牙再生的研究进展

2018-4-8 17:04  来源:中国口腔颌面外科杂志
作者:张一帆 房兵 阅读量:20466

    龋病、创伤、牙周病、骨质疏松、衰老、先天发育缺陷及口腔癌都会导致牙缺损或缺失。现有的牙缺失修复方式各有缺陷。活动义齿修复缺牙无法真正恢复咀嚼功能;固定义齿不可避免地损害邻牙做固位;种植义齿缺乏本体感受器,没有生理动度,缺少牙周膜防御机制。牙再生指应用细胞的增殖和分化能力,重新生成受损或缺少的牙。随着组织工程和干细胞技术的发展,牙再生成为可能。

    牙再生的研究主要分为全牙再生和部分牙再生。其中,全牙再生目前有2种研究策略:其一为应用种子细胞和支架材料;其二为仅应用种子细胞,不应用支架材料,完全模拟天然牙的发育过程。部分牙再生的研究领先于全牙再生,目前的突破性进展是再生牙根,在再生牙根上进行冠修复以修复牙缺失,是避免牙冠成形困难的策略。王松灵等将根尖乳头干细胞和牙周膜干细胞作为种子细胞,将羟基磷灰石(HA)/磷酸三钙(TCP)和明胶海绵作为支架材料,制作生物牙根并将其植入小型猪下颌骨内3个月,得到了拥有牙髓牙本质复合体和牙周膜包绕的再生生物牙根。无论是全牙再生还是部分牙再生,种子细胞和支架材料都是两大关键。本文从种子细胞和支架材料2个方面,综述牙再生的研究进展。

    1.种子细胞

    种子细胞是牙再生中最关键的因素,能够生成牙的结构并发挥功能。

    1.1牙源性间充质干细胞

    1.1.1牙髓干细胞

    牙髓干细胞是被最早用于牙再生的种子细胞之一,是牙髓组织中具有多向分化潜能的间充质干细胞。Sheridana等将这些间充质干细胞命名为牙髓干细胞,并将其作为种子细胞,聚乙醇酸高分子合成材料(PGA)/左旋聚乳酸(PLLA)/聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)作为支架材料,进行牙髓干细胞牙源性分化潜能的研究。在体外和小鼠体内试验,发现牙髓干细胞能够在体外形成类似人类的牙髓牙本质复合体,并能在免疫缺陷的小鼠体内形成类牙本质结构,其结论为牙髓干细胞具有牙源性分化潜能。Ferroni等提出牙髓干细胞作为种子细胞,透明质酸作为支架材料进行再生牙髓的设想。

    应用体外、大鼠体内培养方式发现,将牙髓干细胞接种在含有神经元、神经胶质因子的透明质酸支架材料中,尔后在成骨和血管内皮诱导液中培养,能够在体外形成牙髓组织中的所有细胞类型(包括成牙本质细胞、上皮细胞、神经元和神经胶质细胞),并能在大鼠体内形成骨性牙本质和血管,验证了牙髓干细胞作为种子细胞、透明质酸作为支架材料能够再生牙髓的假设。牙髓干细胞具有以下优点:形成牙髓牙本质复合体,成牙本质细胞分化潜能,成神经及血管分化潜能,是目前牙再生研究领域的热点种子细胞。

    1.1.2脱落乳牙干细胞

    脱落乳牙干细胞是牙再生种子细胞研究中具有代表性的一种间充质干细胞。Miura等首先发现人类脱落的乳牙中存在多能干细胞。该研究将人类脱落乳牙干细胞作为种子细胞,HA/TCP作为支架材料,通过体内、外实验发现,脱落乳牙干细胞具有比牙髓干细胞和骨髓基质干细胞更强的增殖能力,能够在体外分化成为神经细胞、脂肪细胞和成牙本质细胞,能够在免疫缺陷的小鼠体内成骨、形成牙本质,并且能在免疫缺陷的小鼠脑内存活、表达神经标记;其缺点在于不能形成牙髓牙本质复合体。

    Ma等分别将冻存超过2年的脱落乳牙组织和新鲜脱落乳牙组织中提取的干细胞作为种子细胞研究牙再生,结果显示:冷冻保存的脱落乳牙干细胞拥有和新鲜脱落乳牙干细胞相似的克隆增殖能力,干细胞标记,成牙本质、成骨、成脂、成软骨、成内皮细胞多向分化潜能,体外免疫调节以及体内组织再生能力。

    1.1.3根尖乳头干细胞

    根尖乳头干细胞是用于牙再生的牙源性间充质干细胞。王松灵等从发育中牙的根尖分离出根尖乳头干细胞,将其作为种子细胞。体外培养发现根尖乳头干细胞比牙髓干细胞活性更强,并且在体外定向诱导下,有分化成成牙本质细胞、成骨细胞和脂肪细胞的潜力。以HA/TCP作为支架材料,小鼠体内实验发现,根尖乳头干细胞能够在免疫缺陷的小鼠体内形成功能性牙本质和牙骨质结构。将根尖乳头干细胞和牙周膜干细胞作为种子细胞,将HA/TCP和明胶海绵作为支架材料,制作生物牙根并将其植入小型猪下颌骨内3个月,得到了拥有牙髓牙本质复合体和牙周膜包绕的再生生物牙根。根尖乳头干细胞作为种子细胞的缺点在于不易获得,只能从牙根未发育完全并且牙未萌出时的根尖获得。

    1.1.4牙周膜干细胞

    牙周膜干细胞是间充质干细胞。Seo等从牙周膜组织中分离出细胞作为种子细胞,应用体外培养和小鼠、大鼠体内实验,发现牙周膜干细胞能够表达干细胞标志物STRO-1和CD146;在定向诱导下能分化成为成牙骨质细胞、脂肪细胞和成胶原细胞;能在免疫缺陷的鼠体内形成牙骨质/牙周膜样组织。是用于牙周再生的良好的种子细胞,但无单独成牙潜力。

    1.1.5牙囊前体祖细胞

    从第三磨牙牙囊能够分离出牙囊前体祖细胞,这种牙源性间充质干细胞曾被用于牙再生研究。Honda等将6月龄猪第三磨牙中提取的牙囊前体祖细胞、牙髓细胞和釉质上皮细胞作为种子细胞,进行体外培养、扩增。取该猪下颌骨制成4~5mm直径空腔的骨支架,将牙囊前体祖细胞接种于空腔最下层,牙髓干细胞接种其上,中层为釉质上皮细胞,最上层为牙囊前体祖细胞。将种子细胞和支架植入裸鼠网膜内,成功得到再生牙根,然而并无完整牙周膜产生。提示牙囊前体干细胞无单独成牙潜力。

    1.2牙源性上皮干细胞

    Honda等将猪第三磨牙的上皮干细胞和间充质干细胞酶解、分离,将得到单细胞作为种子细胞,以间充质干细胞接种于支架表面、上皮干细胞接种于间充质细胞表面的顺序,与2种种子细胞直接接触,接种于胶原蛋白支架中,在免疫缺陷小鼠体内培养,在每个支架中得到1个类似天然牙结构和外形的牙。该实验成功应用牙源性上皮干细胞作为种子细胞之一,以一定的接种顺序和方式调控再生牙的外形和数量,为牙再生中研究上皮干细胞和间充质干细胞相互作用提供了十分有用的模型。

    1.3非牙源性间充质干细胞

    1.3.1骨髓基质干细胞和脂肪间充质干细胞

    骨髓和脂肪来源的间充质干细胞也被用于牙再生的研究。Ye等应用体外、SD大鼠体内培养的方式,得出SD大鼠骨髓来源和脂肪来源的间充质干细胞都具有牙源性分化潜能且骨髓来源更优的结论。另外,Hu等的研究表明,骨髓来源的间充质干细胞能分化为成釉细胞;然而,临床获取骨髓是有创伤的过程,并且其数量和分化潜能随年龄增长而显著降低。

    1.3.2脐带间充质干细胞

    脐带间充质干细胞是一种新的牙再生种子细胞。Chen等取人脐带间充质干细胞作为种子细胞,通过体外及小鼠体内实验,发现人脐带间充质干细胞能在体外、体内诱导成类成牙本质细胞,能够表达DSP、DMP-1等成牙本质相关的牙源性蛋白,且基因表达水平与牙髓细胞相仿;另外,还能在体内形成牙本质基质沉积灶,认为脐带间充质干细胞是牙再生有效的替代性种子细胞。

    1.4颅神经嵴干细胞

    神经嵴是脊椎动物发育过程中广泛分布于胚体3个胚层的特殊结构,能够形成脑组织神经管的神经嵴细胞称为颅神经嵴干细胞。江宏兵等选取牙胚形成的上游干细胞-颅神经嵴干细胞作为种子细胞,胶原蛋白/壳聚糖作为支架材料,通过体外、小鼠体内实验,研究颅神经嵴干细胞进行牙再生的可能性,发现颅神经嵴干细胞能够向成牙本质细胞分化,认为神经嵴干细胞是有效的牙再生研究种子细胞。

    1.5牙胚细胞

    成釉器、牙乳头和牙囊构成完整的牙胚。Young等将猪第三磨牙牙胚细胞作为种子细胞,接种到PGA/PLLA/PLGA支架中,在裸鼠体内成功得到了能够辨认的牙结构,包括牙本质、成牙本质细胞、髓腔、Hertwig上皮根鞘、成牙骨质细胞和包含成形牙釉质的成釉器。

    2.支架材料

    支架材料在再生研究中具有重要的作用,生物合成的支架可为细胞增殖和分化创造微环境,引导细胞吸附和增殖、分化,诱导组织或器官再生;也可以在支架材料中加入生长因子,增强细胞分化、组织再生的诱导能力。从1996年开始至今,文献报道中关于牙再生研究支架材料的分类如下。

    2.1天然生物支架材料

    天然生物支架材料的优势在于生物相容性较好,劣势在于具有免疫原性、机械性能有限,孔隙大小难以控制和来源不可控。

    2.1.1丝素蛋白

    Yang等在2015年的2篇文献报道中,分别用含有碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)的丝素蛋白支架和含有基质细胞衍生因子SDF-1的牙碎片\丝素蛋白支架,进行牙髓干细胞的体外、小鼠体内培养,成功诱导出含血管的类牙髓组织再生,并有牙本质沉积。

    2.1.2透明质酸

    Ferroni等采用透明质酸支架进行牙髓干细胞体外、大鼠体内培养,诱导了有血管的类牙髓组织,可表达牙本质分化标志物。

    2.1.3胶原蛋白

    Kwon等利用胶原蛋白支架材料进行牙髓干细胞体外培养,再生出牙髓牙本质复合体。

    2.1.4纤维蛋白

    Yang等使用富含血小板的纤维蛋白水凝胶作为支架材料,接种猪第三磨牙牙胚细胞进行猪体内培养,成功再生出包括牙冠、牙根、牙髓、牙本质、牙骨质、血管和牙周膜在内的完整牙结构。

    2.1.5壳聚糖

    Boynuegri等评估了壳聚糖对牙周组织再生的影响,发现壳聚糖生物相容性佳,无毒,可生物降解,有止血、抗菌、促进愈合和再生的生物活性等优点,是牙周组织再生的良好支架材料。

    2.1.6藻酸盐

    Dobie等的研究发现,藻酸盐水凝胶是牙再生合适的支架材料,能够传递生长因子,增强牙髓的再生能力。

    2.2人工合成生物材料支架(有机物)

    人工合成生物材料支架的优势在于来源可控,造价相对低廉,形状、机械强度和化学性能可控;劣势在于细胞吸附相对不易。

    2.2.1PGA、PLLA、PLGA

    1996年,Mooney等利用PGA支架材料,通过体外培养牙髓细胞,形成了类牙髓组织。2002年,Young等采用PGA/PLLA/PLGA支架材料,进行猪第三磨牙牙胚细胞体内培养,得到了再生牙本质、髓腔、Hertwig上皮根鞘、牙骨质成釉器。

    2.2.2聚己酸内酯(PCL)

    PCL的生物活性有限且降解率低,常用于复合支架中。Park等使用PCL/PGA复合支架材料,提高了PCL本身的降解率,成功再生出类牙骨质、牙周膜和骨组织,表现出在牙周再生中的潜力。

    2.3其他人工合成支架材料(无机物)

    2.3.1HA/TCP

    Miura等利用HA/TCP作为支架材料,使脱落乳牙干细胞在小鼠体内形成牙本质结构,但是没有形成牙髓牙本质复合体。王松灵等采用HA/TCP作为支架材料,诱导根尖乳头干胞在免疫缺陷小鼠体内形成牙本质和牙骨质结构;尔后利用HA/TCP和有机物明胶海绵作为支架材料,将根尖乳头干细胞和牙周膜干细胞作为种子细胞,制作生物牙根,将其植入小型猪下颌骨内3个月,得到了拥有牙髓牙本质复合体和牙周膜包绕的再生生物牙根。AbdulQader等使用含BCP的HA/β-TCP作为支架材料,成功使牙髓干细胞形成牙本质,但无牙髓形成。

    2.3.2陶瓷支架材料

    Nam等利用3D多孔隙的CaP支架材料,成功诱导牙髓干细胞增殖和牙源性分化。Fielding等在支架材料(TCP)中掺入二氧化硅和氧化锌,显著提升了支架材料的机械强度和牙髓干细胞的增殖能力。Kushwaha等发现,牙髓干细胞在掺铌的氟磷灰石微晶玻璃支架材料表面具有优秀的吸附、增殖和分化能力。

    2.4复合支架材料

    复合支架材料可结合不同种类的支架材料,取长补短,提高效果。

    2.4.1聚乙二醇-纤维蛋白原水凝胶

    复合水凝胶的支架材料易于成形和混入生长因子。Lu等成功应用聚乙二醇-纤维蛋白原水凝胶支架材料,进行牙髓干细胞的牙源性分化。

    2.4.2细胞外基质中掺银的生物活性玻璃(Ag-BG/ECM)

    Wang等以Ag-BG/ECM复合支架材料进行牙髓干细胞体外、小鼠体内培养,成功诱导牙髓干细胞牙源性分化,并有类牙本质沉积;同时验证了该复合支架材料优秀的杀菌能力。

    3.小结

    目前,这一研究热点领域中的种子细胞在研究者中有较为统一的定论,牙源性间充质干细胞如牙髓干细胞、牙周膜干细胞,有成牙分化潜力的非牙源性间充质干细胞如骨髓间充质干细胞,以及牙胚形成的上游干细胞神经嵴干细胞等均可用于牙再生。然而,支架材料研究中还没有发现生物相容性好,免疫原性佳,细胞吸附容易,机械性能、化学性能和降解效率可控,能促进种子细胞增殖,并且本身能够或能复合诱导因子诱导种子细胞定向分化的支架材料。有些体外实验有较好效果,但体内结果还有待于进一步研究。

编辑: 陆美凤

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