Малышев И.Ю.

Кафедра патологической физиологии лечебного факультета, кафедра пародонтологии лечебного факультета ГБОУ ВПО «Московский государственный медико-стоматологический университет им. А.И. Евдокимова» Минздрава России, Москва, Россия

Янушевич О.О.

ГБОУ ВПО «Московский государственный медико-стоматологический университет им. А.И. Евдокимова», Москва, Россия

Естественный одонтогенез: клеточные и молекулярные основы

Авторы:

Малышев И.Ю., Янушевич О.О.

Подробнее об авторах

Журнал: Российская стоматология. 2016;9(4): 23‑35

Просмотров: 10331

Загрузок: 285


Как цитировать:

Малышев И.Ю., Янушевич О.О. Естественный одонтогенез: клеточные и молекулярные основы. Российская стоматология. 2016;9(4):23‑35.
Malyshev IYu, Yanushevich OO. Natural odontogenesis: cellular and molecular basis. Russian Journal of Stomatology. 2016;9(4):23‑35. (In Russ.)
https://doi.org/10.17116/rosstomat20169423-35

Список аббревиатур

BMP — костный морфогенетический белок

DPSC — стволовые клетки пульпы взрослого зуба

ED — эмбриональный день

Eda — эктодисплазин

ERM — эпителиальная сеть Малассе

FGF — фактор роста фибробластов

Hedgehog — название сигнального пути

HERS — эпителиальное корневое влагалище Гертвига

iPS-клетки — индуцированные плюрипотентные стволовые клетки

PDLSC — стволовые клетки периодонтальной связки

SCAP — стволовые клетки апикального сосочка

SHED — стволовые клетки молочных зубов

Shh — sonic hedgehog, ген, кодирующий белок семейства hedgehog

TGFβ — трансформирующий фактор роста β

TNF — фактор некроза опухолей

WNT — белок сигнального пути

Зубы обеспечивают важные аспекты здоровья и качества жизни индивида, такие как пережевывание и глотание пищи, а также воспроизведение речи. Утрата зуба в результате кариеса и его осложнений, заболеваний пародонта или травматического повреждения приводит к нарушению этих функций и ухудшению эстетического вида. Для устранения последствий, вызванных потерей зуба, используют заместительную терапию с помощью искусственных коронок или зубных имплантатов.

Принципиально новые и более эффективные возможности для восстановления утраченного или поврежденного зуба могут дать технологии регенеративной стоматологии. Регенеративная стоматология предполагает выращивание зуба с помощью эмбриональных, дентальных или индуцированных плюрипотентных стволовых (iPS) клеток или «конструирование» зуба с помощью матриц, имитирующих экстраклеточный матрикс, и предшественников зубных клеток [1—7]. Однако пока эти технологии еще далеки от воспроизведения функционально и эстетически полноценного зуба. Вместе с тем становится все более очевидным, что вырастить полноценный зуб можно только по законам естественного одонтогенеза. В настоящем обзоре будут рассмотрены клеточные и молекулярные механизмы естественного развития зуба.

Зубной ряд и анатомия зубов

Существует четыре типа зубов: резцы, клыки, премоляры и моляры. Резцы откусывают, клыки размельчают, а премоляры и моляры перетирают пищу. Человек имеет зубы всех типов, а мыши только резцы и моляры (рис. 1) [8]. Люди имеют два поколения зубов: временные или «молочные» и постоянные. В отличие от людей у рептилий, рыб и амфибий зубы могут заменяться большое количество раз [9].

Рис. 1.Зубнойрядчеловека (а) имыши (б). Четыре типа зубов: резцы, клыки, премоляры и моляры. Адаптирован с рисунка из Jussila and Thesleff, 2012.

Зуб состоит из коронки, шейки и корня (рис. 2). Коронка — это видимая часть зуба, которая покрыта эмалью до цементно-эмалевого соединения или «шейки» зуба. Корень расположен ниже шейки зуба и покрыт цементом. Под эмалью и цементом находится дентин, который формирует внутреннюю пульпарную камеру в коронке и каналы в корнях. Резцы, клыки и премоляры, кроме первых премоляров верхней челюсти, имеют один корень, верхние первые премоляры и нижние моляры — два, а верхние моляры — три корня. Гистологически в зубе различают четыре вида тканей: эмаль, дентин, цемент и пульпа.

Рис. 2. Анатомия зуба. 1 — зуб; 2 — эмаль; 3 — дентин; 4 — пульпа; 5 — пульповая камера; 6 — корневая пульпа; 7 — цемент; 8 — коронка; 9 — бугор; 10 — борозда; 11 — шейка; 12 — корень; 13 — фуркация; 14 — верхушка корня; 15 — апикальное отверстие; 16 — десневой желобок; 17 — периодонт; 18 — десна; 19 — свободная; 20 — маргинальная; 21 — альвеолярная; 22 — периодонтальная связка; 23 — альвеола; 24 — сосуды и нервы; 25 — дентальные; 26 — периодонтальные; 27 — альвеолярные. Автор — И.Ю. Малышев.

Эмаль — самая твердая ткань в организме человека. Она состоит из 96% минеральных веществ и 4% воды и органических веществ. Основной элемент эмали — минерал гидроксиапатит. Благодаря этому эмаль обеспечивает механическую прочность и защищает зуб от действия кислот, находящихся в пище, и продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. В отличие от дентина в эмали отсутствуют коллагеновые волокна, но присутствуют уникальные белки амелогенин и энамелин. Эмаль формируют амелобласты. В ходе одонтогенеза амелобласты покрывают поверхность зуба, синтезируя продукты эмали. В результате происходит минерализация эмали и кристаллизация кальциево-фосфатных соединений с образованием кристаллической решетки. Однако перед прорезыванием зуба эти клетки подвергаются апоптозу. Поэтому эмаль взрослого зуба не содержит клеток, является нежизнеспособной, лишенной чувствительности и не обладает способностью к регенерации или замещению после повреждения [10].

Дентин мягче и менее минерализован по сравнению с эмалью. Дентин состоит из 70% неорганических веществ, 20% органических и 10% воды. В состав дентина входят белки (коллаген I типа, дентин фосфопротеин и дентин сиалопротеин) [11]. Дентин формирует основу зуба и служит опорой для эмали. Дентин секретируется одонтобластами пульпы. Дентин имеет каналы диаметром от 2,5 мкм до 900 нм, которые расходятся от пульпарной камеры к цементу или эмалевой границе. В эти каналы проникают отростки одонтобластов. В отличие от эмали дентин является чувствительной тканью и обладает способностью к регенерации. Это связано с тем, что в ответ на механические повреждения одонтобласты или мезенхимальные клетки пульпы зуба могут дополнительно откладывать дентин [10].

Цемент мягче, чем дентин и эмаль. Цемент состоит из 45% минеральных компонентов, 33% органических веществ и 22% воды. Он обеспечивает прикрепление периодонтальной связки к зубу. Цемент секретируется цементобластами. По химическому составу и структуре цемент напоминает минерализованную грубоволокнистую соединительную ткань, это наименее минерализованная твердая ткань зуба.

Пульпа — центральная часть зуба, которая окружена дентином, заполнена мягкой соединительной тканью и содержит фибробласты, макрофаги, Т-лимфоциты, а также одонтобласты, которые располагаются на границе между пульпой и дентином. Через отверстия в апексе корня в зуб поступают кровеносные сосуды и нервы. Пульпа зуба выполняет важные функции, такие как продукция дентина, питание дентина и опора для нервных отростков и кровеносных сосудов, которые обеспечивает чувствительность и питание зуба.

Зубы прикрепляются и удерживаются в челюсти при помощи комплекса специализированных тканей, которые совокупно называются пародонтом. Пародонт состоит из цемента (также является частью зуба), периодонтальной связки, костной альвеолы и десны. Периодонтальная связка связывает корень зуба и костную альвеолу. Периодонтальная связка состоит из коллагеновых волокон и содержит остеобласты, остеокласты, фибробласты, макрофаги, цементобласты и эпителиальные островки Малассе (ERM) (также являются частью зуба). Периодонтальная связка также участвует в образовании и резорбции альвеолярной кости, в формировании чувства давления и в прорезывании зуба. Альвеолярная кость — это часть челюстной кости, которая формирует «лунку» вокруг корня зуба. Альвеолярную кость образуют остеобласты, а разрушают остеокласты. И, наконец, десна — это часть слизистой оболочки полости рта и самый периферический отдел пародонта, который покрывает кость. Различают следующие части десны: свободную десну и прикрепленную. Свободная десна покрывает пришеечный участок зуба. Граница между свободной и прикрепленной десной проходит на уровне эмалево-цементного соединения. Прикрепленная десна — это часть десны, которая сращена с надкостницей альвеолярной кости и корневым цементом.

Морфогенез и клеточная дифференцировка в течение роста зуба

Зуб является эктодермальным органом, т. е. развивается из тканей, сформированных зародышевым листком эктодермы. Клетки эктодермы, делясь и дифференцируясь, образуют две структуры, необходимые для развития зуба: дентальный эпителий и нервный гребень. Нервный гребень позже преобразуется в мезенхиму. Развитие зуба инициируется и регулируется взаимодействием между эпителием и мезенхимой [4, 7, 12, 13]. Самым ранним морфологическим признаком формирования зуба является образование первичной зубной (дентальной) пластинки (ламины), подковообразной полосы утолщения эпителия, которая отмечает будущий зубной ряд [14—17]. Процесс развития зуба делят на стадии плакоды, почки, колпачка, колокола и развития корня (рис. 3) [8]. Наиболее детально эти стадии изучены на экспериментальных мышах.

Рис. 3. Стадии развития зуба: стадия плакоды, стадия почки, стадия колпачка, стадия колокола, стадия развития корня и прорезывания. Формирование зуба начинается на месте дентальной ламины, которая состоит из инвагинированного эпителия, образовавшегося из незрелого ротового эпителия, и мезенхимальных клеток, образовавшихся из клеток нейронального креста. У мышей на ED10−11 из дентальной ламины формируется зачаток зуба (стадия плакоды). На ED13.5—14.5 на стадии колпачка формируется первичный эмалевый узел, а на ED16.5—18.5 на стадии колокола — вторичные эмалевые узлы, которые формируют бугорки коронки зуба. На этой же стадии эпителиальные и мезенхимальные клетки зародыша зуба дифференцируются в клетки, формирующие ткани зуба, а именно амелобласты, одонтобласты и клетки дентального фолликула. Амелобласты и одонтобласты продуцируют эмаль и дентин соответственно границе между эпителием и мезенхимой. Клетки дентального фолликула дифференцируются в клетки тканей периодонта, такие как периодонтальная связка, цемент и альвеолярная кость. Адаптирован с рисунка из Jussila and Thesleff, 2012.

Cтадия плакоды характеризуется появлением на дентальной ламине локального утолщения эпителия, называемого плакодой. У мышей плакода формируется на 10—11-й день эмбрионального развития (ED10−11). На ED11,5 плакода погружается в мезенхиму и трансформируется в так называемую почку, которая дает рост одному зубу.

На стадии почки дентальный эпителий разделяется на два клеточных пула: периферические базальные клетки, контактирующие с базальной мембраной, и центрально расположенные клетки звездчатого ретикулума (см. рис. 3). Эти два вида клеток будут формировать эпителиальный компонент ниши стволовых клеток в растущих зубах. На этой стадии мезенхима начинает конденсироваться, окружает эпителиальную почку и приобретает форму полумесяца.

На стадии колпачка, которая у мышей начинается на ED13.5−14.5, дентальная мезенхима продолжает конденсироваться вокруг почки и разделяется на два клеточных пула: центральный зубной сосочек и периферический зубной фолликул. Зубной сосочек позже будет окружен зубным эпителием и даст начало пульпе зуба и одонтобластам, а периферический зубной фолликул даст начало цементобластам, остеобластам и фибробластам. Цементобласты будут формировать цемент зуба, остеобласты — альвеолярную кость, а фибробласты — периодонтальную связку.

Во время стадии колпачка и дальше на стадии колокола, которая у мышей начинается на ED16.5—18.5, формируется коронка зуба. Этот процесс регулируют первичные и вторичные эмалевые узлы. Эмалевые узлы определяют места бугров зуба [18]. Форма коронки фиксируется благодаря тому, что на эпителиально-мезенхимальной границе эпителиальные клетки дифференцируются в амелобласты, а мезенхимальные — в одонтобласты. Амелобласты секретируют продукты эмали, а одонтобласты — дентина.

На стадиях колпачка и колокола эпителий уже начинает окружать подлежащую мезенхиму и формировать так называемые цервикальные петли (см. рис. 3). Слой базальных эпителиальных клеток петли, ограничивающий зубной сосочек, назвали внутренним эмалевым эпителием. Внутренний эмалевый эпителий дифференцируется в амелобласты. Часть базальных эпителиальных клеток петли, контактирующая с зубным фолликулом, назвали наружным эмалевым эпителием. Центр петли заполнен клетками звездчатого ретикулума. Цервикальные петли сохраняются в постоянно растущих резцах грызунов и образуют ниши взрослых стволовых клеток [19—21], которые обеспечивают рост зубов.

Стадия развития корня начинается после образования коронки зуба, когда клетки внутреннего эмалевого эпителия перестают дифференцироваться в амелобласты. На этой стадии в непостоянно растущих зубах (включая зубы человека) цервикальные петли модифицируются. Центральная часть петли исчезает, оставляя двойной слой базального эпителия, известного как эпителиальное корневое влагалище Гертвига (HERS). HERS пролиферирует и мигрирует вглубь мезенхимы, индуцируя дифференцировку одонтобластов, формирующих дентин корня. HERS имеет ограниченный потенциал роста, который определят длину корня. После формирования дентиновой основы корня происходит дезинтеграция HERS с образованием эпителиальной сети Малассе (ERM). Это позволяет клеткам зубного фолликула контактировать с дентином и дифференцироваться в цементобласты, продуцирующие цемент на поверхности корня. Из клеток зубного фолликула, как указано выше, также образуются фибробласты и остеобласты, которые формируют периодонтальную связку и альвеолярную кость соответственно [22].

Одонтогенная компетентность и сигнальные центры развития зуба

Формирование зуба регулирует последовательный процесс реципрокных взаимодействий между эпителиальными и мезенхимальными клетками (см. рис. 3, 4). Чтобы из этих клеток развился именно зуб, а не другая эктодермальная структура (слюнные железы или крипты кишечника), эти клетки должны обладать одонтогенной компетентностью, т. е. способностью формировать зуб. Несмотря на то, что уже определены более 200 генов, вовлеченных в развитие зуба (http://bite-it.helsinki.fi), генетическая основа одонтогенности до конца не понятна. Показано, что в механизмах одонтогенности и развития зуба важную роль играют эпителиальные сигнальные центры. Известны четыре вида таких центров: дентальная пластинка, плакода, первичные и вторичные эмалевые узлы. Сигнальные центры активируют Eda-, TGFβ-, BMP-, WNT-, FGF- и Hedgehog-зависимые пути, которые обеспечивают взаимодействие между эпителием и мезенхимой (рис. 4) [23—25]. Активность передачи сигнала по этим путям контролируют модуляторы, такие как ингибиторы ВМР (фоллистатин и эктодин/Sostdc1) [26, 27] и ингибиторы FGF (Sprouty) [28].

Рис. 4. Последовательный и взаимный сигналинг между эпителием и мезенхимой регулирует экспрессию специфических факторов. Эта схема иллюстрируют пошаговый процесс с повторным использованием одних и тех же сигнальных путей. В этой схеме указаны не все пути и отсутствуют модуляторы сигналинга. Аббревиатуры со всеми заглавными буквами обозначают белки (BMP-4 и др.), а с первой прописной и остальными строчными — гены (Pitz-2 и др.). Автор И.Ю. Малышев.

В эпителии дентальной пластинки млекопитающих обнаружена экспрессия генов Shh и Pitx2 [29—32]. Shh необходим для инициации роста зуба у мышей, а также для дифференцировки дентального эпителия в амелобласты [33—35], а Pitx2 необходим для развития зубов и у мышей, и у людей [36, 37]. В дентальной пластинке также экспрессируются лиганды WNT [38], которые регулируют экспрессию FGF8 [39]. Доказано, что WNT играет ключевую роль в формировании плакоды [40]. Кроме того, показано, что в дентальной пластинке в местах, где будут развиваться моляры, увеличивается экспрессия BMP4, а там, где будут резцы — FGF8 [41].

Плакода является вторым сигнальным центром развития зуба. Место плакоды и будущего зуба определяется по увеличению экспрессии генов р21, р63, Msx2, Lef1 и Eda, а в мезенхиме — Lhx6,7,8, Barx1, Msx1,2, Dlx1,2, Pax9, Gli2 и молекул FGF, BMP и activin [4, 12, 23, 42].

Наиболее важными факторами формирования плакоды являются ген фактора транскрипции р63 и EDA (эктодисплазин) [17]. При нарушении функции р63 нарушается функционирование BMP-, FGF-, Notch- и EDA-зависимых сигнальных путей и плакода зубов не развивается [43]. EDA также относят к ключевым регуляторам развития плакод и эмалевых узлов зуба [17, 44]. Мишенями EDA-сигналинга являются важные сигнальные пути развития зуба в плакоде и в эмалевых узлах, такие как SHH-, FGF20-, DKK4-, CTGF- и Follistatin-зависимые пути. Мутации в гене Eda приводят к отсутствию третьих моляров или резцов и нарушению формы бугорков моляров [45]. Напротив, у мышей, у которых Eda экспрессируется в чрезмерных количествах, развиваются дополнительные зубы.

Плакода продуцирует молекулы, которые регулируют дальнейшее развитие зуба (см. рис. 4) [17]. Так, например, BMP, выделяемый плакодой, контролирует размер и количество резцов у мышей [46, 47].

Интересным оказалось, что эпителий на стадиях дентальной пластинки и плакоды обладает, а мезенхима не обладает одонтогенной компетентностью (см. рис. 4) [48, 49]. Однако эта одонтогенная компетентность эпителия после стадии плакоды у мышей теряется и переходит к мезенхиме [1, 50]. Поэтому на стадиях почки, колпачка и колокола уже не эпителий, а дентальная мезенхима способствует развитию зуба при комбинации даже с незубным эпителием [51, 52].

Перед стадией почки BMP из эпителиального сигнального центра плакоды индуцирует экспрессию BMP4 в мезенхиме. Увеличение экспрессии BMP4 в мезенхиме коррелирует со сдвигом одонтогенного потенциала от эпителия к дентальной мезенхиме [53] и индукцией в мезенхиме генов факторов транскрипции Msx1, Pax9 [53, 54], Lhx6,7, Barx1, Dlx1,2, Runx2, Gli2,3 [23, 55] (см. рис. 4). Показано, что активность этих, предположительно одонтогенных, факторов также регулируют FGF-зависимые пути [23]. Ингибирование хотя бы одного из этих факторов транскрипции приводит к остановке роста зуба на стадии плакоды или почки.

Во время перехода от стадии почки к стадии колпачка, эпителиальные FGF индуцируют в мезенхиме аctivin, FGF3 и FGF10, которые в свою очередь действуют реципрокно на эпителий [56, 57], стимулируя формирование эмалевых узлов на стадиях колпачка и колокола (см. рис. 4).

Первичный эмалевый узел — следующий, третий, эпителиальный сигнальный центр, реализует одонтогенный эффект мезенхимы. Первичный эмалевый узел выделяет WNT, FGF, BMP и SHH [35, 39, 58, 59]. FGF из эмалевого узла увеличивает в мезенхиме активность Runx2 и продукцию FGF3, которые в свою очередь влияют на эпителий, замыкая реципрокный сигналинг в механизме регуляции развития зуба [28].

На стадии колокола сигнальные молекулы первичного эмалевого узла стимулируют формирование вторичных эмалевых узлов, которые в свою очередь определяют расположение бугров на поверхности моляров [18, 60, 61] (см. рис. 3, 4). Происходит это благодаря тому, что клетки эмалевого узла выделяют FGF, который стимулирует окружающий эпителий к пролиферации и одновременно экспрессируют ингибитор клеточного цикла р21 и утрачивают рецепторы к FGF, и потому сами клетки эмалевого узла не делятся [62, 63].

Несмотря на многочисленные исследования, проблема понимания одонтогенной компетентности все же остается. Она состоит в том, что до сих пор так и не обнаружены одонтогенно-специфические молекулы, а все описанные выше гены, молекулы и факторы транскрипции участвуют не только в одонтогенезе, но и в развитии других тканей. При этом, однако, был установлен важный факт, что одонтогенной компетентностью обладают только клетки из ротовой полости [39, 59].

Естественные источники и сигнальные пути дифференцировки клеток зуба

Модулирование сигнальных путей, вовлеченных в эпителиально-мезенхимальные взаимодействия, например с помощью EDA, может привести к появлению дополнительных зубов [28, 44, 64], а модулирование FGF-, аctivin- и BMP-зависимых систем — к постоянному откладыванию эмали в резцах [65]. Это означает, что описанные выше сигнальные пути активно вовлечены в дифференцировку клеток, продуцирующих компоненты тканей зуба.

Дифференцировка клеток зуба начинается на стадии колокола (рис. 5). Одонтобласты дифференцируются из клеток зубного сосочка, цементобласты из клеток зубного фолликула, а амелобласты из эпителия. Эти клетки ответственны за образование и отложение дентина, цемента и эмали соответственно.

Рис. 5. Источники и сигнальные пути дифференцировки клеток зуба. Автор И.Ю. Малышев.

Сигнальные молекулы из внутреннего эмалевого эпителия, такие как TGFb и BMP, начинают стимулировать клетки мезенхимы к дифференцировке в одонтобласты [66]. Нарушение TGF-β/BMP сигнального пути в зубном сосочке предупреждает дифференцировку одонтобластов и отложение дентина [67]. Сигнальные молекулы из эмалевых узлов, например WNT10b, также важны для дифференцировки одонтобластов [68]. Показано, что WNT10b регулирует экспрессию белков дентина [69, 70]. Базальная мембрана, выполняя функцию резервуара сигнальных молекул [66, 71], также вовлечена в дифференцировку одонтобластов.

Дифференцированные одонтобласты начинают посылать BMP2,4 и TGFb обратно к эпителию. В результате клетки эпителия дифференцируются в амелобласты [26, 72]. SHH из эпителиальных клеток дополнительно способствует дифференцировке и созреванию амелобластов [34, 35]. К факторам, регулирующим амелобласты, также относятся WNT3, EDA и Follistatin [23]. Дифференцированные амелобласты экспрессируют факторы транскрипции Sp6 и Msx2, которые участвуют в амелогенезе у мышей [23,24] благодаря активации амелобластспецифических генов ameloblastin, amelogenin, enamelin и Mmp-20 [23].

Очень мало известно о дифференцировке цементобластов. Предполагают, что они происходят из клеток дентального фолликула при контакте с дентином и действии BMP и WNT [73, 74].

Основные морфологические характеристики и клеточные маркеры амелобластов, одонтобластов и цементобластов представлены в таблице.

Основные морфологические характеристики и маркеры амелобластов, одонтобластов и цементобластов

Способность к регенерации и стволовые клетки в зубах млекопитающих

У людей постоянные зубы, которые однократно заменяют молочные, развиваются из дополнительной дентальной пластинки, которая формируется как часть пластинки молочного зуба [14, 75]. В отличие от людей рыбы и рептилии могут регенерировать новые зубы многократно. В механизм замены зуба вовлечены гены Pitx2 и Bmp4 [76], ген ингибитора ВМР/WNT, эктодина (Sostdc1) и ген Axin2, ингибитора обратной связи WNT-зависимого пути [75]. Смену зубов у позвоночных запускает увеличение активности WNT-зависимого пути [75, 77]. Увеличению активности WNT пути способствуют SHH- и BMP-сигнальные пути мезенхимы [77].

У мышей зубы в норме не замещаются. Однако с помощью активации WNT-пути можно стимулировать образование зубов de novo [59]. Другие млекопитающие, кроме мышей, не способны формировать зубы de novo. Это связано с тем, что, когда зуб прорезывается в полость рта, эмалевый эпителий, окружающий коронку зуба, исчезает, и единственный дентальный эпителий сохраняется в ERM. Хотя клетки ERM были выделены [78, 79] и дифференцированы в амелобластоподобные клетки [79], пока не ясно, имеют ли они одонтогенный потенциал.

Исследования показали, что стволовые клетки пульпы взрослого зуба (DPSC), молочных зубов (SHED) [80], апикального сосочка (SCAP) [50, 81—85] и зубного фолликула [1, 50] могут участвовать в регенерации твердых тканей зуба, а стволовые клетки периодонтальной связки (PDLSC) могут быть дифференцированы в одонтобласты, цементобласты и фибробласты и участвовать в продукции дентина и цемента, а также в регенерации периодонтальной связки [1]. Однако пока не доказано, что PDLSC сохранили одонтогенную компетентность.

Основные знания о дентальных стволовых клетках получены в исследованиях ниши стволовых клеток резцов мышей [86, 87]. Резцы грызунов, в отличие от других млекопитающих, растут постоянно и их эмаль расположена асимметрично (рис. 6). Губная сторона резца покрыта эмалью, а язычная только мягким дентином и цементом. Различие в твердости между губной и язычной стороной обеспечивает формирование режущего края. Асимметричность эмали определяется различием размеров ниш эпителиальных стволовых клеток, которые находятся в язычной и губной цервикальных петлях. Цервикальная петля образуется клетками звездчатого ретикулума, окруженными базальным эпителием. Стволовые клетки находятся в звездчатом ретикулуме. Предполагается, что стволовые клетки проникают в эпителий, там пролиферируют и, в зависимости от микроокружения, дифференцируются в амелобласты или корневой эпителий. Губная цервикальная петля значительно больше по сравнению с язычной, поэтому губная сторона резца покрыта эмалью, а язычная нет (см. рис. 6). В поддержании асимметрии ниши стволовых клеток резцов и ингибировании амелобластов важную роль играют гены Sprouty, которые кодируют ингибиторы FGF [88].

Рис. 6. Цервикальная петля, ниша эпителиальных стволовых клеток постоянно растущего зуба. Стволовые клетки находятся в звездчатом ретикулуме, давая рост клеткам, которые проникают в базальный слой эпителия. В эпителиальном слое потомки стволовых клеток пролиферируют и мигрируют в сторону полости рта и там дифференцируются в амелобласты, которые откладывают эмалевый матрикс. Адаптирован с рисунка из I. Thesleff, M. Tummers (2008).

Ниши стволовых клеток зуба, как и ниши других эктодермальных структур [89], окружены мезенхимальной тканью, которая продуцирует регуляторные молекулы. Эти молекулы, например FGF3 и FGF10 необходимы для самообновления, дифференцировки и выживаемости потомства эпителиальных стволовых клеток [86, 90, 91] (рис. 7). Ингибитор TGFβ фоллистатин ограничивает количество стволовых клеток и клеток-предшественников на язычной стороне, и благодаря этому ингибирует дифференцировку амелобластов, обеспечивая асимметрию эмали на резцах [91].

Рис. 7. Различные фенотипы резцов, формирующиеся в результате модуляции сигнальных путей, регулирующих нишу стволовых клеток. Типичная асимметрия резцов грызунов нарушается, когда формирование эмали либо стимулируется, либо тормозится. Размер ниши стволовых клеток способствует чрезмерному росту резцов у Spry4–/–; Spry2+/– мышей и уменьшению размера резцов у Fgf3–/–; Fgf10+/– мышей. Адаптирован с рисунка из Thesleff I., Tummers M. (2008).

В результате модуляции сигнальных путей, регулирующих нишу стволовых клеток, могут формироваться различные фенотипы резцов (см. рис. 7) [21, 26, 88, 91, 93]. Так, увеличение размера ниши стволовых клеток у Spry4–/–; Spry2+/– мышей способствует чрезмерному росту резцов, а снижение размера ниш у FGF-3–/– и FGF10+/– мышей — уменьшению размера резцов. Кроме того, снижение FGF10 приводит к прекращению развития корней у моляров мышей, а добавление FGF10 стимулирует сохранение цервикальных петель и ингибирует образование HERS [94].

Заключение

Изучение механизмов одонтогенеза безусловно имеет большое фундаментальное значение для понимания законов природы развития органов. Наряду с этим становится очевидным, что в хорошем понимании именно этих механизмов спрятан ключ к технологиям выращивания зуба и регенеративной стоматологии. Уже сейчас сформулированы несколько важных для биоинженерии зуба положений, вытекающих из того, что известно о молекулярных и клеточных основах одонтогенеза.

Во-первых, стало понятным, что наиболее успешный результат в выращивании зубов, его эквивалентов или компонентов зубной ткани может быть достигнут при использовании двух (а не одного) типов клеток, и мезенхимальных, и эпителиальных. Причем один из этих типов клеток должен обладать одонтогенным потенциалом. Этот подход уже взят на вооружение научными лабораториями и биотехнологическими компаниями. Он называется методом клеточно-тканевой рекомбинации. В основе метода лежит 3D-культивирование эпителиальных и мезенхимальных клеток в геле для воспроизведения начальных и последующих стадий одонтогенеза [7].

Во-вторых, понимание важности в механизмах естественного одонтогенеза экстраклеточного матрикса, разных факторов роста и разных клеток, а не только специализированных зубных (амелобласты, одонтобласты и цементобласты), привело к разработке тканеинженерного метода. Метод основан на использовании стволовых клеток из разных источников, iPS клеток, клеток, продуцирующих биологически активные вещества, например факторов роста сосудов, натуральных или искусственных матриксов с добавлением наиболее важных для развития зуба регуляторных и сигнальных молекул [7].

Разрабатывается еще несколько других направлений, имитирующих естественное развитие зуба. Нетрудно предсказать, что появление новых фактов и раскрытие новых закономерностей естественного одонтогенеза несомненно даст дополнительный мощный толчок новых технологий регенеративной стоматологии.

Благодарности: авторы благодарны к.м.н. Г.С. Руновой за помощь в редактировании текста и сделанные ценные замечания, а также М.А. Морозовой за техническую помощь в оформлении статьи.

Обзор написан при поддержке Министерства здравоохранения РФ (Государственное задание Министерства здравоохранения РФ № 056−00139−16 от 2 февраля 2016 г., уникальный номер реестровой записи 110 401 000 000 000 000 071 021 02).

Все авторы в равной степени принимали участие в подготовке материала.

Подтверждение e-mail

На test@yandex.ru отправлено письмо со ссылкой для подтверждения e-mail. Перейдите по ссылке из письма, чтобы завершить регистрацию на сайте.

Подтверждение e-mail

Мы используем файлы cооkies для улучшения работы сайта. Оставаясь на нашем сайте, вы соглашаетесь с условиями использования файлов cооkies. Чтобы ознакомиться с нашими Положениями о конфиденциальности и об использовании файлов cookie, нажмите здесь.