牙源性干细胞及其在再生医学中的应用进展

2018-11-21 14:11  来源:医学综述
作者:姜杨杨 姜竹玲 刘明月 袁梦桐 史欣 胡伟平 阅读量:20607

    牙齿由外部矿化的釉质层,邻近矿化的牙本质层以及包含血管、神经和间叶组织的牙髓组成;根部结构包括牙本质、牙骨质以及将牙齿与牙槽骨紧密连接的牙周韧带(periodontal ligament,PDL)。牙本质独有的牙本质小管是由成牙本质细胞产生,成熟的牙本质表现出有限的再生能力,外伤或疾病时可产生修复性牙本质。牙髓由牙间充质细胞、神经以及穿过根管的血管组成。在胚胎发生早期,脑神经嵴源性间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)与口腔源性上皮干细胞之间相互作用。

    从口腔的一些组织如颅面骨、牙髓、PDL、牙囊、牙胚、根尖乳头、口腔黏膜、牙龈以及骨膜中可提取出干细胞。牙源性干细胞(dental stem cells,DSCs)是具有MSCs性能的产后干细胞群,具有自我更新和多向分化潜能。这些细胞来源于神经嵴,还有一些细胞起源于骨髓MSCs(bone marrow mesenchymal stem cells,BMMSCs)。在口腔组织来源的干细胞中,人牙髓干细胞(human dental pulp stem cells,DPSCs)因临床潜力大且易获取而被广泛研究。

    DPSCs在体外可形成牙本质样组织,并分化为成骨样细胞。在特定条件下,DPSCs可分化成神经细胞、脂肪细胞、软骨细胞以及肌细胞。干细胞疗法在组织再生和疾病管理方面有很好的前景,其允许通过自体细胞移植,修复有缺陷的组织或功能。由于干细胞技术尚处于起步阶段,因此需要跨学科合作以成功实现临床应用。

    近年来,DSCs的易获性、可塑性以及高增殖能力引起了人们的注意,已经确认了的DSCs类型包括人牙髓中的DPSCs、SHED、PDLSCs以及来自人第三磨牙的牙囊细胞。DSCs可进行自我更新,并具有多种分化能力,且无伦理问题。组织工程方法结合对DSC生物学特性的理解,将为DSC在各种治疗策略中的应用提供有力的支持。预计未来几年,干细胞将在组织工程领域取得巨大进展。现就DSCs的类型及其在组织工程和再生医学治疗潜力方面的研究进展进行综述。

    1.DSCs

    目前有8种牙齿组织来源的MSCs被分离和鉴定出来,其来源于牙齿发育的不同阶段。DPSCs是第一个从牙髓组织中鉴定出来的人牙MSCs,其他牙MSCs群如乳牙牙髓干细胞(stem cell populations from human exfoliated deciduous teeth,SHEDs)、PDL干细胞(periodontal ligament stem cells,PDLSCs)、牙滤泡细胞祖细胞(follicular cell progenitor cells,DFPCs)、牙槽骨MSCs(alveolar bone mesenchymal stem cells,ABMSCs)、牙乳头干细胞(dental papilla stem cells,SCAPs)、牙胚细胞(tooth germ cells,TGPCs)、牙龈MSCs(gingival mesenchymal stem cells,GMSCs)随后也被分离和鉴定出来。

    牙髓来源的干细胞如成人牙髓干细胞和SHEDs,均存在于牙髓血管周围,是具有自我更新和多向分化能力的MSCs,起源于神经嵴,具有MSCs和神经干细胞的特性。DPSCs和SHEDs具有再生为其他组织的能力。研究发现,脊髓损伤植入DPSCs和SHED后促进了脊髓功能的恢复。DPSCs也可使新出生的小鼠免受脑缺血的伤害。DSCs的治疗潜力与BMMSCs相似,是再生治疗的另一种无创来源。

    1.1DPSCs

    DPSCs是第1个被鉴定出来的牙髓源性的DSCs,是从人类第三磨牙的牙髓中通过酶消化法分离出来,DPSCs呈典型的成纤维细胞样形态。不同的分化条件下,DPSCs可分化为成牙本质细胞、成骨细胞、脂肪细胞、神经细胞、平滑肌细胞。DPSCs不表达特异性生物标志物,但表达BMMSCs标志物如基质细胞抗原1(stromal cell antigen 1,STRO-1)、CD146和胚胎干细胞标志物如OCT4。DPSCs的候选标志物包括STRO-1、CD29、CD44、CD73、CD90、CD105、CD146、CD166以及CD271。

    1.2SHED

    Miura等证实,从脱落的乳牙中分离出的SHED具有较强的可塑性,可分化成神经元细胞、脂肪细胞、成骨细胞、成牙本质细胞,与DPSCs比较,SHED更容易获得,且创伤更小。Lindemann等研究发现,由于脱落乳牙的髓腔暴露的较恒牙多,低温保护剂更易吸收,所以低温冷冻保存乳牙的可行性较恒牙更高。因此,脱落的乳牙在牙齿干细胞保存中较恒牙具有更好的发展前景。

    1.3PDLSCs

    PDL是存在于牙骨质与牙槽骨之间的一个特殊结构,其作用是保护和支持牙体组织,通过牙囊产生的MSCs连续再生。PDL包含不同类型的细胞,可分化为成牙骨质细胞和成骨细胞。研究证实,被分离出来的PDLSCs具有成纤维细胞样形态,并表现出克隆属性,增殖率高于DPSCs,表达STRO-1、CD146以及腱特异转录因子。PDLSCs具有多向分化潜能,在适当介质诱导下可分化为成骨细胞、脂肪细胞以及软骨细胞。

    1.4DFPCs

    牙囊来源于外胚间充质,包绕在未萌出的牙齿上。DFPCs可以在牙齿的萌出过程中调控破骨细胞与成骨细胞,并分化成牙周膜。DFPCs呈成纤维样细胞形态,可从人类第三磨牙的牙囊中分离出来,表达多种生物标志物,如Notch1、STRO-1以及神经巢蛋白10;DFPCs具有多向分化能力,可分化为成骨细胞、脂肪细胞以及神经细胞,这些细胞可以维持培养至少15代;STRO-1阳性的牙囊细胞在体外可分化为成牙骨质细胞,在体内可形成牙骨质。DFPCs在骨形态发生蛋白2(bone morphogenetic protein 2,BMP-2)、BMP-7以及釉基质衍生物的刺激下能够表达成牙骨质细胞标志物。

    1.5ABMSCs

    Matsubara等成功分离和培养了人ABMSCs,细胞呈梭形成纤维细胞样形态,具有黏附性、呈集落生长,表达CD73、CD90、CD105以及STRO-1等表面标志物,但不表达造血干细胞标志物CD14、CD34以及CD45。ABMSCs可分化为成骨细胞,也可向软骨细胞和脂肪细胞分化。生物陶瓷可作为ABMSCs附着、增殖、迁移的支架材料,用于骨组织工程学。

    1.6SCAPs

    在牙齿发育过程中,牙乳头发展为牙髓,进而促进牙根发育。牙乳头贴附在发育的牙根松散连接处。SCAPs表达早期间充质表面标志物CD24。SCAPs在特定培养条件下,可分化为成骨细胞、脂肪细胞、软骨细胞以及神经细胞。对于牙齿的形成,SCAPs较PDLSCs表现出更高的增殖率,且更容易从人第三磨牙中分离出来。

    1.7TGPCs

    TGPCs是新的干细胞群,在第三磨牙牙胚的中晚期形成,表达MSCs相关标志物STRO-1、CDs以及趋向性表达相关的基因(Nanog、Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc)。TGPCs与其他MSCs相似,可分化为脂肪细胞、成骨细胞、成牙骨质细胞、软骨细胞以及神经细胞。羟基磷灰石/TGPCs共同植入后,新形成的骨基质中出现了成骨细胞,并有新骨形成。TGPCs可分化成肝细胞形态,具有肝细胞表型和功能特征,可用于肝脏疾病的治疗。

    1.8GMSCs

    牙龈是口腔组织的一种特殊结构,覆盖在牙槽嵴和磨牙后区,是生物化学屏障和口腔黏膜免疫的特殊组成部分。GMSCs易从口腔的牙龈组织获得,且对机体的损伤很小。GMSCs具有克隆、自我更新以及多向分化能力,还具有干细胞样和免疫调节特性。GMSCs表达CDs,Oct4、Sox2、Nanog、Nestin、SSEA-4以及STRO-1也呈阳性表达。牙龈组织表现出无瘢痕愈合和快速组织重建和再生能力。GMSCs在体内具有形成结缔组织样结构的能力,在体外与不同的生长因子培养可形成矿化结节、脂肪、软骨样基质。另有研究表明,GMSCs在体外成骨诱导后转入体内孵化仍具有成骨的潜力。这些属性表明GMSCs可用于组织再生。

    2.DSCs的应用

    2.1神经系统疾病

    DPSCs起源于神经嵴,可表达神经营养因子的特征。这些扩散性钛分泌神经元和神经元的支持细胞,作为发展、维护、修复和使特定神经元的生长因子生存,尤其是DPSCs分泌的脑源性神经营养因子、神经生长因子、胶质细胞源性神经营养因子对中枢神经系统神经元如运动神经元和多巴胺能神经元具有深远的影响。DPSCs可影响内源性神经干细胞,并产生神经球。因此,DPSCs可能在治疗神经系统疾病方面具有广泛的前景。帕金森病是一种神经退行性疾病,特征是黑质多巴胺神经元死亡和纹状多巴胺神经元退行性变。在帕金森病模型中使用MSCs间接共培养系统与DPSCs间接共培养发现,DPSCs对MPP+和鱼藤酮有保护作用。因此,DPSCs可看作是神经系统疾病细胞治疗的候选细胞。

    2.2肝脏疾病

    肝硬化是一种不可逆的肝纤维化改变,可导致严重后果如肝功能损伤、门静脉高压以及肝细胞癌。肝移植是目前肝硬化治疗的最后选择。在器官移植领域,细胞治疗这种新兴疗法已引起人们的广泛关注。SHED是儿童和成人肝损伤MSCs治疗的可行细胞。来自第三磨牙的干细胞培养分化为肝细胞,在肝脏疾病动物模型中,其能防止肝纤维化,提高白蛋白和胆红素的水平。

    Cho等证实,褪黑素通过调节BMP、p38、细胞外调节蛋白激酶及核因子κB通路促进DPSCs向肝细胞分化。因此,将人DPSCs与褪黑素联合应用可能是治疗肝硬化的一种可行的方法。

    2.3糖尿病

    糖尿病是一种胰岛β细胞自身免疫破坏或胰岛素对持续性高血糖敏感性降低的疾病。利用干细胞或胰腺移植来补充失去的胰岛β细胞可用来治疗糖尿病。有研究报道,DPSCs可潜在分化为像胰岛样细胞团的胰腺细胞系。Carnevale等报道,人DPSCs在适当的刺激下可表达与胰岛β细胞发育和功能相关的基因,如胰腺十二指肠同源框1,刺激胰岛素分泌。Kanafi等将从人DPSCs和SHED衍生出的胰岛样细胞移植到糖尿病小鼠体内,结果发现糖尿病小鼠的高血糖恢复到正常水平。以上研究表明,DPSCs可用于糖尿病患者的自体干细胞治疗。

    2.4再生眼部治疗

    DSCs作为一种自体干细胞,已用于角膜盲症的治疗。角膜与DPSCs具有相似的胚胎来源,在体外诱导分化后,DPSCs在基因和蛋白水平上表达了角质细胞、角质蛋白以及硫酸角质素蛋白多糖的分子特性,并生成组织工程的角膜组织结构,且在体内不引起细胞排斥反应。这一发现证明了DPSCs在细胞或组织工程领域治疗的价值。研究发现,小鼠的视神经损伤后,在其体内移植DPSCs,促进了神经营养因子介导的视网膜神经节的存活和轴突再生。

    2.5脑卒中

    研究表明,DPSCs脑内移植和SHED无血清培养基鼻内注射可改善脑功能,促进内源性神经祖细胞迁移和分化,诱导血管生成,改善脑损伤。随后也有研究开始评估脑卒中后慢性残障患者DPSCs脑内自体移植治疗的安全性和可行性。

    3.结语

    干细胞治疗是通过移植活细胞修复缺损组织或功能的一种新方法。然而,在实际应用中需优化多个关键参数,才能用于治疗;另一个问题干细胞的使用寿命,DPSCs或SHED不可能终生使用,虽然可通过低温冷冻的方式来保存,但这种方法不仅耗费时间而且昂贵,同时也限制了DSCs在临床上的应用。免疫排斥是细胞移植的主要风险,此外细菌、病毒、真菌或朊病毒病原体传播也可导致致命危险。因此,干细胞用于临床治疗还有很长的路要走。未来将进一步研究和理解细胞生理学,以期最终实现干细胞治疗。

编辑: 陆美凤

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