Функциональная регенерация волосяных фолликулов: биоинженерия будущего

Волосы участвуют в многочисленных функциях, таких как защита кожи, теплоизоляция, маскировка, сенсорное восприятие. Кроме того, в человеческом обществе наличие и качество волос на голове сильно влияет на качество жизни, привлекательность и самооценку.

Различные воспаления и травмы кожи головы, а также гормональные изменения могут привести к необратимой потере фолликулов, что ухудшает не только присущие коже функции, но и психологическое благополучие.

И тогда на помощь приходят биоинженерные стратегии регенерации волосяных фолликулов, которые пользуются постоянно растущим спросом и имеют многообещающие рыночные перспективы.

Современные стратегии регенерации фолликулов

Волосяной фолликул (HF) представляет собой важный сенсорный орган, в функции которого входит терморегуляция, ангиогенез и нейрогенез, выработка кожного сала, иммунный ответ на воздействие патогенов и заживление ран.

Очевидно, что волосяные фолликулы являются основным придатком кожи, происходящим из эктодермы. Являясь хранилищем стволовых клеток и фабрикой по производству стержней волос, HF способствуют ремоделированию микроокружения кожи, включая иннервацию кожи и сосудистую сеть.

Учитывая, что цикличность роста волос зависит от тесно скоординированных эпителиально-мезенхимальных взаимодействий, учёные пытаются найти различные потенциальные источники клеток с HF-индуцирующими способностями.

Доказано, что морфогенез и регенерация фолликулов зависят от интенсивного сотрудничества эпителиальных (эпидермальных стволовых клеток Epi-SCs) и мезенхимальных, индуцирующих волосы (дермальный сосочек DP) компонентов, также называемого эпителиально-мезенхимальным взаимодействием (EMI).

Данное взаимодействие является теоретической основой тканевой инженерии для регенерации волосяных фолликулов.

Современные стратегии регенерации волосяных фолликулов направлены на моделирование EMI, используя принцип комбинирования эпителиальных (Epi-SC и кератиноцитов) и мезенхимальных (DP-клеток и предшественников кожи SKP) компонентов.

Напомним, что волосяные фолликулы являются динамическими мини-органами, и их наиболее заметной особенностью является цикличность функционирования от периодов быстрого роста (анаген) до регрессии, вызванной апоптозом (катаген), затем следует период относительного покоя (телоген).

Активация, стабильность и устойчивость цикла волос считаются ключевым фактором в достижении долговечности функционирования волосяных фолликулов.

Именно поэтому достижение циклической регенерации волос так важно для функциональной регенерации, и, хотя трансплантация волос широко применяется, пересаженные волосы не сохраняются в долгосрочной перспективе, а применяемые лекарства по-прежнему не отвечают требованиям патентов и имеют серьезные побочные эффекты.

Таким образом, существует необходимость изучения альтернативных терапевтических решений, способных генерировать функциональные фолликулы путем трансплантации потенциальных смесей клеток, перепрограммирования и создания системы доставки лекарств.

Потенциальные источники клеток и механизм регенерации HF

С прогрессом в области биоинженерии и методов клеточного перепрограммирования было идентифицировано несколько видов клеток с потенциалом регенерации волосяных фолликулов.

Во-первых, были выявлены клетки дермального сосочка (DPC), своего рода дифференцированные дермальные клетки в основании фолликула, которые считаются главным регулятором цикла роста волоса.

Предыдущие исследования показали, что они также могут индуцировать образование волосяных фолликулов при имплантации в неволосистую кожу реципиента.

То есть клетки DPC могут перепрограммировать неволосистый эпидермис для образования фолликулов.

В-вторых, источником для регенерации являются дермальные стволовые клетки (DSC), то есть стволовые клетки, расположенные в дерме кожи. На основании различных фенотипических свойств и различной культуральной среды DSC можно разделить на дермальные фибробласты и предшественники кожи (SKP).

SKP находятся во взрослой мезенхиме фолликула и могут быть изолированы и размножены в виде самообновляющихся колоний, обладающих способностью дифференцироваться в несколько линий различного потомства.

SKP могут регенерировать дермальную оболочку и повторно заселять DPC в каждом цикле роста для восстановления фолликула при подкожной трансплантации.

В-третьих, это клетки эпидермиса (HFSC), которые представляют собой гетерогенные Epi-SCs, разделенные вдоль продольной оси волосяного фолликула, которые могут служить резервуаром и способны продуцировать различные типы клеток во время регенерации.

Ещё один источник - перепрограммированные клетки. Это дифференциированные стволовые клетки во взрослые в ответ на определенные факторы. В частности, индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSC) имеют сходные характеристики с эмбриональными стволовыми клетками с точки зрения морфологии, способности к самообновлению и дифференцировке. Они могут размножаться как аутологичные клетки, что позволяет избежать осложнений иммунного отторжения.

Таким образом, перепрограммирование iPSC может стать работающим подходом к обеспечению источником клеток для регенерации волосяного фолликула.

Однако, несмотря на значительно расширенный банк посевных клеток для регенерации фолликулов, общие проблемы этих источников заключаются в том, что их способность к регенерации HF не поддерживается во время длительного культивирования «в пробирке».

Есть и другие проблемы: HFSC немногочисленны и их чрезвычайно трудно получить, SKP быстро стареют, если их изолировать от физиологической среды, а эффективность перепрограммирования путем редактирования генов все ещё низка.

Именно поэтому оптимизация системы культивирования «в пробирке» и повышение эффективности перепрограммирования являются приоритетными задачам.

Учёные полагают, что создание 3D-культурных систем, имитирующих естественную среду, может обеспечить альтернативный подход, аналогичный культуре клеток на основе гидрогелевых каркасов, который способствует поддержанию пролиферации и роста клеток, а также потенциалу регенерации HF.

Вторым направлением исследований является химическое репрограммирование. Это новая технология репрограммирования, которая отличается высокой безопасностью и эффективностью и имеет широкие перспективы в регенерации. Давайте поговорим об этом подробнее.

Клеточная трансплантация и репрограммирование

Трансплантация клеток без биоматериалов является минимально инвазивным подходом к регенерации.

Современная клеточная трансплантация в основном включает трансплантацию стволовых клеток или смеси эпидермальных и дермальных компонентов.

Как показали исследования, инъекция смеси, содержащей Epi-SC и DPC, голым мышам может индуцировать новые фолликулы с правильными гистологическими структурами и формировать многослойный стратифицированный эпидермис, содержащий HF-подобные структуры.

И хотя новые фолликулы относительно малы, этот результат еще раз доказывает, что перестройка EMI и ниш потенциальных клеток необходима для построения правильно функционирующих волосяных фолликулов.

В последние годы для полноценной регенерации были разработаны биоинженерные зародыши фолликулов из эпителиальных и мезенхимальных клеток эмбрионального происхождения, которые способны развивать гистологически правильные HF при эктопической трансплантации.

Они не только правильно соединялись с эпителием кожи носителя и воспроизводили нишу стволовых клеток и цикл волос, но также автономно связывались с нервами и даже проявляли способность к пилоэрекции.

Был также разработан способ создания биоинженерных HF. После внутрикожной трансплантации этот биоинженерный зародыш HF не только развивает правильные структуры и формирует правильные связи с окружающими тканями хозяина, но также демонстрирует частичное восстановление цикла волос и пилоэрекции за счёт перестройки фолликулярных стволовых клеток и их ниши с полностью функциональной регенерацией волосяных органов.

Трансплантация биоинженерных фолликулов позволяет частично восстановить цикл волос, что является большим шагом вперёд для функциональной регенерации HF.

Клеточное репрограммирование является не только инструментом тканевой инженерии для обогащения потенциальных источников клеток фолликулов с целью регенерации, но и участником физиологической индукции HF de novo, то есть новоприобретённой мутации.

Поскольку клетки дермального сосочка и дермальные фибробласты происходят от общих предшественников фибробластов и имеют сильно коррелированные профили экспрессии генов (96%), взрослые дермальные фибробласты могут быть перепрограммированы в неонатальное состояние с аналогичной способностью индуцировать эктопическое образование волосяных фолликулов посредством эпидермальной активации β-катенина.

Секретируемые белки (аполипопротеин-А1, галектин-1 и люмикан) из эмбриональной кожи наделяют фибробласты, не относящиеся к волосам, способностью регенерировать HF посредством активации передачи сигналов IGF и WNT, тем самым наделяя кожу, не содержащую HF, способностью воспроизводить HF.

Наконец, комбинация MITF, SOX10 и PAX3 может напрямую превращать фибробласты человека в индуцированные меланоциты, которые обладают способностью генерировать пигментированный эпидермис и волосяные фолликулы в естественной среде при правильной интеграции в дермо-эпидермальное соединение.

А так как зажившие раны с потерей волосяных фолликулов обычно заполнены большим количеством фибробластов, перепрограммировани6 на основе фибробластов имеет огромные перспективы.

Технология 3D-печати для регенерации фолликулов путем повторения физиологической трехмерной организации клеток в микроокружении HF является инновационным биомиметическим подходом.

Комбинация потенциальных клеток с биоматериалами, такими как гидрогели, каркасы и другие самоорганизующиеся материалы, может способствовать регенерации HF.

3D-печать обеспечивает контролируемое самоагрегирующее сфероидное образование DPC, инициацию EMI и дальнейшее образование фолликулов в конструкциях кожи человека.

Примечательно, что васкуляризация конструкций кожи человека, несущих HF, увеличивает выживаемость трансплантата и обеспечивает эффективный рост человеческих волос у мышей.

Этот метод представляет собой новую биоинженерную стратегию, позволяющую создать конструкции человеческой кожи с волосами из культивируемых клеток человека, и адаптация этой новой технологии будет иметь огромные последствия в поддержании и регенерации волосяных фолликулов. Остановимся на этом подробнее.

Органоидные технологии и замена волосяного фолликула

Органоид определяется как трехмерная структура, выращенная из типов стволовых клеток, специфичных для органа.

Он может воспроизвести ключевые аспекты органов и избежать многих недостатков, связанных с клеточными линиями.

HF-органоиды могут быть получены из стволовых клеток кожи или смеси дермальных и эпидермальных компонентов. Сфероиды DP, инкапсулированные шелково-желатиновым гидрогелем и кератиноцитами HF, а также стволовые клетки могут быть использованы для конструирования органоидов волосяных фолликулов.

После трансплантации голым мышам органоид HF в этой системе мог образовывать правильные связи с окружающими тканями хозяина, такими как эпидермис, мышцы, поднимающие волосы, и нервные волокна, без онкогенеза, и демонстрировать соответствующее выпадение волос и циклы роста волос, включая перестройку волосяного покрова.

Эти результаты показывают создание биоинженерной 3D-системы покрывных органов из iPSC, включая придаточные органы, такие как HF и сальные железы, с соответствующими связями с окружающими тканями, что значительно продвигает технологическое развитие биоинженерной 3D технологии и её потенциальных применений в области биоинженерной органозаместительной терапии.

Переход от традиционного подхода к 3D-технологиям представляет собой огромный прогресс в вопросах регенерации HF.

Однако впереди ещё много вопросов. Как долго могут сохраняться регенерированные HF? Могут ли регенерированные HF пройти полный цикл волос? Будут ли волосы, созданные методом регенерации, превосходить пересаженные волосы? Пока на все эти вызовы учёным ещё только предстоит найти ответы.

Авторы исследования: Ji, S., Zhu, Z., Sun, X., Fu, X.

Адаптированный перевод: Олеся Смагина, помощник директора центров эпиляции «Вселенная красоты»

Источник:

Ji, S., Zhu, Z., Sun, X., & Fu, X. (2021) Functional hair follicle regeneration: an updated review. Signal transduction and targeted therapy, 6(1), 66.