牙周膜再生方法主要研究進(jìn)展

劉　靜，郭紅延　綜述　郭希民　審校

?

牙周膜再生方法主要研究進(jìn)展

劉靜1，郭紅延1綜述郭希民2審校

牙周膜再生；細(xì)胞移植；細(xì)胞歸巢

由于牙周炎患者自身的牙周膜干細(xì)胞(periodental ligament stem cells,PDLSCs)再生能力降低[1]，進(jìn)而分化能力下降，因此增加牙周受損區(qū)域具有再生能力的細(xì)胞數(shù)量是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

牙周膜對(duì)于牙移動(dòng)、牙營(yíng)養(yǎng)，以及維持牙周內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要[2]其主要特點(diǎn)是具備快速的基礎(chǔ)代謝和應(yīng)力改變能力，盡管咀嚼壓力很大，但牙周膜可使牙根與牙槽骨呈動(dòng)態(tài)與緊密連接狀態(tài)[3, 4]。牙周膜自身重建及允許牙齒移動(dòng)的能力在維護(hù)牙周組織中起重要作用[3]。牙周膜這種維持牙周內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的機(jī)制是由于牙周膜能很好的適應(yīng)壓力變化，并能夠維護(hù)本身寬度[5]。牙周膜的另一個(gè)重要功能是調(diào)控牙槽骨骨量和充當(dāng)組織血管生成和再生的細(xì)胞儲(chǔ)存庫(kù)。當(dāng)牙周組織因咀嚼和炎性反應(yīng)應(yīng)答受損時(shí)，牙周膜是進(jìn)行骨重塑修復(fù)的未分化間充質(zhì)干細(xì)胞的主要來(lái)源[6, 7]。其再生主要通過(guò)細(xì)胞募集(cell recruitment)和歸巢(cell homing)來(lái)實(shí)現(xiàn)[8]。

1　細(xì)胞移植法

1.1牙周前體細(xì)胞或干細(xì)胞移植許多研究均證明：牙周前體細(xì)胞在體內(nèi)外移植均可以重建新的牙周組織。一些學(xué)者通過(guò)體外構(gòu)建牙周膜三維立體生長(zhǎng)環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)了牙周膜的再生。20世紀(jì)90年代，Bhatnagar等[9]認(rèn)為胎牛無(wú)機(jī)骨質(zhì)復(fù)合膠原中分離的多肽(P-15)最能模擬牙周膜細(xì)胞分化的體內(nèi)三維立體環(huán)境，細(xì)胞在其中能形成類似牙周韌帶的有序纖維。隨后，有文獻(xiàn)報(bào)道稱已有一個(gè)用于研究牙周膜再生的3D模型[10]。然而，它所提及的實(shí)驗(yàn)裝置是復(fù)雜的，重建大量組織非常有限。因此，研發(fā)一種新的但相對(duì)簡(jiǎn)單的3D模型吸引了許多學(xué)者的關(guān)注。Oortgiesen等[11]通過(guò)建立新型3D模型模擬人工牙周膜空間培養(yǎng)牙周膜細(xì)胞,研究結(jié)果顯示:在標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)液內(nèi)牙周膜細(xì)胞隨機(jī)定向分布在這個(gè)人工牙周膜空間內(nèi)，在機(jī)械負(fù)載下，牙周膜細(xì)胞數(shù)目較多，依靠時(shí)間和位置延伸壓力，細(xì)胞垂直重組排列，結(jié)果形成大量的天然牙周膜組織。由此可見(jiàn)這項(xiàng)研究在牙周膜相關(guān)再生領(lǐng)域研究中成功引入了新模型。常秀梅等[12]利用可吸收生物材料凍干膠原膜和犬牙周膜干細(xì)胞在體外也成功了構(gòu)建組織工程牙周膜。這些研究提示我們，模擬牙周膜空間人工構(gòu)建牙周膜可能是未來(lái)研究的一個(gè)方向。

另外，牙周膜細(xì)胞或牙周膜干細(xì)胞通過(guò)體內(nèi)植入也實(shí)現(xiàn)了牙周膜的再生。2008年Liu等[13]發(fā)表有關(guān)研究牙周膜干細(xì)胞的文章。這篇研究表明在豬模型上實(shí)現(xiàn)了牙周膜的再生，為牙周病的干細(xì)胞治療奠定了基礎(chǔ)。后來(lái)甚至Ma[14]及其同事發(fā)表了有關(guān)牙周膜再生的文章，并且證明了受DNCPs刺激的牙周膜干細(xì)胞出現(xiàn)牙骨質(zhì)樣細(xì)胞的形成。寧慧影等[15]通過(guò)構(gòu)建牙本質(zhì)管與牙周膜細(xì)胞膜片和煅燒骨(CBB)顆粒移植體，移植在裸鼠皮下8周后實(shí)現(xiàn)了牙周膜的再生。Lee[16]和Smit[17]等學(xué)者的研究也都成功獲得完整的牙周再生，這為以后探索完整牙周組織的再生提供了新的策略。Lee是通過(guò)利用具有時(shí)空傳遞生物活性分子的多相特定區(qū)域的微支架，優(yōu)化了來(lái)自牙髓干細(xì)胞或前體細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)牙本質(zhì)、牙骨質(zhì)、牙周膜以及牙槽骨再生的環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)完整牙周復(fù)合體的再生。而Smit等學(xué)者是通過(guò)牙周前體細(xì)胞復(fù)合膠原膜包繞天然牙根原位再植來(lái)研究牙周膜再生的情況，在再植6個(gè)月后實(shí)現(xiàn)了具有完整新牙周膜形成的牙根的再附著。作者推測(cè)：天然牙根表面的地理形態(tài)可能對(duì)垂直型細(xì)胞的延長(zhǎng)變形有誘導(dǎo)作用，這種微環(huán)境適宜牙周膜纖維再生。在未來(lái)的研究中，如果揭開(kāi)了牙周前體細(xì)胞形成細(xì)長(zhǎng)形和平行牙周附著纖維的信號(hào)因素和分化機(jī)制的神秘面紗，這樣一個(gè)信息將會(huì)有利于非牙周前體細(xì)胞和干細(xì)胞應(yīng)用于牙周再生。

1.2骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞移植目前，許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)：BMMSCs移植可誘導(dǎo)大鼠、小型豬、兔、狗的包括牙骨質(zhì)、牙周膜和牙槽骨在內(nèi)的牙周組織再生[18, 19]。通過(guò)細(xì)胞標(biāo)記技術(shù)，在活體內(nèi)BMMSCs能夠分化成牙骨質(zhì)細(xì)胞、牙周膜成纖維細(xì)胞和牙槽骨成骨細(xì)胞[20-22]。Zhou及其同事[22]揭示了同種異體BMMSCs移植到放射致病裸鼠體內(nèi)參與牙周愈合的可能性。Yang及同事[21]的一項(xiàng)研究表明：BMMSCs是很好的細(xì)胞來(lái)源，揭示了當(dāng)微球凝膠載體負(fù)載BMMSCs移植到大鼠牙周缺損處時(shí)有利于牙周愈合。也有動(dòng)物研究揭示，BMMSCs移植到實(shí)驗(yàn)制造的III類牙周缺損處促進(jìn)了牙周組織的再生[23, 24]。在缺損處裸露的牙根表面，有牙骨質(zhì)覆蓋其表面，并有沙比纖維插入牙骨質(zhì)中，獲得完整的牙周再生。也有研究表明，來(lái)自于牙周膜的一種特定的體液因子影響B(tài)MMSCs的分化和增殖[25]。也有學(xué)者研究表明，BMMSCs分化成特定的細(xì)胞系依賴于它所處的環(huán)境[23, 26]。Kramer等[27]將牙周膜細(xì)胞和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞進(jìn)行共培養(yǎng)，結(jié)果骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞可以向牙周膜細(xì)胞的表型轉(zhuǎn)化。這些研究揭示了BMMSCs可能受牙周微環(huán)境的影響，分化成牙周膜干細(xì)胞，從而參與牙周組織的再生。

2　細(xì)胞歸巢法

盡管細(xì)胞移植法在牙周膜再生研究中取得一定成果，但機(jī)體內(nèi)自身存在許多可供組織修復(fù)再生所需的干細(xì)胞，細(xì)胞歸巢法誘導(dǎo)并動(dòng)員這些干細(xì)胞募集或歸巢至靶向部位，以期實(shí)現(xiàn)牙周內(nèi)源性再生。Haze等[28]通過(guò)重組成釉蛋白在狗的牙周缺損模型上實(shí)現(xiàn)了牙周缺損區(qū)域骨和牙周膜的再生。通過(guò)免疫組織化學(xué)分析以及干細(xì)胞標(biāo)記物發(fā)現(xiàn)，成釉蛋白直接或間接誘導(dǎo)招募間充質(zhì)前體干細(xì)胞，隨后分化形成新的牙周膜組織。但這項(xiàng)研究對(duì)于誘導(dǎo)細(xì)胞歸巢的具體機(jī)制尚不清楚。然而有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，骨髓來(lái)源細(xì)胞(Bone marrow-derived cells，BMDCs)，是一組異質(zhì)性干細(xì)胞或前體細(xì)胞，包括BMMSCs、造血干細(xì)胞、成骨細(xì)胞前體細(xì)胞、成纖維細(xì)胞前體細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞前體細(xì)胞[29-34]，BMDCs能夠感受損傷信號(hào)并歸巢至受損區(qū)域參與組織修復(fù)或再生[35-37]。因此，除了傳統(tǒng)的細(xì)胞移植，BMDCs的歸巢可能被認(rèn)為是一種可選擇性治療方法。Wang等[38]學(xué)者通過(guò)建立嵌合子小鼠模型，即將小鼠的骨髓與來(lái)自表達(dá)EGFP的轉(zhuǎn)染小鼠的骨髓細(xì)胞重組。骨髓移植一個(gè)月后，創(chuàng)造小鼠的牙周近中缺損。研究發(fā)現(xiàn)GFP陽(yáng)性BMDCs在牙周缺損區(qū)域聚集并出現(xiàn)在新形成的骨或纖維中。它們中的一些共表達(dá)成纖維細(xì)胞、成骨細(xì)胞或血管內(nèi)皮細(xì)胞標(biāo)記物。這些研究結(jié)果表明在牙周修復(fù)期間BMDCs可能造成新纖維、骨和血管的形成。 Zhu[39]等研究通過(guò)SDF-1和BMP-7誘導(dǎo)細(xì)胞歸巢也實(shí)現(xiàn)了撕脫牙回植后牙周膜樣組織的再生。并且斷定，撕脫牙通過(guò)目前開(kāi)展的細(xì)胞歸巢方法在延遲回植時(shí)能夠成功避免牙與牙槽骨之間的骨性愈合或者替代性吸收。Amir和 Zhu等學(xué)者通過(guò)采用生物活性因子激發(fā)機(jī)體內(nèi)源性再生潛能，從而實(shí)現(xiàn)了牙周膜的再生，由此可見(jiàn)，生物活性因子可成為誘導(dǎo)細(xì)胞歸巢的重要工具，然而，直接應(yīng)用生物活性因子可能會(huì)由于它們的流失及毒副作用而出現(xiàn)不理想的治療效果。因此，研發(fā)一種生長(zhǎng)因子控釋系統(tǒng)可能成為機(jī)體干細(xì)胞募集和歸巢調(diào)控進(jìn)而實(shí)現(xiàn)組織再生的一個(gè)技術(shù)突破口。

細(xì)胞歸巢作為實(shí)現(xiàn)組織內(nèi)源性再生的方式，它發(fā)揮作用的途徑一直備受關(guān)注。已有研究證實(shí)：有兩種完全不同的途徑實(shí)現(xiàn)機(jī)體干細(xì)胞歸巢。一種是非血流依賴性運(yùn)動(dòng)，主要依靠鄰近部位的細(xì)胞募集，比如缺損區(qū)域相鄰干細(xì)胞龕中的干細(xì)胞可感應(yīng)損傷產(chǎn)生的信號(hào)分子，通過(guò)主動(dòng)的變形運(yùn)動(dòng)，到達(dá)組織缺損區(qū)域，發(fā)揮再生作用；另一種是血流依賴性遷徙，主要是遠(yuǎn)程機(jī)體干細(xì)胞龕(例如骨髓)中干細(xì)胞的動(dòng)員和歸巢，包括細(xì)胞感受信號(hào)刺激，動(dòng)員機(jī)體干細(xì)胞龕中的干細(xì)胞入血，隨血流遠(yuǎn)程遷徙，最后到達(dá)損傷區(qū)域局部毛細(xì)血管，穿透血管壁，參與組織修復(fù)過(guò)程[40]。

總之，盡管干細(xì)胞移植在牙周再生領(lǐng)域已有突破性進(jìn)展，但其臨床轉(zhuǎn)化研究仍然面臨著挑戰(zhàn)，例如細(xì)胞移植方式、手段和劑量標(biāo)準(zhǔn)等尚未得到根本解決[41]，牙周膜的結(jié)構(gòu)與功能性再生仍是目前研究的“瓶頸”。在牙周病的治療策略上，尋求一些簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)且實(shí)用的再生方法可能是我們以后研究的重點(diǎn)。隨著細(xì)胞歸巢的誘導(dǎo)和調(diào)控機(jī)制研究的進(jìn)一步推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)牙周內(nèi)源性再生將會(huì)給牙周病治療帶來(lái)新的轉(zhuǎn)機(jī)。

[1]Liu Y, Liu W, Hu C,etal. MiR-17 modulates osteogenic differentiation through a coherent feed-forward loop in mesenchymal stem cells isolated from periodontal ligaments of patients with periodontitis[J]. Stem Cells, 2011,29(11):1804-1816.

[2]Park S Y, Kim K H, Gwak E H,etal. Ex vivo bone morphogenetic protein 2 gene delivery using periodontal ligament stem cells for enhanced re-osseointegration in the regenerative treatment of peri-implantitis[J]. J Biomed Mater Res A, 2015,103(1):38-47.

[3]Berkovitz B K. The structure of the periodontal ligament: an update[J]. Eur J Orthod, 1990,12(1):51-76.

[4]McCulloch C A, Lekic P, McKee M D. Role of physical forces in regulating the form and function of the periodontal ligament[J]. Periodontol 2000, 2000,24(3):56-72.

[5]McCulloch C A, Melcher A H. Cell density and cell generation in the periodontal ligament of mice[J]. Am J Anat, 1983,167(1):43-58.

[6]Seo B M, Miura M, Gronthos S,etal. Investigation of multipotent postnatal stem cells from human periodontal ligament[J]. Lancet, 2004,364(9429):149-155.

[7]Huang G T, Gronthos S, Shi S. Mesenchymal stem cells derived from dental tissues vs. those from other sources: their biology and role in regenerative medicine[J]. J Dent Res, 2009,88(9):792-806.

[8]Mao J J, Stosich M S, Moioli E K,etal. Facial reconstruction by biosurgery: cell transplantation versus cell homing[J]. Tissue Eng Part B Rev, 2010,16(2):257-262.

[9]D’Errico J A, Ouyang H, Berry J E,etal. Immortalized cementoblasts and periodontal ligament cells in culture[J]. Bone, 1999,25(1):39-47.

[10]Berendsen A D, Smit T H, Walboomers X F,etal. Three-dimensional loading model for periodontal ligament regeneration in vitro[J]. Tissue Eng Part C Methods, 2009,15(4):561-570.

[11]Oortgiesen D A, Yu N, Bronckers A L,etal. A three-dimensional cell culture model to study the mechano-biological behavior in periodontal ligament regeneration[J]. Tissue Eng Part C Methods, 2012,18(2):81-89.

[12]常秀梅, 劉宏偉, 金巖, 等. 組織工程牙周膜的體外構(gòu)建[J]. 中國(guó)組織工程研究與臨床康復(fù), 2009,13(20):3890-3893.

[13]Liu Y, Zheng Y, Ding G,etal. Periodontal ligament stem cell-mediated treatment for periodontitis in miniature swine[J]. Stem Cells, 2008,26(4):1065-1073.

[14]Ma Z, Li S, Song Y,etal. The biological effect of dentin noncollagenous proteins (DNCPs) on the human periodontal ligament stem cells (HPDLSCs) in vitro and in vivo[J]. Tissue Eng Part A, 2008,14(12):2059-2068.

[15]寧慧影, 劉宏偉. 鼠根端乳頭條件培養(yǎng)基誘導(dǎo)下的牙周膜細(xì)胞膜片與牙本質(zhì)管和煅燒骨間的牙周膜再生[J]. 華西口腔醫(yī)學(xué)雜志, 2011,29(4):429-433.

[16]Lee C H, Hajibandeh J, Suzuki T,etal. Three-dimensional printed multiphase scaffolds for regeneration of periodontium complex[J]. Tissue Eng Part A, 2014,20(7-8):1342-1351.

[17]Dangaria S J, Ito Y, Luan X,etal. Successful periodontal ligament regeneration by periodontal progenitor preseeding on natural tooth root surfaces[J]. Stem Cells Dev, 2011,20(10):1659-1668.

[18]Rios H F, Lin Z, Oh B,etal. Cell- and gene-based therapeutic strategies for periodontal regenerative medicine[J]. J Periodontol, 2011,82(9):1223-1237.

[19]Hynes K, Menicanin D, Gronthos S,etal. Clinical utility of stem cells for periodontal regeneration[J]. Periodontol 2000, 2012,59(1):203-227.

[20]Hasegawa N, Kawaguchi H, Hirachi A,etal. Behavior of transplanted bone marrow-derived mesenchymal stem cells in periodontal defects[J]. J Periodontol, 2006,77(6):1003-1007.

[21]Yang Y, Rossi F M, Putnins E E. Periodontal regeneration using engineered bone marrow mesenchymal stromal cells[J]. Biomaterials, 2010,31(33):8574-8582.

[22]Zhou J, Shi S, Shi Y,etal. Role of bone marrow-derived progenitor cells in the maintenance and regeneration of dental mesenchymal tissues[J]. J Cell Physiol, 2011,226(8):2081-2090.

[23]Hasegawa N, Kawaguchi H, Hirachi A,etal. Behavior of transplanted bone marrow-derived mesenchymal stem cells in periodontal defects[J]. J Periodontol, 2006,77(6):1003-1007.

[24]Kawaguchi H, Hirachi A, Hasegawa N,etal. Enhancement of periodontal tissue regeneration by transplantation of bone marrow mesenchymal stem cells[J]. J Periodontol, 2004,75(9):1281-1287.

[25]Mizuno N, Ozeki Y, Shiba H,etal. Humoral factors released from human periodontal ligament cells influence calcification and proliferation in human bone marrow mesenchymal stem cells[J]. J Periodontol, 2008,79(12):2361-2370.

[26]Krause D S, Theise N D, Collector M I,etal. Multi-organ, multi-lineage engraftment by a single bone marrow-derived stem cell[J]. Cell, 2001,105(3):369-377.

[27]Kramer P R, Nares S, Kramer S F,etal. Mesenchymal stem cells acquire characteristics of cells in the periodontal ligament in vitro[J]. J Dent Res, 2004,83(1):27-34.

[28]Haze A, Taylor A L, Haegewald S,etal. Regeneration of bone and periodontal ligament induced by recombinant amelogenin after periodontitis[J]. J Cell Mol Med, 2009,13(6):1110-1124.

[29]Haudek S B, Xia Y, Huebener P,etal. Bone marrow-derived fibroblast precursors mediate ischemic cardiomyopathy in mice[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2006,103(48):18284-18289.

[30]Jiang Y, Jahagirdar B N, Reinhardt R L,etal. Pluripotency of mesenchymal stem cells derived from adult marrow[J]. Nature, 2002,418(6893):41-49.

[31]Koide Y, Morikawa S, Mabuchi Y,etal. Two distinct stem cell lineages in murine bone marrow[J]. Stem Cells, 2007,25(5):1213-1221.

[32]Kwon O, Miller S, Li N,etal. Bone Marrow-derived Endothelial Progenitor Cells and Endothelial Cells May Contribute to Endothelial Repair in the Kidney Immediately After Ischemia-Reperfusion[J]. Journal of Histochemistry & Cytochemistry, 2010,58(8):687-694.

[33]Oshima Y, Watanabe N, Matsuda K,etal. Behavior of Transplanted Bone Marrow-derived GFP Mesenchymal Cells in Osteochondral Defect as a Simulation of Autologous Transplantation[J]. Journal of Histochemistry & Cytochemistry, 2005,53(2):207-216.

[34]Zhang Z G, Zhang L, Jiang Q,etal. Bone marrow-derived endothelial progenitor cells participate in cerebral neovascularization after focal cerebral ischemia in the adult mouse[J]. Circ Res, 2002,90(3):284-288.

[35]Kawada H, Fujita J, Kinjo K,etal. Nonhematopoietic mesenchymal stem cells can be mobilized and differentiate into cardiomyocytes after myocardial infarction[J]. Blood, 2004,104(12):3581-3587.

[36]Li S, Tu Q, Zhang J,etal. Systemically transplanted bone marrow stromal cells contributing to bone tissue regeneration[J]. J Cell Physiol, 2008,215(1):204-209.

[37]Rankin S M. Impact of bone marrow on respiratory disease[J]. Curr Opin Pharmacol, 2008,8(3):236-241.

[38]Wang Y, Zhou L, Li C,etal. Bone marrow-derived cells homing for self-repair of periodontal tissues: a histological characterization and expression analysis[J]. Int J Clin Exp Pathol, 2015,8(10):12379-12389.

[39]Zhu W, Zhang Q, Zhang Y,etal. PDL regeneration via cell homing in delayed replantation of avulsed teeth[J]. J Transl Med, 2015,13:357.

[40]Chen F M, Wu L A, Zhang M,etal. Homing of endogenous stem/progenitor cells for in situ tissue regeneration: Promises, strategies, and translational perspectives[J]. Biomaterials, 2011,32(12):3189-3209.

[41]Chen F M, Zhang J, Zhang M,etal. A review on endogenous regenerative technology in periodontal regenerative medicine[J]. Biomaterials, 2010,31(31):7892-7927.

(2016-04-21收稿2016-08-11修回)

(責(zé)任編輯梁秋野)

劉靜，碩士研究生，醫(yī)師。

1.100039北京，武警總醫(yī)院口腔醫(yī)學(xué)中心；2.100850北京，軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所全軍干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

郭紅延，E-mail:ghyfmmu@126.com

R781.4