劉 麗 宋元利 王麗英 寧 芳 劉繼延

牙齒發(fā)育是一個復(fù)雜的過程，是牙源性上皮和牙源性間充質(zhì)相互作用發(fā)育而成[1]。牙齒是再生醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的重要模型，運用干細(xì)胞及組織工程原理構(gòu)建有生物活性的組織工程牙齒是目前國內(nèi)外廣為關(guān)注的熱點課題。牙齒再生研究包括體外培養(yǎng)和體內(nèi)移植實驗兩部分。體內(nèi)移植實驗是體外培養(yǎng)的延續(xù)，體外培養(yǎng)缺乏血液供應(yīng)及體內(nèi)的微環(huán)境，構(gòu)建組織或器官必須在體內(nèi)形成。因此本研究選取具有全能性的誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞，在體外成功定向誘導(dǎo)的基礎(chǔ)上，將細(xì)胞團(tuán)植入小鼠體內(nèi)，進(jìn)一步觀察在體內(nèi)微環(huán)境下，小鼠誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞向牙齒樣結(jié)構(gòu)分化及組織形成的潛能，以及尋找適宜的成牙微環(huán)境，為牙齒再生研究提供可行性依據(jù)。

1. 材料與方法

1.1 材料 8 周齡C57 小鼠，iPS-C5 細(xì)胞株購買于中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院。高糖DMEM(Gibco 公司，美國)；滅活胎牛血清(Gibco 公司，美國)；非必須氨基酸(Gibco 公司，美國)；丙醇酸鈉(Gibco 公司，美國)；2-巰基乙醇(Gibco 公司，美國)；白血病抑制因子(LIF，Gibco 公司，美國)；抗小鼠一抗：成釉蛋白(AMBN，Santa Cruz Biotechnology 公司，美國)，釉原蛋白(AMGN，Santa Cruz Biotechnology 公司，美國，成釉細(xì)胞特異性標(biāo)記物)，牙本質(zhì)基質(zhì)蛋 白-1(DMP-1，Santa Cruz Biotechnology 公司，美國)，牙本質(zhì)涎磷蛋白(DSP，Santa Cruz Biotechnology 公司，美國)；Hoechst 33342(Sigma 公司，美國)，BMP4(R＆D System， 美國)。

1.2 iPS 細(xì)胞體外培養(yǎng) iPS 細(xì)胞以1×105/ ml 的密度均勻接種在預(yù)先鋪有滋養(yǎng)層細(xì)胞的培養(yǎng)皿內(nèi)，加入高糖DMEM 培養(yǎng)液，37℃、5%CO2、飽和濕度培養(yǎng)箱中培養(yǎng)2d[2]，待細(xì)胞貼壁后開始體外誘導(dǎo)。iPS 細(xì)胞常規(guī)培養(yǎng)液為實驗A 組，成釉細(xì)胞無血清條件培養(yǎng)液(ASF-CM)為實驗B組， ASF-CM 中加入50ng/ ml BMP4 (ASFBMP4)為實驗C 組。不同條件誘導(dǎo)液培養(yǎng)iPS 細(xì)胞1 周后可在培養(yǎng)皿底部觀察到白色膜狀物質(zhì)形成。將白色膜狀物質(zhì)剝脫到離心管內(nèi)，繼續(xù)培養(yǎng)1周，iPS 細(xì)胞逐漸聚縮成團(tuán)，具備一定的厚度和強度。參照Handa 的實驗方法[3]，將大約2.0×106細(xì)胞與40mg 陶瓷化骨(CBB， ceramic bovine bone)粉末混合，形成iPS 細(xì)胞聚合體／CBB 復(fù)合物，用纖維蛋白膠包裹，培養(yǎng)液中繼續(xù)培養(yǎng)24h，留做備用。

1.3 小鼠腎被膜移植 腎被膜下移植的操作方法可參照Colnot 的手術(shù)進(jìn)路[4]。C57 小鼠采用2%戊巴比妥鈉，按50mg/ kg 體重腹腔注射進(jìn)行麻醉，常規(guī)備皮，小鼠采用右側(cè)臥位以充分暴露左側(cè)腰部，捫及左腎，消毒后在此處作1cm 切口逐層切開皮膚、肌肉，進(jìn)入腹腔，輕壓左腎使其從腹腔膨出，生理鹽水沾濕腎表面并始終保持腎表面濕潤，顯微外科器械游離腎被膜形成囊性空間，將細(xì)胞團(tuán)植入到腎被膜下，將左腎送回腹腔，逐層縫合。實驗B 組共植入10 個細(xì)胞團(tuán)，實驗C 組共植入10 個。實驗A 組作為對照組，共植入5 個。

1.4 組織學(xué)觀察移植 6 周后取出移植物，4%多聚甲醛固定液中固定24h，低溫脫鈣，常規(guī)石蠟包埋，切片厚度為5μm，采用HE 染色進(jìn)行組織學(xué)檢測。

1.5 免疫組織熒光染色 6 周后取材，石蠟包埋切片，在二甲苯i、二甲苯ii 中依次浸泡切片15min，隨后在無水乙醇、95%乙醇、75%乙醇中依次浸泡切片5min；隨后在沸水中加入0.01ml枸櫞酸鈉緩沖溶液(pH6.0)進(jìn)行抗原修復(fù)。端鍋于水下沖至鍋溫涼；用蠟塊畫蠟圈；用3%雙氧水于恒溫箱中放置15min，蠟圈用PBS 沖洗3 次；加入吐溫浸泡片刻，不沖洗，甩干后直接加入山羊血清封閉液，恒溫箱內(nèi)孵育半小時；滴加抗小鼠一抗AMBN(1∶100)、DSP(1∶100)，4℃冰箱內(nèi)過夜；次日復(fù)溫1h，滴加Rhodamine 標(biāo)記的羊抗兔或兔抗羊二抗(1∶200)，37℃恒溫箱孵育40min。封片、鏡檢。

2. 結(jié)果

2.1 移植物組織學(xué)觀察 ASF-CM 組植入10 個細(xì)胞團(tuán)，3 個移植物可觀察到角化上皮樣結(jié)構(gòu)生成。ASF-BMP4 組植入10 個細(xì)胞團(tuán)：3 個移植物可以觀察到上皮樣結(jié)構(gòu)；5 個移植物可以觀察到牙本質(zhì)樣結(jié)構(gòu)生成，有類似于成牙本質(zhì)樣細(xì)胞生成，DMEM 組5 個移植物均未觀察到類似于成釉細(xì)胞樣或成牙本質(zhì)細(xì)胞樣結(jié)構(gòu)形成(圖1)。

2.2 免疫組織熒光檢測結(jié)果 為了進(jìn)一步驗證HE 染色結(jié)果，利用成釉細(xì)胞特異性抗體AMBN 以及成牙本質(zhì)細(xì)胞特異性抗體DSP 進(jìn)行免疫組織熒光檢測，熒光顯微鏡結(jié)果顯示ASF-CM組形成的上皮樣結(jié)構(gòu) AMBN 染色陽性。ASF-BMP4 組形成的上皮樣結(jié)構(gòu)陽性表達(dá)AMBN；形成的牙本質(zhì)樣結(jié)構(gòu)陽性表達(dá)DSP。未誘導(dǎo)的DMEM 組作為對照組，AMBN、DSP 染色陰性(圖2)。

3. 討論

圖1 體內(nèi)移植8 周后組織學(xué)觀察

圖2 體內(nèi)移植8 周后免疫組織熒光染色

牙齒是一種復(fù)雜的器官，由釉質(zhì)、牙本質(zhì)、牙骨質(zhì)、牙周膜共同構(gòu)成。牙齒的發(fā)育過程是牙源性上皮細(xì)胞與牙源性間充質(zhì)細(xì)胞相互作用的結(jié)果。牙源性上皮細(xì)胞可以誘導(dǎo)牙源性間充質(zhì)細(xì)胞分化成牙本質(zhì)和牙髓，而牙源性上皮又在牙源性間充質(zhì)細(xì)胞誘導(dǎo)下分化成釉質(zhì)[5]。然而牙源性上皮細(xì)胞終末分化的成釉細(xì)胞在成體中缺失，使得釉質(zhì)的生物性再生成為世界性難題。本實驗從出生7d 的C57 仔鼠的下頜切牙分離成釉細(xì)胞，使用成釉細(xì)胞的無血清條件培養(yǎng)液(ASF-CM)以及ASF-CM 聯(lián)合生長因子BMP4 兩種方式誘導(dǎo)iPS 細(xì)胞，對照組為未誘導(dǎo)的iPS 細(xì)胞。小鼠腎被膜下移植8 周后取材結(jié)果顯示：ASF-CM 組形成角化上皮樣結(jié)構(gòu)，免疫組織熒光檢測顯示形成的上皮樣結(jié)構(gòu)屬于牙源性上皮，AMBN 表達(dá)陽性。ASF-BMP4 組可觀察到上皮樣結(jié)構(gòu)和牙本質(zhì)樣結(jié)構(gòu)生成，進(jìn)一步免疫組織熒光檢測AMBN、DSP 陽性，提示ASF-BMP4 組向成釉細(xì)胞譜系和成牙本質(zhì)細(xì)胞譜系轉(zhuǎn)化。對照組形成畸胎瘤樣結(jié)構(gòu)，沒有觀察到明顯的成釉細(xì)胞樣和成牙本質(zhì)細(xì)胞樣結(jié)構(gòu)生成，AMBN、DSP 表達(dá)均陰性。本實驗驗證了我們前期體外研究的結(jié)果[6]，在適宜的微環(huán)境下，iPS 細(xì)胞可以向牙上皮樣結(jié)構(gòu)和牙本質(zhì)樣結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。

微環(huán)境是組織工程再生研究的一個重要因素，是細(xì)胞在體內(nèi)賴以生存的環(huán)境，由細(xì)胞、生長因子、細(xì)胞外基質(zhì)構(gòu)成，三者之間通過相互作用構(gòu)成一個三維的動態(tài)空間，控制著細(xì)胞的增殖、遷移和分化[7]。近年來有許多研究利用牙胚細(xì)胞條件培養(yǎng)液模擬牙齒早期發(fā)育的微環(huán)境，誘導(dǎo)牙源性干細(xì)胞或非牙源性干細(xì)胞向牙本質(zhì)方向轉(zhuǎn)化。發(fā)育早期的牙胚細(xì)胞中含有牙齒發(fā)育所需的全部信息，牙胚細(xì)胞之間通過傳遞這些信息，實現(xiàn)牙齒的形態(tài)發(fā)生[8-10]。于金華博士利用大鼠切牙牙胚細(xì)胞條件培養(yǎng)液，將牙髓干細(xì)胞分化為成牙本質(zhì)細(xì)胞，腎被膜移植后形成牙本質(zhì)牙髓復(fù)合體樣結(jié)構(gòu)。并且，于金華博士認(rèn)為牙胚細(xì)胞條件培養(yǎng)液微環(huán)境下，牙髓干細(xì)胞牙向分化的過程是牙源性上皮信號起決定性作用的結(jié)果[11]。寧芳博士利用成釉細(xì)胞無血清條件培養(yǎng)液將胚胎干細(xì)胞分化為牙源性上皮細(xì)胞，推測成釉細(xì)胞分泌的BMPs、Notch-1、TGF-βs 和FGFs 等一些信號分子通過相互協(xié)同或拮抗作用，使胚胎干細(xì)胞產(chǎn)生了特殊的感受性，從而向牙上皮方向轉(zhuǎn)化[12]。

BMPs 是口腔上皮中最早表達(dá)的信號分子之一，在上皮－間充質(zhì)的相互誘導(dǎo)中起關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用[13]。BMPs 信號首先在胚胎11d 的小鼠牙上皮中表達(dá)，BMPs 與其他生長因子相互協(xié)同誘導(dǎo)下方間充質(zhì)中轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)。隨后轉(zhuǎn)移到下方的間充質(zhì)中，BMPs 又反饋調(diào)節(jié)上皮信號因子的表達(dá)。國內(nèi)外研究表明BMP2 能促進(jìn)牙髓干細(xì)胞分化為成牙本質(zhì)細(xì)胞[14-15]。Col-Ⅰ聯(lián)合BMP4 可以誘導(dǎo)小鼠ES/ iPS 細(xì)胞向成牙本質(zhì)細(xì)胞分化[16-17]。我們前期體外研究通過加入BMP4 的拮抗劑noggin，亦證明了BMP4 在iPS 牙向分化中發(fā)揮著重要作用[6]。

雖然在本實驗中我們?nèi)〉玫慕Y(jié)果并不典型，但仍有一定的探索性，而如何提高iPS 細(xì)胞的誘導(dǎo)效率以及避免iPS 細(xì)胞致畸性也存在很大困難。另外，單一的因子不能模擬復(fù)雜的牙胚發(fā)育環(huán)境，如何建立一個適宜的微環(huán)境高效率的誘導(dǎo)iPS 細(xì)胞牙向分化，仍需要我們不斷的努力。

[1] Dogan A，Demirci S，Sahin F. In vitro differentiation of human tooth germ stem cells into endothelial-and epithelial-like cells[J]. Cell Biol Int，2015，39(1): 94-103

[2] 劉 麗，李亞靜，趙文峰. 小鼠誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞向牙源性細(xì)胞分化的實驗研究[J]. 中華老年口腔醫(yī)學(xué)雜志，2014，12(1)：48-52

[3] Handa K，Saito M，Tsunoda A，et al. Progenitor cells from dental follicle are able to form cementum matrix in vivo[J].Connect Tissue Res，2002，43(2-3):406-408

[4] Colnot C，Lu C，Hu D，et al. Distinguishing the contributions of the perichondrium， cartilage， and vascular endothelium to skeletal development[J]. Developmental Biology，2004，269(1):55-69

[5] 包柳郁，金 巖，牛忠英，等.人牙源性上皮細(xì)胞的體外培養(yǎng)研究[J]. 臨床口腔醫(yī)學(xué)雜志，2003，19(17)：643-645

[6] 劉 麗，王紅雷，陳增力，等.骨形成蛋白-4 對小鼠誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞牙向分化能力的影響[J]. 中華老年口腔醫(yī)學(xué)雜志，2014，12(5)：257-261

[7] Morrison SJ，Spradling AC. Stem cells and niches: mechanisms that promote stem cell maintenance throughout life[J].Cell，2008，132(4):598-611

[8] 李瑞奇，黃曉峰，張方明.Shh 誘導(dǎo)牙齒發(fā)育分子機(jī)制的研究進(jìn)展[J].口腔頜面修復(fù)學(xué)雜志，2012，13(4)：250-253

[9] Kheralla Y，Gotz W，Kawarizadeh A. IGF-I，IGF-IR and IRS1 expression as an early reaction of PDL cells to experimental tooth movement in the rat [J]. Arch Oral Biol，2010，55(3): 215-222

[10] Farea M，Husein A，Halim AS，et al. Synergistic effects of chitosan scaffold and TGFβ1 on the proliferation and osteogenic differentiation of dental pulp stem cells derived from human exfoliated deciduous teeth[J]. Arch Biol，2014，59(12):1400-1411

[11] Yu JH，Deng ZH，Shi JN，et al. Differentiation of dental pulp stem cells into regular-shaped dentin-pulp complex induced by tooth germ cell conditioned medium [J]. Tissue Eng，2006，12(11):3097-3105

[12] Ning F，Guo Y，Tang J，et al. Differentiation of mouse embryonic stem cells into dental epithelial-like cells induced by ameloblasts serum-free conditioned medium[J]. Biochem Biophys Res Commun，2010，394(2): 342-347

[13] Hosoya A，Kim JY，Cho SW，et al. BMP4 signaling regulates formation of Hertwig' s epithelial root sheath during tooth root development[J]. Cell Tissue Res，2008，333(3):503-509

[14] Iohara K，Nakashima M，Ito M，et al. Dentin regeneration by dental pulp stem cell therapy with recombinant human bone morphogenetic protein 2 [J]. J Dent Res，2004，83(8):590-595

[15] Saito T，Ogawa M，Hata Y，et al. Acceleration effect of human recombinant bone morphogenetic protein-2 on differentiation of human pulp cells into odontoblasts[J]. J Endod，2004，30(4):205-208

[16] Kawai R，Ozeki N，Yamaguchi H，et al. Mouse ES cells have a potential to differentiate into odontoblast-like cells using hanging drop method [J]. Oral Dis， 2013， doi:10.1111/ odi.12134. [Epub ahead of print]

[17] Ozeki N，Mogi M，Kawai R，et al. Mouse induced pluripotent stem cells differentiate into odontoblast-like cells with induction of altered adhesive and migratory phenotype of integrin[J]. PLoS One，2013，8(11):e80026