Пересадка волос убрала шрамы на голове
Волосяные фолликулы превратили фиброзную ткань в нормальную
Исследователи запустили ремоделирование рубцовой ткани, пересадив в нее волосяные фоликулы. Уже спустя два месяца можно было наблюдать структурные изменения — увеличение толщины эпидермиса, рост сосудов в дерме и снижение количества коллагена. Транскриптомный анализ помог определить факторы, регуляция которых влияет на фиброз. Работа опубликована в npj Regenerative Medicine.
Шрамы, образующиеся на месте ран, — результат регенерации, которая больше заточена под скорость и эффективность, чем под функциональность и красоту. Чтобы предотвратить образование рубцов, на раны накладывают глубокие швы и повязки, а во время операций делают разрезы по линиям Лангера. Уже сформировавшиеся рубцы пытаются удалять лазером или с помощью других косметических процедур, эффективность которых под вопросом.
Фиброзная ткань, которая и формирует рубцы, почти лишена сосудов, нервов, потовых желез, жировых клеток и волосяных фолликулов, зато в ней много коллагеновых волокон и клеток, которых их синтезируют — миофибробластов. Ученые исследовали и молекулярные механизмы фиброза, и даже выделили несколько новых терапевтических мишеней. Например, ингибирование цитокинов и факторов роста, характерных для рубцующейся ткани. Или введение молекул, которые запускают рост сосудов и образование новых клеток кожи. Но однокомпонентная терапия, основанная на каких-то ключевых молекулах или их ингибиторах, оказалась не слишком эффективна. К тому же, введенные в рану или шрам белки быстро деградируют. Поэтому воздействие должно быть комплексным и долговременным, чтобы запустить процесс ремоделирования фиброзной ткани.
Ремоделирование здоровой кожи происходит постоянно во время стадии роста (анаген) волосяного фолликула. Несколько лет назад исследователи обнаружили, что ремоделирование ткани вызывают факторы роста из группы костных морфогенетических белков BMP, которые вырабатывают волосяные луковицы. Эксперименты на мышах и на культурах человеческих клеток показали, что BMP перепрограммирует миофибробласты в клетки жировой ткани — и рубцевания ткань становится более похожей на нормальную кожу.
Теперь ученые из Имперского колледжа Лондона под руководством Клэра Хиггинса (Claire Higgins) исследовали, как пересадка волосяных фолликулов в шрамы на голове людей влияет на рубцовую ткань. Они работали вместе с с доктором Франциско Хименесом (Francisco Jiménez), ведущим хирургом по пересадке волос в клинике Mediteknia. В исследовании участвовали три мужчины, на головах которых были зрелые шрамы от операций. Все участники проходили процедуру пересадки волос на шрам, а ученые провели биопсию ткани шрама непосредственно перед трансплантацией, а затем еще три раза — через два, четыре и шесть месяцев после нее. Спустя два месяца фолликулы как раз снова должны были вступить в анаген.
Помимо того, что шрамы участников за полгода заросли волосами, были и другие изменения. Толщина эпидермиса — верхнего слоя кожи — увеличилась спустя шесть месяцев вдвое (p < 0,0001) и стала соответствовать толщине этого слоя здоровой кожи головы. Количество делящихся клеток увеличилось с 4 процентов до трансплантации до 15 процентов — через полгода (p < 0,0001). Также спустя полгода увеличилась толщина базальной мембраны, которая отделяет эпидермис от дермы, в 1,6 раз (p < 0,0001), и экспрессия ее основного компонента — коллагена IV типа — в 1,2 раза (p < 0,001). Дерма стала плотнее в 1,5 раза через 2 месяца (p < 0,0001) и в 2 раза через 6 (p < 0,0001). Плотность сосудов за полгода выросла с 6% до обычных 10% (p < 0,0001) — как в здоровой коже головы.
Внеклеточный матрикс рубцов обычно состоит из плотных толстых волокон коллагена COL1. Исследователи измерили общее количество коллагена и долю толстых волокон. Общая фракция коллагена снизилась в 1,5 раза за 6 месяцев (p = 0,0006), а доля толстых волокон за это же время снизилась с 52 до 35 процентов (p < 0,0001). Эти волокна коллагена в здоровой коже расположены хаотично, а в рубцах — ориентированы параллельно эпидермису. После трансплантации фолликулов коллагеновый волокна стали более дезорганизованными, а ткань в результате стала менее жесткой.
Также авторы проверили, что будет, если трансплантировать фолликулы не в кожу головы, где шрам окружает множество других фолликулов, а в рубец менее волосистой части тела. Они использовали толсто-расщепленный кожный трансплантат и обнаружили, что ремоделирование фиброзной ткани произошло и в нем спустя два месяца. Однако через шесть месяцев изменения в структуре коллагена не сохранились.
В конце исследователи провели транскриптомный анализ дермы участников и идентифицировали 719 генов, регуляция которых изменилась после трансплантации. В частности, активировались транскрипты, участвующие в пролиферации фибробластов и ангиогенезе — это объясняет повышение плотности клеток дермы и рост сосудов. Изменилась и экспрессия цитокинов после трансплантации: снизилась экспрессия трансформирующего фактора роста бета-1 (TGF-β1), фактора роста гепатоцитов (HGF), интерлейкинов (IL-13, IL-6) и матриксной металлопротеиназы 12 (MMP-12), а экспрессия интерлейкина IL-5, наоборот, увеличилась. Экспрессия TGF-β1, IL-13 и IL-6 напрямую связана с фиброзом, поэтому ее снижение указывает на ремоделирование.
На модели рубца in vitro исследователи показали, что присутствие волосяных фолликулов и TGF-β1 приводит к снижению экспрессиии молекул коллагена I и III типов, ɑ-SMA и фибронектина. Это подтвердило полученные результаты.
Авторы пришли к выводу, что трансплантация волосяных фолликулов действительно изменяет морфологию и транскрипционный профиль рубцовой ткани, приближая ее к нормальной. Однако такой способ избавления от шрамов не подойдет для неволосистых тканей, например, рубцов на внутренних органах. Возможно, удастся придумать, как и в каком количестве вводить в рубцы не сами фолликулы, а лишь какие-то факторы, стимулирующие ремоделирование ткани.
А если шрам еще не сформировался, можно попробовать заживить рану без рубца. Для этого авторы одного исследования активировали болевые рецепторы.
Исследование провели на личинках дрозофил
Японские исследователи в экспериментах с дрозофилами установили механизм влияния на нейропластичность фермента убиквитинлигазы, функции которого нарушены при синдроме Ангельмана. Как выяснилось, этот фермент в пресинаптических окончаниях аксонов отвечает за деградацию рецепторов к костному морфогенетическому белку, за счет чего устраняются ненужные синапсы в процессе развития нервной ткани. Отчет о работе опубликован в журнале Science. Синдром Ангельмана представляет собой нарушение развития, которое проявляется умственной отсталостью, двигательными нарушениями, эпилепсией, отсутствием речи и характерной внешностью. Его причиной служат врожденные дефекты фермента убиквитинлигазы Е3А (Ube3a), который присоединяет к белкам убиквитин, влияющий на их судьбу в клетке, в том числе деградацию. При синдроме Ангельмана сниженная активность Ube3a нарушает синаптическую пластичность в процессе нейроразвития, в частности элиминацию ненужных синапсов. Повышенная активность этого фермента, напротив, приводит к неустойчивости сформировавшихся синапсов и, как следствие, к расстройствам аутического спектра. Исследования постсинаптических функций Ube3a показали, что он играет роль в нейропластичности, в частности формировании дендритных шипиков. При этом, по данным иммунохимических и электронно-микроскопических исследований, в коре мозга мыши и человека этот фермент экспрессируется преимущественно пресинаптически. Учитывая высокую эволюционную консервативность Ube3a, сотрудники Токийского университета под руководством Кадзуо Эмото (Kazuo Emoto) использовали для изучения его пресинаптических функций сенсорные нейроны IV класса по ветвлению дендритов (C4da) личинок плодовой мухи дрозофилы. Число дендритов этих нейронов резко сокращается (происходит их прунинг) в первые 24 часа после образования куколки, а на последних стадиях ее развития дендриты разветвляются вновь уже по взрослому типу. Используя флуоресцентные метки различных биомаркеров нейронов, исследователи показали, что в ходе этого процесса ремоделированию подвергаются не только дендриты, но и пресинаптические окончания аксонов. Попеременно отключая разные компоненты участвующих в этих процессах молекулярных комплексов, ученые убедились, что для элиминации синапсов под действием сигнального пути гормонов линьки экдизонов необходима только Ube3a, но не куллин-1 E3-лигаза, участвующая в прунинге дендритов. Дальнейшие эксперименты с применением флуоресцентных меток и РНК-интерференции показали, что Ube3a активно транспортируется из тела нейрона в аксон двигательным белком кинезином со средней скоростью 483,8 нанометра в секунду. Создав мутантов с дефектами в различных участках Ube3a, авторы работы выяснили, что связанные с синдромом Ангельмана мутации D313V, V216G и I213T в среднем домене фермента, содержащем тандемные полярные остатки (TPRs), препятствуют его связи с кинезином и транспорту из тела нейрона в аксон. Как следствие, нарушается элиминация ненужных синапсов. Изменения в N-концевом цинк-связывающем домене AZUL и C-концевом HECT влияли на эти процессы в значительно меньшей степени. Ube3a принимает участие в убиквитинировании многих клеточных белков. Чтобы выяснить, какой из них опосредует элиминацию синапсов, авторы работы вызывали в нейронах избыточную экспрессию разных белков-мишеней Ube3a с целью насытить этот фермент и таким образом заблокировать его действие. Оказалось, что выраженные дефекты элиминации синапсов возникают при избыточной экспрессии тиквеина (Tkv) — пресинаптического рецептора к костному морфогенетическому белку (ВМР); прунинг дендритов при этом не затрагивается. Исследование нормальной экспрессии Tkv с помощью флуоресцентных меток показало, что ее уровень значительно снижается через восемь часов после начала формирования куколки. У мутантов, лишенных Ube3a, этого не происходило. Выключение гена tkv или другого компонента сигнального пути BMP — mad — восстанавливало элиминацию синапсов у таких мутантов, то есть за нее отвечает именно этот сигнальный путь. Это подтвердили, восстановив элиминацию синапсов у мутантов без Ube3a антагонистом BMP LDN193189, а также экспрессией белков Glued-DN или Dad, которые подавляют сигнальную активность Mad. Искусственное повышение пресинаптической экспрессии Ube3a в нейронах C4da вызывало массированную преждевременную элиминацию сформировавшихся синапсов и общее уменьшение синаптической передачи у личинок третьего возраста. Это происходило из-за чрезмерного подавления сигнального пути BMP. Таким образом, дефекты убиквитинлигазы Ube3a, лежащие в основе синдрома Ангельмана, приводят к избыточной активности сигнального пути BMP, вследствие чего не происходит устранение ненужных синапсов в процессе развития нервной системы. Этот сигнальный путь может послужить мишенью для разработки новых методов лечения этого синдрома, а возможно и расстройств аутического спектра, считают авторы работы. В 2020 году американские исследователи сообщили, что им удалось предотвратить развитие синдрома Ангельмана у мышей с мутацией материнской копии гена UBE3A. Для этого они с помощью системы CRISPR/Cas9 инактивировали длинную некодирующую РНК UBE3A-ATS, которая подавляет экспрессию отцовской копии UBE3A.
