成牙骨质细胞的研究进展

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  摘要:由成牙骨质细胞形成的牙骨质在牙周组织的发生、发育和再生中起着非常重要的作用,目前学者主要集中于对成牙骨质细胞的研究上,本文就成牙骨质细胞的来源和分化、分子生物学特征、矿化相关蛋白对成牙骨质细胞增殖分化的影响作一综述。
  关键词:成牙骨质细胞;来源;分子生物学特征;矿化相关蛋白
  【中图分类号】
  R249 【文献标识码】B 【文章编号】1002-3763(2014)07-0032-02
  牙周病是口腔内常见的细菌感染性疾病,破坏牙齿支持组织,导致牙齿的松动脱落。牙骨质是覆盖在牙根表面的矿化组织,在牙周组织的发生、发育和再生中起着非常重要的作用,因此对成牙骨质细胞(cementoblast,CB)的来源、分化和分子生物学特征进行研究,探索成牙骨质细胞在牙周组织再生中的作用具有重要意义。
  1 成牙骨质细胞的来源和分化
  目前,传统观点认为成牙骨质细胞来源于间充质干细胞,牙根是在冠发育完成后由间叶细胞所形成。根部牙本质形成后,包绕牙根的Hertwig′s上皮根鞘(Hertwig′s epithelial root sheath,HERS)断裂,牙囊细胞穿过破裂的HERS并接触根部牙本质,分化为CB。还有学者认为早期成牙骨质细胞直接来源于上皮根鞘(epithelial root sheath,ERS)。
  1.1 牙囊细胞:
  传统观点认为成牙骨质细胞就是由牙囊细胞分化而来的。Villarreal等研究发现,经骨形成蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)、釉基质衍生物(enamel matrix derivatives,EMD)和牙本质非胶原蛋白(dentin non-collagenous protein,dNCP)等诱导后,牙囊细胞可以形成成牙骨质细胞表型。Handa[1]等从牛牙胚中分离出牛牙囊细胞(bovine dental follicle cells,BDFC)、牛齿槽成骨细胞(bovine alveolar boneosteoblasts, BAOB)和牛牙周膜细胞(bovine periodontal ligament cells, BPDL),并将其植入重度免疫缺陷的小鼠体内,4周后发现BDFC形成了牙骨质样基质,BAOB形成骨样基质,BPDL形成少量的牙骨质样基质。上述实验证实了CB由牙囊细胞分化而来,支持传统观点,但同时他们认为牙周膜中也存在成牙骨质先祖细胞。Handa等进一步研究发现,牙囊细胞受到BMP诱导可以表达牙骨质附着蛋白(Cementum attachment protein,CAP)和牙骨质蛋白(Cementum protein,CEMP)等成牙骨质细胞的标志蛋白。
  1.2 上皮根鞘:
  ERS是牙根发育中决定性的结构,是牙冠发育完成后成釉器内釉 外釉上皮在颈环处增生,向未来根尖孔方向生长,形成2层上皮的鞘。Zeichner等[2]研究发现在牙齿发育过程中,ERS发生了由上皮细胞到间质细胞的转变,分化为CB,并形成类似于无细胞牙骨质的矿化细胞外基质。因此他们认为无细胞牙骨质和细胞牙骨质由两种不同类型的细胞合成,即ERS衍生的CB和神经嵴来源的CB。ERS仅在牙根发育阶段分泌某些蛋白和信号分子参与牙骨质的形成。牙冠发育即将完成时,牙根开始发育。内釉和外釉上皮细胞在颈环开始增生,形成上皮根鞘。它与CB的起源关系密切。与根部牙本质相连的基底膜去掉,与牙囊组织联合培养,结果虽有矿化物质生成,但没有与根面相连。牙囊中的间充质细胞进入因变性而断裂的上皮细胞之间,并与牙根表面接触,在该处分化出CB。 目前关于成牙骨质细胞的来源尚无定论,还需进一步地研究证实。
  2 成牙骨质细胞的分子生物学特征
  2.1 成牙骨质细胞的形态结构:
  牙根发育完成后,在正常的牙骨质中可见CB所在位置留下的陷窝。在邻近牙骨质的牙周韧带中,CB呈扁平装、类圆形、多边形或不规则形状。CB细胞核圆或卵圆形,细胞表面有短钝突起,周围可见由它产生的原纤维及内在纤维。细胞平铺于根面,当牙骨质形成时近似立方状。电镜观察,细胞质内富含粗面内质网和滑面内质网,高尔基复合体发达,有较多的糖原颗粒,在胞浆内还可见到有界膜的胶原原纤维。Clayden等 [3]发现CB的形态受激素水平影响:当垂体被切除的大鼠磨牙牙骨质发生,CB核仁和核膜孔减少,高尔基复合体和内质网也显著减少。
  2.2 成牙骨质细胞的功能:
  成牙骨质细胞的功能包括了表达矿化相关蛋白如骨钙素(osteocalcin,OCN)、骨桥蛋白(osteopontin,OPN)、骨涎蛋白(bone sialoprotein,BSP)等,分泌基质形成钙化结节,形成牙骨质,表达CAP促进牙周膜细胞和牙龈成纤维细胞在牙根表面的黏附,成牙骨质细胞表达的OCN、BSP和CAP等在牙骨质形成和纤维黏附过程中起重要作用。成牙骨质细胞表达矿化相关蛋白,在钙化条件下持续培养,可重叠生长并分泌骨基质形成钙化灶。BSP在成牙骨质细胞形成细胞结节后开始不断地进行增殖分化分泌矿化基质,形成矿化结节。在这一过程中,成牙骨质细胞一直表达BSP、ALP和CAP,并具有时序上的变化。在矿化过程中BSP参与了矿化中心的形成,并能诱导牙骨质样结构的矿化。CAP是成牙骨质细胞特有的标记物,仅可由成牙骨质细胞产生。CAP虽然是一种具有活性的牙骨质非胶原蛋白,但其活性单一,仅促进成纤维细胞的黏附,而对成纤维细胞的有丝分裂无影响, CAP能明显促进牙周韧带细胞和牙龈成纤维细胞在牙根表面的黏附及移行。
  OCN是一种相对分子质量非常小的含酸γ-碳氧血红蛋白,而OPN和BSP则为磷酸化的糖蛋白,是牙骨质中非常重要的非胶原蛋白,它们都与CB形成牙骨质的功能密切相关。CAP是牙骨质中的一种特异性蛋白,能选择性地促进成牙骨质细胞的前体细胞对牙根表面的移行黏附,并促进这些前体细胞向成牙骨质细胞系分化,增强其成骨活性。   2.3 成牙骨质细胞的体外培养:
  培养不受成纤维细胞、成骨细胞、及成牙本质细胞等干扰的单一的CB系经历了一个不断完善、发展的过程。它是近年来转基因动物、原位杂交、组织化学等新技术应用发展的结果。目前,世界上仅有少数实验室成功地建立了牙骨质来源细胞的体外培养体系并以此作了系列研究。牙骨质瘤来源的 CB、CD1 小鼠来源的 CB 和牙周膜细胞、人牙骨质来源的 CB、人牙骨质薄层刮取物来源的 CB、大鼠第一磨牙来源的CB、人牙周膜来源的CB、牛牙骨质来源的CB、人CB细胞系克隆株来源的CB和马后牙来源的CB在体外的分离培养[4]
  Arzate等培养的来源于人牙骨质瘤的 CB,为多角形,其ALP活性为阳性。鉴别方法:CAP抗体染色阳性,特异性抗体免疫组化和蛋白质印迹染色显示,这些细胞表达骨涎蛋白以及Ⅰ、Ⅴ型胶原,体外有矿化物形成。体外培养的人牙骨质瘤来源的 CB 可以合成和分泌牙骨质蛋白,如CAP、牙骨质衍生生长因子、血小板衍生生长因子和成纤维细胞生长因子。D’Errico等[5]在利用原位杂交技术检测CD1小鼠牙根发育期间矿化相关蛋白,如BSP、骨桥蛋白(osteopontin,OPN)以及骨钙蛋白(osteocalcin,OC)的时序表达时发现,41d龄CD1小鼠的CB高表达 BSP、OPN和OC,而牙周膜细胞不表达BSP、OPN 和OC。将41d龄CD1小鼠的150个下颌第一磨牙牙胚酶消化后行常规成骨细胞培养,原位杂交鉴别显示,所培养的细胞表达Ⅰ型胶原、BSP、OPN和OC,但不表达牙本质涎蛋白,即所培养的细胞并非成牙本质细胞。Saygin等将拔下的阻生第三磨牙的软组织清除,以其根中1/3表面刮取物行组织块法培养,所培养的细胞用免疫细胞化学法染色。如果一种细胞同时符合以下3个标准则为OB:1,25-二羟胆钙化醇诱发OC的释放;1,25-二羟胆钙化醇诱导ALP 高表达;矿化基质形成。用源于人类CB瘤的细胞代替正常CB进行相关研究,不失为一种方法,但这些细胞与CB之间的差别在多大程度上影响了这种替代,还有待进一步研究。
  3 矿化相关蛋白对成牙骨质细胞增殖分化的影响
  3.1 BMP和EMD对成牙骨质细胞的影响:
  EMD是釉质发育过程中未矿化釉质中含有的蛋白成分,EMD可以由ERS内层细胞合成,并参与牙骨质的发生。BMP广泛存在于骨组织、牙齿及牙周组织中,主要分布于具有成骨倾向的细胞中,并参与骨组织牙齿组织的形成。Kemoun等学者研究发现:BMP-2、7和EMD可以刺激牙囊细胞产生成牙骨质细胞的表型。牙囊细胞长时间受到BMP-2、7或EMD的刺激能提高ALP的活性并增加矿化,还能分泌出CAP和CEMP-23,证实BMP和EMD可以诱导牙囊细胞向成牙骨质细胞分化。
  3.2 CEMP-1对成牙骨质细胞的影响:
  CEMP-1能调节成牙骨质细胞活性,同时诱导不具有成骨特性的细胞向成牙骨质细胞方向分化。Carmona等学者研究表明:CEMP-1对羟磷灰石具有巨大的亲和力,可以促进磷酸八钙晶核体的形成,为牙骨质的生成提供矿化核心。人牙龈成纤维细胞转染CEMP-1后能诱导矿化并能表达牙骨质基质蛋白,转染后的牙龈成纤维细胞具有更高的ALP活性和增殖能力,并且表达BSP、OCN、OPN、CAP等矿化相关因子。
  3.3 CAP对成牙骨质细胞的影响:
  CAP可作为鉴别成牙骨质细胞及牙骨质的分子标志物。同时实验证实[6]:牙囊细胞、牙周韧带细胞等具有分化为CB潜能的间充质细胞在分化过程中同样表达CAP,因此CAP亦可作为鉴别牙周韧带中具有分化为成牙骨质细胞潜能的间充质细胞的特异性标志;而细胞碱性磷酸酶(ALP)的表达可以作为牙骨质形成过程中CB分化早期的标志;矿化组织的形成则可作为CB分化末期的指标。Handa等将牛牙囊细胞与羟基磷灰石复合后植入免疫缺陷小鼠体内,4周后发现形成纤维组织和类牙骨质样基质,CAP染色阳性;而植入的牙槽骨细胞生成的是骨样结构,CAP染色阴性。Wen等发现在经含牙本质非胶原蛋白的牙囊细胞培养液处理后,脂肪干细胞由成纤维样细胞转变为成牙骨质样细胞,细胞表达CAP mRNA。在纯钛表面生长的牙周韧带细胞(human periodontal ligament cells,hPDLCs)能高度表达CAP,提示体外培养的hPDLCs中存在牙骨质细胞表型,具有向成牙骨质细胞表型分化的潜能。在同样条件下生长的hPDLCs,在牙骨质表面生长的hPDLCs显著表达CAP,证明根面保留的牙骨质能促进hPDLC向成牙骨质细胞方向分化,从而有利于牙周组织再生。牙本质基质(treated dentin matrix,TDM)可以促进牙囊细胞分化为牙髓牙本质样组织以及牙骨质-牙周复合体,CAP作为牙骨质形成的标志物之一用于鉴定所形成的牙骨质结构。体外实验显示CAP在高浓度时可增强人牙囊细胞的ALP活性,促使其黏附并向成牙骨质细胞分化,刺激其分泌矿化基质,从而形成早期的牙骨质和骨组织。
  4 结语
  牙骨质的再生在牙周组织再生过程中发挥着重要的作用,成牙骨质细胞是其中的关键所在。通过学者们的努力,我们对成牙骨质细胞的了解正逐步深入,这些成果不仅揭示了牙骨质及牙周组织再生的机制,也为治疗牙周疾病打下了坚实的理论基础。
  参考文献
  [1] Handa K, Saito M, Yamauchi M. [J].Bone, 2002, 31(5):606-611.
  [2] Zeichner DM,Oishi K,Su Z.[J].Dev Dyn,2003,228(4):651-663.
  [3] Clayden AM,Young WG,Zhang CZ.[J].J Periodontal Res,1994,29(4):266.
  [4] 侯建霞,曹采方,孟焕新.牛牙骨质来源细胞的分离、培养和鉴定[J].中华口腔医学杂志,2002,37(2):102
  [5] D Errico JA, Berry JE, Ouyang H.[J].J Periodontol,2000,71(1):63-72.
  [6] Kemoun P,Laurencin S,Rue J. [J].Cell Tissue Res,2007,329(2):283-294.
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