Кожа млекопитающих является очень поддатливой тканью, в которой исследуются эпителиально-мезенхимные взаимодействия во время развития и в постнатальной жизни (Blanpain and Fuchs, 2009; Muller-Rover et al., 2001; Schmidt-Ullrich and Paus, 2005; Watt and Jensen, 2009). Одна из популяций мезенхимных клеток кожи, известная как клетки дермального сосочка (dermal papilla (DP)) привлекла к себе огромный интерес, поскольку DP не только регулирует развитие и рост волосяного фолликула, но и также, как полагают, является резервуаром мультипотентных стволовых клеток. Мы рассмотрим происхождение DP во время развития кожи и обсудим гетерогенность DP и изменения в DP, которые происходят во время цикла роста волоса.
Developmental origins of dermal papilla cells
Предшественником волосяного фолликула является утолщение, известное как плакода, эмбрионального эпидермиса, выявляемое на 14.5 день эмбриогенеза (E14.5) мыши. Вскоре после этого локальный конденсат (дермальный конденсат) из фибробластов формируется ниже плакоды. Реципрокная передача сигналов между конденсатом и плакодой приводит к пролиферации лежащего поверх эпителия и к спуску вниз расширения нового фолликула в дерму (Millar, 2002; Schneider et al., 2009; Ohyama et al., 2010; Yang and Cotsarelis, 2010). После инициального роста вниз эпителиальные клетки покрывают дермальный конденсат, образуя тем самым зрелый DP. DP затем инструктирует окружающие эпителиальные клетки, называемые матричными клетками, пролиферировать, перемещаться вверх и дифференцироваться во множественные слои вырастающего волосяного стержня и канал, окружающий волосяной стержень, наз. внутреннее влагалище корня волоса (Millar, 2002; Schneider et al., 2009).
Исследования по тканевым рекомбинациям показали, что дермис мыши содержит активность, необходимую для индукции образования волосяного фолликула уже на стадии E12.5, до образования дермального конденсата (Dhouailly, 1973; Song and Sawyer, 1996). Дермис из регионов кожи, формирующих волосы, может индуцировать фолликулы в эпителии как формирующем, так и не формирующем волосы, тогда как дермис из регионов, не дающих волосы, не может поддерживать образование волосяных фолликулов. Некоторые из путей, которые участвуют в реципрокной передаче сигналов между эпителиальными клетками и DP развивающегося фолликула были идентифицированы, при этом реципрокная передача сигналов Wnt считается как одна из самых ранних и наиболее важных (Kishimoto et al., 2000; Millar, 2002; Schneider et al., 2009; Ohyama et al., 2010; Yang and Cotsarelis, 2010). Однако относительно мало известно о том, как клетки дермального конденсата и клетки DP становятся индуцирующими волосы специализированными фибробластами (Schneider et al., 2009; Ohyama et al., 2009; Yang and Cotsarelis, 2009).
Фибробласты, а , следовательно, и DP в разных местах тела имеют разное эмбриональное происхождение (Fernandes et al., 2004; Rendl et al., 2005; Ohtola et al., 2008; Wong et al., 2006; Jinno et al., 2010).Фибробласты головы и лица происходят из нервного гребня, тогда как фибробласты дорсальной и вентральной частей туловища происходят из дермомиотома сомитов и латеральной пластинки, соотв. Клеточно автономная сайт-специфическая экспрессия гомеобоксных генов (Hox) наделяет позиционной памятью фибробласты разных частей тела и играет роль в спецификации профиля генной экспрессии в лежащем поверх эпидермисе (Rinn et al., 2008).
Dermal papilla heterogeneity
Кожа мышей содержит несколько отличающихся типов волосяных фолликулов, которые отличаются по длине, толщине и форме волосяного стержня, т.e. прямые или изогнутые. На коже спины наиболее обильны фолликулы, формирующие зигзагообразные волоски, которые имеют два изгиба стержня, тогда как волоски др. типов фолликулов (guard, awl и auchene) имеют длинные стержни, которые или прямые или имеют одиночный изгиб (Schlake, 2007). Остевые волосы развиваются во время первой волны морфогенеза волосяных фолликулов приблизительно на ст. E14.5; awl и auchene волосы формируются во время второй волны приблизитально на ст. E16.5; а зигзагообразные волосы формируются во время третьей волны, стартующей на ст. E18.5 (Schlake, 2007). DP зигзагообразных волос более мелкие, чем DP др.типов фолликулов (Elliott et al., 1999). Между E14.5 и E16.5, все развивающиеся DP (т.е. те, что ассоциированы с guard, awl или auchene фолликулами) экспрессируют транскрипционный фактор sex determining region Y-box 2 (Sox2), но SOX2 не выявляется в DP зигзагообразных волос, которые развиваются, начиная со ст. E18.5 (Driskell et al., 2009).
Дифференциальная экспрессия Sox2 может быть использована, чтобы выделять клетки DP из разных типов волосяных фолликулов в ранней постнатальной (P2) коже мышей (Driskell et al., 2009). На этой стадии, все клетки DP экспрессируют CD133 (известен также как PROM1) и щелочную фосфатазу (Handjiski et al., 1994), но DP зигзагообразных волос являются SOX2-негативными, аguard, awl и auchene фолликулы SOX2-позитивными. Когда разные популяции DP сортируют и используют метод реконституции кожи, то клетки SOX-позитивных DP оказываются необходимыми для образования guard, awl или auchene фолликулов (Driskell et al., 2009). Напротив, DP экспрессия SOX необходима для формирования фолликулов зигзагообразных волос (James et al., 2003). Это указывает на разные роли двух SRY транскрипционных факторов в спецификации типа волосяного фолликула во время развития.
Определение профилей генной экспрессии клеток DP, изолированных из разивающейся кожи мышей привело к выявлению стержневой DP 'сигнатуры' из 184 генов (Rendl et al., 2005), и сигнатур. которые специфичны для SOX2-позитивных и -негативных типов DP (Driskell et al., 2009). Эти сигнатуры начинают предоставлять информацию о сигнальных путях, которые контролируют функцию DP и волосяных фолликулов, особенно важны Wnt, bone morphogenetic protein (BMP) и fibroblast growth factor (FGF) (Greco et al., 2009; Kishimoto et al., 2000; Rendl et al., 2008). Кроме того, сравнение свойств волосяных фолликулов из разных частей тела выявляет отличия в свойствах их DP. Напр., в коже человека, наблюдается, что андрогены стимулируют рост волосяных фолликулов на лице, но вызывают миниатюризацию на скальпе. Клетки DP экспрессируют андрогенные рецепторы и 5'-OH-reductase - ключевой энзим метаболизма андрогенов - а DP из разных частей тела отличаются своей чувствительностью к андрогенам (Rutberg et al., 2006).
The role of the DP in the hair growth cycle
В постнатальной жизни волосяные фолликулы подвергаются циклическому росту. Фаза покоя известна как telogen, фаза роста как anagen и фаза регрессии как catagen (Muller-Rover et al., 2001; Schmidt-Ullrich and Paus, 2005; Ohyama et al., 2010; Yang and Cotsarelis, 2010). Во время catagen, эпителиальные клетки в основании фолликула подвергаются апоптозу, но DP остается неизменным и подтягивается или мигрирует вверх до тех пор, пока он придет в соприкосновение с остатками, соседствующими со стволовыми клетками из вздутия волосяного фолликула. Эта ситуация сохраняется во время ст. telogen. В зачатке клетки в основании фолликула начинают пролиферировать, это приводит к росту вглубь фолликула и охватыванию DP. Клетки DP сами по себе, как полагают. не делятся. Однако количество клеток в DP увеличивается во время anagen, возможно в результате пополнения за счет соседних клеток из дермального слоя (sheath) (Tobin et al., 2003; Chi et al., 2010).
В начале ст. anagen DP активирует стволовые клетки во вторичном зародыше волоса, приводя к новому росту вглубь фолликула. У hairless мутантных мышей DP клетки оказываются сидящими глубоко в дермисе во время catagen и теряют контакт с выпячиванием; фолликулы таких мышей не могут вступать в anagen и в конечном итоге дегенерируют (Panteleyev et al., 1999). Разрушение передачи сигналов β-cateninв DP ведет к снижению пролиферации клеток в основании фолликула, это вызывает catagen и препятствует переходу в anagen (Enshell-Seijffers et al., 2010). Активность β-catenin в DP регулирует ряд др. сигнальных путей, включая FGF путь, который обеспечивает индуктивные эффекты DP на эпителий волосяных фолликулов (Enshell-Seijffers et al., 2010). Fgf7 и Fgf10 экспрессируются в DP и стимулируют пролиферацию соседних эпителиальных клеток волосяного фолликула (Greco et al., 2009).
Некоторые маркеры DP, такие как щелочная фосфатаза и cellular retinoic-acid-binding protein 1 (CRABP1), экспрессируются в ходе всего цикла роста волос (Collins and Watt, 2008). Другие, такие как serine protease Corin, активируются во время anagen (Enshell-Seijffers et al., 2008). В коже взрослых мышей экспрессия
Sox2 в DP варьирует во время цикла роста волос и обнаружима только во время anagen (Biernaskie et al., 2009).
Potential therapeutic applications of DP cells in restoring hair growth
Потеря волос (alopecia) является широко распространенной и огорчающей проблемой для мужчин и женщин, поэтому существует огромный интерес к воздействиям, которые предупреждают или возвращают их. Использование способности дифференцированных и высоко специализированных фибробластов из DP заставлять соседние эпидермальные клетки дифференцироваться в направлении клона волосяного фолликула является привлекательным подходом к лечению алопеции.
Способность индуцировать волосы у DP клеток не ограничивается эмбриональным развитием, и клетки DP из постнатальной кожи сохраняют способность заставлять эпителиальные клетки формировать волосяные фолликулы (Jahoda et al., 1984). Более того, образование новых DP может быть индуцировано во взрослой коже путем активации сигнального Wnt пути в эпидермисе (Silva-Vargas et al., 2005). Эти наблюдения подтверждают, что возможно генерировать клетки DP для лечения потери волос.
Одной из очевидных стратегий является размножение клеток DP в культуре перед их трансплантацией. DP клетки не только сохраняют способность формировать DP после культивирования
in vitro , но и могут вносить вклад в клетки дермального футляра (sheath) и в не ассоциированные с фолликулами фибробластами во время реконструкции кожи и при заживлении ран (Biernaskie et al., 2009; Rendl et al., 2008). Однако, после немногих пассажей культивируемые клетки DP теряют свои трихогенные свойства (т.e. свою способность индуцировать волосяные фолликулы) (Ohyama et al., 2010; Yang and Cotsarelis, 2010; Horne et al., 1986; Kishimoto et al., 2000; Lichti et al., 1993; Rendl et al., 2008). Была разработана культуральная среда, которая увеличивает время культивирования клеток DP (Limat et al., 1993; Osada et al., 2007; Roh et al., 2004), а активация сигнальных путей Wnt и Bmp в клетках DP мышей может задержать потерю трихогенной активности (Kishimoto et al., 2000; Rendl et al., 2008). Др. стратегиями сохранения свойств клеток DP являются выращивание их в трехмерных агрегатах (Osada et al., 2007; Higgins et al., 2010) или культивирование их вместе с кератиноцитами на субстратах внеклеточного матрикса, чтобы воспроизвести микроусловия
in vivo (Havlickova et al., 2009).
DP cells as stem cells with multi-lineage differentiation potential
Неожиданно терапевтический потенциал клеток DP расширяется за пределы индукции новых волосяных фолликулов. Чтобы изучить или в конце концов скорректировать широкое разнообразие дегенеративных нарушений, были генерированы induced pluripotent stem (iPS) клетки из биоптатов от пациентов (Yamanaka and Blau, 2010). Вырывание волосков из пациентов считается неинвазивным способом получения клеток для репрограммирования, а недавние исследования показали, что клетки DP мышей могут быть более легко перепрограммированы в iPS клетки, чем др. типы клеток (Tsai et al., 2010).
Др. недавняя находка заключается в том, что SOX2-позитивные DP клетки являются источником производных кожи клеток предшественников (SKPs). SKPs являются клетками, которые могут быть культивированы, чтобы сформировать nestin-позитивные сферы со способностью дифференцироваться в нейроны, глию, гладкомышечные клетки, адипоциты и др. типы клеток (Toma et al., 2001; Fernandes et al., 2004; Lavoie et al., 2009; Biernaskie et al., 2009). Поскольку Sox2 экспрессируется также в клетках дермального футляра вблизи DP, то вполне возможно, что клетки футляра обладают способностью формировать SKPs в культуре. SKPs могут быть получены не только из кожи грызунов, но и также из DP волосяных фолликулов человека (Hunt et al., 2008). Потенциал мультиклональной дифференцировки культивируемых DP и dermal sheath клеток не зависит от предварительного культивирования их в виде сфероидов: они могут также дифференцироваться в адипогенные, остеогенные и гематопоэтические клоны в др. культуральных условиях (Lako et al., 2002; Jahoda et al., 2003).
Наблюдение, что SKPs могут быть выделены из кожи спины (Biernaskie et al., 2009) оказалось неожиданным, поскольку мультипотентные дермальные клетки ранее были идентифицированы, как возникающие из клеток нервного гребня (Fernandes et al., 2004; Wong et al., 2006) тогда как дорсальные кожные DP возникают из дермомиотома. Недавнее исследование по отслеживанию клонов с использованием промотора Wnt1 для управления экспрессией Cre рекомбиназы в производных нервного гребня и промотора myogenic regulatory factor 5 (Myf5) для экспрессии Cre в клетках сомитного происхождения,показали, что SKPs из обеих локализаций могут дифференцироваться в Шванновские клетки, тип клеток ранее рассматриваемый, как исключительно происходящий из нервного гребня (Jinno et al., 2010). Это указывает на то, что условия в волосяном фолликуле скорее, чем онтогенетическое происхождение клеток, индуцируют экспрессию генов, связанных с нервным гребнем и генерируют клетки с характеристиками производных нервного гребня.
Conclusions
The cells of the DP are not only essential for hair follicle development and function, but are also a reservoir of cells with the potential to differentiate into a range of cell types that are of potential therapeutic importance. Improved methods for culturing DP cells can be exploited to treat hair loss, and the ability to direct DP cells to differentiate into other lineages, in particular Schwann cells, could provide a source of cells to repair damaged nerves (Biernaskie et al., 2007).
Сайт создан в системе
uCoz
