Полностью зрелые волосяные фолликулы, созданные в лаборатории в виде культивируемых «фолликлоидов»
Группа исследователей из Японии, изучающая процессы роста волосяных фолликулов и пигментации волос, успешно создала волосяные фолликулы в культурах, контролируя эпителиально-мезенхимальные взаимодействия (ЭМВ) и расположение эпителиальных и мезенхимальных клеток в трех измерениях in vitro. Ученые во главе с Тацуто Кагеямой, РhD, доцентом инженерного факультета Йокогамского национального университета, предполагают, что модель волосяного фолликула дает новое представление о его развитии, что может привести к разработке новых подходов к лечению заболеваний, связанных с выпадением волос, а также потенциально иметь отношение к испытаниям на животных и скринингу лекарств.
Сообщая о своей работе в журнале «Science Advances» в статье под названием «Перепрограммирование трехмерной микросреды для индукции волосяных фолликулов in vitro», Кагеяма и его коллеги пришли к выводу о том, что такой подход может быть полезен не только для понимания основ ЭМВ в индукции роста волосяных фолликулов, но также и для применения в качестве альтернативы испытаниям на животных, регенерации волосяных фолликулов и скринингу лекарств.
По мере развития эмбриона происходят взаимодействия между внешним слоем кожи, называемым эпидермальным слоем, и соединительной тканью, называемой мезенхимой. Эти ЭВМ работают как система обмена сообщениями, запуская развитие различных тканей и органов, включая морфогенез волосяных фолликулов. Морфогенез является процессом, при котором клетки организуются в ткани и органы. В последние десятилетия ученые использовали модели животных для изучения важнейших механизмов, участвующих в развитии волосяных фолликулов, но полное понимание процессов, связанных с развитием волосяных фолликулов, остается сложной задачей, и на сегодняшний день морфогенез волосяных фолликулов успешно воспроизвести еще не удалось.
Использование органоидных культур в исследованиях в последнее время находится в центре всеобщего внимания. В качестве крошечных, простых версий органа ученые производят и используют органоиды для изучения развития и патологии тканей и органов in vitro. «Органоиды были многообещающим инструментом для выяснения механизмов морфогенеза волосяных фолликулов in vitro», — говорит Кагеяма.
Ранее сообщалось о некотором прогрессе в реконструкции агрегатов, подобных зародышу волосяного фолликула (ЗВФ), в культуре с использованием диссоциированных эмбриональных эпителиальных и мезенхимальных клеток.
«При пересадке в кожу голых мышей ЗВФ генерировали волосяные фолликулы de novo, что означает, что ЗВФ обладают способностью к регенерации волос». Однако исследователи отметили, что создание зрелых волосяных фолликулов и неогенез волос в культурах остается сложной задачей. Для своего исследования ученые изготовили органоиды волосяных фолликулов, контролируя структуру, генерируемую эпителиальными и мезенхимальными эмбриональными клетками, с использованием довольно низкой концентрации внеклеточного матрикса. Внеклеточный матрикс регулировал расстояние между двумя типами эмбриональных клеток от формы гантели до конфигурации ядро-оболочка. Новые волосяные фолликулы с типичными чертами образовывались группами в форме ядра-оболочки. Эти группы увеличивали площадь контакта между двумя клеточными областями для усиления механизмов, способствующих росту волосяных фолликулов.
Недавно разработанная командой ученых система культивирования органоидов генерировала волосяные фолликулы и волосяные стержни почти со 100 %-ной эффективностью. Органоиды волосяных фолликулов продуцировали полностью зрелые волосяные фолликулы с длинными стержнями волос (примерно 3 мм в длину после 23 дней культивирования), «… чего раньше не удавалось», — заявила команда. По мере того, как происходил этот рост, исследователи могли отслеживать морфогенез волосяных фолликулов и пигментацию волос in vitro и понимать сигнальные пути, участвующие в этих процессах.
Кроме того, команда изучила возможность использования органоидов волосяных фолликулов для скрининга лекарств и регенеративной медицины. Ученые также добавили в культуральную среду препарат, стимулирующий меланоциты, который играет ключевую роль в возникновении цветовой пигментации волос. С добавлением этого препарата исследователи значительно улучшили пигментацию волосоподобных волокон. Кроме того, пересаживая органоиды волосяных фолликулов, они добились эффективной регенерации волосяных фолликулов с повторяющимися циклами роста волос.
Ученые считают, что данная модель волосяных фолликулов in vitro позволит лучше понять индукцию волосяных фолликулов, оценить пигментацию волос и препараты для роста волос, а также способы регенерации волосяных фолликул.
Они отметили, что этот метод можно масштабировать, что открывает возможности для дополнительных направлений исследований. «Масштабная подготовка волосяных фолликулов может быть объединена с технологией генной инженерии (с использованием CRISPR-Cas9, короткой интерферирующей РНК и сигнального ингибитора) для проведения всестороннего анализа ключевых генов, связанных с развитием волосяных фолликулов, пигментацией волос и фолликулами болезни».
Выводы также могут оказаться актуальными для других систем органов и способствовать пониманию того, как развиваются физиологические и патологические процессы. «Поскольку ЭМВ имеет решающее значение для морфогенеза других тканей и органов, это может обеспечить универсальный подход для подготовки других органоидов», — предположили ученые. В заявленном исследовании использовались мышиные клетки, но, предвидя будущие исследования, команда планирует оптимизировать свою систему культивирования органоидов с использованием клеток человека. «Наш следующий шаг — использовать клетки человеческого происхождения и подать заявку на разработку лекарств и регенеративную медицину», — сказал соавтор Дзюндзи Фукуда, PhD, профессор инженерного факультета Йокогамского национального университета. В своей статье авторы отметили: «... в настоящее время мы изучаем наш подход с использованием клеток из числа стволовых клеток тканей человека от доноров волосяных фолликулов или клеток, индуцированных из плюрипотентных стволовых клеток человека».
Будущие исследования могут в конечном итоге указать на новые терапевтические стратегии для лечения нарушений выпадения волос, таких как андрогенная алопеция, которая распространена как у мужчин, так и у женщин.
