牙齿组织工程研究论文

[论文关键词]牙齿组织工程 [论文摘要]牙齿组织工程学是指利用体外和体内培养的手段从单细胞获得整个牙齿的组 织工程手段。其关键之处是获得具有较强生长和分化能力的种子细胞、优选较为适宜的支 架材料，以及构建有较强再生能力的细胞-支架复合体。 近年来，随着发育生物学、分子生物学、细胞生物学、干细胞以及生物材料学等领域 的新进展组织工程学也取得了长足的发展。所谓的牙齿组织工程学是运用生命科学和工程 学的方法、原理和技术，在体外构建有生物活性的组织，植入体内，修复缺损组织，重建 功能的一门新兴学科。众所周知，牙齿的发生发育经历有初始发生期、蕾状期、帽状期、 钟状期、分化期、分泌期以及牙根的形成等阶段，由上皮和间充质的相互作用完成。即便 使用单细胞进行培养，牙齿结构的发生和发育也要经历这些必然阶段。这为牙齿组织工程 学的研究奠定了基础。然而组织工程学并不是一项简单的工程，需要各个方面的工作相互 协调，相互配合。 一、牙齿组织工程与干细胞 干细胞是一类具有自我更新能力的细胞，能够产生至少一种类型的、高度分化的子代 细胞。其可在体外分离、扩增和冷冻保存，在一定的条件下可被诱导分化为不同的细胞或 组织。根据发生学来源的不同可将干细胞分为胚胎干细胞和成体干细胞。 随着生物技术及组织工程学的发展，可通过干细胞定向分化技术，培育出特定的组织 或器官。其原理是人为干预干细胞的分化方向，使这些细胞按照我们的需要分化成单一的 组织或器官。组织工程牙齿的研究常以干细胞、信号分子及生物支架为基础[1-2]，在体外 通过组织重组技术及器官培养等方法研究牙齿的再生。Sharpe 等[3]利用小鼠胚胎牙上皮和 不同来源的间充质干细胞（胚胎干细胞和神经干细胞）及成人骨髓干细胞重组后再植入小 鼠体内可获得牙齿结构，Young 等[4]也通过组织工程的方法制备了齿/骨杂交体，即用猪第 三磨牙的牙蕾细胞种植到生物可降解的支架 PGA 或 PLGA 上，在成年大鼠的视网膜上生 长 4 周后即得牙移植块；同样从猪的骨髓中分离诱导成骨细胞，并种植到 PLGA 支架上， 在透氧的生物反应器系统中培养 10 天后即得骨移植块；将以上的牙移植块和骨移植块组合 在一起重新植入大鼠的视网膜上生长 8 周后，经过组织学和免疫组化的方法分析发现齿/骨 杂交体不仅能产生牙本质、修复牙本质及釉质组织，还能表达骨钙蛋白、骨涎蛋白以及Ⅲ 型胶原。Kramer 等[5]将骨髓间充质干细胞与牙周韧带细胞共培养，发现共培养的骨髓间 充质干细胞骨钙蛋白和骨桥蛋白的表达量明显增加，而骨涎蛋白的表达量明显降低，体现 了共培养的骨髓间充质干细胞能够获得牙周韧带细胞的特性，可用于进行牙周组织的修复。 这在一定程度上说明了，利用组织工程的方法在体外再生牙齿是可能的[6-7]。且在一定条 件下不仅牙髓干细胞能够再生牙齿结构，其他来源的间充质干细胞也能够产生类似牙齿硬 组织的结构。 二、牙齿组织工程与生物支架 组织工程将培养细胞种植于外源性细胞外基质（ECMs）以构筑细胞/支架材料复合物。 这种外源性 ECMs 就是由生物相容性良好和可降解的生物材料制备的三维多孔支架。组织 工程支架的设计和选择对于组织工程来说是非常关键的一步。组织工程支架材料的目的是 为构建组织的细胞提供一个三维支架，有利于细胞的粘附、增殖乃至分化，为细胞生长提 供合适的外环境。理想的生物支架材料需要满足如下要求：（1）具备良好的生物相容性， 不会因邻近组织的排异反应而影响新组织的功能；（2）具有可降解性及适宜的降解速率， 当移植的细胞或组织在受体内存活时，支架材料可自行降解；（3）具有符合细胞、组织 器官要求的生物力学强度；（4）具有良好的细胞界面关系，能相互作用以保存和促进细 胞功能；（5）便于加工成理想的二维或三维结构，而且移植到体内后能保持原有形状。 Gronthos 等[8]以 HA/TCP 为支架，将体外扩增的牙髓干细胞(DPSCs)DPSCs)植入裸鼠背侧皮 肤下，可获得牙本质/牙髓样结构。此外，在由组织工程支架材料 PLGA 或 PGA/PLLA 构 成的牙型支架中，植入打散猪胚磨牙牙胚或大鼠的磨牙牙胚，均能形成一个包含牙本质、 成牙本质细胞、界限清晰的牙髓腔、Hertwig 氏上皮根鞘(DPSCs)HERS)和成釉器的结构[910]。07 年，KazuhisaNakao 等人将打散的小鼠胚胎 14.5 天的上皮和间充质添加到用胶原 做成的支架上，在体内和体外均培养出了完整的并富含有血管和神经纤维的牙齿结构 [11]。 传统的牙齿组织工程是在体内构建细胞支架复合体。体内构建是将细胞——支架复合 体植入体内，修复组织缺损。这种方法的明显优点就是能够利用体内独特的生长环境为牙 齿的再生提供条件适宜并无菌的环境。但随着组织工程的进一步发展，体内重建已经不能 满足实际工作的需要。必须能够实现在体外重建的模式。体外构建是通过体外组织培养的 方法将种子细胞接种到支架材料上，在体外进行组织构建。体外重建具有一些较体内构建 容易控制条件、利于实验观察等优点，然而在传统的静态培养条件下体外重建却很难达到 真正的组织重建，但随着生物反应器和灌注培养系统的先后出现，体外构建条件也有了明 显改善[12]。 三、展望 随着干细胞研究的飞速发展和生物材料的不断改进，运用实验胚胎学、发育和分子生 物学的研究结果，科学家预测在不久的将来实现牙齿的再生是完全可能的。比较理想的方 法是:体外培养种子细胞，形成牙胚后植入患者先天无牙颌区或缺失牙区，使长出具有良好 形态并能行使其生物功能的组织工程化牙齿，从而取代传统的人工种植牙。随着 Dentigenix 和 Odontis 等牙齿组织工程公司的出现以及日立等大型企业的介入可能会大大 加速有关的研究进程以及商业化产品的推出，但也可能同时会阻碍相关研究结果的透明度。 但不管怎样，组织工程化牙齿将走入临床应用，这将是现代组织工程学向口腔疾病治疗的 传统观念和方法发起的最具革命的性挑战，必将在口腔医学领域引起一场划时代的变革。 [论文关键词]牙齿组织工程 [论文摘要]牙齿组织工程学是指利用体外和体内培养的手段从单细胞获得整个牙齿的组 织工程手段。其关键之处是获得具有较强生长和分化能力的种子细胞、优选较为适宜的支 架材料，以及构建有较强再生能力的细胞-支架复合体。 近年来，随着发育生物学、分子生物学、细胞生物学、干细胞以及生物材料学等领域 的新进展组织工程学也取得了长足的发展。所谓的牙齿组织工程学是运用生命科学和工程 学的方法、原理和技术，在体外构建有生物活性的组织，植入体内，修复缺损组织，重建 功能的一门新兴学科。众所周知，牙齿的发生发育经历有初始发生期、蕾状期、帽状期、 钟状期、分化期、分泌期以及牙根的形成等阶段，由上皮和间充质的相互作用完成。即便 使用单细胞进行培养，牙齿结构的发生和发育也要经历这些必然阶段。这为牙齿组织工程 学的研究奠定了基础。然而组织工程学并不是一项简单的工程，需要各个方面的工作相互 协调，相互配合。 一、牙齿组织工程与干细胞 干细胞是一类具有自我更新能力的细胞，能够产生至少一种类型的、高度分化的子代 细胞。其可在体外分离、扩增和冷冻保存，在一定的条件下可被诱导分化为不同的细胞或 组织。根据发生学来源的不同可将干细胞分为胚胎干细胞和成体干细胞。 随着生物技术及组织工程学的发展，可通过干细胞定向分化技术，培育出特定的组织 或器官。其原理是人为干预干细胞的分化方向，使这些细胞按照我们的需要分化成单一的 组织或器官。组织工程牙齿的研究常以干细胞、信号分子及生物支架为基础[1-2]，在体外 通过组织重组技术及器官培养等方法研究牙齿的再生。Sharpe 等[3]利用小鼠胚胎牙上皮和 不同来源的间充质干细胞（胚胎干细胞和神经干细胞）及成人骨髓干细胞重组后再植入小 鼠体内可获得牙齿结构，Young 等[4]也通过组织工程的方法制备了齿/骨杂交体，即用猪第 三磨牙的牙蕾细胞种植到生物可降解的支架 PGA 或 PLGA 上，在成年大鼠的视网膜上生 长 4 周后即得牙移植块；同样从猪的骨髓中分离诱导成骨细胞，并种植到 PLGA 支架上， 在透氧的生物反应器系统中培养 10 天后即得骨移植块；将以上的牙移植块和骨移植块组合 在一起重新植入大鼠的视网膜上生长 8 周后，经过组织学和免疫组化的方法分析发现齿/骨 杂交体不仅能产生牙本质、修复牙本质及釉质组织，还能表达骨钙蛋白、骨涎蛋白以及Ⅲ 型胶原。Kramer 等[5]将骨髓间充质干细胞与牙周韧带细胞共培养，发现共培养的骨髓间 充质干细胞骨钙蛋白和骨桥蛋白的表达量明显增加，而骨涎蛋白的表达量明显降低，体现 了共培养的骨髓间充质干细胞能够获得牙周韧带细胞的特性，可用于进行牙周组织的修复。 这在一定程度上说明了，利用组织工程的方法在体外再生牙齿是可能的[6-7]。且在一定条 件下不仅牙髓干细胞能够再生牙齿结构，其他来源的间充质干细胞也能够产生类似牙齿硬 组织的结构。 二、牙齿组织工程与生物支架 组织工程将培养细胞种植于外源性细胞外基质（ECMs）以构筑细胞/支架材料复合物。 这种外源性 ECMs 就是由生物相容性良好和可降解的生物材料制备的三维多孔支架。组织 工程支架的设计和选择对于组织工程来说是非常关键的一步。组织工程支架材料的目的是 为构建组织的细胞提供一个三维支架，有利于细胞的粘附、增殖乃至分化，为细胞生长提 供合适的外环境。理想的生物支架材料需要满足如下要求：（1）具备良好的生物相容性， 不会因邻近组织的排异反应而影响新组织的功能；（2）具有可降解性及适宜的降解速率， 当移植的细胞或组织在受体内存活时，支架材料可自行降解；（3）具有符合细胞、组织 器官要求的生物力学强度；（4）具有良好的细胞界面关系，能相互作用以保存和促进细 胞功能；（5）便于加工成理想的二维或三维结构，而且移植到体内后能保持原有形状。 Gronthos 等[8]以 HA/TCP 为支架，将体外扩增的牙髓干细胞(DPSCs)DPSCs)植入裸鼠背侧皮 肤下，可获得牙本质/牙髓样结构。此外，在由组织工程支架材料 PLGA 或 PGA/PLLA 构 成的牙型支架中，植入打散猪胚磨牙牙胚或大鼠的磨牙牙胚，均能形成一个包含牙本质、 成牙本质细胞、界限清晰的牙髓腔、Hertwig 氏上皮根鞘(DPSCs)HERS)和成釉器的结构[910]。07 年，KazuhisaNakao 等人将打散的小鼠胚胎 14.5 天的上皮和间充质添加到用胶原 做成的支架上，在体内和体外均培养出了完整的并富含有血管和神经纤维的牙齿结构 [11]。 传统的牙齿组织工程是在体内构建细胞支架复合体。体内构建是将细胞——支架复合 体植入体内，修复组织缺损。这种方法的明显优点就是能够利用体内独特的生长环境为牙 齿的再生提供条件适宜并无菌的环境。但随着组织工程的进一步发展，体内重建已经不能 满足实际工作的需要。必须能够实现在体外重建的模式。体外构建是通过体外组织培养的 方法将种子细胞接种到支架材料上，在体外进行组织构建。体外重建具有一些较体内构建 容易控制条件、利于实验观察等优点，然而在传统的静态培养条件下体外重建却很难达到 真正的组织重建，但随着生物反应器和灌注培养系统的先后出现，体外构建条件也有了明 显改善[12]。 三、展望 随着干细胞研究的飞速发展和生物材料的不断改进，运用实验胚胎学、发育和分子生 物学的研究结果，科学家预测在不久的将来实现牙齿的再生是完全可能的。比较理想的方 法是:体外培养种子细胞，形成牙胚后植入患者先天无牙颌区或缺失牙区，使长出具有良好 形态并能行使其生物功能的组织工程化牙齿，从而取代传统的人工种植牙。随着 Dentigenix 和 Odontis 等牙齿组织工程公司的出现以及日立等大型企业的介入可能会大大 加速有关的研究进程以及商业化产品的推出，但也可能同时会阻碍相关研究结果的透明度。 但不管怎样，组织工程化牙齿将走入临床应用，这将是现代组织工程学向口腔疾病治疗的 传统观念和方法发起的最具革命的性挑战，必将在口腔医学领域引起一场划时代的变革。