Модель клеточного автомата предсказывает регенерацию стволовых клеток волосяных фолликулов
Рост волос — это результат постоянного баланса между активаторами, которые пробуждают, и ингибиторами, которые успокаивают стволовые клетки в каждом волосяном фолликуле.
Исследователи из Университета Южной Калифорнии (USC) совместно с математиками из Оксфордского университета использовали модель «клеточного автомата» для описания популяционного поведения волосяных фолликулов.
Ключевые выводы модели:
- Каждый фолликул взрослого человека полагается только на свои внутренние стимулирующие сигналы, без помощи соседних фолликулов в макроокружении.
- Рост фолликулов у кроликов и мышей, напротив, зависит от сигналов соседних фолликулов.
Как работает модель:
Модель представляет собой математическую решётку автоматов, где каждый — это один фолликул в одной из четырёх стадий цикла. Состояние каждого автомата меняется по правилам, определяющим, будет ли волос в фазе роста (анаген) или в фазе покоя (телоген).
При определённых условиях (зимний сезон, новый физиологический этап, например, половое созревание) по коже может пройти коллективная волна регенерации, активирующая стволовые клетки в десятках тысяч фолликулов. В другие периоды фолликулы могут оставаться заблокированными в телогене ингибиторами из макроокружения.
Баланс сигналов:
Рост контролируется балансом между:
- Ингибирующей сигнализацией BMP (bone morphogenic protein), которая сохраняет стволовые клетки в покое.
- Активирующей сигнализацией Wnt, которая пробуждает их. Уровень ингибиторов модулируется, в частности, внутридермальной жировой тканью и центральной эндокринной системой.
Различия между видами:
Модель показала:
- У кроликов — быстрое распространение волн регенерации (фолликулы сильно связаны).
- У мышей — постепенное распространение.
- У человека — случайный рост с потерей связи между фолликулами (вероятно, результат эволюции).
Практическое значение:
Результаты предполагают новый подход к лечению андрогенной алопеции: возможно, эффективнее стимулировать рост волос, улучшая среду вокруг фолликулов, а не имплантируя стволовые клетки.
Метод клеточного автомата может быть применён для моделирования и других биологических процессов, таких как распространение инфекционных заболеваний или формирование нейронных сетей в развивающемся мозге.