В обиходе человека есть расхожая фраза «поседеть от страха». Различные ее интерпретации встречаются и в кино, и в литературе, и даже в мультипликации. Как правило, мы воспринимаем эту фразу как способ гиперболизировать ситуацию, которая происходит с персонажем, однако даже в ней есть научный подтекст. Ученые из Гарварда (США) провели ряд тестов с лабораторными мышами, которые показали, что определенный уровень стресса в ситуациях «беги или сражайся» приводит к необратимому повреждению пигментно-регенерирующих стволовых клеток в волосяных фолликулах. Какие именно тесты проводились, что конкретно происходит с седеющими из-за стресса волосами и какое у данного исследования будущее? Об этом мы узнаем из доклада ученых. Поехали.
Основа исследования
История полнится случаями, когда человек поседел от стресса. Например, современники Мария-Антуанетта писали о том, что в период Великой французской революции она поседела за ночь. Однако подобные высказывания, если и правдивы, то являются результатом эмпирических наблюдений, а не научного исследования. Подобное явление (седина от стресса) считалось достаточно редким, потому особого внимания среди научного сообщества не сыскало. Тем не менее, в рассматриваемом нами сегодня труде ученые установили истину данного феномена, проведя опыты на мышах.
Было установлено, что седение волосков у мышей, вызванное сильным стрессом, происходит из-за быстрого истощения стволовых клеток меланоцитов*.
Меланоциты* — клетки кожи, вырабатывающие пигмент меланин.
Ученые использовали комбинацию нескольких методов (адреналэктомия*, денервация*, хемогенетика*, абляция* клеток и отключение адренорецепторов*) для подтверждения того, что вызванная стрессом потеря стволовых клеток меланоцитов не зависит от иммунной атаки или гормонов стресса надпочечников.
Адреналэктомия* — хирургическое удаление одного или двух надпочечников.
Денервация* — намеренное нарушение связи органа или ткани организма с его нервной системой.
Хемогенетика* — процессы конструирования макромолекул для взаимодействия с ранее нераспознанными малыми молекулами.
Абляция* — удаление или прижигание определенного участка тканей того или иного органа.
Адренорецепторы* — рецепторы к адренэргическим веществам, т.е. реагирующие на адреналин и норадреналин.
На самом деле седение происходит ввиду активации симпатических нервов, которые иннервируют нишу стволовых клеток меланоцитов. В условиях стресса активация этих симпатических нервов приводит к выбросу нейротрансмиттера норадреналина (также известного как норэпинефрин). А это приводит к быстрой пролиферации (размножение делением) молчащих стволовых клеток меланоцитов и сопровождается их дифференцировкой, миграцией и постоянным истощением. Если подавить пролиферации стволовых клеток меланоцитов, то можно успешно предотвратить седение волос, вызванное стрессом.
Волосяной фолликул содержит две популяции стволовых клеток: стволовые клетки волосяного фолликула (HFSC), которые представляют собой эпителиальные ткани, и стволовые клетки меланоцитов (MeSC), которые происходят из нервного гребня. HFSC и MeSC обычно находятся в состоянии покоя, за исключением раннего анагена (активная фаза роста), когда они активируются одновременно для регенерации пигментированных волос. Активация HFSC производит новый волосяной фолликул, тем временем активация MeSC генерирует дифференцированные меланоциты, которые мигрируют вниз, тогда как MeSC остаются близко к выпуклости*.
Выпуклость* — утолщенная часть стенки фолликулы, где хранятся стволовые клетки.
В волосяной луковице дифференцированные меланоциты синтезируют меланин для окрашивания вновь регенерированных волосков, начиная от корня. В катагене (фаза отдыха) зрелые меланоциты разрушаются, оставляя только те MeSC, которые будут инициировать новые этапы меланогенеза в будущих циклах.
Столь точное и, можно сказать, предсказуемое поведение MeSC и меланоцитов позволяет ученым достаточно точно определить степень влияния стресса на регенерацию клеток.
Результаты исследования
Изображение №1
Чтобы выяснить, способствуют ли психологические или физические стрессоры (активаторы стресса, т.е. внешние стимулы) седению волос, было использовано три подхода к моделированию стресса у мышей C57BL/6J (подвид лабораторных мышей) с черной шерстью. Модели стресса: постоянный стресс, случайный периодический стресс (стимулы активировались в случайной временной последовательно) и ноцицепциальный стресс (с пульсирующей интенсивностью), достигнутый путем инъекции смолаэфиратоксина (RTX).
В результате все три варианта стрессов привели к увеличению количества непигментированных белых волос. Постоянные и случайные стрессы привели к седению уже через 3-5 волосяных циклов. Ноцицепциальный стресс вызывал наиболее выраженный и быстрый эффект — многие новые волосы, которые образовались в следующем цикле волос после инъекции RTX, стали непигментированными (1a и 1b).
Как известно, психологические или физические стрессоры запускают надпочечники, чтобы выпустить гормоны стресса и катехоламины в кровоток. В соответствии с этим фактом, в крови мышей было обнаружено (1c) увеличение как кортикостерона (первичного глюкокортикоидного гормона стресса у грызунов, что эквивалентно кортизолу у людей), так и норадреналина (катехоламина).
В свою очередь, RTX индуцирует ноцицепцию, активируя ноцицептивные сенсорные нейроны. Блокирование способности мышей ощущать боль с помощью бупренорфина (опиоидного анальгетика) предотвращало повышение уровня кортикостерона и норадреналина после инъекции RTX, предполагая, что блокирование болевого ощущения ослабляет реакции физиологического стресса, которые индуцируются RTX (1c). Более того, бупренорфин также подавлял образование белых волос у мышей, которым вводили RTX (1d).
Эти данные говорят о том, что не имеет значения происхождение стресса для проявления депигментации. Однако, поскольку RTX индуцированный стресс давал самую быструю и яркую реакцию, именно данную модель стрессора ученые выбрали как основную для дальнейших тестов.
Причин потери пигментации волос может быть несколько: дефекты синтеза меланина, потеря дифференцированных меланоцитов или проблема с поддержанием MeSC. Чтобы понять, как стресс влияет на линию меланоцитов, мышам вводили RTX во время анагена, стадии, на которой присутствовали как MeSC, так и дифференцированные меланоциты, но находящиеся в разных компартментах: MeSC были рядом с выпуклостью, тогда как дифференцированные меланоциты находились в волосяной луковице (1e). После инъекции RTX количество TRP2 + MeSC значительно уменьшилось по всей коже (1e). Во многих волосяных фолликулах MeSC были полностью утрачены из-за выпуклости в течение пяти дней, тогда как дифференцированные меланоциты в том же волосяном фолликуле оставались без изменений. Эти дифференцированные меланоциты продолжали генерировать пигменты, и шерсть оставалась черной через пять дней после инъекции RTX. Когда волосяные фолликулы у мышей, которым вводили RTX, перешли в фазу катагена и телогена, многие волоски полностью утратили MeSC
В результате этого, когда начался следующий этап анагена, дифференцированные меланоциты не образовывались для окрашивания новых стержней волос, и появились непигментированные волоски. Хотя некоторые регенерированные волосы оставались пигментированными, количество MeSC в этих пигментированных волосах также уменьшилось по сравнению с таковыми у мышей, не получавших RTX. Инъекция RTX имела одинаковое влияние на мышей как мужского, так и женского пола.
Инъекция RTX также вызывала потерю MeSC при инъекции во время телогена (фаза линьки). Данные наблюдения показывают, что MeSC является очень чувствительным к стрессу, вызванному RTX, а вот дифференцированные меланоциты и синтез меланина не затрагиваются напрямую.
В случае двух других типов стрессовой модели (постоянная и случайная) также наблюдалась значительная потеря MeSC. В совокупности это говорит о том, что стресс напрямую влияет на уровень MeSC.
Изображение №2
На следующем этапе исследования ученые попытались установить влияние стресса на периферию для изменения уровня MeSC (2а). Предполагается, что иммунная атака вызывает седение волос, активируемое стрессом.
Для проверки степени участия иммунной системы, инъекции RTX получили два вида мышей: мыши Rag1, у которых отсутствуют T-лимфоциты и B-лимфоциты и мыши CD11b-DTR, у которых миелоидные линии были устранены токсином дифтерии.
Инъекция RTX этим иммунодефицитным мышам все еще приводила к образованию белых волос. Следовательно, индуцированное RTX седение волос не зависит от Т-клеток, В-клеток или миелоидных клеток.
Поскольку все стрессоры приводили к повышению уровня кортикостерона и норадреналина в крови, необходимо было выяснить, играют ли эти индуцированные стрессом циркулирующие факторы какую-то роль в потере MeSC.
Данные РНК-секвенирования MeSC, которые были очищены с помощью флуоресцентно-активированной сортировки клеток, позволяют предположить, что MeSC экспрессируют глюкокортикоидный рецептор (GR, т.е. Nr3c1, рецептор кортикостерона) и β2-адренергический рецептор (Adrb2 рецептор норадреналина).
Для определения степени влияния глюкокортикоидного рецептора на MeSC, ученые отключили этот белок. Несмотря на неактивность рецептора, инъекция RTX все так же приводила к седению волос. Более того, никаких изменений в MeSC или пигментации волос не наблюдалось, когда уровни кортикостерона увеличивались путем кормления.
Таким образом, эти данные говорят о том, что кортикостерон не является главным инициатором потери MeSC из-за стресса.
Далее ученые проверили еще один белок — ADRB2, который участвует в полиморфизме (в данном случае, наличие нескольких цветов шерсти у одной особи).
Когда белок ADRB2 был отключен в MeSC, инъекция RTX не приводила к появлению непигментированных волосков (2b). Из этого следует, что именно ADRB2, экспрессируемый MeSC, необходим для вызванного стрессом седения волос.
Любопытно, что в случае отсутствия стресса, истощение ADRB2 в MeSC не приводило к изменениям в MeSC, меланоцитах или в процессе генерации пигмента. Из этого следует, что связь норадреналин-ADRB2 является незаменимой для меланогенеза во время нормального цикла роста волос.
При локальной инъекции норадреналина седина проявляясь в местах укола как у обычных мышей, так и у мышей с HFSC-специфической блокировкой Adrb2. При этом такая инъекция не вызывала седину у мышей с MeSC-специфической блокировкой Adrb2 (2c).
Эти наблюдения говорят о том, что иммунные клетки и кортикостерон может и не обязательны, однако передача сигналов норадреналина необходима для седения, вызванного стрессом, а также ее достаточно для седения без какого-либо стресса.
Следующий этап исследования посвящен изучению влияния норадреналина из надпочечников на седение волос при стрессе. Мыши, получавшие уколы RTX, были подвержены адреналэктомии, которая значительно снижала уровень кортикостерона и норадреналина в их крови. Несмотря на это, седина все же проявлялась. Причиной тому может быть факт того, что индуцированное RTX седение не зависит от гормонов или катехоламинов из надпочечников (2d).
Альтернативным источником норадреналина является симпатическая нервная система, которая активизируется в стрессовых ситуациях и вызывает ответную реакцию типа «беги или сражайся». В кожном покрове симпатические нервы оканчиваются рядом с выпуклостью, где находятся MeSC (3a).
Изображение №3
Кроме того, участки кожи с большим количеством непигментированных волосков также имеют более выраженную симпатическую иннервацию (наличие большого числа нервных окончаний).
Чтобы определить, действительно ли симпатические нервы активируются после инъекции RTX, ученые провели анализ уровня FOS — фактора ранней транскрипции, который служит репортером нейронной активности.
Устойчивая индукция (увеличение) FOS была обнаружена в клеточных телах симпатических нейронов в течение 1 часа после инъекции RTX, достигая пика примерно через 2–4 часа и уменьшаясь через 24 часа. Это свидетельствует о том, что инъекция RTX приводила к резкой активации симпатических нейронов (3b).
Проверить, влияют ли симпатические нервы на потерю MeSC, вызывающую седение, ученые применили 6-гидроксидофамин — селективный нейротоксин, удаляющий симпатические нервы (метод симпатэктомии).
Симпатэктомия блокировала вызванное RTX седение волос и потерю MeSC. Следовательно, симпатические нервы являются неотъемлемой частью процесса седения волос, вызванного стрессом.
Далее нужно было выяснить, каково влияние симпатических нервов на потерю MeSC без стресса. Для этого был использован хемогенетический подход с применением системы DREADD (спроектированный рецептор, активизирующийся исключительно за счет спроектированного препарата). Gq-DREADD — это искусственный рецептор, связанный с Gq-белком, который активируется инертной молекулой N-оксида клозапина (CNO), но не эндогенными лигандами (т.е. не веществами из организма). Также были созданы модифицированные лабораторные мыши, чьи симпатические нервы можно было искусственно активировать посредством CNO (3d).
Укол CNO приводил к потере MeSC и седению волос в местах инъекции (3d). Эти данные свидетельствуют о том, что активация симпатических нервов в отсутствие стрессоров является достаточной, чтобы управлять потерей MeSC. Совмещая эти наблюдения с предыдущими, получается, что повышенный уровень норадреналина, выделяемого из симпатических нервных окончаний, ведет к истощению MeSC при стрессе.
Изображение №4
Понимая происхождение процесса потери MeSC, необходимо было выявить ранние изменения в MeSC при стрессе (4a). Было установлено, что вызванная стрессом потеря MeSC не вызывается апоптозом (гибель клеток) или некрозом.
Ученые отмечают, что для многих соматических стволовых клеток важной характеристикой является состояние покоя (G0-фаза, когда клетка не делится). Чтобы проверить, влияет ли стресс на состояние покоя MeSC клеток, мышам, полностью перешедшим в фазу анагена (фаза роста волос), вводили RTX или норадреналин. В результате этого наблюдалось значительное увеличение количества пролиферирующих MeSC в течение 24 часов после инъекции (4b). Это число резко контрастирует с количеством пролиферирующих MeSC в раннем анагене (около 6%), единственной стадии, когда MeSC пролиферируют до самообновления. И наоборот, никаких изменений в пролиферации или апоптозе не наблюдалось в зрелых меланоцитах после инъекции RTX или норадреналина. Эти данные свидетельствуют о том, что повышенный норадреналин заставляет MeSC входить в быстрое и ненормально пролиферативное состояние, но не влияет на зрелые меланоциты.
Для мониторинга изменений в MeSC были использованы модифицированные мыши, чьи MeSC могут быть прослежены по экспрессии GFP (зеленый флуоресцентный белок) на их мембране (4c). Буквально сразу после укола RTX (на первый день теста) наблюдалось увеличение числа GFP+ клеток. После этого многие GFP+ клетки начали демонстрировать быстрое дендритное ветвление, которое является характерной особенностью дифференцированных MeSC (на второй день теста). Начался процесс миграции: часть клеток мигрировала вниз вдоль фолликулы, а часть — в дерму или эпидермис (второй и третий день теста).
На третий день теста многие GFP+ клетки мигрировали из выпуклости, а к четвертому дню большинство волосяных фолликул потеряли все клетки GFP+. Эти наблюдения подтверждаются еще и тем, что вдоль волосяного фолликула, эпидермиса и дермы появилась пигментация, которой тут быть не должно (4d).
Из этого следует, что после стресса MeSC подвергаются быстрой пролиферации с последующей дифференцировкой и миграцией, что приводит к их потере из ниши (4e).
Транскриптомный анализ (количественный анализ экспрессии генов) мышей, прошедших тестирование, показал, что механизмы процесса седения ввиду стресса у мышей и у людей крайне схожи.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В данном труде ученые смогли раскрыть секреты процесса седения волос ввиду сильного стресса. Основной вывод заключается в том, что нервные клетки вполне способны контролировать стволовые клетки, отвечающие за пигментацию. В случае потери пигментации волос имеет место полная потеря стволовых клеток, отвечающих за это. Главным двигателем этого процесса является норадреналин из симпатических нервных клеток. Когда норадреналин активирует процесс, стволовые клетки крайне быстро преобразуются в пигментно-формирующие, а потом и вовсе иссякают. Буквально спустя несколько дней с начала тестов все пигментно-формирующие клетки были полностью утрачены, а это значит, что данный процесс приводит к перманентным последствиям, т.е. седые волосы не смогут вернуть себе прежний цвет.
Результаты исследования важны не только для понимания того, как стресс влияет на пигменты волос, но и служат основой для дальнейшего изучения влияния стресса и сопутствующих ему процессов на другие органы, ткани и клетки организма. Помимо того, данный труд позволяет лучше понять взаимодействие некоторых элементов биологических систем на клеточном уровне.
В дальнейшем ученые намерены продолжить изучение стресса и его влияние на организм. Главной целью своей работы они называют разработку методик восстановления ущерба, нанесенного организму стрессом.
Со стрессом мы сталкиваемся практически каждый день, многие из нас буквально живут с ним бок о бок. Это можно объяснить как образом современной жизнь и множеством проблем, которые идут в комплекте с ним, так и персональной чувствительностью к происходящему вокруг. Стресс является неотъемлемой частью нашего существования, следовательно, полностью избавиться от стресса невозможно. Может оно и к лучшему, ибо стресс порой служит некой формой стимула, заставляющего нас идти вперед. Однако эта формула успеха не применима ко всем людям. Кто-то справляется со стрессом легко, посмотрев какую-то комедию или прочитав один анекдот, а кого-то стресс мучает долго и вполне успешно, доводя до нервных срывов и, как следствие, перерастая в серьезные последствия для ментального здоровья. К сожалению, волшебного щита, способного полностью оградить человека от стресса не существует, но если человек борется с ним не в одиночку, то бой этот будет куда более честным.
