牙髓干細(xì)胞修復(fù)神經(jīng)組織的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

繆喆 綜 述 房 兵 審 校

牙髓干細(xì)胞修復(fù)神經(jīng)組織的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

繆喆 綜 述 房 兵 審 校

牙髓干細(xì)胞屬成體干細(xì)胞，應(yīng)用牙髓干細(xì)胞修復(fù)神經(jīng)組織的實(shí)驗(yàn)研究已有報(bào)道。我們以牙髓干細(xì)胞屬性和神經(jīng)細(xì)胞方向誘導(dǎo)分化，神經(jīng)修復(fù)的支架材料研究，牙髓干細(xì)胞修復(fù)神經(jīng)組織的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，以及其相關(guān)生物機(jī)制等4個(gè)方面，對(duì)該方向的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

牙髓干細(xì)胞神經(jīng)組織再生修復(fù)組織工程生物機(jī)制

MIAO Zhe,FANG Bing.

Department of Craniofacial Surgery,Shanghai Ninth People's Hospital,Shanghai Jiaotong University School of Medicine;Shanghai Key Laboratory of Stomatology,Shanghai 200011,China.Corresponding author:FANG Bing(E-mail:Fangbing@sjtu.edu.cn).

【Summary】Dental pulp stem cells(DPSCs),as adult stem cells,have been reported for laboratory application on nervous tissue reconstruction.Hereby,in this article,characteristics of DPSCs and neural differentiation,scaffolds research for nervous tissue repair,experimental application of DPSCs on nervous tissue reconstruction and relevant bio-mechanisms were reviewed.

2000年，Gronthos等[1]發(fā)現(xiàn)，牙髓組織中存在一類(lèi)可迅速克隆增殖的細(xì)胞亞群，表達(dá)中胚層標(biāo)記物Stro-1、CD146（MUC18）；應(yīng)用HA/TCP支架，將該細(xì)胞亞群植入小鼠皮下黏膜后，可形成異位牙本質(zhì)。這類(lèi)細(xì)胞被命名為牙髓干細(xì)胞（Dental Pulp Stem Cells，DPSCs），屬成體干細(xì)胞。后續(xù)研究證明，DPSCs具有多向分化潛能，向外胚層細(xì)胞分化（可誘導(dǎo)分化為神經(jīng)細(xì)胞、角膜上皮細(xì)胞），向中胚層細(xì)胞分化（可誘導(dǎo)分化為成牙本質(zhì)細(xì)胞、成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞和肌細(xì)胞等），并在適當(dāng)條件下具有向內(nèi)胚層細(xì)胞分化的潛力[2-8]。

眾所周知，神經(jīng)損傷后神經(jīng)組織再生困難，因?yàn)棰偕窠?jīng)元細(xì)胞本身缺乏再生能力；②神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子生成不足；③細(xì)胞處于神經(jīng)生長(zhǎng)抑制因子分泌的環(huán)境；④膠質(zhì)細(xì)胞形成瘢痕樣組織，阻礙了神經(jīng)組織的自身修復(fù)過(guò)程。而將DPSCs作為種子細(xì)胞，進(jìn)行向神經(jīng)組織誘導(dǎo)分化的組織工程研究，為神經(jīng)損傷后的修復(fù)治療提供了啟發(fā)和思考。我們將近年來(lái)應(yīng)用DPSCs修復(fù)神經(jīng)組織的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 DPSCs的細(xì)胞屬性及神經(jīng)細(xì)胞方向誘導(dǎo)分化

DPSCs來(lái)自顱神經(jīng)嵴，根據(jù)Kiyoshi等[9]的研究，DPSCs細(xì)胞高表達(dá)CD73、CD90、CD105、Stro-1，不表達(dá)上皮細(xì)胞及造血細(xì)胞標(biāo)志物CD34、CD45、CD11b/c、HLA-DR，符合間充質(zhì)干細(xì)胞的特性。

Gronthos等[7]最早對(duì)DPSCs進(jìn)行了神經(jīng)標(biāo)志物檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)Nestin、GFAP等神經(jīng)細(xì)胞標(biāo)志物在DPSCs中呈現(xiàn)陽(yáng)性表達(dá)。Kiyoshi等[9]發(fā)現(xiàn)，DPSCs共表達(dá)多種早期神經(jīng)細(xì)胞標(biāo)志物Nestin、DCX、β-III-tublin、NeuN、GFAP、S100、A2B5及CNP酶，但不表達(dá)成熟神經(jīng)細(xì)胞標(biāo)志物，如少突膠質(zhì)細(xì)胞表面標(biāo)志物APC及MBP。

Liu等[10]報(bào)道，DPSCs向神經(jīng)細(xì)胞誘導(dǎo)分化后，圓形細(xì)胞形成長(zhǎng)細(xì)胞突，Nestin、GFAP、NeuN等神經(jīng)細(xì)胞特異性標(biāo)志物表達(dá)明顯增高，提示DPSCs具有分化為神經(jīng)細(xì)胞的潛能。

雪旺細(xì)胞在維持外周神經(jīng)功能、損傷后神經(jīng)再生修復(fù)過(guò)程中發(fā)揮重要作用。Martens等[11]發(fā)現(xiàn)，人DPSCs經(jīng)誘導(dǎo)分化，可以分化為雪旺細(xì)胞，具有髓鞘形成能力。

2 DPSCs修復(fù)神經(jīng)組織的支架材料研究

應(yīng)用合適的生物材料，可以為組織再生修復(fù)提供有利的“微環(huán)境”——黏附支持細(xì)胞、富集營(yíng)養(yǎng)因子和生長(zhǎng)因子。在目前進(jìn)行的DPSCs修復(fù)神經(jīng)組織的實(shí)驗(yàn)研究中，所使用的支架材料主要有膠原、纖維蛋白及透明質(zhì)酸、自組裝多肽水凝膠和多聚物支架等幾大類(lèi)。

膠原支架屬于天然可降解高分子材料，有較好的生物相容性。因其可從自體組織中分離，可有效降低支架移植后的免疫反應(yīng)[12-13]。在應(yīng)用DPSCs進(jìn)行中樞神經(jīng)組織[9]和外周神經(jīng)組織再生的實(shí)驗(yàn)研究中，膠原支架的應(yīng)用均有報(bào)道[14-18]。膠原支架的主要缺點(diǎn)是應(yīng)用后可能造成細(xì)胞胞外基質(zhì)的收縮，限制細(xì)胞增殖，阻礙組織的再生修復(fù)[19-20]。

說(shuō)與妻聽(tīng)，妻說(shuō)：“誰(shuí)也逃不過(guò)，我也開(kāi)始掉頭發(fā)了?！笨刹?！每次拖地都要為了她那些落發(fā)掃了又掃，擦了又擦，揀了又揀，累到直不起腰。想當(dāng)年，妻幾次說(shuō)要剪成短發(fā)，我都大加阻攔；剪是沒(méi)剪，她卻悄悄焗過(guò)淡黃色，燙過(guò)波浪卷，我都不以為然，悄悄告訴她：“就喜歡你那一頭烏黑亮麗、柔順飄逸的長(zhǎng)發(fā)?！彼俸僖粯?lè)，沒(méi)再動(dòng)過(guò)頭發(fā)的心思。

纖維蛋白及透明質(zhì)酸也屬于天然高分子，但其機(jī)械強(qiáng)度低、使用后快速收縮。目前報(bào)道的研究中，這類(lèi)材料常作為復(fù)合支架的組成部分，改進(jìn)支架的機(jī)械性能[21-24]。

自組裝多肽水凝膠支架主要成分是天然多肽，由氨基酸組成，易于成形，可降解性能好[12]。應(yīng)用這類(lèi)材料進(jìn)行DPSCs修復(fù)外周神經(jīng)組織的研究已有報(bào)道[25]。

在牙髓再生領(lǐng)域，也常應(yīng)用PLLA、PGA等多聚物作為支架材料，進(jìn)行應(yīng)用DPSCs再生修復(fù)牙髓的研究[26-28]。

3 DPSCs修復(fù)神經(jīng)組織的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

Almeida等[29]用血管夾夾持大鼠T9節(jié)段脊髓，制備脊髓損傷動(dòng)物模型，應(yīng)用人DPSCs進(jìn)行脊髓損傷后修復(fù)的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果顯示，注射人DPSCs于損傷區(qū)的實(shí)驗(yàn)組大鼠保存有更多的白質(zhì)脊髓，神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子BDNF、NGF-β、NT-3、NT-4等表達(dá)更高，且運(yùn)動(dòng)功能得到了一定的恢復(fù)。

Kiyoshi等[9]對(duì)大鼠T9～T11節(jié)段脊髓進(jìn)行節(jié)段性切除，制備脊髓損傷動(dòng)物模型，然后將人DPSCs細(xì)胞及纖維蛋白膠植入節(jié)段脊髓切除區(qū)。在移植人DPSCs的大鼠脊髓切除區(qū)，神經(jīng)元細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞凋亡得到抑制；神經(jīng)纖維、髓磷脂保有量提高；并通過(guò)旁分泌機(jī)制，損傷區(qū)軸突生長(zhǎng)抑制分子，硫酸軟骨素糖蛋白、髓磷脂關(guān)聯(lián)糖蛋白等的含量明顯減少。

Sasaki等[18]將大鼠DPSCs種于含Ⅰ型膠原凝膠的硅膠管，用于修復(fù)大鼠面神經(jīng)缺損。研究顯示，材料復(fù)合物移植至缺損神經(jīng)處，2周后形成軸突、髓鞘等神經(jīng)細(xì)胞標(biāo)志性結(jié)構(gòu)，并可形成血管組織。

Dissanayaka等[26]將含有人DPSCs與人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的Puramatrix水凝膠支架，注入根管處理后的人離體牙根尖段，并植入免疫缺陷鼠皮下黏膜。4周后，證實(shí)形成血管化牙髓組織，且Nestin等神經(jīng)細(xì)胞標(biāo)記物呈陽(yáng)性表達(dá)。

4 應(yīng)用DPSCs修復(fù)神經(jīng)可能的生物學(xué)機(jī)制

4.1 細(xì)胞內(nèi)環(huán)境機(jī)制

在細(xì)胞內(nèi)環(huán)境機(jī)制方面，細(xì)胞內(nèi)環(huán)磷酸腺苷（C yclic adenosine monophosphate，CAMP）對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的再生修復(fù)發(fā)揮著重要作用。Király等[30]報(bào)道，CAMP信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的激活促進(jìn)人DPSCs誘導(dǎo)分化為成熟的神經(jīng)元細(xì)胞。Chen等[31]認(rèn)為，細(xì)胞內(nèi)升高的CAMP可以激活PKA，發(fā)揮生物學(xué)作用。首先，PKA通過(guò)CREB誘導(dǎo)基因表達(dá)，引起包括ArginaseⅠ等再生相關(guān)基因的表達(dá)上調(diào)，促進(jìn)多胺類(lèi)合成；其次，PKA抑制MAG或myelin引起的Rho活化，促進(jìn)神經(jīng)再生；CAMP含量升高，還會(huì)上調(diào)IL-6，通過(guò)STAT3，誘導(dǎo)gap-43等再生相關(guān)基因的表達(dá)。

4.2 細(xì)胞外環(huán)境機(jī)制

細(xì)胞外環(huán)境機(jī)制方面，細(xì)胞外基質(zhì)、神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子對(duì)神經(jīng)細(xì)胞再生修復(fù)產(chǎn)生作用。

神經(jīng)細(xì)胞胞外基質(zhì)中含有層黏連蛋白，作為配體可以與跨膜糖蛋白整合素相結(jié)合。Martens等[11]的研究中，人DPSCs經(jīng)誘導(dǎo)可分化形成雪旺細(xì)胞；同時(shí)，層黏連蛋白及整合素的含量均明顯提高。層黏連蛋白與整合素結(jié)合后，引起PI3K的磷酸化，繼而激活A(yù)KT，抑制GSK-3β的活性，使細(xì)胞骨架得以延伸。

神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子包括神經(jīng)生長(zhǎng)因子（N erve growth factor，NGF）、神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子（N eurotrophin，NT）和腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子（B rain-derived neurotrophic factor，BDNF）。de Almeida等[29]應(yīng)用人DPSCs進(jìn)行脊髓損傷后修復(fù)的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示，注射人DPSCs的實(shí)驗(yàn)大鼠脊髓損傷區(qū)BDNF、NGF-β、NT-3、NT-4含量明顯升高。這些營(yíng)養(yǎng)因子使PI3K磷酸化后得到激活，抑制GSK-3β活性，通過(guò)對(duì)骨架結(jié)合蛋白的調(diào)節(jié)來(lái)促進(jìn)神經(jīng)損傷區(qū)神經(jīng)細(xì)胞軸突的生長(zhǎng)。

5 總結(jié)

應(yīng)用DPSCs修復(fù)神經(jīng)組織，是通過(guò)組織工程方法進(jìn)行組織再生修復(fù)的探索。研究證明，牙髓干細(xì)胞具有形成神經(jīng)細(xì)胞的潛力。

細(xì)胞定植材料方面，可降解材料是目前神經(jīng)修復(fù)材料的應(yīng)用趨勢(shì)，但這類(lèi)材料在“生物相容性良好、材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可應(yīng)用修復(fù)長(zhǎng)段神經(jīng)缺損”等方面尚未達(dá)到理想要求，神經(jīng)修復(fù)材料仍有待于進(jìn)一步的深入研究。

目前，應(yīng)用DPSCs進(jìn)行神經(jīng)組織的實(shí)驗(yàn)研究，主要為體外研究和一些初步的體內(nèi)研究，而神經(jīng)再生修復(fù)的確切分子生物學(xué)機(jī)制仍然不明確。此外，神經(jīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的再生也并不意味著神經(jīng)功能的再生——新生神經(jīng)細(xì)胞還需要與原有宿主神經(jīng)細(xì)胞建立突觸鏈接，進(jìn)而恢復(fù)較為完整的生理功能。因此，神經(jīng)修復(fù)的生物學(xué)機(jī)制和生理功能研究或?qū)⑹俏磥?lái)該方面研究的重要方向。

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Research Progress of Dental Pulp Stem Cells for Nervous Tissue Reconstruction

Dental pulp stem cell;Nervous tissue;Regeneration and reconstruction;Tissue engineering; Bio-mechanism

Q813.1+2

B

1673－0364（2015）03－0213－03

10.3969/j.issn.1673-0364.2015.03.027

200011上海市上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院口腔顱頜面科；上海市口腔醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

房兵（E-mail：fangbing@sjtu.edu.cn）。