Diferencované účinky kofeinu na délku vlasového stvolu, růst a reprodukci keratinocytů a na růstové faktory, které regulují životní cyklus vlasů v mužských a ženských vlasových folikulech in vitro*
Studie provedena v Ústavu dermatologie na Univerzitě v Lübecku, Německo
Hormon testosteron je důležitým faktorem při vývoji dědičné ztráty vlasů, androgenní alopecie (AGA). Enzym 5-alfa reduktáza přeměňuje testosteron na dihydrotestosteron (DHT). DHT může zahájit procesy, které zkracují růstovou fázi vlasů snižováním množství energie, a tak způsobuje jejich vypadávání. Vlasové folikuly se postupně zmenšují a nakonec zaniknou, takže dochází k postupnému plešatění.
Kofein je jedním z nejznámějších stimulantů na světě. Nachází se například v kávě. Jeho stimulační účinek je způsoben hlavně inhibicí enzymu fosfodiesterázy, což vede ke zvýšení hladiny přenašeče energie cAMP. Tím se zvýší hladina energie buněk, což podporuje buněčný růst a reprodukci.
Předchozí studie ukázaly, že kofein neutralizuje inhibiční účinek testosteronu na růst a reprodukci keratinocytů a růst mužských vlasových folikulů.
Tato studie přináší podrobnější analýzu vlivu kofeinu na životní cyklus a matrix vlasů. Navíc jsme analyzovali vliv kofeinu na tvorbu dvou hlavních růstových faktorů vlasů (transformujícího růstového faktoru TGF-β2 a inzulinu podobnému růstového faktoru IGF-1) a na keratinocyty vnější pochvy vlasového kořínku (outer root sheath keratinocytes, ORSK) izolované z lidských vlasových folikulů. Zkoumali jsme též, jestli kofein působí v přítomnosti testosteronu odlišně na mužské a na ženské folikuly.
Metoda 1: Model vlasové orgánové kultury
(hair organ culture model, HOCM)
Účinky kofeinu a testosteronu na vlasy byly objasněny pomocí modelu HOCM. Vlasy získané ze skalpu byly za tímto účelem kultivovány v laboratorních podmínkách.
Zkoumali jsme účinky samotného testosteronu i jeho kombinace s různými koncentracemi kofeinu ve srovnání s čistým kultivačním médiem (kontrolou).
Koncentrace kofeinu (0,0005%, 0,001%), které stimulovaly růst vlasů za přítomnosti testosteronu v předchozích studiích, byly účinné i zde. Ženské vlasové folikuly byly citlivější na kofein než mužské (obr. 1). Ke stimulaci ženských folikulů za přítomnosti testosteronu tudíž stačily nižší hladiny kofeinu (0,0005%).
Tvar vlasových folikulů a fáze životního cyklu vlasů (růstová fáze nebo fáze klidová), jakož i buněčný růst a reprodukce (proliferace) a programovaná buněčná smrt, byly zviditelněny reakcemi s barvivy. Kofein zvyšuje proliferaci keratinocytů a působí proti účinkům testosteronu.
Obr. 1: Účinek testosteronu a kofeinu na růst vlasů v ženských vlasových folikulech (HOCM).
Obr. 2: Neutralizace negativního vlivu testosteronu na podíl mužských vlasových folikulů v anagenní fázi (rychlost růstu vlasů) kofeinem.
Ukázali jsme rovněž, že přídavek kofeinu neutralizuje negativní vliv testosteronu na životní cyklus vlasů mužských folikulů (obr. 2) a do jisté míry i ženských folikulů.
Bezprostředně vznikající hlavní faktory, které regulují růst vlasů (TGF-β2 a IGF-1), lze také detekovat reakcí s příslušnou protilátkou.
Metoda 2: Model ORSK
Keratinocyty vnější pochvy vlasového kořínku (ORSK) jsme kultivovali při různých koncentracích kofeinu ve srovnání s látkami podporujícími růst (pozitivní kontrola: IGF-1 a minoxidil) a s látkami inhibujícími růst (negativní kontrola: tretinoin) a výslednou buněčnou proliferaci jsme podrobili analýze (obr. 3).
Všechny zkoumané koncentrace kofeinu měly po 24 h posilující účinek na růst keratinocytů ORSK ve srovnání s kontrolou. U pozitivních kontrol IGF-1 a minoxidilu bylo zvýšení růstu o něco menší. Negativní kontrola (tretinoin) neměla žádný účinek.
Obr. 3: Pozitivní vliv kofeinu na buněčný růst v modelu ORSK.
Neutralizační vliv kofeinu jsme zkoumali pomocí téhož ORSK modelu. Zkoumali jsme účinek látek, které podporují vypadávání vlasů in vivo (např. TGF-β2, anandamid), jakož i vliv kofeinu a známých růstových faktorů, jako jsou IGF-1 a KGF (keratinocytový růstový faktor), na keratinocyty ORSK.
Keratinocyty ORSK vystavené působení látek, které podporují vypadávání vlasů, jako např. TGF-β2 nebo anandamid, vykazovaly známky fyziologické a patologické buněčné smrti. Působení látek, které podporují růst, jako je kofein, IGF 1 nebo KGF, na tytéž buňky po dobu 48 hodin tento účinek neutralizovalo. Významný ochranný účinek byl zjištěn při koncentraci pouze 0,001% kofeinu.
Genová exprese růstových faktorů TGF-β2 a IGF-1 byla potvrzena ve vnější i vnitřní pochvě vlasového kořínku po stimulaci různými koncentracemi kofeinu ve srovnání s pozitivními kontrolami (IGF-1, minoxidil) a negativními kontrolami (tretinoin).
V mužských vlasových folikulech zvyšoval testosteron expresi hlavních faktorů působících přechod folikulu do fáze odpočinku (jako např. TGF-β2). V přítomnosti kofeinu se tvorba těchto faktorů snížila na hladinu, jaká byla v kontrole. V ženských folikulech testosteron zvýšenou tvorbu TGF-β2 nezpůsoboval.
Testosteron snížil tvorbu IGF-1 v mužských folikulech ve srovnání s kontrolou, zatímco souběžná kultivace s kofeinem tvorbu IGF-1 zvýšila. U ženských vlasových folikulů neměl testosteron na tvorbu IGF-1 tak výrazný vliv, kultivace s kofeinem však vedla ke zvýšené tvorbě IGF-1.
Výsledky
Tato studie ukázala, že kofein podporuje růst mužských i ženských vlasových folikulů. Kofein podporuje růst vlasových folikulů, prodlužuje anagenní fázi růstu a stimuluje růst a reprodukci keratinocytů ve vlasové matrix. Ženské vlasové folikuly vykázaly vyšší citlivost na kofein.
Dokázali jsme, že kofein má účinek na určité růstové faktory vlasů: Kofein zvyšuje tvorbu růstového faktoru IGF-1 a inhibuje tvorbu faktoru TGF-β2, který odpovídá za přechod folikulů do fáze odpočinku.
Kofein neutralizuje testosteronem indukovanou tvorbu faktorů, které podporují vypadávání vlasů, jako např. TGF-β2 u mužských vlasových folikulů. U ženských folikulů tvorba TGF-β2 testosteronem indukována není, ale kofein ji snižuje. Kofein zvyšuje tvorbu růstového faktoru vlasů IGF-1 u obou pohlaví. Tyto účinky byly pozorovány v modelu HOCM i v modelu ORSM.
Souhrn
Výsledky těchto studií in vitro ukazují význam kofeinu na molekulární, buněčné i orgánové úrovni komplexního procesu růstu lidských vlasů. Dokazují, že kofein chrání vlasové folikuly a podporuje jejich růst u obou pohlaví.
T. W. Fischer, E. Herczeg-Lisztes, W. Funk, D. Zillikens, T. Bíró, R. Paus, Br. J. Dermatol. 2014, 171, 1031-1043.
* Původní název studie: Differential effects of caffeine on hair shaft elongation, matrix and outer root sheath keratinocyte proliferation, and transforming growth factor-b2/insulin-like growth factor-1-mediated regulation of the hair cycle in male and female human hair follicles in vitro.