牙頜面肌肉發(fā)育和再生特征的研究進(jìn)展

程旭 黃藝璇 李精韜 石冰

口腔疾病研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心

四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院唇腭裂外科 成都610041

牙頜面發(fā)育畸形，如唇腭裂和半側(cè)顏面短小等，在我國的發(fā)病率近1/500，每年新增患者兩萬余名，形成龐大的患者群體[1?2]。這些發(fā)育畸形通常表現(xiàn)為骨和肌肉的發(fā)育不足，造成患者面型異常、咬合紊亂、發(fā)音障礙，甚至引發(fā)呼吸道病發(fā)癥，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量[3]。頜骨發(fā)育不足可通過正畸、正頜、牽張成骨及自體骨或人工骨移植的方法得到矯正，而牙頜面肌肉發(fā)育不足尚無有效的擴(kuò)增手段，極大地限制了牙頜面畸形的整復(fù)效果。考慮到骨骼肌具有強(qiáng)大的再生能力，它是人體中除肝臟之外再生能力最強(qiáng)的器官[4]，若能實(shí)現(xiàn)牙頜面肌肉再生，將會進(jìn)一步提升牙頜面畸形整復(fù)的效果。

牙頜面肌肉是骨骼肌系統(tǒng)的一部分，但它與傳統(tǒng)的四肢軀干肌肉不同，是脊椎動(dòng)物從濾食向捕食進(jìn)化之后才出現(xiàn)的骨骼肌新形態(tài)[5]。牙頜面肌肉的胚胎發(fā)育過程、成肌調(diào)控機(jī)制、肌肉疾病的易感性和再生能力等方面均具有獨(dú)特的表現(xiàn)，這些特點(diǎn)使牙頜面肌肉具有特殊的研究意義和臨床價(jià)值。目前骨骼肌研究大都集中在四肢軀干肌肉，本文針對牙頜面肌肉的發(fā)育和再生研究作一綜述，為探索牙頜面肌肉再生的方法提供理論依據(jù)。由于四肢軀干肌肉的發(fā)育和再生研究已成理論體系，本文通過與四肢軀干肌肉對比，闡述牙頜面肌肉的獨(dú)特表現(xiàn)。

1 牙頜面肌肉的胚胎發(fā)育來源

牙頜面肌肉則由顱中胚層發(fā)育而來，顱中胚層在胚胎發(fā)育過程中則沒有明確的解剖界限和分節(jié)特征，是一個(gè)離散的發(fā)育單元，其形態(tài)和分布隨胚胎發(fā)育的衍變而發(fā)生變化，在神經(jīng)管和內(nèi)胚層分別發(fā)生背側(cè)和腹側(cè)的融合時(shí)，顱中胚層的位置和邊界也會隨之改變，發(fā)生背腹側(cè)的遷移[6]。

1.1 鰓弓肌肉是牙頜面肌肉的主體

發(fā)育形成牙頜面肌肉的顱中胚層，從頭端至尾端分為3 個(gè)部分[5]。1）脊索前中胚層。脊索前中胚層位于神經(jīng)板的腹側(cè)以及脊索的頭端，在發(fā)育過程中向兩側(cè)以及尾端移動(dòng)，最終發(fā)育形成眼外肌，即上斜肌、下斜肌、上直肌、下直肌、外直肌和內(nèi)直肌6 組肌肉。2）咽中胚層。咽中胚層圍繞發(fā)育中的咽，可以進(jìn)一步分為軸旁中胚層和內(nèi)臟中胚層，前者位于神經(jīng)管的兩側(cè)，后者在咽底壁的腹側(cè)。咽中胚層的肌前體細(xì)胞遷徙進(jìn)入鄰近的鰓弓中，因此又被稱為鰓弓肌肉（或咽弓肌肉），它們將形成頜面部肌肉的主體。第一鰓弓將發(fā)育形成咀嚼運(yùn)動(dòng)相關(guān)的肌肉，第二鰓弓將發(fā)育形成表情相關(guān)的肌肉，而第三至第六鰓弓將發(fā)育形成咽喉運(yùn)動(dòng)相關(guān)的肌肉以及部分頸部肌肉。牙頜面先天畸形波及的肌肉，如口輪匝肌、腭帆提肌和咬肌等，都屬于鰓弓肌肉。咽中胚層還參與心肌的發(fā)育，這是它區(qū)別于四肢肌肉很重要的一點(diǎn)。3）枕骨原節(jié)。枕骨原節(jié)的成肌前體細(xì)胞是由體節(jié)細(xì)胞遷徙而來，將形成舌肌和喉內(nèi)肌。由于是由體節(jié)細(xì)胞發(fā)育形成，舌肌和喉內(nèi)肌雖然位于頭部，卻遵循四肢軀干肌肉的發(fā)育模式[7?9]。也有研究證實(shí)，舌肌不僅來源于體節(jié)，也有來源于顱中胚層的成分[10?11]。除了以上3 個(gè)發(fā)育區(qū)域，顱中胚層還有一部分來自枕側(cè)板中胚層。枕側(cè)板中胚層位于頭面部和四肢軀干的交界區(qū)域，將形成斜方肌、胸鎖乳突肌等頸部肌肉，它們負(fù)責(zé)控制頭部的運(yùn)動(dòng)。由于枕側(cè)板中胚層與1～3 體節(jié)相鄰，頸部肌肉因此同時(shí)具有體節(jié)來源和非體節(jié)來源的特征，被稱為“過渡區(qū)”[6]。

牙頜面肌肉是由顱中胚層發(fā)育而來的離散性的發(fā)育單元，它不同于體節(jié)的連續(xù)發(fā)育模式。脊索前中胚層發(fā)育形成的眼周肌肉、咽中胚層發(fā)育形成的鰓弓肌肉和枕骨原節(jié)發(fā)育形成的舌肌和喉內(nèi)肌，二者共同構(gòu)成牙頜面肌肉，其中鰓弓肌肉是牙頜面肌肉的主體。

1.2 鰓弓肌肉發(fā)育與心臟發(fā)育密切相關(guān)

從進(jìn)化角度看，脊椎動(dòng)物鰓弓肌肉的出現(xiàn)和心臟腔室的分化都是進(jìn)化過程中出現(xiàn)的新模式，鰓弓肌肉的出現(xiàn)與飲食活動(dòng)從被動(dòng)濾過向主動(dòng)攝取的轉(zhuǎn)變有關(guān)，而這一增加的能量和代謝需求也在一定程度上促進(jìn)了心臟腔室的分化[12?13]。

根據(jù)鰓弓肌肉和心臟在胚胎發(fā)育中的密切關(guān)系，發(fā)育學(xué)家劃定了兩者共同的胚胎來源，即心咽區(qū)[12]。心咽區(qū)包括形成鰓弓肌肉的咽中胚層和形成心臟的第一心區(qū)和第二心區(qū)。第二心區(qū)實(shí)際是咽中胚層的一部分[12?13]，它將發(fā)育形成右心室、心臟流出道和心房等部位的心肌，以及心內(nèi)膜[6]；而第一心區(qū)則緊鄰咽中胚層，它主要參與左心室的發(fā)育[13]。心咽區(qū)的細(xì)胞可以分為3個(gè)譜系，第一譜系形成包括顳肌和咬肌在內(nèi)的第一鰓弓肌肉和右心室，第二譜系形成第二鰓弓來源的表情肌和心臟流出道，第三譜系形成左、右心房和左心室[6,12,14]。

鰓弓肌肉的這一發(fā)育特征決定了牙頜面先天缺陷常伴發(fā)心臟先天缺陷，最常見的是迪格奧爾格綜合征，其頜面部畸形表現(xiàn)為腭裂、腭咽功能障礙等，心臟畸形則常表現(xiàn)為法洛四聯(lián)癥、室間隔缺損等[15?16]，這是牙頜面肌肉區(qū)別于四肢軀干肌肉的一大特點(diǎn)。

2 牙頜面肌肉的成肌調(diào)控機(jī)制

四肢軀干肌肉的成肌調(diào)控過程幾乎全部由中胚層來源的體節(jié)承擔(dān)，神經(jīng)嵴細(xì)胞僅短暫參與[17]。而牙頜面肌肉的成肌調(diào)控過程，不僅與顱中胚層有關(guān)，還持續(xù)受到外胚層來源的神經(jīng)嵴細(xì)胞的影響[18]，這導(dǎo)致牙頜面肌肉成肌調(diào)控的特異性和復(fù)雜性。

2.1 牙頜面肌肉成肌調(diào)控機(jī)制與四肢軀干肌肉的差異

四肢軀干肌肉的研究發(fā)現(xiàn)，肌肉發(fā)育的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)自下往上可以分為3 個(gè)層級。1）肌源性調(diào)節(jié)因子，包括MyoD、Myf5 等，它們可以決定成肌細(xì)胞和部分其它類型的細(xì)胞向肌細(xì)胞的終末分化；2）配對同源框轉(zhuǎn)錄因子，主要包括Pax3和Pax7，它們是肌源性調(diào)劑因子的上游調(diào)控因子，介導(dǎo)成肌向的分化；3）果蠅相關(guān)同源框轉(zhuǎn)錄因子，主要包括Six1 和Six4，位于這個(gè)基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的頂端，在胚胎發(fā)育的早期誘導(dǎo)生皮肌節(jié)向成肌譜系分化[19]。對于牙頜面肌肉發(fā)育而言，它并不嚴(yán)格遵從此層級調(diào)控規(guī)律。最早表達(dá)的肌源性調(diào)控基因Myf5，和配對同源框轉(zhuǎn)錄因子Pax3，在四肢軀干肌肉發(fā)育過程中是必需的，而鰓弓肌肉的發(fā)育不需要此二者的參與。Pax3和Myf5缺失的小鼠，四肢軀干肌肉不發(fā)育而鰓弓肌肉的發(fā)育不受影響[20?21]。此外，Wnt 信號通路在四肢軀干肌肉的發(fā)育過程中發(fā)揮重要的促進(jìn)作用，而在鰓弓肌肉發(fā)育中則表現(xiàn)為明顯的抑制作用，這可能與神經(jīng)嵴細(xì)胞的持續(xù)參與有關(guān)[17]。

牙頜面肌肉在發(fā)育過程中還表達(dá)多個(gè)完全不同于四肢軀干肌肉的調(diào)控因子，包括Tcf21（Cap?sulin）、Msc（MyoR）、Tbx1等。缺少Tcf21、Msc基因的小鼠不形成第一鰓弓肌肉[22?23]，Tbx1 缺失的小鼠第二至第六鰓弓的肌肉發(fā)育不全，并且Tbx1 在咽部肌肉的形成中發(fā)揮必不可少的作用。而Tcf21、Msc、Tbx1 這3 個(gè)基因在四肢軀干肌肉的發(fā)育中則不表達(dá)[24]。此外，Isl1和Nkx2.5是第二心區(qū)成肌前體細(xì)胞的標(biāo)志，它們不參與四肢軀干肌肉的發(fā)育調(diào)控，而在鰓弓肌肉發(fā)育中發(fā)揮作用：Isl1 在一定程度上抑制鰓弓肌肉分化，Nkx2.5 可以促進(jìn)鰓弓發(fā)育，Nkx2.5 基因異常表達(dá)導(dǎo)致頜面部肌肉發(fā)育缺陷。

2.2 牙頜面肌肉成肌調(diào)控機(jī)制的異質(zhì)性

除了與四肢軀干肌肉發(fā)育的調(diào)控因子不同，牙頜面肌肉自身的發(fā)育調(diào)控具有一定的異質(zhì)性。鰓弓肌肉有2 個(gè)來源，顱軸旁中胚層來源和內(nèi)臟中胚層來源，前者形成第一鰓弓肌肉，后者形成遠(yuǎn)端鰓弓肌肉[25]。在Capsulin 和MyoR 缺失的小鼠中，來源于第一鰓弓的咬肌、翼肌和顳肌缺失，但二腹肌和下頜舌骨肌等遠(yuǎn)端鰓弓肌肉不受影響[26]。Pitx2 缺失的小鼠，眼外肌和第一鰓弓肌肉受影響，遠(yuǎn)端鰓弓肌肉是否受影響尚不確切。

牙頜面肌肉成肌調(diào)控機(jī)制的特異性和復(fù)雜性，與頜面部肌肉發(fā)育來源的多樣性及其與心肌發(fā)育的密切關(guān)系有關(guān)，這也是它區(qū)別于四肢軀干肌肉的重要表現(xiàn)。關(guān)于鰓弓肌肉發(fā)育的調(diào)控機(jī)制還有很多謎團(tuán)未解，需要更多深入的譜系研究、克隆模型研究和基因靶向研究等來進(jìn)一步闡明這一調(diào)控機(jī)制[26]。

3 牙頜面肌肉的再生

牙頜面肌肉屬于骨骼肌系統(tǒng)，它具有骨骼肌的基本結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)，遵循骨骼肌再生的一般規(guī)律[17]。但由于胚胎發(fā)育來源和成肌調(diào)控機(jī)制的不同，牙頜面肌肉再生又具有獨(dú)特的表現(xiàn)。明確牙頜面肌肉再生的特異性表現(xiàn)及其機(jī)制，是探索牙頜面肌肉再生方法的前提。

3.1 骨骼肌再生過程

骨骼肌是人體除肝臟之外再生能力最強(qiáng)的器官，單根肌纖維移植后能在受植區(qū)產(chǎn)生上百根肌纖維[27]，這一強(qiáng)大的再生能力由骨骼肌組織特異性干細(xì)胞，即衛(wèi)星細(xì)胞主導(dǎo)完成。衛(wèi)星細(xì)胞可進(jìn)行肌源性分化，進(jìn)入肌纖維內(nèi)部補(bǔ)充因受損減少的細(xì)胞核，或形成新的肌纖維；同時(shí)衛(wèi)星細(xì)胞進(jìn)行自我更新，維持肌纖維的干細(xì)胞池。骨骼肌再生的順利進(jìn)行，與間質(zhì)細(xì)胞的支持和誘導(dǎo)密不可分。這些間質(zhì)細(xì)胞包括巨噬細(xì)胞、成纖維脂前體細(xì)胞（fibroadipogenic progenitors，F(xiàn)APs）、內(nèi)皮細(xì)胞等，它們在傳導(dǎo)刺激信號觸發(fā)骨骼肌再生、誘導(dǎo)衛(wèi)星細(xì)胞進(jìn)行肌源性分化、調(diào)節(jié)細(xì)胞外基質(zhì)的形成促進(jìn)再生肌纖維的成熟等方面發(fā)揮重要作用。因此，骨骼肌的再生是由衛(wèi)星細(xì)胞和間質(zhì)細(xì)胞密切配合共同協(xié)調(diào)完成的成肌—成纖維平衡過程[28]。

3.2 牙頜面肌肉的再生特點(diǎn)

牙頜面肌肉的再生研究集中在2 類肌肉：眼外肌和鰓弓肌肉。由于枕骨原節(jié)來源的舌肌多是體節(jié)來源，這里不列入牙頜面肌肉再生的討論。

眼外肌是牙頜面肌肉中極為特殊的一群，它的胚胎發(fā)育來源、神經(jīng)支配和肌纖維類型都與其他任何牙頜面肌肉不同：眼外肌由脊索前中胚層發(fā)育而來；它受到動(dòng)眼神經(jīng)、滑車神經(jīng)和外展神經(jīng)這類軀體運(yùn)動(dòng)神經(jīng)的支配，不同于鰓弓肌肉受內(nèi)臟運(yùn)動(dòng)神經(jīng)支配；并且眼外肌特異性表達(dá)肌纖維類型MyHC?EOM[29]。眼外肌在肌肉再生中表現(xiàn)出極強(qiáng)的成肌能力和自我更新能力，研究表明，眼外肌衛(wèi)星細(xì)胞移植后的再生能力是四肢肌肉衛(wèi)星細(xì)胞的2～5倍[30]。眼外肌的這種特質(zhì)使它能免受進(jìn)行性肌營養(yǎng)不良這類廣泛影響骨骼肌系統(tǒng)的疾病的影響。

鰓弓肌肉的再生也具有出與四肢軀干肌肉不同的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)為成肌能力低下和過度纖維化[31]。在接受同樣損傷的條件下，小鼠的脛骨前肌在損傷后12 d 的肌肉組織形態(tài)已接近正常，而咬肌組織仍被大量纖維結(jié)締組織占據(jù)，在損傷后45 d 再生咬肌的肌纖維明顯小于正常對照，并表現(xiàn)出明顯的纖維化[32]。離體培養(yǎng)的咬肌衛(wèi)星細(xì)胞與脛骨前肌衛(wèi)星細(xì)胞相比，增殖更快而分化更晚[33]。除咬肌之外，口咽部肌肉的細(xì)胞核更替能力較四肢肌肉明顯增強(qiáng)；且口咽部肌肉的衛(wèi)星細(xì)胞，對于維持肌纖維直徑和肌細(xì)胞核數(shù)目是必須的，這與四肢軀干肌肉顯著不同[34]。另有研究發(fā)現(xiàn)，大鼠軟腭肌肉損傷后的再生過程，表現(xiàn)出成肌能力不足和過度的成纖維作用[35]。

3.3 牙頜面肌肉的再生機(jī)制

由于鰓弓肌肉在牙頜面發(fā)育畸形具有重要的臨床意義，以下以鰓弓肌肉作為代表，對牙頜面肌肉的再生機(jī)制進(jìn)行闡述。牙頜面肌肉再生中，衛(wèi)星細(xì)胞的數(shù)目和增殖分化能力出現(xiàn)異常[36]，提示衛(wèi)星細(xì)胞的功能障礙可能是牙頜面肌肉再生低下和纖維化的原因。最新的研究表明，F(xiàn)APs 在骨骼肌再生中具有重要的促進(jìn)成肌的作用，缺少FAPs 的骨骼肌表現(xiàn)出肌肉萎縮且再生遲緩[37]；同時(shí)，F(xiàn)APs 是主導(dǎo)成纖維作用的主要細(xì)胞，既保證有效的細(xì)胞外基質(zhì)沉積以促進(jìn)改建的肌肉組織成熟，又避免過度的成纖維作用導(dǎo)致纖維化。因此，F(xiàn)APs 極有可能是同時(shí)調(diào)控牙頜面肌肉再生能力低下和過度纖維化的重要因素。

3.3.1 牙頜面肌肉纖維化可能與FAPs 的特異性基因表達(dá)有關(guān) 牙頜面肌肉FAPs 的胚胎發(fā)育來源是外胚層來源的神經(jīng)嵴細(xì)胞，不同于四肢肌肉FAPs由中胚層的體節(jié)發(fā)育而來，二者具有不同的基因表達(dá)譜[38]。作為間充質(zhì)來源的干細(xì)胞，F(xiàn)APs 具有多向分化潛能，在不同條件下可以進(jìn)行成纖維、成脂肪、成骨、成軟骨向的分化，在骨骼肌再生中通常表現(xiàn)出成纖維作用。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)APs 自身也是一組有異質(zhì)性的細(xì)胞，具有不同程度的成纖維能力，他們除了共同表達(dá)PDGFRa，Sca1，還差異性表達(dá)Hic1、Vcam1等基因。Hic1是靜止FAPs的標(biāo)志性基因，高表達(dá)Hic1的FAPs 處于生長抑制狀態(tài)，不進(jìn)入細(xì)胞周期，而敲除Hic1 會促使FAPs 增殖分化[39]。與之相反的是，高表達(dá)Vcam1的FAPs通常表現(xiàn)出更強(qiáng)的成纖維傾向，在受到損傷刺激的肌肉中高表達(dá)Vcam1的FAPs 數(shù)目增多，且肌營養(yǎng)不良肌肉組織的中可以檢測到大量高表達(dá)Vcam1 的FAPs 的存在[40]。由此可以推測，牙頜面肌肉異常增強(qiáng)的成纖維能力，與牙頜面肌肉FAPs 存在Hic1、Vcam1 等基因的異常表達(dá)有關(guān)。

3.3.2 牙頜面肌肉再生能力低下可能與FAPs 對衛(wèi)星細(xì)胞的支持作用減弱有關(guān) 在各類骨骼肌間質(zhì)細(xì)胞中，F(xiàn)APs 與衛(wèi)星細(xì)胞的關(guān)系最為密切：二者的細(xì)胞數(shù)目均在損傷后第3天達(dá)到峰值，在第7天回落[37]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)APs 可通過分泌白細(xì)胞介素（interleukin，IL）?6，F(xiàn)ollistatin，WISP1 等多種生長因子和基質(zhì)蛋白，影響衛(wèi)星細(xì)胞的增殖分化水平[41]。IL?6 是骨骼肌產(chǎn)生的一種細(xì)胞因子，它可以促進(jìn)衛(wèi)星細(xì)胞增殖和遷徙，敲除IL?6 的小鼠骨骼肌再生受限，衛(wèi)星細(xì)胞不能有效更新受損的肌細(xì)胞核[42]。Follistatin 則作用于衛(wèi)星細(xì)胞的分化過程，促進(jìn)肌細(xì)胞融合形成多核肌管，敲減Follistatin 的骨骼肌再生中的骨骼肌不能形成成熟的肌纖維[43]。FAPs還高表達(dá)基質(zhì)細(xì)胞蛋白WISP1，WISP1 作用于衛(wèi)星細(xì)胞促進(jìn)其擴(kuò)增并誘導(dǎo)其進(jìn)行肌源向分化，敲除WISP1 后的小鼠衛(wèi)星細(xì)胞呈現(xiàn)出增齡性改變，衛(wèi)星細(xì)胞增殖分化能力降低并且出現(xiàn)肌肉萎縮[44]。衛(wèi)星細(xì)胞的增殖、分化和遷徙等多種細(xì)胞學(xué)行為均受到到FAPs 的調(diào)控，由此可見，F(xiàn)APs 是衛(wèi)星細(xì)胞的重要支持細(xì)胞，牙頜面肌肉再生低下的原因，可能與FAPs 誘導(dǎo)衛(wèi)星細(xì)胞增殖分化的作用減弱有關(guān)。

4 總結(jié)與展望

牙頜面肌肉是骨骼肌進(jìn)化的新形態(tài)，它承擔(dān)咀嚼、呼吸、吞咽、表情形成等重要的頜面部運(yùn)動(dòng)功能，也是牙頜面發(fā)育畸形經(jīng)常波及的組織之一。胚胎發(fā)育來源的不同賦予牙頜面肌肉諸多不同于四肢肌肉的特征，其中肌肉再生能力低下和過度纖維化是牙頜面肌肉再生的顯著特點(diǎn)，而其機(jī)制尚不明確。FAPs 因具有誘導(dǎo)成肌和主導(dǎo)成纖維的雙重作用而在骨骼肌再生中具有獨(dú)特的重要地位，它可能是調(diào)控牙頜面肌肉再生成肌?成纖維平衡的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過干預(yù)FAPs 同時(shí)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)成肌和減少纖維化的作用或可成為頗具前景的研究方向。明確牙頜面肌肉的再生機(jī)制，揭示促進(jìn)牙頜面肌肉再生的干預(yù)靶點(diǎn)，可為臨床探索牙頜面肌肉再生的方法提供方向和指導(dǎo)，為開辟牙頜面發(fā)育畸形新的整復(fù)思路提供參考。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。