Ученые преобразовали зафиксированные изображения кожи в «мультфильм» о формировании волос. Выяснилось, что потеря волос начинается с нарушения временных процессов в клетках.
Специалисты из медицинского отделения Института Джона Хопкинса разработали метод, который позволяет «перемотать» время назад и увидеть, как формируется волосяной фолликул. Для этого они создали трехмерные молекулярные карты кожи мышей и выстроили сотни фолликулов по их стадии развития. Получившаяся последовательность превратилась в своеобразную анимацию, где вместо пластилиновых персонажей задействованы миллионы клеток. Результаты исследования опубликованы в журнале Cell.
Волос начинается… не с волоса
Волосяной фолликул — один из самых мелких и одновременно многочисленных органов человеческого организма. Несмотря на свой крошечный размер, он проходит достаточно серьезный путь развития.
Согласно данным исследователей, изначально клетки-предшественники формируются в определенной конфигурации и задают будущему фолликулу пространственную ось, перпендикулярную поверхности кожи. Затем они начинают трансформироваться в различные специализированные клеточные типы. На завершающем этапе эти клетки растут, меняют форму и формируют зрелую структуру, из которой в будущем может возникнуть волос.
Основная сложность для ученых заключалась в том, что обычное изображение фиксирует лишь один момент времени. Наблюдать за развитием органа в реальном времени затруднительно: процесс происходит одновременно в огромном количестве клеток и зависит от их точного взаимодействия.
Команда биомедицинских инженеров решила преодолеть эту проблему. Исследователи разработали технологию 3DEEP — 3D DNase-Enhanced Expression Profiling. Она позволяет работать с достаточно большими фрагментами ткани и одновременно фиксировать положение миллионов молекул РНК.
На основе полученной информации ученые определяли типы клеток и их «молекулярный возраст». После этого фолликулы были выстроены от самых молодых до самых зрелых. Так набор отдельных застывших состояний преобразовался в трехмерную реконструкцию развития во времени.
Когда клеточный оркестр сбивается с ритма
Особенно интересной оказалась часть эксперимента с мышами, у которых отсутствовал ген Foxn1, играющий критическую роль в росте волос.
У обычных мышей фолликулы последовательно проходят стадии формирования. У животных с мутацией этот процесс замедлялся. Причем клетки не оставались бездействующими: наоборот, они делились даже более активно. Проблема заключалась в том, что клетки менее эффективно созревали и не вовремя принимали нужные специализированные роли.
В результате нарушалась тонкая координация между клетками. Исследователи выяснили, что из-за сбоя в коммуникации и временных процессах развивающийся фолликул терял свою структуру еще до того, как успевал сформировать волос.
Поэтому авторы рассматривают новую технологию не только как способ изучения волос. Такая «карта в пространстве и времени» потенциально может помочь разобраться в механизмах врожденных заболеваний, нарушений развития органов и некоторых форм потери волос.
Пока исследования проводятся на мышах, но в будущем ученые намерены адаптировать метод для тканей человека. Тогда, по их замыслу, можно будет получать значительно больше информации из образцов конкретного пациента и искать индивидуальные причины проблем с ростом волос.