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头发生长因子 Hair Growth Factors VEGF

[日期:2012-08-30] 来源:本站原創  作者:版主 [字体: ]

血管内皮生长因子在头发生长过程中,扮演什么角色? 



摘要

分子生物学中蛋白质体学研究的新兴与系统生物学,让我们对于细胞发展的了解有明显的增加,而且进步到可以控制细胞周期。在这个研究中,我们确定细胞激素角色的重要性。VEGF(血管内皮生长因子)在毛囊生命的发展中扮演一个重要的角色,不只起始生长,还有确定分化、结构与生长的时间长短。我们将探讨以VEGF来治疗掉发的可行性,与是否可以做为一种在安全性与稳定性的疑虑上优于细胞激素治疗的方法。

引言

过 去的医学领域中,我们将重点摆在找出外在的化学分子或元素,然后身体上应用它们来改变生理状况。一直到最近分子生物学上的进展,特别是蛋白质体学,才完整 描述出细胞内讯号是如何运作。我们现在知道许多细胞的活动是从有丝分裂然后分化,再走到细胞死亡,而这些活动大部分是由一群信号分子----细 胞激素,所控制。令人惊讶的不是知道它们的存在,医学界早已知道它们的存在了,而是它们活动模式的强度与广泛度。细胞激素,一般叫做生长因子,的影响很重 要,所以如果能被单独分离而且适当地用来作治疗药物的话,就可以有很大的用处。这使任何意料之外的作用能透过信号的活动得知,而且是可以预期的。又因为细 胞激素是大型、区域性的分子,他们更能有效地锁定小区域。

VEGF与头发生长周期

为了要从沉睡中的真皮乳头细胞形成头发器官,有三项必要的步骤。

细胞增生
乳头与二级毛胚细胞必须快速增加。首先,上皮指形成然后进入真皮,复制后转换方向往外进入表皮。一旦形成后,干细胞从未确定的来源增生然后分化成LEF-1浓度表现特别高的头发基质细胞[1,2] 

VEGF在生长期中所扮演的角色还不确定,有实验显示真皮乳头细胞在生长期中表现出高浓度的VEGF mRNA[3]。这可能是因为头发之后为了要成为一个维持周期的器官,所以需要开始血管新生步骤;但也有可能是因为VEGF对内皮细胞除外的特定细胞有增生的效果

另一点需要考虑的是掌控LEF-1的表现。增生透过各种包括MAPKinase的路径来控制。MAPKinase路径要被VEGF钙依赖讯号所刺激[4]。所以也有可能VEGF会间接把关不受控制的增生。

细胞迁移
没有组织化与迁移的细胞增生是不会形成头发,或其他器官。发干的结构复杂,而且角质细胞的迁移会在发干有先后顺序的分化分层,在发胞与基质中也是如此。

VEGF的第二个路径比较常见,能上调节Akt/PKB基因以防止细胞死亡。但是这个路径的其他功能则是透过上调节来产生一氧化氮的eNOS[5]。这个信号会使血管舒张还有让细胞通透,因此可以藉由其他细胞激素使细胞迁移与做细胞内沟通。

在许多的细胞中,VEGF也经由刺激激动蛋白重组与黏着翻转来影响细胞迁移[6]。细胞骨架的重组对于每一种细胞迁移来说都是很重要的。类似的路径由其他细胞内的Wnt11激活,而且也利用由VEGF上调节的MAPKinase路径来增加迁移所必须的基因转录[7].

血管新生
无疑地,充足的氧气供给与主要的氨基酸是维持发干生长的关键。但这需要血液。许多实验中都显示,毛囊中血流量的增加与血管的形成可以改善并且维持头发生长,缺少这些要素头发生长就会停止。

VEGF是只负责血管形成的激素。VEGF经由VEGFR2受器刺激血管细胞增生、扩张血管、迁移与组织来形成容器(血管)器官。这会在需要血液供给的地区快速地扩张新血管。VEGF也会刺激eNOS来制造一氧化氮进而刺激血管与细胞膜通透性,让营养物可以有有效的运输。VEGF特别地有用,因为VEGF的上调节与许多相关的路径都是因低氧激活,所以可以作用在需要的地方[8]

细胞死亡
一直以来,二氢睾固酮就一直是掉发主因中的研究对象。它是一种可以穿透毛囊的激素信号,而且会下调节Bcl-2而使细胞凋零。Bcl-2Bax还有Bad基因作用以防止细胞死亡,所以Bcl-2浓度降低时,Bax还有Bad基因就会经由同一个路径加速细胞死亡。

VEGF阻断Bad转换,使细胞停留在细胞凋零前的状态[10]。这就是说Bcl-2只能跟Bad交互作用,所以在低浓度下就可以预防细胞死亡。VEGF也可以下调节蛋白酶9[10],减少不同的细胞死亡路径。VEGF利用这两个路径来预防细胞提早死亡,在预防低氧还有缺氧上扮演很清楚的角色。因此它能延长生长期的长度。

相关治疗

Minoxidil
Minoxidil是大部分医生治疗掉发会使用的药物。令人惊讶的是,虽然理论上有很多作用模式但是却没有一个经过证实。Minoxidil的主要作用模式是一氧化氮的赠与。大家都知道,这个气体信号分子会使血管舒张而且改善循环。一氧化氮信号会很快的被自由基降解,所以很多治疗上会用抗氧化物来延长信号生命。超氧化物歧化酶就是一种著名的抗氧化物,它是一种更新速率(turn over rate)很高的酵素,能移除活性氧化物而且有效的减少一氧化氮的分解。

一个非常可靠且较新的理论是说,minoxidil打开Na+/K+ATPase通道的效果能改善生发;已经证实minoxidil能打开毛囊中两个次通道的其中一个通道。被另一个不同的特殊通道开启者打开时,可以改善生发,但使用通道抑制剂时,生长的效果就受阻碍[11]

Na+/K+ATPase还有另一个功能,就是调节Ca2+离子浓度。永久地开启通道会让Ca2+离子浓度稳定下来。因为VEGF的增生与eNOS的刺激作用是由Ca2+调节,所以有证据显示,如果要让VEGFR2信号传送有效,就必须维持Ca2+离子浓度。因此,minoxidil可以让VEGF信号更有效,进而提升细胞内效果。于是有一个有趣的推论,minoxidil/或透过VEGF作用的可能性事实上是因为minoxidil上调结VEGF在生长期真皮乳头细胞中的表现。这个上调节使毛囊在经历生长期的过程中有足够的血管,而且很有可能是minoxidil作用模式的一部分[12]

前列腺素 Prostaglandins
前列腺素是另一个受到广泛研究的治疗选择。研究指出,前列腺素在生长期的很早期是活跃的,就如同许多新睫毛生长的临床实验中提到的,就算是在起始阶段也有可能[13]。前列腺素系统很复杂,由许多不同的前列腺素组成,而且还没有完整的研究。

VEGF被证实可以诱发前列腺素I(2)产生上皮细胞。前列腺素I(2)不太可能刺激新生发长出,但是前列腺素I(2)受器被发现可以在头发角质层中特别表现,也就是说它在头发基质细胞分化形成外部头发角质上扮演重要的角色。这也可能解释先前提到的,为什么生长期早期需要VEGF的上调节。

Diphencyprone
Diphencyprone是另一种还不确定机制,但却被认为是治疗班秃最有效的药物。做为一个有效的过敏原,外用diphencyprone是一种可以刺激反应使生发正常的免疫治疗剂[15]

最近的研究指出这个反应分为三层。首先,CD4/CD8细胞比例在斑秃病人中明显的不同。Diphencyprone刺激使这个比例正常化,接近一般头皮组织中的值,1Diphencyprone也会上调节生存素。这有助于预防班秃病患症状会有的未成熟细胞死亡。最后,它会上调节头发毛囊角质细胞中VEGF的表现,维持营养物与养分的供给[16]VEGF也有抗细胞死亡的功能,下调节毛囊细胞死亡的关键,Casp9Bad基因[10]。虽然我们还是不知道斑秃发病的原因,但是VEGF解释了目前最成功的治疗为什么会成功的部分原因。

简单来说,大家都知道MinoxidilAnti-Dihydrotestosterone(抗DHT)治疗对于雄性秃有效,而Diphencyprone则对班秃有效。细胞激素,特别是VEGF可以做为这些治疗之外的其他选项,或是做为这些疗程的辅助。


Increased diameter of hair shafts in 12-week-old VEGF transgenic mice (VEGF TG) during late anagen, as compared with wild-type (WT) littermates. ( a) Light microscopy of unstained plucked awl hair; scale bar = 30 μm. ( b) Quantitative analysis of hair shafts, measured at the level of their greatest width, revealed a significantly increased hair diameter in VEGF transgenic mice. Data are expressed as means ± SD ( n = 50 for each genotype). A P < 0.001, two-sided unpaired Student’s t test.

Yano K., Brown L.F., Detmar M., <i>Control of hair growth and follicle size by VEGF-mediated angiogenesis. </i>Clinical Investigation, 2001.

应用

VEGF确实有多种的可能性,在针对雄性秃上,可以单独使用或是辅助minoxidil;或是用来辅助diphencyprone治疗斑秃。因为VEGF刺激血管形成的角色是很明确的,所以也有可能那些含有VEGF的药水可以帮助移植发存活并且改善手术后伤口的愈合速度。VEGF非常有可能可以单独使用,或是与其他生长因子一起加在血小板富含血浆治疗等的自体生长因子治疗。

VEGF是一个很大的分子,用于正常人类的表皮时,会向下渗透。分子渗透的研究指出它可能是顺着发干渗透。经由毛孔与发干附近较薄的表皮的渗透就足以使有效量的VEGF起作用。就如已经讨论过的,确保任何一个大分子可以渗透进入头皮的方式就是使用microneedle roller。微针头的排列方式会产生通往角质层快速愈合的通道,使许多分子的渗透性提高五倍,包括比VEGF大很多的蛋白质[17]。这会传送含有1ppm sh-VEGF的药水中的VEGF有效浓度。

安全,合法的生长因子。

虽 然有很多关于细胞激素安全与道德上的考量,但这些可以用仔细的挑选来源与严谨的纯化步骤来克服。媒体大大的挖掘这些考量,确保医疗重点不只是站在医生的立 场。病人在这个主题上也能拥有自己的意见,而且会用这些看法来判断他们的医生。不幸地是,事实上病人的看法可能是由媒体塑造,因此病人可能无法全面了解事 实还有医生立场背后的事实。记住这一点,以下的考量是很重要的。

胚胎学
人 类生长因子最明显的来源就是人类细胞。可以从人类胚胎中成功的生长,可以利用干细胞,或是被分化为适合的细胞株。这些细胞可以在一些状况下保存来产生经过 萃取与纯化的生长因子。虽然这个方式有很多优点,但却要花很多钱。而且,有很多人反对使用胚胎来做研究,事实上,已经有一个关于限制人类细胞研究的国际暂 停声明。姑且不论道德上的考量,除了器官移植外,使用人类组织或人类产生的产物做为医疗行为在很多国家是不合法的。

使用人体衍生的生长因子背后还有一个更深层的考量,就是朊蛋白(prion protein)出现的危险。这会导致库贾氏症(Creutzfeldt – Jakob disease)。朊蛋白出现的危险会存在每一个组织中,而这就是广泛禁止使用人体衍生产物的主要原因之一。

细菌来源
解决问题的一个方式是使用表达型重组细菌,像是大肠杆菌,来制造需要的生长因子。但是,细菌系统也有一些缺点。重组技术会使用人类的DNA,然后用质粒或病毒载体将它送入细菌细胞里。细菌细胞因此会有人类的DNA,就算将最终产物纯化还是会有残留,使它成为一种有许多相关危险与合法阻碍的人类衍生产物。

细胞是原核生物,也因此缺少许多真核生物的细胞成分,特别是那些用来折叠复杂蛋白质的部分。因此,就算是一个蛋白质基因上再完美,它也不是对的组合,所以生物活力不是很少就是没有。

细胞毒素通常都是大部分原核生物的废物。它们大多是小型可溶性蛋白与小量到不至于伤害有机物的其他分子;但是却对人类有很大的影响。就因为它们的本性,所已纯化过程无法移除细胞毒素,因而会留在完成的产物中。这些留下来的东西会在活体内导致副作用或不让细胞因子正常运作。

酵母
真 菌是下一个最有可能做为表达型重组的成长因子。它们是真核细胞,而且与人类细胞相似,所以可以产生与人类版本相近的活性蛋白。但是,还是有一些人类物质残 留的问题,所以酵母产物只在研究上合法。虽然比较没有争议,但是酵母细胞跟细菌系统一样会产生细胞毒素。和细菌细胞毒素一样,会导致副作用与过敏反应。
即使是纯化生长因子媒介中的一点真菌组织也可能刺激免疫反应。这点特别重要,因为人类上皮组织把很多真菌当成会变成真菌感染的反应,所以作用都很强烈。免疫反应的刺激可能会改变或抵消生长因子治疗。

sh-VEGF
合成人类VEGF(Synthetic Human VEGF)sh-VEGF并非真的是化学合成,它是利用一种特有的植物表现系统,为了Nanogen而制造。首先,人类基因是固定而且有序列,序列是从头排列而且由PCR复制。这使新合成的基因不会有任何一个从人类来的分子。PCR复制基因经由纯化与转植入大麦植物种子内。植物利用水耕法种植以确保环境适合VEGF的产生,并且预防改造过的基因会传播到环境。高产能的大麦被收成后,VEGF就接着纯化。

植物也是真核生物,制造出一模一样的
VEGF
蛋白质而且正确摺叠,因此与原始人类蛋白质有同源性,活性也高。大麦不像细菌与酵母一样会制造细胞毒素,所以不会刺激免疫反应。这可以防止副作用跟反应,确保病人的安全还有结果。

有一种sh-VEGF与环吡酮胺的复合物。环吡酮胺支持VEGF的合成,上调节最需要VEGF的缺氧细胞[19]。此外,环吡酮胺可以在细胞内维持Ca2+离子浓度,确保VEGFR2接受器传送的信号可以到达整个细胞。 

References
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<i>β-catenin in skin. </i>
Cell, 1998 95: p. 605-614.
3. Yano K., Brown L.F., Detmar M., <i>Control of hair growth and follicle size by VEGF-mediated angiogenesis. </i>Clinical Investigation, 2001. 107(4): p. 409-417.
4. Doanes A.M., et al., <i>VEGF Stimulates MAPK through a Pathway That Is Unique for Receptor Tyrosine Kinases</i>. Biochemical and Biophysical Research Communications, 1999. 255(2): p. 545-548.
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