尊龙凯时无血清培养基促进牙齿类器官发育重建的新机制观察

牙齿的发育是上皮与间充质细胞相互作用的结果。通过胚胎牙上皮和间充质干细胞的研究，已经能够实现功能性重建和再生牙齿，这为牙齿的全器官置换提供了可能。然而，随着人类牙齿的萌出，上皮干细胞数量的减少使得利用这些细胞进行牙齿修复变得十分困难，进而限制了牙齿再生机制研究模型的开发。

牙齿类器官因其结构与功能类似于真实牙齿，已成为体外研究牙齿发育的重要模型。2023年，研究者们成功利用人类诱导多能干细胞（hiPSC）构建了人类成釉细胞类器官，这一模型可与牙间充质相互作用以促进牙釉质的钙化和矿化，并展现出成牙分化的潜力。

小鼠牙上皮干细胞在整个生命周期内维持活性，成为主要的牙齿发育研究模型。尽管有多种培养基，但传统的胎牛血清（FBS）培养基无法准确界定生长因子及代谢物对牙齿发育的影响。比利时的研究团队开发了可以长期培养的小鼠牙齿类器官，并验证了无血清培养体系的可行性，这种模型在上皮和间充质细胞之间的相互作用上更加全面，为探索牙齿矿化及重建的分子基础提供了重要信息。

2024年11月27日，四川大学李中瀚教授团队在《Advanced Science》期刊上发表了一篇关于“化学定义培养体系下的牙齿重建”的研究论文。该研究利用经过精确定义的无血清培养基重建了小鼠来源的牙齿类器官，并发现牙齿的重建并未重置发育时钟。在此基础上，研究者们通过气-液界面培养和信号通路的共刺激进一步促进了早期体外类器官的发育潜力，同时揭示了骨形态发生蛋白BMP在牙釉质形成中的重要角色。

研究团队从不同发育阶段的小鼠牙胚中分离上皮和间充质细胞，发现无血清化学培养基下的牙齿培养物可以持续生长，并形成多个被间充质细胞环绕的上皮细胞团和牙胚样结构。通过移植牙齿类器官，发现胚胎来源的类器官能够形成与PN7（胎儿第7天）M1臼齿相似的牙状体结构。定量分析表明，多个胚胎阶段的原代细胞在无血清化学培养基中可以重建牙状体，这种能力在出生后逐渐丧失。

与臼齿相比，同样培养体系下制造的切齿类器官生成的牙齿数量更少，但形成的牙状体结构却更大，且E185及更新阶段的切齿牙胚不再具备发育成切齿的能力，这表明切齿的发育速度更快，早期便失去了再生的潜力。

特别的，E145牙齿类器官中的多个发育标记显示出与天然M1臼齿类似的发育轨迹和动态表达模式。然而，原发釉结在培养的第4至第10天内形成，但未能检测到继发釉结，可能是由于自组织牙胚的尺寸限制。

在进一步培养至第24天后，通过单细胞RNA测序数据分析，研究人员发现多种特定阶段的牙齿标记物展现出时序性的表达。除了E145外，来自不同胚胎阶段的牙齿类器官同样可以持续发育，并产生成熟牙齿细胞谱系。此外，探讨关键信号通路的影响时，研究者发现牙齿类器官对化学调节具有反应：抑制ALK5会导致牙齿形成减少，而激活Wnt信号则能诱导形成多个牙本质-牙髓复合体和牙釉质样结构。

综上所述，化学培养基获得的牙齿类器官可以再现正常牙齿的发育过程，并与正常发育的牙齿具有相似的关键信号通路，具有作为发育与重建机理研究模型的潜力。研究人员还发现，不同发育阶段的标志物仅在特定阶段表达，这显示牙齿重建并非通过重置发育时钟实现。

关于多种生长因子对早期牙胚重建影响的研究表明，尽管E125及以后的阶段可在化学培养基中形成牙齿结构，但早期牙胚诱导牙齿形成的能力有限。为了改善这一问题，研究者探索了早期牙齿发育的关键信号，包括ActivinA、SHH信号及Wnt信号的刺激作用，结果显示三种信号的联合刺激能够有效诱导牙齿的生成，尤其是当ActivinA与SHH途径激动剂SAG一同添加后，形成的牙齿数量最多。同时，这种共刺激也有利于在体外保持牙齿类器官的发育潜力。

研究人员还将类器官转移至气-液界面进行进一步诱导，虽然牙釉质未生成，但发现抑制BMP信号会显著影响牙釉质形成，且过程呈剂量依赖性。单独激活BMP信号则能促进牙釉质生成，而TGF-β1的激活也能够协同增强牙釉质的形成。

在本研究中，多种胚胎阶段的牙胚细胞在无血清化学培养基上成功生成牙齿类器官，并在移植后发育成臼齿或切齿样结构。该类器官模型不仅具备一致的发育特征，且关键的信号通路保守，有助于深入研究牙齿重建机制。研究团队随后发现，牙齿重建并不重置发育时钟，原代细胞从剥离后继续发育。同时，ActivinA和SAG的持续共刺激对早期牙胚发育至关重要，而BMP/TGF-β信号的激活则是成釉细胞分泌细胞外基质、形成成熟牙釉质组织的关键。然而，目前的牙齿类器官仍然依赖原代细胞而非多能干细胞，其长期增殖能力有限，且尚未能外源性诱导牙根的发育。研究者指出，微环境信号在体外诱导中极为重要，若能与神经嵴细胞结合或能推动完全发育牙齿的形成。未来在这些领域的探索将进一步促进对牙齿重建机制的深入了解，推动人类牙齿临床替代的更多可能。