Полина дмитриевна волосяные фолликулы и волосяной покров в постнатальном онтогенезе мыши в норме и эксперименте
На правах рукописи
УДК 611.018+591.478.1 Голиченкова Полина Дмитриевна ВОЛОСЯНЫЕ ФОЛЛИКУЛЫ И ВОЛОСЯНОЙ ПОКРОВ В ПОСТНАТАЛЬНОМ ОНТОГЕНЕЗЕ МЫШИ В НОРМЕ И ЭКСПЕРИМЕНТЕ 03.00.30-03 – биология развития, эмбриология
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Москва – 2008
Работа выполнена на кафедре эмбриологии биологического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова
Научный консультант: доктор биологических наук Доронин Юрий Константинович Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Москва
Официальные оппоненты: доктор биологических наук Нечаева Наталья Васильевна Институт биологии развития имени Н.К.Кольцова РАН, Москва доктор биологических наук Васильев Борис Дмитриевич Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Москва
Ведущая организация: ГОУ ВПО Российский государственный медицинский университет Росздрава, Москва
Защита состоится 16 декабря 2008 года в 15 час 30 мин на заседании диссертационного совета Д.501.001.52 при Московском государственном университете имени М.В.
Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д.1, стр.12, Биологический факультет МГУ, аудитория М-1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова Автореферат разослан «…» ноября 2008 г
Ученый секретарь Диссертационного совета, кандидат биологических наук Е.Н. Калистратова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Дериват кожного эпителия – волосяной фолликул – длительное время служит предметом пристального внимания исследователей различного профиля. В значительной мере этот интерес предопределен практической востребованностью сведений об организации и функционировании шерстного покрова млекопитающих, необходимостью понимания существа процесса формирования волоса и шерстного покрова в целом, что в свою очередь необходимо для эффективной селекции животных–производителей руна с определенными технологическими свойствами.
Волосяной фолликул всегда был предметом пристального внимания дерматологов как компонент кожного покрова человека, подверженный как ряду специфических патологий, так и отражающий общее состояние организма. Значительные успехи косметологии на протяжении последних десятилетий, несомненно, являются результатом достижений в биологии кожных покровов в целом, понимания существа отношений между дермальным и эпителиальным компонентами кожи, временных закономерностей формирования волосяных фолликулов, клеточных и молекулярных механизмов процессов кератинизации. Во многих лабораториях мира ведутся интенсивные исследования, целью которых является воспроизведение и умножение нормальных закладок волосяных фолликулов in vitro для последующей трансплантации пациентам, страдающим различными формами алопеции.
События, происходящие при развитии волосяных фолликулов и при терминальной дифференцировке кератиноцитов, представляют фундаментальный интерес. С одной стороны как модельный объект для исследования клеточной дифференцировки и специфического морфогенеза;
с другой – как дискретные единицы кожного эпителия, совокупная деятельность которых, наравне с иными особенностями организации кожных покровов, обеспечивают чрезвычайно широкий спектр видовых адаптаций у млекопитающих.
Однако, несмотря на накопленный огромный материал, многие аспекты деятельности одиночного волосяного фолликула, так же как координированной деятельности многочисленных волосяных фолликулов, остаются открытыми. В частности, несмотря на существенный прогресс в понимании генетической регуляции событий терминальной дифференцировки кератиноцитов при формировании стержня волоса, остается не ясным, почему формируется столь специфическая структура как стержень волоса, не до конца понятым, какого рода стволовые клетки являются источниками коммитированных к дифференциации кератиноцитов. Крайне слабо изучена феноменология системных (организменных) регуляций деятельности бесчисленного множества волосяных фолликулов, предопределяющая жизненно важные, адаптивные изменения состояния шерстного покрова млекопитающих (линьку и смену шерсти, онтогенетические изменения шерстного покрова и т.д.).
Между тем, неоднократно отмечалось, что формирующиеся волосы «…представляют собой поток непрерывно дифференцирующихся и самофиксирующихся клеток, напоминающий дарованную исследователю самой природой ленту самопишущего прибора, на которой регистрируются многие количественные параметры волоса и дифференцировки клеток фолликула» (Всеволодов, 1979, с.4).
Именно в связи с последним, целью настоящего исследования была оценка: (1) функционального состояния пилофолликулярной системы кожи по изменениям волосяного покрова при дозированном экспериментальном воздействии и (2) деятельности отдельного волосяного фолликула по параметрам продукта конечной дифференцировки кератиноцитов - стержня волоса.
В работе были поставлены следующие экспериментальные задачи: 1) оценка изменений волосяного покрова (плотности волосяных фолликулов, численности и состава волос, количества меланина в образцах шерсти) у мышей в области, подвергавшейся периодическим эпиляциям;
2) определение временной динамики формы и объема стержня растущего волоса.
Научная новизна и практическая значимость работы. Разработан физиологически адекватный протокол периодической эпиляции шерсти у мышей, позволяющий выявить особенности репаративной реакции системы волосяных фолликулов. Применение этой процедуры впервые позволило проследить изменение состава волосяного покрова: возрастание доли пушковых волос за счет уменьшения доли более крупных волос (главным образом – auchene, и в меньшей мере – остевых и направляющих волос). Показано, что в восстанавливающемся после последовательных эпиляций волосяном покрове возрастает численность седых волос, но практически не изменяется содержание меланина в образцах шерсти. Интегральная оценка деятельности системы волосяных фолликулов в этих условиях свидетельствует о трансформации типов фолликулов, дисфункции пигментных единиц у отдельных фолликулов, происходящей вопреки активации меланогенеза.
Помимо этого, впервые прослежена динамика удлинения и изменения объема остевых волос у мышей на протяжении цикла волосяного фолликула. Выявлена закономерность изменения этих показателей во времени. Впервые описана что динамика дифференцировки кератиноцитов волосяного фолликула, оцененная в соответствии с полученными закономерностями, отражающая динамику численности клеток волосяной луковицы на протяжении цикла волосяного фолликула.
Предложенные в работе модели и методы оценки результатов могут быть использованы при тестировании разнообразных фармакологических препаратов.
Результаты работы используются в курсах лекций по биологии развития.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на научном семинаре кафедры эмбриологии биологического ф-та МГУ имени М.В. Ломоносова, XI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2004» (Москва, 2004г.), Всероссийской конференции молодых исследователей «Физиология и медицина» (Санкт-Петербург, 2005г.), Симпозиуме с международным участием «Клеточные, молекулярные и эволюционные аспекты морфогенеза» (Москва, 2007г.), XVI Международной конференции и дискуссионном научном клубе «Новые информационные технологии в медицине, биологии, фармакологии и экологии» (Ялта-Гурзуф, 2008г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них статей – 2, тезисов конференций – 3.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на _ страницах и состоит из глав «Введение», «Обзор литературы», «Объекты и методы исследования», «Результаты исследования», «Обсуждение результатов», «Выводы», «Список цитированной литературы». Работа включает _ таблиц и _ иллюстраций. Список цитированной литературы включает _ наименований, из которых _ на русском, на иностранных языках.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Объектами исследования служили самки мышей линий C57BL/6 и BALB/c.
Животных содержали в виварии в стандартных условиях. Всего в экспериментах было проанализировано около 11 000 стержней волос, бравшихся от 37 самок мышей указанных линий.
В работе применялся метод механической эпиляции: с помощью пинцета у мышей выщипывали волосяной покров на участке спины ниже проекции лопаток на площади около 1 см2. Удаление оставшихся волос производили с помощью липкой ленты. День, когда производилась эпиляция, принято считать 0 сутками.
Эпиляция – общепринятый экспериментальный метод инициации синхронного роста новых волос (фазы анагена) на эпилированной поверхности (Collins, 1918;
Silver, Chase. 1970). Новый цикл развития ВФ также может быть инициирован травмой эпителия, ВФ, либо кожного слоя, в целом (Argyris, 1956, 1964;
Ghadially, 1958;
Li et al., 1999), воздействием лекарственных препаратов, так же как рядом биологически активных веществ (Paus, Stenn, 2001). Наибольшее распространение получил метод механической эпиляции шерстного покрова. Отсечение стержня волоса на уровне (или выше) эпидермального слоя (стрижка, бритье) без повреждения эпидермиса или структуры ВФ не стимулирует ни рост, ни новообразование стержня волоса (Lynfield, MacWilliams, 1970). Эпиляция одного (или нескольких) волос не стимулирует рост волос следующего поколения. Необходимо извлечь не менее 1000 стержней волоса для того, чтобы стимулировать наступление фазы анагена в ВФ, подвергшихся эпиляции (Chase, Eaton, 1959). Chase (1954) отмечает, что «пост-эпиляционный сигнал», инициирующий фазу анагена, не распространяется за пределы эпилированной поверхности, поскольку ВФ на границах эпилированной области кожи никак не реагируют на эту процедуру. Эпиляция вызывает слабо выраженную воспалительную реакцию, развивающуюся в течение одного дня в подвергнутой процедуре области (Argyris, 1968), которая не изменяет течения цикла ВФ (Pause et al., 1998).
1. Изменения волосяного покрова у мышей на участке кожи, подвергавшемся повторным эпиляциям Для оценки изменений волосяного покрова использовалась периодическая эпиляция одного и того же участка на спине (ниже лопаток). Повторные эпиляции производили с периодом 27-29 суток, что превышает продолжительность цикла волосяных фолликулов (от эпиляции телогенных волос до наступления следующего телогена) у мышей линии С57BL/6 (21 день).
На 10 сутки после эпиляции под бинокулярным микроскопом подсчитывали число появившихся над поверхностью кожи стержней волос на ограниченном участке кожи ( мм2). Область ниже лопаток у подопытных мышей фотографировали перед эпиляцией, на протяжении периода обрастания и после завершения обрастания с помощью цифровой фотокамеры «CoolPix 4500» («Nikon», Япония).
Всего было проведено семь последовательных эпиляций. Работа была выполнена на девяти самках мышей линии C57BL/6, на момент первой эпиляции их возраст составлял 2 месяца. К концу эксперимента мыши достигли 8-месячного возраста. Через 196 и 254 суток после последней эпиляции у шести подопытных мышей брали пробы шерсти из ранее эпилировавшейся области (ниже лопаток) и области крестца. Образцы полученных в результате эпиляций волос сохраняли для дальнейшего анализа.
В качестве контрольной группы использовались интактные самки мышей той же линии в возрасте 3, 4, 6, 8, 14 и 16 месяцев (по три самки каждого возраста). У контрольных мышей брали пробы волос на том же участке спины (ниже проекции лопаток) и из области крестца для дальнейшего анализа.
Определение соотношения типов волос. В пробах волос, полученных после эпиляции, определяли соотношение волос различных типов. Для этого небольшие пучки волос (в среднем по 200 волос) помещали в глицерин на предметных стеклах и просматривали под бинокулярным микроскопом. Подсчитывали количество и процентное соотношение 4 основных типов волос (по Dry, 1926): пушковых, auchene, остевых и направляющих, а также количество седых волос каждого из этих типов.
Определение содержания меланина в образцах волос.
Для определения содержания меланина в образцах полученных после эпиляции волос использовали метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Измерения проводили с помощью радиоспектрометра 3-х сантиметрового диапазона РЭ- (производитель - экспериментальный завод АН СССР, Черноголовка). Навеску эпилированной шерсти весом 1,02-1,69 мг помещали в стандартные кварцевые капилляры для ЭПР-спектрометрии (всего было проанализировано 117 образцов). Измерения проводились при следующих параметрах: напряженность постоянного магнитного поля 3300 Гс, амплитуда модуляции 1,5 Гс, частота модуляции 100 кГц, мощность СВЧ излучения 4 мВт;
измерения проводили при комнатной температуре. В качестве эталона использовали 1,1-дифенил-2-пикрилгидразил. Для каждого образца конечный ЭПР-сигнал являлся результатом усреднения десяти измерений.
На записях определяли амплитуду и ширину между точками максимального наклона ЭПР-сигнала (см. рис. 1) и рассчитывали количество парамагнитных частиц меланина по формуле (Вертц, Болтон, 1975):
I H o H mod st Gst N о = 3,57 10 o, I st H st H mod o Go где Io, Ist – значения амплитуды ЭПР-сигнала для опытного образца и эталона соответственно;
Ho, Hst – значения ширины между точками максимального наклона ЭПР-сигнала для опытного образца и эталона соответственно;
Hmod st, Hmod - значения o амплитуды модуляции для опытного образца и эталона соответственно;
Gst, Go – значения усиления ЭПР-сигнала для опытного образца и эталона соответственно. Результаты пересчитывали на 1 мг волос.
Гистологический анализ эпилированных участков. Для гистологического анализа подопытных животных разделили на 2 группы: 14- и 16-месячного возраста. У этих животных эпилировали область ниже лопаток соответственно на 196 и 254 сутки после последней (седьмой) эпиляции. Эпиляцию в той же области провели также у интактных мышей 14- и 16-месячного возраста (по три животных каждого возраста).
Образцы волос сохраняли для дальнейшего анализа. На 7 сутки после эпиляций, животных умерщвляли по стандартной методике (Hogan B. et al., 1994). Эпилированные участки кожи иссекали и фиксировали в 10% формалине для дальнейшего гистологического исследования. После фиксации образцы кожи отмывали в проточной воде в течение 12 часов, проводили по стандартной бутанольной проводке и заключали в парафин, затем делали срезы на микротоме (толщина срезов 6 мкм), окрашивали срезы гематоксилином по Эрлиху и заключали в канадский бальзам. Оценку срезов производили с помощью микроскопа «Биолам Р-15» ("ЛОМО", Россия) (объективы: х10, х20, х40), а также фотографировали через микроскоп с помощью цифровой фотокамеры «CoolPix 4500» («Nikon», Япония;
фотоокуляр х4).
2. Определение темпов роста, формы и геометрических параметров волоса У пяти 8-месячных самок мышей линии BALB/c эпилировали поверхность кожи на участке спины (ниже проекции лопаток), которую затем ежедневно просматривали под бинокулярным микроскопом. Момент появления кончиков прорастающих волос регистрировали на 7-8 сутки после эпиляции.
Прирост длины волос в течение первых двух дней после их появления над поверхностью кожи определяли после окрашивания краской для волос («Londacolor», черный оттенок), приготовленной и нанесенной на поверхность (2 – 3 мм2) кожи в соответствии с стандартной прописью.
После того, как волосы подрастали настолько, что их можно было захватить пинцетом (на 3-4 сутки после появления кончиков волос над поверхностью кожи), ежедневно выщипывали образцы волос. Образцы волос собирали вплоть до окончания их удлинения. Образцы окрашенных и (или) эпилированных волос без какой-либо предварительной обработки заключали в канадский бальзам на предметных стеклах.
Препараты фотографировали через микроскоп (объектив х3,2, фотоокуляр х4) с помощью цифровой фотокамеры CoolPix 4500 («Nikon», Япония). В поле зрения микроскопа вносился эталонный объект – объект-микрометр. Измерения длины волос в целом и окрашенных участков волос в частности производили на персональном компьютере по фотографиям с помощью программы анализа изображений «Plana».
Для определения геометрических параметров волоса производили поперечные срезы через отдельные завершившие рост остевые волосы, полученные от пяти самок 8 месячных мышей линии BALB/c. От каждого животного брали по пять остевых волос из области ниже лопаток. Отдельные волосы без предварительной обработки заключали в эпоксидную смолу мягкой консистенции в соответствии со следующей прописью: 20,0 мл Эпона-812, 22,0 мл ДДСА, 5,0 мл МНА, 1,4 мл БДМА (был заменен на ДМП-30) (Миронов и др., 1994). Поперечные срезы блока с волосом, толщиной от 0,2 до 1,3 мм, получали с помощью лезвий для безопасной бритвы. Последовательные фрагменты волос и их поперечные сечения фотографировали через микроскоп «Биолам Р-15» ("ЛОМО", Россия) (объективы: х10, х20, х40, фотоокуляр х4) с помощью цифровой фотокамеры «CoolPix 4500» («Nikon», Япония). В качестве эталонов длины применяли объект микрометр, площади – сетку камеры Горяева, сфотографированные при соответствующем увеличении. Измерения длины участков волос и площади их поперечных сечений производили на персональном компьютере с помощью программы анализа изображений «Plana».
Статистическая обработка полученных данных.
Для статистической оценки полученных в результате измерений данных использовали непараметрические методы (сравнение независимых и сопряженных выборок в соответствии с критериями знаков, Вилкоксона, Манна-Уитни, Колмогорова Смирнова). Сопоставление временных рядов осуществляли с помощью методов регрессионного анализа. Статистическая обработка производилась с использованием программ «Stadia», «SigmaPlot», «Statistica». Критический уровень значимости принимали равным 0,05.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Изменения волосяного покрова у мышей на участке кожи, подвергавшемся повторным эпиляциям Характерной особенностью мышей линии C57BL/6 является изменение окраски кожного покрова в зависимости от стадии цикла волосяного фолликула. Это явление неоднократно описывалось различными авторами и служит маркером активных стадий цикла волосяных фолликулов (Muller-Rover et al., 2001). Потемнение кожи, распространяющееся в виде волны с относительно отчетливым фронтом от краниальных и вентральных областей тела в каудальном и дорзальном направлениях, сопровождает естественное обновление волосяного покрова.
В наших опытах потемнение кожи становится заметным на пятые сутки после эпиляции, углубляется по мере прогресса анагена и достигает максимальной насыщенности к 11-12 суткам после эпиляции. На протяжении катагена кожа светлеет, и приобретает естественный розовый цвет с наступлением телогена. Такие закономерные изменения цвета кожи в области эпиляции у подопытных мышей мы наблюдали после первых трех эпиляций. После четвертой эпиляции (т.е. у 20-недельных мышей) нарушалась характерная для анагена равномерность окраски кожи: потемнение эпилированной поверхности распространялось, как правило, кранио-каудально в виде резкого фронта.
Такая пигментация сохранялась на протяжении последующих эпиляций (т.е. до 32 недельного возраста), вне зависимости от инициированных эпиляциями фолликулярных циклов. Эти особенности пигментации нельзя объяснить естественным процессом обрастания, совпавшим по времени с периодическими эпиляциями. По Мюллер-Ровер (Muller-Rover et al., 2001) первая естественная волна роста волос у мышей линии C57BL/ происходит в возрасте 4 недель;
вторая – в возрасте 12 недель. Таким образом, можно полагать, что ритм регулярной пигментации кожи, инициированный синхронными эпиляциями, нарушается в результате экспериментального воздействия.
Помимо нарушения пигментации у подопытных животных отмечено поредение волосяного покрова на эпилируемом участке, становящееся заметным после пятой эпиляции (рис. 1).
А Б В Рис. 1. Вид шерстного покрова на эпилируемой области на спине мышей после шестого цикла эпиляции (А, Б). Вид шерстного покрова интактной мыши того же возраста (В).
Следует иметь в виду, что шерсть у контрольных животных к 8-месячному возрасту сформирована в результате трех естественных волн обрастания: в эмбриональный период и в возрасте 4 и 12 недель. У мышей не выражена фаза экзогенна, то есть телогенные волосы каждой из генераций не выпадают, а остаются погруженными в толщу кожи. Таким образом, волосяной покров 8-месячных животных контрольной группы должен быть как минимум в 3 раза гуще, чем у подопытных, у которых в результате эпиляций постоянно сохраняется одно и то же соотношение численности фолликулов и волос (1:1). Детальное рассмотрение эпилировавшихся областей, позволяет предполагать, что в этот эффект привносит свой вклад изменение состава волосяного покрова: увеличение количества тонких пушковых волос и уменьшение количества длинных и относительно толстых остевых и направляющих волос.
Динамика состава волосяного покрова мышей при последовательных эпиляциях Динамика доли пушковых волос, полученных из области ниже лопаток и области крестца у контрольных животных, не различается статистически (различия коэффициентов наклона линейных трендов недостоверны, p 0,05;
рис.2, А). Линейный тренд, характеризующий динамику пушковых волос у животных контрольной группы, имеет незначимый коэффициент наклона (p = 0,1098). В соответствии с этим, следует полагать, что доля пушковых волос на протяжении исследованного периода существования животных изменяется незначимо.
У подопытных мышей, динамика изменения доли пушковых волос закономерно возрастает (значимость свободного члена линейного тренда p 0,0001, коэффициента наклона – p = 0,0026;
рис. 2, А). Линейный тренд достоверно отличается от линейного тренда, характеризующего изменение доли пушковых волос у контрольных животных (значимость различий коэффициентов наклона p = 0,031).
Таким образом, можно с достаточной уверенностью полагать, что увеличение доли пушковых волос вызвано экспериментальным воздействием, т.е. периодической эпиляцией. Доля пушковых волос в области эпиляции фактически не изменяется спустя 196 и 264 дня после завершающей эпиляции (см. рис. 2, А).
Не найдено статистических различий между динамиками доли волос типа auchene, полученных из области ниже лопаток и области крестца (различия коэффициентов наклона линейных трендов недостоверны, p 0,05;
рис.2, Б). Линейный тренд, характеризующий динамику волос типа auchene у животных контрольной группы имеет незначимый коэффициент наклона (p = 0,3183). Следовательно, доля волос типа auchene на протяжении исследованного периода жизни животных изменяется незначимо.
Динамика изменения доли волос типа auchene у мышей подопытной группы в области ниже лопаток снижается (значимость свободного члена линейного тренда p 0,0001, коэффициента наклона – p = 0,0009;
рис.2, Б). У контрольных животных линейный тренд достоверно отличается от линейного тренда, характеризующего изменения доли волос типа auchene у подопытных животных только по коэффициентам наклона (значимость различий коэффициентов наклона p =0,0268), но не по положению прямых (значимость p=0,104).
Исходя из вышесказанного, можно предположить, что уменьшение доли волос типа auchene вызвано экспериментальным воздействием, т.е. периодической эпиляцией. Спустя 196 и 264 дня после завершающей эпиляции доля волос типа auchene в области эпиляции изменяется незначительно (см. рис.2, Б).
Между динамиками доли остевых волос, полученных из области ниже лопаток и области крестца у контрольных животных, нет статистических различий (различия коэффициентов наклона линейных трендов недостоверны, p 0,05;
рис.2, В). Линейный тренд, характеризующий динамику остевых волос у животных контрольной группы имеет незначимый коэффициент наклона (p = 0,0548). Опираясь на это, следует полагать, что на протяжении исследованного периода онтогенеза животных доля остевых волос изменяется незначимо.
А 0 100 200 300 400 Б 0 100 200 300 400 В 0 100 200 300 400 Рис. 2. Изменение доли пушковых (А), auchene (Б) и остевых (В) волос по мере последовательных эпиляций шерсти на одной и той же области (ниже лопаток) на спине мышей (ромбы, сплошная линия – тренд;
вертикальные линии – стандартная ошибка средних) и тренд изменения долей соответствующих типов волос в области ниже лопаток (квадраты, крупный пунктир) и в области крестца (треугольники, мелкий пунктир) с возрастом у контрольных (не подвергавшихся эпиляции) мышей. Перекрестием указаны значения долей волос соответствующего типа у подопытных мышей спустя 196 и 264 дня после последней эпиляции. Ось абсцисс – время в сутках;
ось ординат - % волос соответствующего типа.
Динамика изменения доли остевых волос в области ниже лопаток у мышей подопытной группы заметно снижается и может быть описана линейным трендом (рис.2, В), который достоверно отличается от линейного тренда, описывающего изменения доли остевых волос у мышей контрольной группы лишь положением (p = 0,00217), но не коэффициентом наклона (значимость различий p = 0,0751). В области эпиляции доля остевых волос фактически не изменяется спустя 196 и 264 дня после завершающей эпиляции (см. рис. 2 В). Направляющие волосы в силу своей малочисленности рассматриваются здесь только на рис. 3 и в комментариях к нему.
Плотность волосяного покрова у контрольных животных в области ниже лопаток и на крестце не изменяется сколько-нибудь значимо на протяжении всего периода наблюдения (коэффициенты наклона аппроксимирующих трендов незначимы).
Однако, плотность волос на крестце (44,4±1,60 на 1 мм2) значимо превосходит таковую в области ниже лопаток (38,3±1,00 на 1 мм2) (критерий знаков, p = 0,043;
критерий Вилкоксона для парных значений, p = 0,0054). Вопреки отмеченному выше впечатлению, плотность волосяных фолликулов на эпилировавшейся поверхности также сохраняется относительно неизменной на протяжении всего экспериментального периода (коэффициент наклона соответствующего линейного тренда незначим).
Усредненная (для всего периода эпиляций) плотность волос на 1 мм2 эпилировавшейся поверхности (37,07±0,74) значимо отличается от средней плотности волос на крестце (критерий знаков, p = 0,0234;
критерий Вилкоксона для парных значений, p =0,018), но не отличается от средней плотности волосяного покрова в области ниже лопаток (критерий знаков, p = 1,000;
критерий Вилкоксона для парных значений, p =0,867).
Здесь следует добавить следующее: тщательное исследование гистологических препаратов образцов кожи подопытных животных после завершения периодических эпиляций не выявило каких-либо цистоподобных образований на месте волосяного фолликула, или фрагментов волосяных фолликулов в виде верхней части волосяного канала с ассоциированными сальными железами мы не обнаружили (описанных в работах Ibrahim, Wright, 1978;
Hamilton, Potten, 1974). Эти результаты в совокупности с данными подсчета прорастающих волос после каждой эпиляции позволяют утверждать, что на протяжении последовательных эпиляций участка кожи не происходило сколько нибудь значимого сокращения их плотности.
Суммарное количество пушковых, auchene, остевых и направляющих волос, сформированных волосяными фолликулами в периодически эпилировавшейся области на протяжении всего периода исследования, возрастает в высшей степени регулярно (рис. 3).
А 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Б 0 20 40 60 80 100 120 140 160 В 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Г 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Рис. 3. Суммарная продукция пушковых (А), auchene (Б), остевых (В), направляющих (Г) волос фолликулами в области ниже лопаток на протяжении периода эпиляций (точки). Сплошные линии – аппроксимация последовательностей точек. Пунктирные линии - гипотетические кумулятивные прямые, построенные на основании предположения о том, что после каждой эпиляции волосяные фолликулы формируют одинаковое количество волос соответствующего типа. Ось абсцисс – время в сутках;
ось ординат – сумма долей волос соответствующего типа в образцах эпилированной шерсти (в %).
На основании того, что численность волос на эпилировавшемся участке кожи не изменяется существенно, предположим, что каждый фолликул, после очередной эпиляции формирует стержень волоса того же типа, как и ранее. Исходя из этой посылки построим гипотетическую кумулятивную кривую, отражающую деятельность (продуктивность) фолликулов на протяжении всего периода эпиляций (см. рис. 3).
Очевидно, что эта гипотетическая кумулята в точности описывается линейной зависимостью. Такие линейные зависимости достоверно отличаются от соответствующих линейных зависимостей, аппроксимирующих кумулятивные кривые для каждого типа волос (для пуховых волос различия коэффициентов наклона достоверны с p = 1,6*10-6, для волос типа auchene – с p = 4,2*10-7, для остевых волос – с p = 6,4*10-7, для направляющих волос – с p = 1,3*10-6). Из сопоставления линейных зависимостей, аппроксимирующих реальное изменение доли волос того или иного типа с соответствующими гипотетическими кумулятивными линейными зависимостями следует, что в результате периодической эпиляции происходит трансформация деятельности волосяных фолликулов: главным образом фолликулы, формировавшие волосы типа auchene и, в меньшей мере, фолликулы, продуцировавшие остевой тип волос, после нескольких эпиляций начинают формировать тонкий пушковый волос.
Изменение доли седых волос при периодических эпиляциях В процессе опыта было обнаружено, что после нескольких эпиляций одного и того же участка кожи во вновь сформированном шерстном покрове появляются седые волосы. Результаты определения численности (доли) седых волос в образцах шерсти, полученных в результате последовательных эпиляций одной и той же области на спине мышей представлены на рис. 4. Распределение седых волос в соответствии с их типами у подопытных животных свидетельствует о том, что седеют в основном пушковые волосы. Очевидно, что поседение волос у мышей линии C57BL/6 – событие редкое. У контрольных (т.е. не подвергавшихся регулярным эпиляциям) животных доля седых волос в образцах шерсти как из области ниже лопаток, так и из области крестца, если и возрастает, то очень незначительно. Коэффициенты уравнения линейных трендов, аппроксимирующих численность седых волос в области ниже лопаток и на крестце по мере существования контрольных животных незначимы (p = 0,425 для свободного члена и p = 0,451 для коэффициента наклона, R2 = 0,1180, для первой области и p = 0,934 для свободного члена и p = 0,428 для коэффициента наклона, R2 = 0,1625, для второй области) (см. рис. 4).
1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0 100 200 300 400 Рис. 4. Возрастание доли седых волос по мере последовательных эпиляций шерсти на одной и той же области (ниже лопаток) на спине мышей (сплошная линия, ромбы;
вертикальные линии – стандартная ошибка средних) и тренд изменения доли седых волос в области между лопатками (крупный пунктир, квадраты) и в области крестца (мелкий пунктир, треугольники) с возрастом у мышей, не подвергавшихся эпиляции.
Перекрестием указаны значения долей седых волос у подопытных мышей спустя 196 и 264 дня после последней эпиляции. Ось абсцисс – время в сутках;
ось ординат - % седых волос.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 Рис. 5. Суммарная продукция седых волос фолликулами в области ниже лопаток на протяжении периода эпиляций (точки);
сплошная линия – аппроксимация последовательности точек трехпараметрической сигмоидой Гомпертца. Линии на графике: 1 - гипотетическая кумулятивная прямая, построенной на основании предположения о том, что после каждой эпиляции волосяные фолликулы формируют одинаковое количество седых волос, в соответствии с долей седых волос в шерстном покрове у контрольных животных;
2 - гипотетическая кумулятивная прямая, построенной на основании предположения о том, что после каждой эпиляции волосяные фолликулы формируют одинаковое количество седых волос, в соответствии с долей седых волос после первой эпиляции;
3 - гипотетическая кумулятивная прямая, построенной на основании предположения о том, что после каждой эпиляции седые волосы формируются теми же фолликулами и в том же количестве, как после предшествующей эпиляции. Ось абсцисс – время в сутках;
ось ординат – сумма долей седых волос в образцах эпилированной шерсти (в %).
Напротив, доля седых волос у подопытных животных с каждой эпиляцией неуклонно возрастает. Линейный тренд, аппроксимирующий этот рост (R2 = 0,9840), характеризуется в высшей степени значимым коэффициентом наклона (p 0,0001). Таким образом, можно с достаточной уверенностью полагать, что поседение волос вызвано экспериментальным воздействием, т.е. периодической эпиляцией. Спустя 196 и 264 дня после завершающей эпиляции доля седых волос в эпилировавшейся области фактически не отличается от значений, достигнутых после последней эпиляции (рис. 4).
Суммарное количество седых волос, сформированных волосяными фолликулами в эпилировавшейся области на протяжении всего периода исследования, возрастает в высшей степени регулярно (рис. 5), и может быть с высокой степенью достоверности аппроксимировано трехпараметрической сигмоидой Гомпертца (R2 = 0,9998). Эта кумулятивная кривая очевидно отличается от гипотетических кумулят, построенных на основании предположения о том, что после каждой эпиляции формируется такое же количество седых волос, как у контрольных животных (кривая 1 на рис. 5), или как после первой эпиляции (кривая 2 на рис. 5), либо на основании предположения о том, что после очередной эпиляции седые волосы будут формироваться теми же фолликулами и в том же количестве, как после предшествующей эпиляции (кривая 3 на рис. 5) (в каждом случае различия достоверны, p0,05). Из этого следует, что экспериментальное воздействие (т.е.
периодическая эпиляция) способствует увеличению доли седых волос в шерстном покрове, причем после каждой эпиляции во все большем количестве появляются новые, формирующие седые волосы фолликулы.
Содержание меланина в шерсти и меланогенная способность волосяных фолликулов при периодической эпиляции шерстного покрова Содержание меланина определяли методом ЭПР-спектрометрии в образцах шерсти мышей линии C57BL/6, полученных в результате последовательных эпиляций (подопытная группа) и в результате однократной эпиляции интактных животных (контрольная группа). Результаты измерений представлены на рис. 6. Количество меланина выражается через количество парамагнитных частиц меланина на 1 мг волос. У контрольных животных содержание меланина в шерсти на разных участках спины (ниже лопаток и в области крестца) фактически одинаково (средние значения равны 28,6±1,42 и 28,8±2,00;
различия недостоверны, p0,05). С возрастом животных этот параметр не меняется. Коэффициент наклона линейного тренда (см. рис. 6, уравнение (1)) не значим (p = 0,3356), в то время как значение свободного члена в высшей степени достоверно (p 0,0001).
Для линейного тренда у подопытных мышей достоверность аппроксимации выше и оба параметра линейной зависимости статистически значимы (для коэффициента наклона p = 0,0030, для свободного члена линейной зависимости p 0.0001, см уравнение 2 на рис.
6). Различие между линейными трендами, полученными для образцов шерсти подопытных и контрольных животных статистически недостоверно (значимость различия коэффициентов наклона, p = 0,681;
значимость различий в положении регрессионных прямых, p = 0,798). Таким образом, значения количества парамагнитных частиц меланина на 1 мг волос в образцах шерсти у подопытных и контрольных животных кажутся принадлежащими одному множеству.
Здесь следует еще раз подчеркнуть, что выше речь шла об образцах шерсти мышей, полученных в каждой из последовательных эпиляций, т.е. о содержании меланина в стержнях волос каждой из генераций. Количественное представление об интенсивности меланогенной активности у подопытных животных дает кумулятивная кривая (рис. 7).
Сопоставление этой кривой с линейной кумулятой, построенной на основании предположения о том, что количество меланина во вновь сформированном волосяном покрове после каждой эпиляции остается неизменным и соответствующем количеству меланина в образцах шерсти контрольных животных, однозначно свидетельствует о том, что меланогенная способность волосяных фолликулов у подопытных мышей непрерывно возрастает (различия достоверны, p0,05). Очевидно, что этот эффект предопределен периодическими эпиляциями.
По совокупности представленных выше данных следует заключить, что регулярную эпиляцию ограниченного участка кожи с периодом, превышающим продолжительность цикла волосяных фолликулов, действительно следует расценивать как физиологически адекватный способ оценки реакций и состояния совокупности волосяных фолликулов эпилированной области. Использованный в наших экспериментах протокол эпиляций несомненно демонстрирует системную реакцию и выраженную регенерационную способность эпидермального компонента кожи. Однако, в серии последовательных регенераций волосяного покрова закономерно проявляются качественные изменения, однозначно оценить которые кажется затруднительным.
Возможно, но лишь предполагать, что феномен «перепрофилирования», приводящий к возрастанию доли пушковых волос в ущерб более толстым и длинным стержням остевых и auchene волос, предопределяется дисфункцией пролиферативной способности волосяной луковицы - уменьшением количества камбиальных элементов и (или) сокращением возможного числа митотических делений у пролиферирующих кератиноцитов, изменением размеров волосяного сосочка (Elliot K. et. al., 1999).
Поседение волос (т.е. дисфункцию меланогенной единицы волосяного фолликула) следует полагать атрофическим проявлением.
Однозначная оценка феномена возрастания меланогенной активности фолликулов в эпилированной области, так же как отмеченного стойкого почернения кожных покровов после нескольких эпиляций затруднительна, особенно с учетом того, что собственно в кожном эпителии мышей линии C57BL/6 нет меланоцитов (Slominski, Paus, 1993).
(1) y = 0,289x + 24,596, R2 = 0, (2) y = 1,5345x + 16,434, R2 = 0, 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Рис. 6. Количество меланина в образцах шерсти из области ниже лопаток у контрольных (зачерненные квадраты) и подопытных (подвергавшихся регулярным эпиляциям, открытые ромбы) мышей. Ось абсцисс – возраст животных, месяцы;
ось ординат – количество парамагнитных частиц меланина на 1 мг волос, х1013. (1) – уравнение линейного тренда для количества меланина в волосах контрольных животных (пунктирная линия на графике);
(2) то же (сплошная линия) для подопытных мышей.
Перекрестиями обозначены значения количество меланина в волосах подопытных мышей через 196 и 264 дня после последней эпиляции.
0 50 100 150 Рис. 7. Суммарная продукция меланина волосяными фолликулами в области между лопатками на протяжении периода эпиляции (линия и точки). Линией показана гипотетическая кумулята, построенная на основании предположения о том, что количество меланина во вновь сформированном волосяном покрове после каждой эпиляции остается неизменным и соответствующем количеству меланина в образцах шерсти контрольных животных. Ось абсцисс – время в сутках;
ось ординат – сумма значений количества парамагнитных частиц на 1 мг волос в образцах эпилированной шерсти х1013.
Морфометрическое исследование временной динамики формирования стержня остевого волоса у мышей Временная динамика роста остевого волоса Временную динамику роста остевых волос исследовали у 5 мышей, измеряя у каждой длины от 25 до 50 случайно выбранных остевых волос в области ниже лопаток спустя определенное время после эпиляции этой области, инициировавшей цикл фолликулов в этой области кожи.
Вопреки индивидуальной вариабельности динамики роста волос, для каждого из исследованных волос данные наилучшим образом описываются трехпараметрической сигмоидальной зависимостью.
Усредненная по всему массиву данных кривая роста остевого волоса представлена на рис. 8. Разброс экспериментальных значений наилучшим образом описывается трехпараметрической сигмоидой:
a L(t ) =, t t 1+ e b где a= 99,66±2,532;
p 0,0001;
b= 44,24±4,016;
p 0,0001;
t0= 331,06±4,537;
p 0,0001;
R2=0,9563.
Рис. 8. Обобщенная временная динамика роста остевого волоса, построенная на основании данных исследования на пяти мышах. Ось абсцисс – время в мин;
ось ординат – нормализованная длина волоса, %. Максимальная длина остевых волос принята равной 100%.
Изменение формы поперечного сечения и объема телогенного остевого волоса мышей Форма поперечного сечения остевого телогенного волоса закономерно изменяется по его длине. В дистальной части стержня волоса сечение приближается к кругу, далее становится эллипсовидным, а затем бобовидным. По мере смещения к корню волоса бобовидная форма изменяется на эллипсовидную, а затем на круглую. Максимальную площадь имеет сечение бобовидной формы.
В результате измерений, произведенных на толстых срезах волос, был получен ряд значений длин фрагментов волоса, hi, и ряд значений Si, - площадей последовательных поперечных сечений волоса (от кончика к корню). На основании этих величин рассчитывали объемы каждого из фрагментов волоса и восстанавливали зависимость, отражающую возрастание объема волоса по его длине. Для получения временной развертки динамики возрастания объема остевого волоса мы воспользовались представленными ранее данными, характеризующими кинетику роста волоса.
Произведя пересчет значений удлинения волоса во время, получаем временную динамику роста объема волоса (рис. 9). Изменение объема волоса во времени с высокой достоверностью аппроксимируются сигмоидой по Гомпертцу:
t t b e y = ae где а = 0,0035±0,0001, b = 63,166±6,4433, t0 = 271,0267±4,1126. Значимость коэффициентов очень высока (p 0,0001), достоверность аппроксимации R2 = 0, 9507.
Рис 9. Динамика изменения объема телогенных остевых волос во времени (точки). Линией отражает аппроксимацию разброса значений трехпараметрической сигмоидой по Гомпертцу. Ось абсцисс – время в час;
ось ординат – объем в мм3.
Рост объема стержня волоса отражает накопление продуктов дифференцировки кератиноцитов волосяного фолликула.
В луковице существуют две различные зоны: матрикс и зона дифференцировки.
Клетки последней являются прямыми потомками клеток матрикса. В результате смещения клеток из матрикса в зону дифференцирровки создается постоянный однонаправленный «поток» от основания луковицы в дистальном направлении, причем клетки в этом потоке не перемешиваются. Клетки, образующиеся в некоторой зоне матрикса, одновременно смещаются в верхние слои и дифференцируются, включаясь в стержень волоса (Всеволодов, 1979).
Таким образом, волос в своей форме и геометрических показателях фиксирует количество дифференцирующихся клеток и сроки их дифференцировки и, соответственно, динамику (количество и сроки) накопления клеток в луковице. Как указывалось выше, структура волоса есть «запись» событий, происходящих с клетками луковицы. Следует однако отметить, что часть кератиноцитов луковицы при дифференцировке образует слои внутреннего корневого влагалища, которое затем деградирует на уровне впадения протоков сальных желез в пилярный канал. Из этого следует, что кривая роста объема стержня волоса, опосредует клеточную динамику той части луковицы, клетки которой идут на построения стержня волоса.
Существуют представления, согласно которым возрастание численности клеток при увеличении массы (росте) ряда закладок органов в развитии позвоночных принципиально соответствуют, аналогично событиям, происходящим в периодической клеточной культуре (Лившиц, 1975;
Лившиц 1978;
Лившиц 1986;
Лившиц 1987;
Перт, 1978). Мы попытались сопоставить развитие волосяного фолликула с фазами развития периодической клеточной культуры и убедились в отсутствии принципиальных разногласий такого сопоставления. Предположим, что пролиферативные события, сопровождающие фолликулярный цикл, принципиально соответствуют событиям в периодической клеточной культуре. Рассмотрим кривую, характеризующую возрастание объема волоса во времени, с таких позиций.
Эту кривую (сигмоиду Гомпертца) возможно разделить на две ветви. До момента времени t0 (271,03 ч) скорость увеличения объема стержня волоса непрерывно возрастает, но замедляется после достижения этого срока. Кажется логичным полагать, что первая ветвь соответствует периоду экспоненциального роста, т.е. определяется уравнением:
V = a ebt (3) Действительно, как выяснилось в результате аппроксимация, уравнение экспоненциального роста хорошо описывает данные, соответствующие первой ветви рассматриваемой кривой (R2 = 0,9841;
a = 1,343*10-6±4,468*10-7;
b = 0, 026±0,0013;
значимость обоих коэффициентов уравнения p 0,0001). Возможность представления первой фазы динамики роста объема волоса экспоненциальной зависимостью является весомым подтверждением нашего предположения.
На основании параметров полученной экспоненциальной зависимости можно определить два существенных параметра, характеризующих пролиферацию кератиноцитов луковицы: объем исходного материала, давшего начало волосяному фолликулу (аналог объема инокулята в клеточной культуре) и время удвоения этого объема (аналог удвоения клеточной численности, массы).
Возрастание исходной массы (N0) во времени t определяется уравнением:
t N (t ) = N 0 2 T, где T - период удвоения. Поскольку 2 = eln 2, уравнение преобразуется в вид:
ln t N (t ) = N 0 e (4).
T Из сравнения уравнения (4) с уравнением (3) следует, что:
a = N 0 =1,343*10-6 мм3 = 1343,4 мкм ln 2 ln b=, или T = = 26,97 ч T b Значение Т (27 ч) вдвое превосходит длительность клеточного цикла в матриксе волосяной луковицы мышей, равную 13 ч (Всеволодов, 1979;
Соколов и др., 1988).
Следует учитывать, что значение a отражает объем зачатка волоса в той форме, в которой представлен материал сложившегося волоса. Полагая, что в процессе кератинизации клеток последние теряют около 60% воды, эти цифры следует увеличить на 60%. Иными словами, объем зачатка должен составлять 2149,64 мкм3.
Диаметр недифференцированной клетки матрикса волосяной луковицы равен приблизительно 8 мкм (Соколов и др., 1988). Соответственно, объем такой клетки равен ~270 мкм3. Из этого следует, что зачаток волоса должен содержать 8 клеток.
Волосяной сосочек на стадии телогена имеет минимальный объем (в цикле ВФ) и шаровидную форму с диаметром около 17 мкм (по Muller-Rover et. al., 2001). К волосяному сосочку примыкает базальная мембрана, которая контактирует с аморфной массой кератиноцитов – герминативным слоем, либо germ cell cap (Muller-Rover et. al., 2001). В телогене площадь поверхности волосяного сосочка составляет 900 мкм2, половина этой площади, т.е. около 450 мкм2 обращена к герминативному слою. Если полагать, как и ранее, диаметр кератиноцита равным 8 мкм, то можно легко определить минимальную площадь его проекции на поверхность волосяного сосочка, она равна мкм2. Соответственно, на дистальной поверхности волосяного сосочка на стадии телогена, уместится максимально 9 кератиноцитов.
Результаты двух независимых расчетов (численности клеток в зачатке волоса, определенной в результате аппроксимации процессов роста стержня волоса, и численности кератиноцитов, находящихся в контакте с волосяным сосочком), вопреки их приблизительности, поразительно совпадают. Если в результате дальнейших исследований подтвердится неслучайность этого совпадения, станет возможным уточнить роль герминативного эпителия в телогенном фолликуле, объяснить события, приводящие к формированию волосяной луковицы в цикле волосяного фолликула.
Выводы 1. Предложен физиологически адекватный протокол периодической локальной эпиляции шерсти у мышей линии C57BL/6, позволяющий выявить особенности репаративной реакции системы волосяных фолликулов.
2. В результате периодической эпиляции на фоне относительно неизменной плотности волосяных фолликулов изменяется состав волосяного покрова:
возрастает доля пушковых волос за счет уменьшения доли, главным образом, волос типа auchene и в меньшей мере – остевых и направляющих волос.
3. В восстанавливающемся после последовательных эпиляций волосяном покрове прогрессивно возрастает численность седых волос, но практически не изменяется содержание меланина в образцах шерсти.
4. Интегральная оценка деятельности системы волосяных фолликулов на эпилировавшейся поверхности демонстрирует: возможность трансформации одного типа фолликулов в другой;
дисфункцию пигментных единиц у отдельных фолликулов, происходящую на фоне активации меланогенеза в других фолликулах.
5. Удлинение и изменение объема остевых волос у мышей линии BALB/c в высшей степени достоверно описывается сигмоидальными зависимостями.
6. Динамика дифференцировки кератиноцитов волосяного фолликула, оцененная по накоплению продукта дифференцировки (т.е. по росту объема стержня волоса), отражает динамику численности клеток волосяной луковицы на протяжении цикла волосяного фолликула.
Список печатных работ, опубликованных по теме диссертации 1. Фасоляк П.Д. Размер, форма и ростовые параметры волоса как отражение пролиферативной активности камбиальных элементов волосяного фолликула. // Тезисы докладов XI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2004». Секция Биология. Москва. 2004, с. 160-161.
2. Фасоляк П.Д., Доронин Ю.К.. Морфология и параметры роста волоса как отражение динамики пролиферативной активности клеток волосяного фолликула.
// Материалы Всероссийской конференции молодых исследователей «Физиология и медицина». Санкт-Петербург. 2005, с. 125.
3. Голиченкова П.Д., Доронин Ю.К. Повторные раунды регенерации волосяного фолликула как способ оценки состояния эпидермальных стволовых клеток. // Сборник материалов Симпозиума с международным участием «Клеточные, молекулярные и эволюционные аспекты морфогенеза». Москва. 2007, с. 35.
4. Голиченкова П.Д., Доронин Ю.К.. Реконструкция пролиферативной активности волосяного фолликула по геометрическим параметрам растущего волоса. // Вестник Московского Университета. Серия 16. Биология. 2008, №2, с. 32-35.
5. Голиченкова П.Д., Доронин Ю.К. Формирование стержня волоса – результат латерального умножения и дистальной дифференцировки эпидермальных пролиферативных единиц. // Труды XVI Международной конференции «Новые информационные технологии в медицине, биологии, фармакологии и экологии».
Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 2008, с. 137-138.
Благодарности. Автор выражает благодарность своему научному руководителю д.б.н.
Ю.К. Доронину, коллективу кафедры эмбриологии биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, д.б.н., профессору К.Н. Тимофееву, д.б.н., профессору Э.Б.
Всеволодову.