Биохимия человеческого волоса
Вспомним, что человеческий волос представляет собой длинный тонкий цилиндр, который растет из больших полостей или мешочков (фолликулов) и состоит из ороговевших клеток. Человеческий волос на 65–95 % состоит из белков, на 15–35 % из воды, на 1–9% из липидов и на 0,1–5% из пигментов (меланина), а также из небольшого количества микроэлементов и полисахаридов. Что касается липидов, то они попадают в волосы или из кожного сала, или из апокринной железы, и включают в себя свободные жирные кислоты, моно-, ди- и триглицериды, сложные эфиры воска, углеводороды и спирты[638][639]. Исследования показали, что значительных различий в аминокислотном составе волос разных расовых групп нет, при этом у них есть ощутимые различия в липидном составе.
В среднем волосы на коже головы человека растут примерно на один сантиметр в месяц, при этом для людей африканского происхождения характерны более низкие темпы роста волос. Известно, что цикл роста человеческого волоса состоит из четырех фаз: анаген (рост), катаген (переход), телоген (покой) и экзоген (фаза выпадения). Во время фазы анагена капиллярное кровоснабжение фолликула обеспечивает его питательными веществами и при этом приносит в фолликул, а затем и в волосы посторонние экзогенные вещества из кровотока, например, лекарства или токсины.
Что может дать биохимический анализ волос?
По сравнению со взятием образцов крови, процесс забора волос прост и неинвазивен (то есть не связан с нарушением барьеров и проникновением внутрь организма). Он не требует специального оборудования или складских помещений и допускает долгое хранение образца при комнатной температуре. Кроме того, волосы человека имеют характерную способность долгосрочно накапливать различные внешние и внутренние химические соединения по сравнению с кровью или мочой.
Контроль приема лекарств и других веществ
Одним из направлений, связанным с анализом волос, является контроль приема лекарств пациентами с ВИЧ/СПИДом и туберкулезом. В этих случаях волосы исследуют на содержание противовирусных и противотуберкулезных препаратов. По результатам анализа делают заключение о правильном регулярном приеме пациентом лекарств, а также о том, нормально ли организм их воспринимает. Это позволяет медикам судить об эффективности проводимой терапии[640][641][642].
Хроническое злоупотребление алкоголем и наркотиками также можно выявить с помощью анализа волос. Для этого в первом случае используют измерение содержания в волосах этилглюкуронида – стабильного метаболита этанола. И если другие тесты, такие как алкотестер, анализ мочи и анализ крови, позволяют быстро фиксировать этилглюкуронид, появившийся в организме за последние 3–4 дня, то содержание его в волосах дает возможно отслеживать употребление алкоголя в течение нескольких месяцев. Эффективность тестирования волос на этилглюкуронид в качестве биомаркера хронического злоупотребления алкоголем в настоящее время является уже общепризнанной[643].
Измерение уровня стресса
Измерение уровня стресса, который испытывает человек, – это еще одно большое направление, связанное с анализом волос. Как известно, хронический стресс пагубно сказывается на здоровье и нарушает нормальную регуляцию биологических систем организма, способствуя развитию патологий. Физиологический ответ на стресс – это стимуляция гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы (ГГН) и высвобождение глюкокортикоидов – стероидных гормонов.
Ось ГГН – это важнейшая система реакции на стресс у человека. Ее основная функция заключается в том, чтобы поддерживать гомеостаз и способствовать успешной адаптации к окружающей среде. Это достигается за счет каскада гормональных реакций, затрагивающих гипоталамус, гипофиз и кору надпочечников. Активация стрессовой реакции начинается с высвобождения кортикотропин-рилизинг фактора и вазопрессина из гипоталамуса. Повышенный уровень этих гормонов стимулирует выработку гипофизом адренокортикотропного гормона. Это, в свою очередь, побуждает надпочечники выделять глюкокортикоиды, включая кортизол, основной конечный продукт оси ГГН. Глюкокортикоиды транспортируются кровотоком с помощью кортикостероид-связывающего глобулина и легко переносятся через клеточные мембраны, связываясь двумя рецепторами: минералокортикоидным и глюкокортикоидным.
Острая и временная активация оси ГГН выполняет физиологическую адаптивную функцию, так как способствует эффективному преодолению внешних стрессоров, стимулируя ряд физиологических реакций. К ним относятся: повышение тонуса сосудов, активация иммунной системы, повышение свертываемости крови (для быстрой остановки крови при травмах), формирование инсулинорезистентности и повышение уровня энергетического субстрата (глюкозы) в крови, а также снижение репродуктивной функции, обострение зрения, внимания и т. д. Но длительная и повторяющаяся активация ГГН с повышением уровня кортизола может вызывать долгосрочные физиологические изменения, нарушающие функцию сердечно-сосудистой, эндокринной, иммунной и нервной систем, поэтому считается, что хронический стресс может способствовать ухудшению здоровья и развитию заболеваний[644].
Активность ГГН обычно оценивается по уровню содержания в организме кортизола. Раньше в течение многих лет кортизол получали в основном из плазмы крови или мочи. В более поздних методах анализа к ним добавили слюну и фекалии для неинвазивного мониторинга функционирования ГГН. Однако все эти методы имеют ограничения, связанные с краткосрочными показателями уровня кортизола: все они могут показать активность ГГН не более чем за предыдущие 24 часа. Именно поэтому измерение уровня кортизола в волосах, где он может накапливаться в течение нескольких недель, теперь часто используется в качестве биомаркера хронического стресса.
Есть несколько предполагаемых путей, по которым кортизол попадает в волосы, например, он может проникать в них из кровотока в процессе кровоснабжения фолликулярных клеток, образующих волосяной стержень. Диффузия кортизола из тканей, окружающих фолликул, – это еще один дополнительный путь, по которому кортизол в конечном итоге достигает волос. Известно, что кортизол из кровотока попадает в кожное сало и пот. Они, в свою очередь, покрывают растущий волос и передают ему часть содержащегося в них кортизола. Кроме этого, выяснилось, что и сами фолликулы секретируют кортизол, который затем также накапливается в волосах.
Весь кортизол из разных источников может служить показателем уровня стресса. В большинстве исследований обычно собирают трехсантиметровый сегмент волос с макушки как можно ближе к коже, чтобы выявить общий уровень кортизола за предшествующие три месяца для общей оценки ретроспективной активности ГГН за это время[645].
Биомаркер сердечно-сосудистых заболеваний
Как показали исследования, волосяной кортизол, кроме показателя развития стресса, может также быть диагностическим биомаркером в развитии различных патологий, и прежде всего, сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ). Уже хорошо известно, что острые и хронические стрессовые факторы (такие как детские травмы, стресс на работе, социальная изоляция) и негативные эмоциональные состояния (например, депрессия, тревога) могут влиять на развитие ССЗ.
Конкретные биологические процессы, через которые стресс способствует патогенезу ССЗ, связаны с нарушением регуляции оси ГГН. Это лежит в основе неблагоприятного влияния стресса на развитие ССЗ[646].
Неблагоприятные эффекты связаны, прежде всего, с кортизолом. Например, его хронически повышенный уровень способствует возникновению гиперлипидемии, что влияет на метаболизм липопротеинов плазмы и приводит к повышению уровня холестерина и триглицеридов. Кроме этого, избыток кортизола блокирует действие инсулина и активирует глюконеогенез (выработку глюкозы) в печени, а также оказывает вредное воздействие на артериальное давление, вызывая задержку натрия и блокируя действие сосудорасширяющих гормонов, что вызывает гипертонию.
Повышение выработки глюкокортикоидов (в том числе и кортизола) связано с рядом метаболических изменений, например, с повышением активности 11β-гидроксистероиддегидрогеназы I (HSD11B1) в адипоцитах. Это способствует развитию висцерального ожирения. В свою очередь, оно стимулирует возникновение других факторов риска ССЗ, потому что жировые клетки выделяют гормоны и метаболиты, негативно влияющие на артериальное давление, липопротеины плазмы, коагуляцию и инсулинорезистентность. Таким образом, кортизол по сути стимулирует развитие ключевых факторов, приводящих в итоге к возникновению болезней сердца и сосудов[647][648].
Убедительные доказательства неблагоприятных последствий хронического избытка кортизола на развитие ССЗ предоставлены исследованиями пациентов с эндогенным гиперкортизолизмом и пациентов, получавших терапию глюкокортикоидами. Например, у больных с синдромом Кушинга (состоянием, характеризующимся хроническим избытком кортизола), по сегодняшним оценкам, риск смерти от ССЗ в четыре раза выше, и у них более высокая частота развития осложнений и кардиометаболических факторов риска (ожирения, гипертензии, инсулинорезистентности) по сравнению со здоровыми людьми[649][650].
Сходная картина наблюдалась и у пациентов, которые получали по назначению врача высокие дозы глюкокортикоидов: к сожалению, они также имели значительно более высокий риск ССЗ[651].
Биомаркер метаболического синдрома и диабета
В 2019 году А. Степто и его коллеги провели систематический анализ одиннадцати исследований, в которых изучалась связь кортизола волос с частотой развития ССЗ и качеством восстановления после них. Четыре исследования типа «случай-контроль» показали, что в волосах пациентов с острым коронарным синдромом, инфарктом миокарда, ишемической болезнью сердца и аневризматическим субарахноидальным кровоизлиянием (мозговое кровотечение в результате разрыва артерии) более высокий уровень кортизола по сравнению с участниками контрольной группы. Другое популяционное исследование выявило, что более высокий уровень кортизола в волосах связан с увеличением количества случаев ишемической болезни сердца, инсульта и заболеваний периферических артерий. Кроме этого, присутствие кортизола в волосах положительно коррелировало с другими факторами риска ССЗ, такими как индекс массы тела и диабет[652].
Концентрация кортизола в волосах также активно исследуется в качестве прогностического фактора ССЗ. Одно из исследований выявило положительную взаимосвязь между содержанием кортизола в волосах и тяжестью симптомов у пациентов с сердечной недостаточностью[653].
Кроме того, целый ряд исследований показал взаимосвязь уровня кортизола в волосах людей с метаболическим синдромом. Повышенный уровень кортизола в волосах положительно коррелировал с такими неблагоприятными факторами развития метаболического синдрома, как артериальная гипертензия, повышенный уровень холестерина липопротеинов низкой плотности, гликированного гемоглобина, ожирение и окружность талии[654][655][656][657].
Несколько исследований показали также повышение уровня кортизола в волосах у людей с диабетом. В одном из них продемонстрировано повышение уровня кортизола и его метаболита кортизона в волосах не только у больных диабетом, но и у пожилых людей. Это может свидетельствовать о дисрегуляции системы ГГН при старении[658][659].
В качестве биомаркера при сахарном диабете был предложен не только уровень кортизола, но и уровень гликирования белков волос. Продукты гликирования белков, такие как фурозин, достоверно коррелировали со среднегодовыми значениями HbA1c и глюкозы в плазме натощак. Кроме того, было показано, что спектрофотометрический индекс гликирования волос надежно помогает идентифицировать людей с нормогликемией и гипергликемией. И, наконец, есть еще один вид исследований волос, связанный с сахарным диабетом, – это определение дериватизированных аминокислот в волосах человека с использованием газовой хроматографии/масс-спектрометрии[660][661][662].
Биомаркер нейродегенеративных и онкологических заболеваний
Кроме выявления сердечно-сосудистых и метаболических патологий, тестирование волос постепенно начинает использоваться и для анализа нейродегенеративных заболеваний. При них происходят дифференциальные (то есть различные) посттрансляционные модификации белков. Две нейродегенеративные патологии, болезнь Менкеса и синдром Элехальде, характеризуются изменениями в составе волос, которые, возможно, имеют большое диагностическое значение. Оба эти состояния приводят к необратимому повреждению мозга и ранней смерти. Аномалии волос у пациентов с данными патологиями помогают довольно точно их диагностировать.
Содержание микроэлементов в волосах используется также и для диагностики рассеянного склероза. Интересно отметить, что рыжий цвет волос и связанный с ними полиморфизм p.R151C гена MC1R (rs1805007) оказался связан с повышенным риском болезни Паркинсона[663][664][665].
Примечательно, что содержание различных характерных микроэлементов в волосах характерно для нескольких типов рака[666][667], а анализ волос с помощью рентгеновской дифракции в сочетании с маммографией значительно повышал диагностическую точность предсказания рака молочной железы[668]. Один из мета-анализов показал, что уровни цинка в волосах у женщин с раком груди были ниже, чем у пациентов из контрольной группы, а связь с раком уровня фосфолипидов в волосах (в частности фосфатидилхолина) также может быть использована при диагностике рака груди[669][670].