Гнездная алопеция – заболевание мультифакториальной природы [16], при котором органом-мишенью для аутоиммунной атаки является волосяной фолликул [25]. Возникновение гнездной алопеции опосредовано сложным взаимодействием генетических и внешнесредовых факторов [2, 3]. В научной литературе обсуждается роль многочисленных факторов внешней среды [18, 39, 40], которые, вероятно, могут увеличить или уменьшить восприимчивость к этому дерматозу, влияют на его клиническую форму, тяжесть заболевания, течение, ответ на лечение, путем модификации физического и биохимического статуса иммунной системы и/или фолликула волоса [36]. Данные эпидемиологических исследований свидетельствуют о том, что частота аутоиммунных заболеваний в различных регионах мира меняется в зависимости от моделей потребления пищи и содержания в ней пробиотиков, витаминов Д, А, селена, цинка, омега-3 жирных кислот и флавонов [12], в некоторых работах рассматривается возможное влияние нарушения обмена микроэлементов в качестве триггерного фактора, способствующего возникновению гнездной алопеции [43, 17].
Цель работы. Целью представленной работы явилось определение роли цинка как структурного элемента регуляторных факторов, определяющих циклические изменения волосяного фолликула.
Материалы и методы исследования
Анализ отечественных и зарубежных литературных источников.
Результаты исследования и их обсуждение
Гнездная алопеция характеризуется нарушением цикла фолликула волоса, приводящим к рецидивирующему выпадению волос [21]. Нормальный цикл развития волоса включает повторяющиеся последовательные фазы активного воспроизводства стержня волоса (анаген), апоптоз-управляемой регрессии (катаген), фазы покоя (телоген) и выпадения (экзоген) [49]. Циклические изменения волосяного фолликула определяются активацией транскрипционных факторов, ряда сигнальных путей, факторов роста, ферментных каскадов [22, 48, 9]. Учитывая, что почти 50 % транскрипционных факторов в геноме человека, используют цинк-содержащие домены («цинковые пальцы») для распознавания своих мишеней [19, 30], и каталитические, структурные и регуляторные функции цинка в организме [13, 37], представлялось интересным оценить участие цинк-зависимых факторов в регуляции цикла фолликула волоса.
Способность волосяных фолликулов постоянно обновляться обеспечивается присутствием мультипотентных стволовых клеток [29]. В покоящейся телогеновой луковице стволовые клетки находятся в эпителии вторичного зародыша волоса, к которому тесно примыкает дермальный сосочек [46]. Активация транскрипции – самое раннее из наблюдаемых изменений, происходящих в этой структуре [49]. Важным механизмом регуляции транскрипции являются транскрипционные факторы. Они участвуют в таких фундаментальных биологических процессах, как клеточная пролиферация, дифференцировка и клеточный ответ на внешние стимулы [24]. Крупнейшее семейство транскрипционных факторов содержит ДНК-связывающий мотив, известный как «цинковый палец» [50]. Клеточно-специфичным цинк-пальцевым белком для базальных кератиноцитов и зародышевых клеток является базонуклин. В кератиноцитах базонуклин ведет себя как маркер стволовых клеток и, как полагают, транскрипционный фактор, который поддерживает пролиферацию и предотвращает терминальную дифференцировку, выполняя важную функцию как регуляторный белок транскрипции ДНК [51]. Ряд структур анагенового фолликула (базальный слой наружного корневого влагалища, зона выпуклости, перипапиллярные клетки луковицы) экспрессируют базонуклин, но по мере приближения к стадии катагена, его экспрессия, как и клеточная пролиферация, останавливаются [53]. Во время фазы анагена, активный рост фолликула включает пролиферацию клеток фолликулярного эпителия с последующим врастанием в удлиняющийся дермальный сосочек, дифференцировку эпителия в основании фолликула и формирование клеток матрикса, генерирующих новый стержень волоса [45]. В этот период в фолликулярном эпителии и мезенхиме дермального сосочка, отделенных друг от друга базальной мембраной, активировано большое число сигнальных путей и факторов (BMP, FGF, HGF, IGF, PDGF, SCF, Shh, Wnt), координированная активность которых необходима для формирования волоса [9, 1]. Для обмена сигнальными молекулами и факторами между фолликулярным эпителием и дермальным сосочком, а также для внедрения растущего фолликула волоса в дерму во время фазы анагена необходимо ремоделирование базальной мембраны и управляемая деградация внеклеточных компонентов соединительной ткани дермы [28]. Эти процессы роста и морфогенеза волосяного фолликула обеспечивают матриксные металлопротеазы [54]. Это широкая группа цинк- и кальций-зависимых протеаз, ответственных за расщепление и восстановление компонентов соединительной ткани, входящих в состав внеклеточного матрикса. Эти ферменты играют важнейшую роль в организме и присутствуют в нескольких формах, которые имеют различную локализацию, субстратную специфичность и регуляцию. Обычно металлопротеазы выделяются из клеток в неактивной форме, что предотвращает расщепление эссенциальных компонентов клетки. Эти энзимы имеют 3 домена: N-терминальный пропептид, каталитический домен и С-терминальный домен [34]. Именно каталитический домен содержит цинк-связывающий мотив, соединенный с метионином, который образует уникальную структуру, известную как «метиониновая петля». Каталитический домен состоит из 2 ионов цинка и двух или трех ионов кальция. Первый ион Zn2+ присутствует в активном сайте и непосредственно участвует в каталитическом процессе. Второй ион Zn2+ выполняет структурную функцию [15], ионы Ca2+ стабилизируют доменную структуру в молекуле металлопротеаз [7].
Клетки анагенового фолликула синтезируют и секретируют различные металлопротеазы, включая интерстициальную коллагеназу, стромелизин-1, желатиназу, коллагеназу и матрилизин. [26, 32], имеющие различную субстратную специфичность.
Деградация внеклеточного матрикса и ремоделирование базальной мембраны строго контролируются балансом между матриксными металлопротеазами и их тканевыми ингибиторами [49], которые циклически экспрессируются в волосяных фолликулах человека [33]. Матричные металлопротеазы связываются с тканевыми ингибиторами в соотношении 1 : 1, блокируя расщепление субстратов [42].
Помимо участия в деградации компонентов внеклеточного матрикса, матриксные металлопротеазы выступают регуляторами биологически важных молекул, таких как металлотионеины [54]. Это низкомолекулярные (6 – 7 кДа) неферментные металл-связывающие белки, представленные четырьмя изоформами. Молекулы этих белков отличаются высоким содержанием (30 %) цистеина, который образует тиоляты металлов посредством сульфгидрильных групп. Одна молекула металлотионеина может связать 7 двухвалентных и 12 одновалентных ионов металлов, это связывание требуется для формирования трехмерной конформации металлотионеина [52], который способен связывать такие металлы, как Zn, Cu, Cd, Hg, Pb, Ni и Co [27, 52]. При этом известно, что связывание ионов цинка и кадмия приводят к идентичной конформации последнего [44]. Металлотионеины выполняют в организме разнообразные функции: регуляцию гомеостаза ионов металлов, удаление свободных радикалов, оказывая противовоспалительное и антиапоптотическое действие. Они участвуют в регуляции транскрипционных факторов, митохондриальном дыхании, ходе клеточного цикла и клеточной дифференцировки [44]. Антиапоптотические эффекты металлотионеины I, II оказывают, ингибируя каспазы и протеин р53, увеличивает de novo синтез и экспрессию уровней апоптоз-ингибирующих генов (например, bcl-2) и ряда факторов роста (подобных FGF, TGFβ, VEGF). Действуя в качестве буфера ионов эссенциальных металлов Zn и Cu, металлотионеины I, II могут управлять Zn- и Cu-зависимыми белками, ферментами и транскрипционными факторами в клетке [6]. Металлотионеин обнаруживается в клетках матрикса волоса и клетках наружного корневого влагалища анагенового фолликула. Предполагается участие этого белка в пролиферации и дифференцировке кератиноцитов [31]. Помимо этого полагают, что металлотионеины влияют на активность матриксных металлопротеаз в естественных условиях, контролируя уровень металлов в организме [54].
В фазу катагена пролиферация и дифференцировка кератиноцитов матрикса волоса значительно снижается, рост фолликула, и производство волоса прекращается, происходит ремоделирование волосяного фолликула, которое гарантирует последующее его возобновление [46, 49]. Катагену способствует ряд факторов (фактор роста фибробластов-5, нейтрофины, трансформирующий фактор роста бетта 1 / 2 (TGF-b1/2), IGF связывающий протеин 3 и тромбоспондин-1), которые синтезируют кератиноциты внешнего корневого влагалища до и во время катагена [8].
Основное событие катагена – апоптоз (49, 11). В его развитии ключевую роль играют белки семейства Bcl2, подразделяющиеся на три группы: активаторы (Bid и Bad – инициируют апоптоз), эффекторы (Bax и Bak – проапоптотические белки) и репрессоры (Bcl2, BclXL и BclW – защищают клетки от апоптотических стимулов) [5]. Многочисленные и специфические взаимодействия между тремя группами белков этого семейства координируют апоптотический ответ [14]. Большое значение при этом имеет соотношение Bcl-2/Bax [23].
На самых ранних этапах морфогенеза фолликула волоса Bcl-2 экспрессируется в эпителии и окружающей мезенхиме анагенового фолликула [49]. С развитием катагена возникает прогрессивное снижение экспрессии Bcl-2 в фолликулярном эпителии и увеличение экспрессии Bax в позднем анагене и в течении катагена [35], что приводит к апоптотическому ответу. Важно отметить, что апоптотические клетки в небольшом количестве присутствуют и в анагеновом фолликуле [49]. В этой связи баланс между процессами пролиферации и апоптоза необходим для воспроизводства цикла фолликула.
Согласно литературным данным, цинк увеличивает экспрессию Вах, приводящую к снижению соотношения Вcl-2/Bax [20] и запуску апоптоза. Помимо белков семейства Вcl-2, апоптоз также контролируется сурвивином [10]. Это член семейства белков ингибиторов апоптоза (IAP), участвующий в регуляции клеточной пролиферации, и ингибирующий апоптоз [4]. Сурвивин, экспрессирующийся кератиноцитами матрикса анагенового волоса и внешнего корневого влагалища, исчезает при прогрессировании катагена [11]. Все члены семейства IAP содержат от одного до трех повторяемых мотивов (BIR), каждый из которых связан с ионом цинка. Кроме того, многие белки семейства IAP также цинк-зависимы [38].
Телогеновый фолликул представлен компактным дермальным сосочком, прикрепленным к кератиноцитам вторичного зародыша волоса, содержащего стволовые клетки волосяного фолликула. Баланс стимуляторов и ингибиторов роста в телогеновом фолликуле является определяющим для инициации телоген-анагенового перехода. Активация Shh пути индуцирует переход волосяного фолликула из телогена в анаген [47]. Выпадение волоса (экзоген) – это активный процесс, сопровождающийся активацией протеолитических процессов в телогеновом фолликуле волоса [41].
Заключение
Таким образом, регенерация волосяного фолликула характеризуется изменениями его структуры и клеточной активности. Смена фаз цикла фолликула волоса подчиняется многообразным сигнальным путям и факторам, многие из которых являются цинк-зависимыми. В связи с этим дисбаланс микроэлементов, в частности приводящий к нарушению цинкового гомеостаза в организме может быть фактором, приводящим к изменениям волосяного фолликула и участвующим в этиопатогенезе гнездной алопеции в качестве триггерного фактора у генетически предрасположенных лиц. Необходимо экспериментальное подтверждение возможности модификации структурного и функционального состояния волосяного фолликула в условиях микроэлементного дисбаланса.