Заживающая рана покрывается кожей с волосяными фолликулами, а не рубцом благодаря Wnt-сигналингу

Раны на коже млекопитающих заживают не оптимальным образом, с формированием жесткой рубцовой ткани. Жесткость внеклеточного матрикса создает механические силы, которые действуют на клетки и преобразуются в биохимические сигналы (этот процесс называется механотрансдукцией). При этом, в свою очередь, повышается жесткость цитоскелета клетки, а также активируются разнообразные механочувствительные сигнальные пути.

Обычно рубцовая ткань лишена волос, однако в некоторых работах был описан неогенез волосяных фолликулов, вызванный ранением, — WIHN (wound-induced hair neogenesis). Так, в 2007 году WIHN описали у мышей. Интересно, что небольшие раны, до 8 мм в диаметре, у взрослых мышей рубцуются, тогда как более обширные раны имеют рубцовую ткань лишь по краям, а в центре образуется кожа нормального строения, покрытая волосками. В той же работе было показано, что этот процесс регулируется Wnt-сигналингом; при его блокировании волосяные фолликулы не образовывались.

WIHN используют как модель здоровой регенерации — процесса, противоположного рубцеванию; в таких экспериментах количество вновь образующихся волосяных фолликулов и площадь, занятая здоровой кожей, указывают на «качество» регенерации. У людей в клинических условиях WIHN наблюдается редко, однако изучение его основных механизмов на животных моделях может открыть пути к созданию методов, улучшающих регенерацию у людей.

Неогенез волосяных фолликулов зависит от активности сигналов Wnt в эпидермисе и от жесткости тканей — ее оптимальный диапазон 5-15 кПа. Эти параметры связывает между собой ключевой элемент канонического Wnt-пути β-катенин, который образует адгезивные контакты между клетками, связывая их цитоскелеты. Это позволяет ему реагировать на сильные механические нагрузки, вызванные опухолеобразованием или формированием костной ткани. При возрастании нагрузки он перемещается в ядро и регулирует там активность генов. Однако механочувствительные функции Wnt при менее сильных нагрузках, например, в ходе регенерации, до конца не изучены.

Чтобы разобраться в этом вопросе, исследователи Пенсильванского университета применили регенеративную модель WIHN. Поскольку уже было известно, что достижению оптимальной жесткости тканей в процессе восстановления волосяных фолликулов предшествует активация Wnt, авторы работы сравнили механические свойства регенерирующих тканей у мышей дикого типа и у генетически модифицированных линий мышей с усиленной передачей сигналов Wnt.

Как и ожидалось, у мышей дикого типа новые волосяные фолликулы сформировались на небольшом участке по центру повреждения. У животных с интенсивным Wnt-сигналингом эта зона занимала почти половину раневой поверхности, на ней появились сотни волосяных фолликулов. Жесткость ткани, измеренная с помощью наноигольной атомно-силовой микроскопии, у генномодифицированных мышей находилась в оптимальном для WIHN диапазоне. Однако влияния Wnt оказалось недостаточно для преодоления жесткости по краю ран, где она была выше оптимума в несколько раз.

Фиброзное перерождение, которое сопровождает рубцевание, усиливается при высоком биохимическом ответе клеток на уровень жесткости среды. Исследователи предположили, что сигналы Wnt стимулируют регенерацию поврежденных тканей, ослабляя в них механотрансдукцию и реакцию на жесткость. Чтобы проверить эту гипотезу, они оценили «поведение» механочувствительных клеток и динамику свойств тканей при манипуляции сигналингом Wnt, как in vivo, так и в культуре.

Оказалось, что активация этого пути снижает реакцию эпидермиса на жесткость как на клеточном, так и на тканевом уровнях. В клетках произошла реорганизация актинового цитоскелета, он стал более разреженным в центре и плотным на периферии, ближе к межклеточным соединениям. Увеличились жесткость межклеточных соединений, количество межклеточных контактов, а жесткость в зоне, где находится ядро, снизилась, в том числе за счет деконденсации хроматина при транскрипции генов-мишеней Wnt-сигналинга. В результате таких перестроек вся клетка становится менее жесткой (см. рис. 7 в статье). С другой стороны, в жесткой среде, похожей на рубец, ремоделирование хроматина, вызванное Wnt, было не так выражено.

Укрепление связей между клетками эпидермиса объединяет их в структуру с общими физическими и функциональными свойствами. Становится возможной скоординированная миграция клеток по градиенту жесткости субстрата в сторону ее повышения (дуротаксис). Это приводит к расширению зоны регенерации: увеличивается площадь мягкой середины заживающего участка и сужается жесткий край.

Примечательно, что реакция на жесткость фибробластов дермы (основного слоя кожи), которые не образуют адгезивных контактов друг с другом, осталась неизменной.

Таким образом, сигнальный Wnt-путь играет ключевую роль в управлении механотрансдукцией, создавая условия для регенерации тканей. Полученные результаты, по мнению авторов статьи, открывают возможность для разработки терапии рубцов и других фиброзных нарушений.

Поскольку формирование волосяных фолликулов в модели WIHN имело много общих черт с аналогичным процессов в эмбриональном периоде, авторы работы предположили, что Wnt может управлять и массовой миграцией эпителиальных клеток при возникновении волосяных фолликулов в ходе регенерации и внутриутробного развития. Область формирования фолликула более жесткая, чем окружающая кожа, и это может вызывать коллективный дуротаксис.

Окончания нейронов в голой и волосистой коже у мышей формируются по-разному