Конкурс «Био/Мол/Текст»-2024/2025

Эта работа опубликована в спецноминации «Старение и долголетие» конкурса «Био/Мол/Текст»-2024/2025.

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Как устроен волос?

Анатомически волос состоит из наружной части (стержень) и внутренней части (корень). Наружная часть — это весь волос, который мы видим над кожей, а внутренняя часть — невидимая, в ней находятся корень волоса и волосяная луковица. Считается, что наружная часть волоса продолжается до сальной железы. Все остальное — уже внутренняя (рис. 1) [1].

Теперь посмотрим на строение самого волоса. Стержень состоит из трех слоев. Внутренний слой — это мозговое вещество, в основном оно состоит из неупорядоченных нитевидных белковых структур. Кортекс, или внутренний слой, состоит из упорядоченных волокон, в основном содержащих белок кератин и структурные липиды. В кортексе также содержатся веретенообразные клетки кератиноциты, расположенные параллельно оси волокна. Именно расположение этих клеток определяет то, будет ли волос кудрявым, или же прямым. Несимметричное распределение кортикальных клеток формирует овальное сечение волоса и заставляет его виться. Кортекс покрыт кутикулой — слоем плоских кератиноцитов, которые наслаиваются друг на друга, покрывая весь волос.

Кутикула тоже состоит из нескольких слоев. Ближе к кортексу находится эндокутикула, она содержит мало цистеина. Далее следует очень тонкий слой А с высоким содержанием цистеина. Снаружи волос покрыт экзокутиколой, в которой также находится большое количество цистеина. Наконец, экзокутикула покрыта эпикутикулой, которая состоит из липопротеинов и представляет собой мембрану [1].

Теперь поговорим подробнее про строение волосяного фолликула. Каждый волос погружен в кожу. Если это пушковый волос, то он обычно доходит только до верхних слоев дермы. Если это уже клубный волос, то он уходит глубоко в дерму и иногда даже в подкожную клетчатку.

Волос «обернут» эпителиальными клетками кожи, вместе с которыми он представляет собой волосяной фолликул. По структуре волосянной фолликул делится на верхнюю и нижнюю части. Верхняя часть состоит из воронки — отверстия, из которого выходит волос. Она анатомически начинается на поверхности кожи и заканчивается у сального протока. Сальный проток содержит сальную железу, которая, при воздействии на нее гормонами (например, андрогенами) выделяет сало, защищающее волос и кожу. Пространство ниже сальной железы и до прикрепления мышцы называется перешейком. Мышца под воздействием холода, сильных эмоций или стресса сокращается, заставляя волос «встать», отчего по коже идут мурашки.

Всё, что находится ниже эпидермиса, называется волосяной луковицей. Место, к которой крепится мышцы — волосяная выпуклость. В ней содержатся эпидермальные стволовые клетки. Выпуклость представляет собой последний постоянный неизменный участок волосяного фолликула.

Нижняя часть волоса постоянно реконструируется при каждом новом цикле роста волос. Она состоит из супрабульбарной области и собственно луковицы и простирается ниже выпуклости.

В нижней части луковицы располагается волосяная матрица из быстро делящихся клеток-кератиноцитов. Они имеют одну из самых высоких скоростей деления в организме и именно поэтому так уязвимы к внешним воздействиям, например, химиотерапии. Там же мы видим дермальный сосочек, в котором находятся фибробласты — специализированные клетки соединительной ткани, а также кровеносные сосуды и нервные окончания. Дермальный сосочек снабжает кровью корень волоса. Между дермальным сосочком и выпуклостью располагается супрабульбарная область [2].

Предшественники кератиноцитов (стволовые клетки) из выпуклости мигрируют к нижней части волоса и там образуют его стержень. После того, как они перестают делиться, они преобразуются в различные клетки самого волоса [3] (рис. 2).

Цикл перерождений

Теперь поговорим про то, как волос растет. Всего он проходит три фазы — анаген, катаген и телоген.

Рост волоса начинается в анагене. Анаген — это фаза активного деления клеток. Длиться она может от 2 до примерно 7 лет. Большинство волос на теле человека в единый момент времени находится именно в анагене. От продолжительности этой фазы зависит также и длина волоса. Например, на голове анаген длится дольше всего, поэтому и волосы могут вырастать очень длинные — до метра.

Все начинается с того, что от клеток дермального сосочка поступает сигнал к клеткам выпуклости. После этого они мигрируют к дермальному сосочку и образуют там луковицу. Далее клетки дермального сосочка сигнализируют уже клеткам волосяной матрицы о том, что пора делиться. Кератиноциты, которые находятся там, начинают пролиферировать и волос растет.

Фаза катагена (или фаза регресса) самая короткая — она длится от 2 до 4 недель. За счет того, что клетки-кератиноциты матрицы уходят в апоптоз, волос перестает расти и нижний сегмент волосяного фолликула начинает регрессировать.

Дермальный сосочек превращается в нить и перемещается выше, чтобы снова быть в контакте с выпуклостью. В процессе образуется клубный волос с белым узлом на конце. Далее наступает телоген.

В этой фазе волос уже мертвый, он полностью отделен от дермального сосочка, никакого деления, роста или апоптоза и гибели клеток уже не происходит. Волос постепенно выталкивается из кожи следующим волосом, и, в конце концов, выпадает. Телоген считается стадией покоя и может продолжаться до 3 месяцев. Затем все повторяется [2].

С каждым новым циклом продолжительность телогена увеличивается, поэтому длительность этого периода волосяных фолликулов влияет и на формирование волос: у стареющих животных этот процесс значительно замедляется.

Черные, белые, красные

Как же происходит окраска волоса? За нее отвечают особые клетки, меланоциты, которые продуцируют пигмент меланин. Предшественники меланоцитов расположены в выпуклости, а более зрелые и уже рабочие клетки — в волосяной луковице у стержня волоса.

Зрелые меланоциты вместе со зрелыми кератиноцитами формируют особую структуру — фолликулярно-меланиновую единицу. На 1 меланоцит приходится примерно 4–5 кератиноцитов. Работа клеток этой единицы регулируется фибробластами дермального сосочка, иммунными и эндотелиальными клетками. Меланоциты передают кератиноцитам меланин, за счет чего растущий волос становится окрашенным. Меланин переносится преимущественно в кортекс волоса.

Окраска волоса происходит в несколько стадий. Сначала происходит синтез меланина в меланоцитах, затем — меланосомы переносятся в кортикальные и немного в мозговые кератиноциты. В самом конце происходит образование пигментированных стержней волос.

Окраска волоса зависит от специальных органелл, меланосом, которые образуются в меланоцитах в результате меланогенеза. В черных волосах содержится большое количество крупных меланосом с эумеланином. В коричневых и более светлых меланосом с эумеланином меньше по количеству, и они также уменьшаются в размерах. В красных (рыжих) волосах находятся феомеланосомы с феомеланином. Они отличаются от эумеланосом по структуре: если в последних меланин расположен упорядоченно, то в первых он не имеет четкой структуры [4].

Как окрашивается волос?

Этот процесс можно разделить на две части: биогенез меланосом и биохимический путь превращения фенилаланина/1-тирозина в меланин. Оба этих процесса находятся под сложным генетическим контролем, за их работу отвечает большое количество белков: транскрипционных факторов, ферментов, структурных белков. Давайте посмотрим на основные.

За хранение меланина отвечают специальные структурные белки, которые также обеспечивают каркас для работы ферментов синтеза. Ферменты тирозиназа (TYR), родственный тирозиназе протеин-1 (TYRP1) и допахромовая таутомераза (TRP2/DCP) регулируют синтез меланина в меланосоме. Также в меланоцитах над производством меланина работают белки, отвечающие за перемещение меланосом и транспортировку их белков и специфические для меланоцитов факторы транскрипции [5].

То, как происходит созревание меланосом, можно рассмотреть на рис. 4.

Возрастные изменения

Волосы меняют цвет на протяжении практически всей жизни. Особенно ярко выражено это у европеоидов. Первый переход цвета происходит в подростковом возрасте. Более светлые нежные волосы у детей становятся более темными и «грубыми». Часто случается так, что светловолосый ребенок становится темноволосым во время полового созревания.

Далее следует период относительной однородности цвета. После 35 лет (а иногда и раньше) волосы могут начать терять свою окраску. В среднем поседение происходит по правилу 50/50/50: пятьдесят процентов населения имеют 50% седых волос к 50 годам [6]. Скорость поседения и возраст его начала варьируют в зависимости от расы: негроиды седеют несколько позже, чем европеоиды и монголоиды — в районе 40 лет. Если говорить про различия между полами, то женщины чаще начинают седеть с лобной области, а мужчины — с височной [7].

Эволюционная роль поседения пока что недостаточно ясна. Есть версия, что седина демонстрирует статусность и способность особи пережить сильный стресс. Ученые отметили, что у самок горных горилл большей популярностью пользовались начинающие седеть самцы — возможно, это говорило об их большей устойчивости к стрессу, и, как следствие, способности произвести на свет более сильное потомство [8].

Поседение происходит за счет потери меланоцитов в волосяных фолликулах. Этот процесс идет также и в эпидермисе кожи, однако там он гораздо менее заметен, чем на волосах. Точные механизмы пока что неизвестны. Есть предположения, что истощается стволовая ниша меланоцитов, останавливается меланогенез или же нарушается антиоксидантная защита волоса. О гипотезах поседения мы поговорим в следующих разделах.

Почему мы седеем?

Основных гипотез поседения на данный момент в научном сообществе всего три [6]:

• Теория активного роста волос Ли;
• Теория Фишера и Нишимуры;
• Теория истощения пула стволовых клеток Тобина и Пауса.

Поговорим подробнее о каждой из них.

Теория активного роста волос Ли

Ученые установили интересный факт: оказывается, in vitro седые волосы растут быстрее, чем окрашенные. С чем это связано еще предстоит выяснить, но уже известно, что большинство генов, связанных с высокой скоростью роста волос, активнее экспрессируются именно в седых волосах.

Многие ученые связывают активный рост волос именно с отсутствием в бульбарных кератиноцитах их луковицы меланина. Меланин, помимо окраски волосяных луковиц, имеет еще множество других функций. Среди них — связывание ионов токсичных металлов и нейтрализация активных форм кислорода (АФК). Кроме того, известно, что при росте волос АФК образуются в ощутимом количестве. Причем, чем активнее рост — тем больше АФК.

Таким образом, выработка АФК в волосе при его росте может приводить к генотоксическому стрессу, и, как следствие, к истощению меланин-продуцирующих стволовых клеток (МСК) в волосяных фолликулах. В свою очередь, при исчезновении МСК волос теряет свою окраску. Чем активнее растет волос, тем крепче замыкается этот круг превращений, в результате чего наступает поседение [4].

Теория истощения пула стволовых клеток Фишера и Нишимуры

Как мы уже обсудили, волосы окрашиваются в цвет благодаря меланоцитам, содержащим меланин, и передающим его близлежащим кератиноцитам. Меланоциты, в свою очередь, развиваются из клеток-предшественников, располагающихся в волосяной выпуклости (те самые МСК). Созревая, МСК перемещаются в нижнюю часть волосяного фолликула и начинают взаимодействовать с другими клетками.

Каждый волосяной фолликул изначально загружен собственным пулом МСК с ограниченной способностью к самообновлению. У взрослых он циклически пролиферирует параллельно циклу росту волос с образованием зрелых, продуцирующих меланин меланоцитов. Однако постепенно резерв клеток истощается. С возрастом МСК теряют способность к самоподдержанию и пролиферации для замены старых меланоцитов на новые. Таким образом, рабочие меланоциты постепенно исчезают, и волос теряет свою окраску.

Почему же происходит истощение пула СК? Ученые пока что точно не знают. Существуют данные о том, что стресс играет не последнюю роль в этом процессе. При развитии стресса симпатическая нервная система активируются, и из нервных окончаний, подходящих к каждому волосяному фолликулу, выделяется норадреналин. Он стимулирует и активирует фолликулы. При постоянной и избыточной стимуляции СК начинают непрерывно делиться, и вскоре исчерпывают свой потенциал. В следующем цикле роста волос новые меланоциты не образуются и волос становится седым [9].

Теория окислительного стресса Тобина и Пауса

Эта теория утверждает, что истощение пула стволовых клеток меланоцитов, и, как следствие, поседение наступает благодаря сильному окислительному стрессу, который с возрастом развивается в волосяных фолликулах. Это происходит из-за нарушения антиоксидантной защиты и экспрессии антиапоптотических факторов. Накопление АФК вызывает окислительный стресс как в меланоцитах, так и в кератиноцитах волосяной луковицы.

Из-за чего же может начинаться такой разрушительный процесс? Развитие стерильного воспаления с возрастом, действие ультрафиолета и вредных химических веществ, психоэмоциональный стресс и генетические дефекты — все это факторы, из-за которых волосы могут поседеть.

Поскольку митохондрии считаются основной целью окислительных стрессоров, митохондриальная теория старения также рассматривается для объяснения поседения волос. В недавно опубликованной статье с использованием протеомики было показано, что в седеющих волосах значительно увеличивается экспрессия генов, связанных с функцией митохондрий, защитой от окислительного стресса и синтезом белков. В то же время, наблюдается снижение производства белков, участвующих в формировании меланосом и их транспортировке из меланоцитов в кератиноциты [10].

Внезапное поседение

В 1793 году волосы Марии-Антуанетты полностью поседели в ночь перед казнью. Явление мгновенного поседения волос, известное как синдром Марии-Антуанетты, долгое время привлекает внимание ученых, но его причины до сих пор неясны. В истории есть и другие примеры. Например, ученый эпохи Возрождения Гуарино из Вероны поседел после того, как его собранные греческие рукописи затонули во время путешествия из Константинополя в Италию. Сэр Томас Мор, осужденный за измену королю Генриху VIII, также поседел в ночь перед казнью, как и испанский дворянин Жак Орсарио. Современные исследования также упоминают случаи резкого поседения у людей, переживших бомбардировки во время Второй мировой войны [11], [12].

В 1957 году 63-летний мужчина упал с лестницы и за две недели резко поседел. Позже у него диагностировали витилиго. Возможно, мгновенное поседение происходит из-за того, что волосы, уже поседевшие, становятся более заметными после выпадения темных волос при очаговой алопеции. В этом случае седина не видна среди цветных волос, но при потере фолликулов с меланином проявляются серые и белые волосы. Некоторые пациенты связывают приступы алопеции с сильным эмоциональным стрессом.

Тем не менее, алопеция не всегда становится причиной внезапного поседения. Считается, что стресс может вызывать нейрогенное воспаление в волосяных фолликулах или увеличивать уровень нейроэндокринных медиаторов стресса, таких как пролактин, который влияет на белки кератины в составе волосы. Также внезапное поседение может быть связано с повышением образования активных форм кислорода (АФК) в фолликулах. Волосы обычно защищены от окислительного стресса различными механизмами, включая работу ферментов и веществ, нейтрализующих АФК, а также гормонов, создающих противовоспалительную среду. Однако иногда эти механизмы могут давать сбой [8].

Поскольку защита от АФК реализуется через множество путей, внезапное поседение — это редкое явление, происходящее только при одновременном нарушении всех защитных механизмов. Причины могут быть разнообразными — от генетических факторов до воздействия окружающей среды. Ученым предстоит провести еще много исследований для более точного понимания этих причин.

Литература

1. Martel J., Miao J., Badri T. Anatomy, Hair Follicle. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing, 2024;
2. In brief: What is the structure of hair and how does it grow?. Cologne, Germany: Institute for Quality and Efficiency in Health Care (IQWiG), 2006;
3. Marlon R. Schneider, Ruth Schmidt-Ullrich, Ralf Paus. (2009). The Hair Follicle as a Dynamic Miniorgan. Current Biology. 19, R132-R142;
4. D. J. Tobin. (2008). Human hair pigmentation – biological aspects. Intern J of Cosmetic Sci. 30, 233-257;
5. Y. Yamaguchi, V. J. Hearing. (2014). Melanocytes and Their Diseases. Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine. 4, a017046-a017046;
6. Seong Kyeong Jo, Ji Yeon Lee, Young Lee, Chang Deok Kim, Jeung-Hoon Lee, Young Ho Lee. (2018). Three Streams for the Mechanism of Hair Graying. Ann Dermatol. 30, 397;
7. Maymone M., Laughter M., Pollock S., Khan I., Marques T., Abdat R., Goldberg L., Vashi N. (2021). Hair Aging in Different Races and Ethnicities. J Clin Aesthet Dermatol. 14, 38–44;
8. Shayla A. Clark, Christopher D. Deppmann. (2020). How the stress of fight or flight turns hair white. Nature. 577, 623-624;
9. Thomas P. Neufeld. (2020). Hippo Signaling: Autophagy Waits in the Wings. Developmental Cell. 52, 544-545;
10. Ayelet M Rosenberg, Shannon Rausser, Junting Ren, Eugene V Mosharov, Gabriel Sturm, et. al.. (2021). Quantitative mapping of human hair greying and reversal in relation to life stress. eLife. 10;
11. Alexander A. Navarini, Stephan Nobbe. (2009). Marie Antoinette Syndrome. Arch Dermatol. 145;
12. Vidhi V. Shah, Adam S. Aldahan, Stephanie Mlacker, Mohammad Alsaidan, Keyvan Nouri. (2016). Canities subita: sudden blanching of the hair in history and literature. Int J Dermatology. 55, 362-364.