Nature:揭示长期压力导致脱发内在机制,你的头发有救了?
2021-04-06   阅读:473   来源:生物探索

本文转载自“学术头条”微信公众号。

由于日常的工作与生活节奏快、压力大,再加上很多不规律的作息习惯,脱发秃顶、发际线变高已不是老年人才有的状态,很多年轻人也开始面临这个问题。

正常情况下,头发其实是一边长一边掉的,人类头发的生长循环周期可分为三个阶段:生长期、退化期和休止期。在梳头发时,外在拉力有时候就会让已处于休止期的头发脱落,人每天可能就有 50~100 根头发脱落,这属于正常生理现象;而病理性脱发每天掉头发的数目要更多,并难以进入再生循环,最后导致出现直观可见的头发稀疏或秃顶。

长期以来,人们都习惯性认为持续的慢性压力、精神焦虑、情绪紧张等与脱发密切有关,但这些应激状态导致脱发的潜在生理机制是什么?答案一直难以捉摸。

所谓了解病根才能对症下药。现在,一组科学家团队揭开了其中的秘密,相关论文于 4 月 1 日发表在《自然》杂志上,题为 “Corticosterone inhibits GAS6 to govern hair follicle stem-cell quiescence”。

(来源:Nature)

研究人员用小鼠做实验,探究了肾上腺的应激激素皮质酮对毛囊干细胞(HFSC)的静止和毛发生长起到的关键作用,这项研究为探索慢性应激所致脱发的治疗奠定了基础。

图|小鼠的应激和毛发生长关键因素(来源:Nature)

让小鼠毛发再生变强

头发是从 HFSCs 生长出来的,具有正常功能且一定数量的 HFSCs 是头发正常生长的基础,HFSCs 平时会处于休眠静止状态,但在生长期,会短暂增殖以启动毛发再生,因此,对于年轻人而言,常理下头发掉了还能再长出来,这种循环次数越快越多,我们头发的恢复生长能力也就越好。

早期的研究表明,外在压力信号会触发肾上腺释放压力激素(人的皮质醇和啮齿动物的皮质酮),为了确定肾上腺激素如何影响毛发周期,研究人员对小鼠进行了肾上腺切除术(ADX)来探讨对毛发生长的影响。

他们选用的实验小鼠是 C57BL/6,通常被称为 “C57 黑 6”,是一种常见的近交系实验小鼠, 在遗传学试验中广泛用作转基因鼠以模拟人类的基因缺陷类疾病。

图|实验用小鼠的不同品种(来源:维基百科)

在小鼠出生后第 35 天,即小鼠进入延长的第二个休止期之前,手术切除了 C57BL/6 小鼠的两个肾上腺。实验观察发现,在对照组野生型小鼠中,第二个休止期普遍开始于 P43-P45 左右,平均持续 58±2 天。

相比之下,肾上腺切除(ADX)小鼠(无论是雄性和雌性)都有明显较短的休止期(大约 11 天),毛基质早熟被启动。

通常,HFSCs 只在生长早期增殖,到生长中期会迅速恢复平静。然而,在 ADX 小鼠中,位于毛囊外根鞘隆起(Bulge)和上外根鞘(ORS)的 HFSCs 在生长后期仍保持增殖,因此到生长后期,ADX 小鼠的毛囊比对照小鼠在相同生长阶段的毛囊要长。

另外,ADX 小鼠的毛干(即皮肤之外毛发的可见部分)也变得更长,可能是由于 HFSC 增殖增强的原因,同时 ADX 小鼠的皮肤没有出现明显异常。

对于 ADX 和对照组小鼠,位于毛囊外根鞘隆起(Bulge)和上外根鞘(ORS)中的 HFSCs 在退化期都恢复了静止,两组小鼠的生长期和退化期持续时间是相似的,但 ADX 小鼠的 HFSCs 在静止状态下停留的时间却明显较少。

图|切除肾上腺激活 HFSCs(来源:Nature)

经过长时间的实验,研究人员还发现对照组和 ADX 小鼠的毛发周期有了更多差异变化。

对照组小鼠的休止期会逐渐延长(第二休止期 58±2 天;第三休止期 75±2 天;第四休止期 95±4 天),进入毛发生长期的循环变得零星和不同步。相比之下,ADX 小鼠的毛囊仅在休止期停留了约 2 周时间,就能以同步的方式反复进入生长期。

在肾上腺切除术后大约 16 个月的时间里,ADX 小鼠背部皮肤经历了大约 10 个同步的毛发周期,而对照组小鼠的毛囊则很少同步进入生长期,16 个月内仅完成了大约 3 个毛发周期。

研究人员观察记录发现,在 17-18 月龄的 ADX 小鼠中,第二个休止期比对照组中 1.5 月龄的年轻小鼠的第二个休止期还要短,与同年龄的 “老年” 对照小鼠对比更是鲜明。在 18-22 个月大时,ADX 小鼠的毛发密度与年轻小鼠相似,并显示出强劲的生长期进入状态。

此外,尽管重复进入生长期,HFSC 数量仍保持不变。这些数据表明,肾上腺分泌的系统性因子是 HFSC 静止的关键调节因子,且 ADX 小鼠进入生长期后,HFSCs 再生毛囊的能力没有下降。

一种全新机制

那么第一个问题来了,肾上腺可产生多种激素,包括肾上腺皮质酮、肾上腺素、去甲肾上腺素和醛固酮等,哪种才对毛发的生长起到了关键影响作用呢?

研究人员量化了每种激素的水平,与对照组小鼠比较发现,在 ADX 小鼠中皮质酮表现出最明显的下降,几乎检测不到,这些结果表明肾上腺分泌的皮质酮在正常生理条件下是抑制毛发进入生长期的关键系统调节因子。

为了测试皮质酮水平的增加是否会抑制 HFSC 的激活,研究人员在对照组第二休止期的小鼠饮用水中补充了皮质酮,从而提高循环皮质酮的水平,发现皮质酮水平的短暂增加对头发生长周期的影响不太明显,但长期补充延长了休止期的时间。

经皮质酮喂养的小鼠在体重、皮肤厚度或细胞凋亡方面没有显示出明显的变化。当皮质酮被去除时,小鼠还能够进入生长期,这表明皮质酮对 HFSCs 的作用是可逆的。

为了进一步探究在皮质酮水平改变的生理环境下,HFSCs 是如何变化的,研究人员采用了一种慢性不可预测的应激模型,应激小鼠会表现出心脏甾体酮水平增加和休止期显著延长,与此一致的结果是,肾上腺切除术阻止了小鼠进入长期的休止期。

图|来自肾上腺的皮质酮对 HFSC 的调节(来源:Nature)

由于与应激小鼠相似的老年小鼠也会表现出显著延长的休止期,因此,研究人员还探讨了皮质酮是否也对老年小鼠中出现的长休止期负责。结果是一致的,年龄较大的小鼠体内皮质酮水平逐渐增加,而给 17-18 个月大的小鼠进行肾上腺切除术则导致了快速进入生长期循环。

总的来说,这些数据表明皮质酮水平的增加,无论是生理性的(例如,由慢性应激或衰老引起的)还是外源性的,都能延长休止期的长度。

第二个问题是,皮质酮具体是怎样调节 HFSC 静止的呢?在实验中,研究人员发现皮质酮并不会直接作用于 HFSCs。

因此,他们尝试探索皮质酮是否会作用于生态位中的细胞进而影响 HFSCs 的活性,比如真皮成纤维细胞,它们包围着 HFSCs,其中包括毛乳头(DP)和脂肪细胞前体细胞。

最终,逆转录定量 PCR(RT–qPCR)数据显示,毛乳头(DP)比其他成纤维细胞表达了更高的影响水平,并在介导皮质酮延长休止期的作用中起关键作用。

图|皮质酮作用于 DP 调节 HFSC 的静止(来源:Nature)

下一个目标,便是具体确认哪一种基因介质把皮质酮传递给了 HFSCs。这是一个包含大量对照组实验的过程,研究人员最终在候选分泌因子中发现,GAS6 表现出丰富的表达和显著的上调现象,GAS6 是一种含有 γ- 羧基谷氨酸(Gla)结构域的蛋白质,被认为与细胞增殖刺激有关。

通过原位杂交证实,GAS6 在 ADX 小鼠的 DP 中上调,并在给 ADX 小鼠喂食皮质酮时恢复到基线水平。在生长后期,GAS6 在对照组小鼠的 DP 中表达下调,但在 ADX 小鼠的 DP 中其表达水平仍然很高。

为了验证 GAS6 在 HFSC 调控中的作用,研究人员用流式细胞仪纯化 HFSCs,将其接种于培养基中,并在培养基中加入重组 GAS6。在 GAS6 存在的条件下,HFSCs 形成了更多的菌落,而当研究人员用 AXL 特异性抑制剂 R428 阻断 AXL 活性时,则可抑制 GAS6 在体外促进 HFSC 增殖的能力。

图|GAS6 的过度表达抵消了皮质酮的抑制作用(来源:Nature)

将 R428 局部应用于 ADX 小鼠能抑制其生长期的进入,表明阻断 GAS6–AXL 通路可以部分抑制皮质酮丢失时出现的异常 HFSC 活性,在分子水平上,R428 还抑制了从 ADX 小鼠分离的 HFSCs 中上调的七个核心基因的表达。

最后,上述结果综合起来,研究人员证实了 “皮质酮 - GAS6-AXL” 通路在调节 HFSC 活性中起到了主要作用。

能否用于人类?

那么,最终的问题来了,能否利用上述确定的机制来抵消皮质酮水平增加的影响,并促进应激下 HFSC 的激活?未来让人类头发也有相似的增强再生能力?

研究人员评估了应激小鼠和喂食皮质酮小鼠的 DP 中的 GAS6 水平,发现在应激期间或皮质酮水平增加后,DP 中的 GAS6 水平显著下调。为了确定 GAS6 表达的恢复是否足以克服应激诱导的 HFSCs 抑制,他们给小鼠皮内注射 AAV-CAG-GAS6,并使小鼠经受慢性不可预测的应激或长期皮质酮喂养。

结果证明,GAS6 的过度表达有效地缓解延长的休止期,且 GAS6 表达的恢复足以在高皮质酮环境中促进 HFSC 活化。

在论文的讨论部分,研究人员表示,这项研究的贡献在于阐明了一种新的机制,即系统因子能通过抑制生态位因子来调节干细胞群,慢性应激正是通过这样的机制延迟了毛发生长期的进入。

这项研究不仅揭示了局部和全身水平上 HFSC 静止和激活的重要调节因子,而且还确定了慢性应激影响头发周期的细胞和分子机制。因此,将来有可能通过利用皮质酮 - GAS6 来调节 HFSCs 促进毛囊再生的能力。

然而,在这一成果应用于人类之前,还有一些问题有待论证。针对这项研究,美国伊利诺伊州西北大学费恩伯格医学院病理学系和皮肤科专家 Rui Yi 在 Nature 评论文章中指出:

首先,虽然皮质酮被认为是啮齿类动物与人类皮质醇的等效物,但我们还不知道皮质醇是否以类似的方式在人类体内发出信号。

其次,小鼠和人类毛发周期的持续时间是不同的。在成年小鼠中,大多数毛囊平时都处于休止期,而人类毛囊只有 10% 左右。这一点尤其重要,这项研究没有对生长期进行全面的评估,生长期约占人类头皮毛囊的 90%。这将是有趣的,下一步需要看看慢性压力或皮质醇,在人类头皮上是否可会推动生长毛囊进入休止期,还是这些现象只发生在小鼠身上。

第三,虽然在严重的压力下毛发脱落通常发生在休止期,但长期而言是如何导致毛囊锚定减少,最终导致秃顶的原因尚不清楚。在老鼠和人类中,由于拔毛而失去的休止期毛囊通常会刺激新一轮的毛发生长。因此,慢性应激引起的脱发可能是由减少毛囊锚定和抑制进入生长期的机制相互促进的。

最后,这项研究已经证明 GAS6 可以促进 HFSCs 中参与细胞分裂的几个基因的表达,而不干扰已知的转录因子和信号通路。但在老化的皮肤中,祖细胞可能含有 DNA 突变 —— 包括皮肤癌中常见的有害突变。这将是需要注意的,看看强制改变 GAS6 表达是否会无意中释放这些静止但潜在突变的 HFSCs 的生长。

尽管科学的方法能为治疗脱发带来新的希望,但这个过程依然任重道远,或许最简便的缓解之法就在我们日常生活中,那就是学会调节压力,让自己的身心尽量放松一些。

参考资料:

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-021-03417-2

[2]https://www.nature.com/articles/d41586-021-00656-1

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