Ученые из Японии вырастили волосы в лунках планшета

Добавление Матригеля в среду для культивирования органоидов волосяных фолликулов изменяет пространственное распределение клеток так, что волосы прорастают из органоидов почти в 100% случаев.

Зрелый волосяной фолликул, выросший из фолликлоида.

Credit: Yokohama National University | Пресс-релиз

Ученые из Японии разработали протокол для получения волосяного фолликлоида (ВФ) — органоида волосяного фолликула in vitro из мышиных эпителиальных и мезенхимальных клеток, который обеспечивает прорастание волосяного стержня (ВС) почти в 100%. Ключевым фактором стало добавление Матригеля — коммерчески доступной смеси молекул внеклеточного матрикса и ростовых факторов. Он способствовал формированию из клеток агрегатов необходимой формы и запуску трихогенных сигнальных путей.

Эпителиально-мезенхимальные взаимодействия (ЭМВ) регулируют развитие многих тканей и органов. Созревание волосяных фолликулов тоже зависит от ЭМВ, причем оно происходит на протяжении всей жизни организма. Это делает ВФ интересной моделью для изучения механизмов ЭМВ.

В предыдущей работе ученые получить агрегаты, похожие на зачатки волосяных фолликулов, которые успешно давали ростки волос при пересадке мышам. В новом исследовании они сосредоточились на получении ВС in vitro в 96-луночном планшете. Оказалось, что их предыдущие агрегаты образуют волокна, похожие на ВС, только в одном из 300 случаев. Это подтолкнуло ученых на поиск условий культивирования, при которых можно было бы поднять эффективность прорастания ВС. Из всех опробованных вариантов добавок самой эффективной оказался Матригель.

В присутствии этой субстанции клетки самоорганизовывались в так называемую коровую структуру — ядро из эпителиальных клеток, окруженное мезенхимальными клетками. Через три дня начинали прорастать ВС, а через 23 дня они достигали длины 3 мм.

Экспериментируя с параметрами протокола, ученые обнаружили, что ВФ очень чувствительны ко времени добавления Матригеля. Желательный период составляет 0–6 часов от начала культивирования, иначе клетки успевают сформировать агрегаты, не дающие ВС. Оптимальное соотношение эпителиальных и мезенхимальных клеток составляло 1:1. Слишком высокая концентрация Матригеля препятствовала образованию клеточных агрегатов. Увеличение количества клеток в лунке давало больше ВС до определенного предела, пока оставалось достаточно кислорода и питательных веществ.

Выросшие ВС имели типичную структуру с волосяной кутикулой и мозговым веществом, а расположенные рядом ткани содержали маркеры стволовых клеток ВФ CD34 и Sox9, маркер пролиферирующих клеток Ki67 и другие. Анализ генной экспрессии показал, что при добавлении Матригеля значительно изменяется активность сигнальных путей NF-κB и PI3K–Akt, ассоциированных с неогенезом волос. Кроме того, была повышена экспрессия генов, ранее ассоциированных с развитием ВФ.

Авторы работы также изучили динамику меланосом — органелл, имеющих в составе меланин, и молекулярные механизмы, связанные с пигментацией ВС. Добавление α-MSH (α-меланоцит-стимулирующего гормона) вызвало прорастание темных ВС с повышенным содержанием меланина и повышенной экспрессией четырех генов пигментации: TYRP1, TYRP2, TYR и MITF.

Ученые выяснили, какие именно компоненты Матригеля оказывают наибольшее влияние на прорастание ВС. Они исследовали ламинин, коллагены I и IV, энтактин, фибронектин и Матригель без ростовых факторов. Высокая эффективность прорастания ВС сохранялась даже без ламинина и ростовых факторов. Один только коллаген I давал 96-процентное прорастание ВС.

Исследователи предполагают, что важным фактором здесь является вязкость среды культивирования органоидов. Конфигурация агрегата зависит от того, какая форма даст наименьшую суммарную энергию в системе. Если адгезивность между двумя типами клеток намного меньше, чем между клетками одного типа, наиболее энергетически выгодным вариантом будет гантелеобразная структура, которая не дает ВС. Если же адгезивность между двумя типами клеток и между клетками одного типа примерно одинаковы, более адгезивные между собой клетки собираются в ядро, окруженное чуть менее адгезивными клетками. Авторы статьи заключают, что добавление межклеточного вещества повышает адгезивность между двумя разными типами клеток и обеспечивает формирование структур, которые с большей эффективностью дают прорастание ВС из ВФ.

Новая органоидная модель будет полезна для изучения неогенеза волосяных фолликулов, механизмов пигментации, а также для разработки лекарства от болезней волосяного покрова.

Ранее американские ученые вырастили из плюрипотентных стволовых клеток кожу с волосами.

Источник

Kageyama T., et al. Reprogramming of three-dimensional microenvironments for in vitro hair follicle induction. // Science Advances. Vol. 8, Is. 42 (2022), published online 21 October 2022. DOI: 10.1126/sciadv.add4603

Добавить в избранное