涎腺的发育机制及组织再生的研究进展

2019-2-11 15:02  来源:临床口腔医学杂志
作者:黄圣元 颜兴 阅读量:2089

    唾液腺肿瘤术后和头颈部的放疗常造成腺体的不可逆损伤,此外,某些自身免疫性疾病也常伴有唾液腺分泌功能的减退,如舍格伦综合征。唾液分泌总量的减少,降低了口腔局部抗菌、酸性环境缓冲、自洁及牙体组织再矿化能力,常导致龋齿的快速进展以及相关口腔黏膜病的发生,从而进一步影响患者的消化系统以及全身功能,极大程度地降低患者的生活质量、提高医疗费用。

    以往对于唾液分泌功能损伤的治疗主要是使用唾液替代品或副交感神经激动剂。然而前者仅能减轻患者的不适感,并不能根治唾液分泌功能减退造成的口干,副交感神经激动剂如毛果芸香碱等虽可改善患者的症状,但其作用前提是有足够腺体存在,对于因肿瘤切除唾液腺后导致的唾液分泌功能损伤无明显疗效。因此,如何采用一种新型的方法从根本上恢复损伤唾液腺的正常功能是当今面临的重要课题。随着再生医学及干细胞技术的发展,涎腺再生慢慢成为近年来研究的重点。通过干细胞技术、基因工程以及组织工程学相结合的方法,再生出具有生理功能的唾液腺或分泌单位,使得从根本上治疗唾液腺损伤成为可能。现就涎腺的发育和涎腺再生的研究进展进行一综述。

    1.涎腺的发育特点

    人体有三大唾液腺,分别是腮腺、下颌下腺和舌下腺,在口腔黏膜下层还分布有许多小唾液腺。唾液腺大约于胚胎第6周开始发育。目前多数学者已经认同唾液腺来源于外胚层,Michael等的遗传谱系追踪实验表明3个主要唾液腺的上皮不属于内胚层,进一步证实了以上观点。唾液腺的发育是上皮和间充质共同作用的结果,受多种基因、蛋白、细胞因子和信号通路的调控,了解其调控机制将有助于为涎腺再生相关研究提供一些理论基础和设计思路。

    涎腺的发育主要经过以下阶段:①胚芽形成;②分支形态发生,此过程包括细胞增殖、分裂、分化、迁移、凋亡以及上皮间充质、神经元和内皮细胞之间的相互作用;③腺小叶的形成;④导管形成;⑤细胞分化和增殖,在此时期上皮末端膨大区的干细胞分化成腺泡细胞和导管细胞,最终形成功能性的唾液腺器官。

    2.涎腺再生的研究进展

    再生医学是指利用生物学及工程学的理论方法再生失去或功能损害的组织和器官,使其具备正常组织和器官的结构和功能。涎腺再生有可能永久恢复患者的唾液腺分泌功能,从而改善口腔健康和生活质量。以下将从细胞治疗、基因调控和组织工程学三个方面介绍涎腺再生的研究进展。

    2.1干细胞治疗

    涎腺干细胞是一种间充质干细胞,具有向外胚层、中胚层和内胚层组织分化的能力。涎腺干细胞这一概念是由Eversole等最早在1985年提出的,该学者认为闰管的基底细胞内存在干细胞,此种干细胞具有分化为导管细胞、腺泡细胞以及肌上皮细胞的能力。此后,2008年Rotter等先后在人腮腺和小鼠颌下腺组织中成功分离获得了涎腺干细胞。同年Lombaert等将从小鼠颌下腺中分离出的唾液腺细胞在体外培养,观察到干细胞分化成导管细胞和产生唾液蛋白和黏蛋白的腺泡细胞。而后又将从体内分离得出的涎腺干细胞移植入小鼠体内后发现可改善放射后涎腺损伤小鼠的唾液分泌功能。

    根据2013年的一项基因谱系追踪实验进一步证实,涎腺干细胞可分化为多种细胞。这些包括腺泡,肌上皮细胞和导管细胞等,这表明了涎腺干细胞是唾液腺中的一种多效上皮干细胞。另外,一些学者通过将骨髓来源间充质干细胞移植入颌下腺以及将牙周膜来源间充质干细胞向腺泡样细胞诱导的方法尝试再生涎腺组织,均取得了一些进展,但其再生的机制目前尚未明了。

    目前干细胞移植较多应用间充质干细胞,体外与体内研究均获得了一些成果。但间充质干细胞体内获取量有限,其多向分化潜能与体内、体外增殖能力都明显差于全能干细胞。随着干细胞技术的发展,诱导性多潜能干细胞(induced pluripotent stem cell,iPSC)被越来越多的研究者关注。

    iPSC是一种多能干细胞,通过体细胞重编程技术可由体细胞诱导产生(如尿液中的上皮细胞、角质形成细胞、真皮成纤维细胞等),来源广泛,易于获取。相比胚胎干细胞不存在伦理学争议。因为取自患者自身从而避免了免疫排斥问题。iPSC具有与胚胎干细胞相似的分化潜能,理论上可以诱导出所有类型的成体细胞,而且该种细胞具有某些特征遗传学记忆,有利于向其所来源组织分化。

    鉴于如上所述诱导性多潜能干细胞的种种优势,其可能为以往涎腺再生研究领域所面临的问题提供一种新的解决途径。

    2.2基因及通路研究

    基因疗法就是通过载体将目标基因转染至细胞内来治疗疾病或纠正细胞功能障碍。水通道蛋白基因(Aquaporins,Aqp)家族对唾液腺分泌功能密切相关。目前有很多学者就水通道蛋白与唾液腺分泌功能的关系展开研究。部分研究已进行至一期临床试验,Baum等将水通道蛋白-1(Aqp-1)通过腮腺导管逆行性注射的方式导入至6位恶性肿瘤放疗后分泌功能减退的病人腮腺内,观察到其中5位受试者唾液分泌功能改善,临床症状得到缓解。有研究表明,骨形态发生蛋白6(bone morphogenetic protein 6,BMP-6)与唾液腺分泌功能呈负相关。

    单兆臣等早在2005年用过量射线照射腮腺区的方法制备小型猪涎腺放射性损伤模型,通过腺病毒载体将Aqp-1导入实验猪单侧腮腺,观察到实验侧腮腺在短期内(3~7d)唾液流率有显著增加。Lai等在非肥胖型糖尿病小鼠模型内过表达BMP-6使其出现类似舍格伦综合征的症状,而后利用腺病毒载体AAV-2将Aqp-1在小鼠模型内过表达,发现Aqp-1基因疗法可恢复舍格伦综合征小鼠的唾液腺及泪腺分泌功能,另外此项研究还发现舍格伦综合征患者Aqp-5表达下调,导致细胞膜通透性降低,进一步揭示了舍格伦综合征的发病机制。以上研究证明了Aqp家族对改善唾液分泌功能的正向调控作用。

    另外,2011年Zheng等对人角质细胞生长因子(human keratinocyte growth factor,hKGF)展开研究,利用腺病毒载体将hKGF导入小鼠单侧颌下腺,而后对双侧颌下腺区域行放疗,观察到hKGF治疗侧的腺泡细胞增殖效率、内皮细胞数目和唾液腺流量均较对照侧更加理想。既往对于涎腺再生的大部分研究仅仅是考虑通过腺体内相关基因及因子的作用,唾液腺受副交感神经支配,先天性或放射治疗后副交感神经受到损伤也是导致唾液腺分泌功能受损的原因。神经营养因子NRTN也可用于基因治疗。

    Knox等发现,NRTN可减少神经细胞凋亡,恢复副交感神经功能以及增加上皮细胞再生。这一发现为涎腺再生的研究提供了新的思路,但NRTN是否能保护唾液腺免受辐射损伤有待进一步研究。唾液腺的功能涉及多个信号通路的调控。Wnt/FGF通路参与调控涎腺发育过程中分支形态的发生。Wnt/β-catenin通路的激活可以预防放射性唾液腺功能障碍。Hai等通过对Wnt转基因小鼠行放疗实验发现,Wnt/β-catenin通路与唾液腺干细胞关系密切,即可通过激活基底细胞促进唾液腺干细胞的增殖以及抑制细胞凋亡,然而单纯辐射造成的伤害并不会激活这个信号通路。

    由于不同物种再生涎腺所涉及的信号通路也不尽相同,以及信号通路调控细胞的效果尚无统一标准,故目前涉及相关通路的研究多处于动物实验阶段。目前有很多研究证明多种基因及通路与唾液腺分泌功能相关,但基因治疗绝不仅仅是上调或抑制某个基因。涎腺分泌功能是多种因素相互作用的结果,目前学界多限于研究单个基因对分泌功能的影响,至于基因-基因,蛋白-基因以及某些小分子化合物对涎腺分泌的作用等机制研究鲜有报道,要探寻涎腺基因调控的原理还需进一步深入研究。

    2.3组织工程学研究

    组织工程学是一门将细胞生物学和材料科学相结合,进行体外或体内构建组织或器官的学科。基于组织工程学的器官再生已成为一种潜在的治疗器官衰竭的替代方法。涎腺再生是上皮和间充质共同作用的结果,唾液腺组织工程即利用一个生物相容的支架来模拟腺体的微环境。透明质酸水凝胶(HA)是一种三维支架,其“火山口”状的表面结构利于细胞黏附,可以与唾液腺细胞结合形成球状结构,增殖后形成更大的类似于腺泡的结构,镜下可观察到腺泡细胞在HA支架上极化,并能在体外长期维持,将体外培养的类腺体结构植入大鼠体内可响应神经递质信号,并可以分泌淀粉酶。成分为聚乳酸-乙醇酸(PLGA)的纳米纤维PLGA支架,结合静电纺丝技术可形成特殊的三维结构,其表面结构支持涎腺上皮细胞的附着、增殖和存活。此外,纳米纤维PLGA支架可促进腺体分支化结构形成,促进游离的腺泡细胞排列成分支的腺体结构。

    随着材料学的发展,利用上述纳米材料制备的三维支架已成为近年来组织再生领域研究的热点,除此以外,一些学者尝试将体内组织脱细胞处理后制备成天然支架,用于组织再生的研究。Gao等将大鼠下颌下腺细胞植入预先行脱细胞处理的下颌下腺中,发现脱细胞处理的颌下腺支架可以支持细胞粘附。Burghartz等利用脱细胞的猪肠道基质(SIS-muc)作为支架,将唾液腺细胞导入支架内与微血管内皮细胞共培养,在体外获得了类腺体样结构,与传统2D培养体系相比其酶活性增加了25倍。

    通过上述研究可以得出,利用脱细胞处理的组织制备三维支架是一种良好的培养环境,可以使细胞获得良好的附着,达到与腺体结构相似的稳定架构,从而获得类似腺体的功能,此类方法可能成为日后唾液腺组织再生研究的热点。

    综上所述,涎腺发育包括上皮细胞、间充质、内源性因子和外源性因子等多种因素的相互作用。了解涎腺发育的机制将有助于组织再生的研究。涎腺再生的研究需涉及生物工程学、组织工程学以及临床医学多学科共同努力,虽然目前一些关键技术鲜有用于临床治疗的报道,但其在动物实验及体外实验阶段的成果表现出了较理想的再生潜力。然而当前对于腺体基质、神经、血管和免疫系统的研究并不完善,日后可能还需进一步探寻以上因素在涎腺再生中的作用机制。涎腺再生可以从根本上治疗唾液腺功能损伤或丧失,恢复患者唾液分泌能力;随着相关技术的发展,涎腺组织再生将为涎腺分泌功能降低或完全丧失的患者提供一种更完美的治疗方案。

编辑: 陆美凤

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