AI妙用,告别头秃不是梦!我国科学家成功研发头发再生新疗法

除了熬夜、压力引起的脱发,还有遗传因素和雄激素分泌过高导致的脱发。其中最为常见的是雄激素性脱发 (AGA),这一疾病影响高达80% 的男性和50% 的女性,因此,一种有效治疗脱发的方法就成了无数帅哥靓女的追求的目标,育发剂、防脱剂、各种“秘方”层出不穷,但效果却莫衷一是,倘若有一种简单易行的方法能够有效的达到生发的目的,这将是脱发者这一不可忽视的群体巨大的福音,而这道曙光或许已然显现出来。

近日,青岛科技大学环境与安全工程学院王丽娜副教授团队、材料科学与工程学院朱之灵副教授团队及其合作者在《Nano Letters》上发表了题为:Machine Learning Guided Discovery of Superoxide Dismutase Nanozymes for Androgenetic Alopecia的文章。此项研究利用机器学习(ML)这一工具发现了一种基于超氧化物歧化酶(SOD)的高效的硫代磷酸锰(MnPS3)模拟物,基于此构建的一种MnPS3微针贴片(MnMNP)在动物实验上已经对雄激素性脱发 (AGA)这一疾病显示出十分良好的疗效。

雄性激素性脱发(AGA)的发病机制

雄性激素性脱发(AGA)是最常见的脱发类型。AGA的特点是进行性的毛囊小型化,这是由雄性激素作用于遗传易感毛囊(HFs)的上皮细胞而引起,这一类细胞能够对雄性激素特异性的响应,雄激素性脱发的发病机制非常复杂,涉及遗传、激素和环境等诸多因素。

比如,最近的组织学研究发现HFs上三分之一的毛囊周围有炎症,表明炎症是AGA的一个致病因素,同时,患者真皮乳头细胞的氧化应激在AGA中也起着重要作用,它推翻了先天的抗氧化防御机制,激起HFs的细胞凋亡,此外,过量的活性氧(ROS)引发真皮毛乳头细胞的过早衰老,并通过雄性激素信号和激活信号抑制HFs的毛发期向生长期转换。因此,对毛囊周围氧化应激的调节就成为了一个潜在的治疗策略,以促进头发再生。

虽然体内活性氧(ROS)的产生不可避免,但是生命也拥有对抗氧化的平衡系统,其中抗氧化酶扮演着重要的角色,抗氧化酶具有将体内形成的过氧化物转换为毒害较低或无害的物质的功效,超氧化物歧化酶(SOD)便是其中的一种抗氧化酶。SOD是一种特殊的金属酶家族,它能催化分解超氧阴离子自由基(-O2-),生成危害较小的物质:过氧化氢(H2O2)和氧气(O2),从而保护细胞免受氧化损伤。

由于大量快速获得天然的SOD是十分困难的,这就极大的限制了这种酶的应用,然而,最近的研究表明,一些无机纳米材料具有模仿天然SOD(称为 “纳米酶“)的清除-O2-活性的能力。与SOD相比,纳米酶通常容易制备,成本低,并且具有高稳定性和良好的可回收性。因此,具有类似SOD活性的纳米酶就显示出了作为治疗AGA的替代治疗剂的潜力。但不幸的是,大多数纳米酶在清除-O2-方面的活性比天然SOD弱得多,这就限制了它们的广泛使用。在缺乏一般预测理论的情况下,合理设计具有足够高的活性和其他理想特性的纳米酶是特别具有挑战性的。

因此,研究人员就想到了机器学习这一利器!

机器学习( ML)应用于纳米酶的开发

机器学习(ML)是人工智能的一种类型,由于其在各个领域有效处理海量数据方面的优异表现而获得了广泛关注。更重要的是,ML已经显示出强大的能力,通过有效地从大量的数据中学习,加速新材料的发现,但到目前为止,关于ML辅助探索纳米酶的研究很少。因此,研究人员就想到了通过引入ML工具来发现SOD模拟物的这一途径。

SOD类纳米酶的筛选

首先,研究人员选择过渡金属硫代亚磷酸盐作为潜在的纳米酶候选物,并使用 91 种不同的过渡金属、磷酸盐和硫酸盐组合测试机器学习模型。

AI妙用,告别头秃不是梦!我国科学家成功研发头发再生新疗法

图一:机器学习指导下的SOD类纳米酶的发现

预测结果显示,MnPS3是一个强大的SOD类纳米酶。更重要的是,MnPS3经实验验证表现出强大的自由基清除能力和突出的SOD样活性,可以消除模拟的HFs周围微环境中的ROS,促进HFs的早期诱导,促进AGA小鼠模型的头发再生。

微针贴片(MNP)传递MnPS3及体内治疗

然后,研究人员构建了一个微针贴片(MNP),它可以通过安全通道直接将货物送入HFs所在的表皮和真皮区域,这是一个由透明的MnPS3集成的20×20微针阵列贴片,其形状为圆锥形,Mn、P和S元素在MNP中均匀分布,而MNP中的C、N和O元素来自透明质酸(HA),实验结果显示MNP可以穿透表皮屏障并成功传递MnPS3,同时研究人员还测试了该MNP的释放效果,发现MnMNP的释放曲线呈现出爆发式的释放特征。在30秒内,89%的MnPS3从MnMNP中快速释放,50秒后,达到最大释放量(如图二),同时,在对人体皮肤成纤维细胞的初步测试中,这种贴片显著降低了活性氧的水平,且不会造成伤害。

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AI妙用,告别头秃不是梦!我国科学家成功研发头发再生新疗法 图二:对MnMNP系统的形态和物理特性进行检测 基于这些结果,研究人员在受雄激素性脱发影响的小鼠模型上使用了这种微针贴片,在 实验进行的13天内,与用睾酮或米诺地尔(minoxidil)治疗的小鼠相比,这些小鼠再生出了更浓密的毛发。如图所示,MnMNP组的再生毛发比米诺地尔组的处理区域更厚更健康,而模型组的再生毛发则更薄更不健康。HF的诱导伴随着快速而丰富的细胞增殖。Ki67的表达在MnMNP处理的脱发区域最高,这意味着MnMNP可以促进与头发生长诱导有关的HF的细胞增殖。
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图三:MnMNP系统的体内AGA治疗

根据第14天皮肤组织苏木精和伊红(H&E)染色的结果,在MnMNP处理的区域,处于生长期的HF数量大大超过其他两组,在MnMNP组的皮下组织观察到高密度的膨胀毛球。这些结果表明,MnMNP可以促进HF细胞增殖和早期HF转化。在第12天,MnMNP组的再生毛发直径和覆盖率分别是米诺地尔组的1.22和1.92倍,表明毛发生长功效优于米诺地尔组。在MnMNP组脱毛的皮肤中,细胞内的ROS水平明显减少。此外,MnMNP组的丙二醛(MDA)水平下降了898%,这意味着MnMNP可能有效地减轻脱发区的氧化压力。总之,MMMNP比米诺地尔更有效地加速了头发的再生,即使是在较低的剂量频率下,也能达到有效生发的效果。

 

综上所述,作者的团队提供了一种基于ML辅助筛选和预测SOD类纳米酶的新型AGA治疗策略,以减轻氧化应激以及加速头发再生。总的来说,这项工作不仅展示了一种发现SOD类纳米酶的前瞻性方法,而且为开发下一代基于纳米酶的治疗方法提供了机会。

虽然此项研究使诸多饱受脱发的人们看见了一道曙光,但是从实验室到药店还是有很长的一段路要走。在等待这一疗法真正问世之前,我们还能做的就是改变不良的生活习惯,保持一个良好的心态去对待那些让人头秃的事情,或许比治头秃更重要的,就是让我们宝贵的头发轻易别离开它们该待的位置吧!

参考文献:

Zhang C, Yu Y, Shi S, Liang M, Yang D, Sui N, Yu WW, Wang L, Zhu Z. Machine Learning Guided Discovery of Superoxide Dismutase Nanozymes for Androgenetic Alopecia. Nano Lett. 2022 Oct 20. doi: 10.1021/acs.nanolett.2c03119. Epub ahead of print. PMID: 36264822.

来自: 生物谷

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