоже подчиняется управляющим воздействиям со стороны других клеток! Недавняя работа, выполненная в Лаборатории дифференцировки клеток млекопитающих Медицинского института имени Ховарда Хьюза в США, проливает немного света на этот сложный процесс [1].

Выделенные из ткани, клетки волосяного сосочка теряют уникальные качества

Клетки волосяного сосочка — это воистину сигнальный центр, координирующий работу эпителиальных и мезенхимальных клеток различных типов. Уникальные свойства ВС-клеток определяются активностью генов и биохимическими факторами, которые ВС-клетки выделяют в среду, «командуя парадом» роста волос и дифференцировки клеток кожи. В 2005 году та же группа ученых определила «профиль активности» генов в ВС-клетках и их биохимический «портрет», ориентируясь, главным образом, на синтезируемые ими факторы роста [2]. (Аналогичные «профили» были получены и для ряда других клеток волосяного фолликула.) Для такой высокоиндивидуальной характеристики исследователи использовали оригинальную методику, основанную на проточной цитометрии, позволяющую разделять различные типы клеток, «протекающие» в потоке жидкости через оптический детектор. Ведь быть уверенным, что тот или иной фактор роста выделяется определенным типом клеток, можно только в случае работы с однородным образцом!

Выяснилось, что среди 184 генов, составляющих «генетический профиль» ВС-клеток, восемь являются рецепторами и восемь — факторами роста, специфичными только для этого типа клеток, и еще примерно столько же оказались общими для ВС-клеток и некоторых других клеток волосяного фолликула. Однако если выделенные клетки волосяного сосочка перенести на питательную среду, чтобы они образовали культуру (рис. 1), через какое-то время они теряют свои уникальные качества: из среды исчезают выделяемые ими факторы роста и, будучи «пересаженными» обратно в кожу, эти клетки уже не могут запустить образование волосяного фолликула. Это означает, что активность «профильных» генов регулируется какими-то веществами, выделяемыми другими клетками, образующими волосяную луковицу.

Костный морфогенетический белок определяет «портрет» ВС-клеток

Рисунок 1. Клетки волосяного сосочка теряют уникальные свойства при переносе из своей «среды обитания» в культуру клеток. ВС-клетки выделяли из ткани с помощью методики, основанной на проточной цитометрии, и помещали на питательную среду, где они формировали культуру. Поочередно обрабатывая культуру факторами роста, характерными для тканевой «ниши» ВС-клеток, ученые выявили способность семейства костных морфогенетических белков (КМБ) поддерживать способность клеток волосяного сосочка индуцировать рост волос.

Источником ВС-клеток были волосяные луковицы трансгенной линии лабораторных мышей K14-H2B-GFP/Lef1-RFP, экспрессирующих зеленый и красный флуоресцентные белки (для определения активности клеток волосяного сосочка при индукции образования волосяного фолликула регистрировали флуоресценцию этих белков).

Обозначения: ДФ — дермальные фибробласты; Мц — меланоциты; ПМ — дифференцирующиеся клетки-предшественники тканевого матрикса; ВЭС — клетки внешнего эпителиального слоя волосяной луковицы; ВС — клетки волосяного сосочка.

Белком, во многом определяющим биохимический «портрет» клеток волосяного сосочка, оказался один из членов семейства костных морфогенетических белков (КМБ или BMP, «Bone morphogenic protein») — цитокинов, главной функцией которых является регулировка развития костной и хрящевой ткани. Как выяснилось, кроме участия в формировании опорно-двигательной системы, эти белки играют роль в управлении дифференцировкой и пролиферацией эпителиальных стволовых клеток — как во взрослом организме, так и в эмбриогенезе.

Роль костного морфогенетического белка 6 (КМБ-6) была установлена в результате экспериментального сканирования активности 23 соединений, в норме присутствующих в тканевой «нише» волосяного фолликула (рис. 1). В качестве отличительной черты биохимического «портрета» ВС-клеток выбрали активность щелочной фосфатазы, которая сохранялась длительное время только под действием костных морфогенетических белков, но не любого другого из 23 протестированных. Аналогично КМБ-6 восстанавливает активность ряда других генов, также специфичных для ВС-клеток и прекращающих работать при переносе в культуру, в которой отсутствует направляющее воздействие, имеющееся в ткани.

Тонкость регуляции активности генов заставляет удивляться: при обработке костным морфогенетическим белком других клеток (например, дермальных фибробластов или остеобластов), также содержащих активную щелочную фосфатазу и другие «характерные» для ВС-клеток белки, активность этих генов практически не изменяется! Зато КМБ-6 в этих клетках «чувствуют» другие гены, не меняющие активности в ВС-клетках под действием этого фактора роста.

КМБ возвращает ВС-клеткам способность управлять ростом волос

Поддержание активности «профильных» генов в культуре — это, конечно, очень интересный результат. Однако насколько интереснее было бы проверить, действительно ли ВС-клетки, обработанные фактором дифференцировки КМБ-6, могут индуцировать образование волосяного фолликула — и, в конечном счете, запустить рост волос!

Проверку этого предположения проводили способом, от которого у защитников прав животных, наверное, зашевелились бы волосы. Суспензию, приготовленную из фрагмента кожи трансгенной мыши, кератиноциты которой производили зеленый флуоресцентный белок, «сдобренный» ВС-клетками другой мыши, переносили в вырезанные углубления на спине третьей мыши — абсолютно «голой» (безволосой) по причине генетической мутации. «Голая» мышь была выбрана по нескольким причинам. Во-первых, у нее нет волосяного покрова. А во-вторых, её отличает слабый иммунитет, из-за чего она практически не отторгает пересаженные ей органы и ткани. («Голая» мышь — распространенная лабораторная линия (nude), на которой исследуют рак, заболевания иммунитета и др.) Флуоресцентный белок в кератиноцитах, окрашивающий их изумрудным цветом под объективом флуоресцентного микроскопа, понадобился в данном случае, чтобы наблюдать за эффективностью «трансплантации» и за процессами, связанными с образованием волосяных фолликулов.

В случае если рану на спине «голой» мыши заполняли одними только кератиноцитами, она затягивалась, но роста волос не наблюдалось. Если к кератиноцитам добавляли клетки волосяного сосочка из культуры, на заросшей ранке начинали расти редкие волосы. Наконец, максимальный эффект с ростом густых волос достигался, если культуру ВС-клеток обрабатывали фактором роста КМБ-6, в полной мере сохранявшим способность клеток к индукции образования волосяного фолликула (рис. 2).

Рисунок 2. Обработка культуры клеток волосяного сосочка костным морфогенетическим белком усиливает их способность индуцировать рост волос. Кератиноциты (Кц), полученные из кожи трансгенных мышей и синтезирующие зеленый флуоресцентный белок (GFP), «пересаживали» на спину «голым» мышам. Кератиноциты сами по себе приводили только к заживлению ранки (слева), а при добавлении к ним клеток волосяного сосочка наблюдался рост волос. ВС-клетки, взятые из культуры, постепенно теряют способность индуцировать образование волосяных фолликулов (в центре), однако при обработке культуры морфогеном КМБ-6 это свойство не только сохраняется, но и заметно усиливается (справа).

Две верхние строчки — обычная фотография; 3 строка — фото флуоресцентного свечения, вызванного белком GFP, содержащемся в пересаженных кератиноцитах.

Но и на этом фантазия ученых не исчерпалась. Чтобы установить роль костного морфогенетического белка в росте волос еще более надежно, они получили мутантную линию мышей, в которых был удален ген рецептора Bmpr1, отвечающего за способность реагировать на КМБ-6. Вследствие потери рецептора ВС-клетки переставали «чувствовать» КМБ-6 и теряли способность индуцировать рост волос — что также было подтверждено в хитроумном трансплантационном эксперименте (рис. 3). Утрата рецептора, конечно, изменяла биохимический «портрет» клеток — синтез практически всех характерных белков останавливался — за исключением… самого КМБ-6, ген которого начинал экспрессироваться намного сильнее. Этот факт, скорее всего, свидетельствует о наличии отрицательной обратной связи в биохимии этого цитокина. А кроме того, это подтверждает, что роль КМБ-6 заключается не в прямой инициации роста волос, а в том, чтобы «подтолкнуть» ВС-клетки к запуску «строительства» — дифференцировке эпителиальных стволовых клеток с целью образования нового волосяного фолликула.

Рисунок 3. Направленная дезактивация рецепторов костного морфогенетического белка в клетках волосяного сосочка нарушает их способность индуцировать рост волос. Тонкие поперечные срезы кожи мышей в области, где была произведена «пересадка» кератиноцитов с ВС-клетками, иллюстрируют гистологические подробности роста волос. На «контрольных» срезах (слева) отчетливо видны волосяные фолликулы, характерные для кожи с нормальным оволосением. Для случая с «выключенными» рецепторами Bmpr1 в ВС-клетках (справа) видно, что образования фолликулов либо вообще не происходит, либо они развиваются очень слабо (отмечено стрелками).

«Нокаутные» ВС-клетки получали из специальной трансгенной линии мышей, ген Bmpr1 в которых «выключался» под действием гидрокситамоксифена, и уже через несколько дней после обработки культуры этим веществом рецептор полностью исчезал из ВС-клеток (а, следовательно, пропадала и чувствительность к КМБ-6). А — окраска гематоксилином/эозином. Б — фотографии под флуоресцентным микроскопом.

Объединив выводы, полученные в различных экспериментах, ученые смогли точно установить, что «чувствительность» ВС-клеток к морфогену КМБ-6 является необходимой для способности «дирижировать» процессом формирования волосяного фолликула и, значит, определять рост волос.

«То, что мы открыли, по-настоящему интересно, — говорит Майкл Рендл (Michael Rendl), первый автор публикации в Genes & Development [1], ученый из лаборатории Элейн Фукс (Elaine Fuchs), где проводилась работа. — Такое ощущение, что разные метаболические пути, комбинируясь между собой, регулируют работу разных наборов генов, придавая каждой клетке в составе волосяного фолликула неповторимые, свойственные только ей качества!»

Фукс добавляет к словам своего сотрудника: «Сложная схема с использованием КМБ-6, используемая клетками для обмена информацией и командами друг с другом, может оказаться частью молекулярного механизма, управляющего циклом развития волосяного фолликула. Если это и правда так, то мы оказались на один шаг ближе к пониманию секрета роста волос» [3].

Радикальный лосьон для роста волос?

Конечно, сейчас еще очень рано говорить о новом средстве против облысения — ведь пока результаты, полученные в исследовательских лабораториях, дойдут до стадии воплощения в медицинских препаратах, и пока эти препараты доберутся до рынка, пройдет не один год. Однако, скорее всего, настанет такой момент, когда с облысением будут бороться не с помощью пересадки собственных волосяных фолликулов с мест, где они содержатся в избытке, на облысевший участок головы, а с помощью какого-нибудь искусственно созданного фактора роста. Главное, чтобы после этого вместе с волосами не выросли и роговые пластины — так что лучше пока не торопиться!

Первоначально статья опубликована в журнале «Косметика и медицина» № 2 за 2008 г. [4].

1. M. Rendl, L. Polak, E. Fuchs. (2008). BMP aling in dermal papilla cells is required for their hair follicle-inductive properties. Genes & Development. 22, 543-557;
2. Michael Rendl, Lisa Lewis, Elaine Fuchs. (2005). Molecular Dissection of Mesenchymal-Epithelial Interactions in the Hair Follicle. PLoS Biol. 3, e331;
3. Protein maintains cross talk between cells that control hair growth. (2008). ScienceDaily;
4. Чугунов А. (2008). «Растишка» для волос, или новые подробности из жизни волосяного фолликула. «Косметика и медицина». 2, 16-19.

Источник