牙骨質(zhì)細(xì)胞的研究進(jìn)展

謝雨菲 趙寧 綜述 沈剛 審校

牙骨質(zhì)是覆蓋在牙根表面的薄層礦化組織，也是維持牙和牙周組織聯(lián)系的重要結(jié)構(gòu)。根據(jù)細(xì)胞分布和纖維來(lái)源，牙骨質(zhì)可被分為4種類(lèi)型:無(wú)細(xì)胞無(wú)纖維牙骨質(zhì)、無(wú)細(xì)胞外源性纖維牙骨質(zhì)、有細(xì)胞內(nèi)源性纖維牙骨質(zhì)及有細(xì)胞混合纖維牙骨質(zhì)。牙骨質(zhì)在解剖學(xué)上屬于牙體組織，而在功能上則與牙周組織密切相關(guān)［1］，它對(duì)牙齒起保護(hù)和支持作用，使其固位于牙槽窩內(nèi)，承擔(dān)咀嚼力量。同時(shí)，由于牙骨質(zhì)終生不斷沉積，對(duì)牙齒的生理性移動(dòng)和部分病理性變化起到了補(bǔ)償作用［2－4］。牙骨質(zhì)不含血管，生理情況下的牙骨質(zhì)代謝非常緩慢。部分病理情況如根尖炎癥或創(chuàng)傷等可導(dǎo)致根尖牙骨質(zhì)發(fā)生吸收。

牙骨質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)與骨組織相似，由細(xì)胞和礦化的細(xì)胞間質(zhì)組成，而牙骨質(zhì)細(xì)胞與骨細(xì)胞也有諸多共同點(diǎn)。骨細(xì)胞在骨組織所有細(xì)胞中占95%以上，在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間學(xué)者們一直認(rèn)為其是一種無(wú)功能的“靜止細(xì)胞”，但近期骨生物學(xué)的研究表明，骨細(xì)胞除了保持骨組織的基本形態(tài)以外，還具有感知、轉(zhuǎn)導(dǎo)力學(xué)信號(hào)，修飾其細(xì)胞周?chē)h(huán)境及調(diào)節(jié)骨代謝等功能［5－6］。近年來(lái)，牙骨質(zhì)細(xì)胞在全身及局部代謝中所扮演的角色也開(kāi)始得到越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注。牙骨質(zhì)細(xì)胞是否也同骨細(xì)胞一樣可以感知外周環(huán)境變化及內(nèi)分泌信號(hào)，甚至對(duì)牙骨質(zhì)代謝具有調(diào)節(jié)作用呢?本文試將牙骨質(zhì)細(xì)胞與骨細(xì)胞進(jìn)行比較，并結(jié)合文獻(xiàn)對(duì)現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外有關(guān)牙骨質(zhì)細(xì)胞及其功能的研究進(jìn)展作一綜述。

1 牙骨質(zhì)細(xì)胞的來(lái)源與形態(tài)結(jié)構(gòu)

骨細(xì)胞起源于成骨細(xì)胞。終末分化的成骨細(xì)胞被新礦化的骨基質(zhì)包埋后，其合成活動(dòng)停止，細(xì)胞形態(tài)發(fā)生改變，突起增多，最終成為骨細(xì)胞。

對(duì)于成牙骨質(zhì)細(xì)胞的起源目前還存在一定爭(zhēng)議。經(jīng)典的理論認(rèn)為成牙骨質(zhì)細(xì)胞是由牙囊外胚間葉細(xì)胞分化而成。近年來(lái)的研究表明，在牙的發(fā)育過(guò)程中，赫特維希上皮根鞘細(xì)胞發(fā)生由上皮細(xì)胞向間充質(zhì)細(xì)胞的轉(zhuǎn)變，可分化成為成牙骨質(zhì)細(xì)胞［7－8］。成牙骨質(zhì)細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)與成骨細(xì)胞有很高的相似度，體積較大，多呈立方形，細(xì)胞核深染，胞質(zhì)富含粗糙內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基復(fù)合體，表明其基因轉(zhuǎn)錄及蛋白質(zhì)合成活動(dòng)十分活躍［9－11］。在敲除一些關(guān)鍵性成骨調(diào)節(jié)因子如 Runx2、Osterix后，骨及細(xì)胞牙骨質(zhì)生成活動(dòng)的改變有很多共同點(diǎn)［12－13］。但是，也有一些體內(nèi)和體外研究表明，成骨細(xì)胞及成牙骨質(zhì)細(xì)胞也存在諸多差異。

在細(xì)胞牙骨質(zhì)生成的過(guò)程中，成牙骨質(zhì)細(xì)胞以相對(duì)快速的多極方式分泌基質(zhì)生成類(lèi)牙骨質(zhì)，而細(xì)胞本身則被埋入其中成為牙骨質(zhì)前體細(xì)胞［10－11］。被包埋的牙骨質(zhì)前體細(xì)胞在初期尚具有分泌功能，此后形態(tài)逐漸發(fā)生改變，細(xì)胞器減少，翼狀細(xì)胞突變得細(xì)長(zhǎng)并開(kāi)始發(fā)出細(xì)小分枝，分泌活動(dòng)也減弱［13－14］。成熟的牙骨質(zhì)細(xì)胞形態(tài)類(lèi)似于骨細(xì)胞，細(xì)小的胞質(zhì)突起可相互吻合。電鏡下觀察牙骨質(zhì)細(xì)胞，細(xì)胞器排列稀疏，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)擴(kuò)張，線(xiàn)粒體稀少。隨著基質(zhì)的不斷沉積與包埋，位于深處的牙骨質(zhì)細(xì)胞逐漸縮小，核皺縮，細(xì)胞器進(jìn)一步減少，空泡溶酶體增多，細(xì)胞內(nèi)吞活動(dòng)減少，甚至發(fā)生變性或消失，深層細(xì)胞牙骨質(zhì)中可有空陷窩出現(xiàn)［9，16－18］。

2 牙骨質(zhì)細(xì)胞陷窩小管系統(tǒng)

包埋骨細(xì)胞體與細(xì)胞突起的陷窩小管相互通聯(lián)形成星網(wǎng)狀陷窩小管系統(tǒng)，它是代謝產(chǎn)物交流及互換的通道。骨細(xì)胞通過(guò)突起之間的縫隙連接將多個(gè)細(xì)胞連接在一起，形成一個(gè)多核的合胞體，使細(xì)胞信號(hào)可以在多個(gè)細(xì)胞間傳遞。骨細(xì)胞間除了通過(guò)縫隙連接相互聯(lián)系外，細(xì)胞與陷窩小管之間的環(huán)形間隙內(nèi)所充填的流體、蛋白多糖等也是細(xì)胞間相互聯(lián)絡(luò)的一個(gè)重要方面［6，10］。這種結(jié)構(gòu)使應(yīng)力作用下深層骨細(xì)胞與血管及骨表面的成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞等的物質(zhì)交換與信息傳遞成為可能。因此，骨細(xì)胞是一種細(xì)胞動(dòng)力學(xué)群體，當(dāng)外界環(huán)境穩(wěn)定性發(fā)生改變時(shí)，可以對(duì)不同刺激作出反應(yīng)。

成熟的牙骨質(zhì)細(xì)胞位于牙骨質(zhì)陷窩內(nèi)并且具備陷窩小管系統(tǒng)［3，13，19－20］。和骨細(xì)胞一樣，牙骨質(zhì)細(xì)胞在被不斷生成的基質(zhì)包埋的同時(shí)也能夠與外界進(jìn)行物質(zhì)交換和信息傳遞。但是，有研究表明，牙骨質(zhì)細(xì)胞和骨細(xì)胞的胞質(zhì)突起及陷窩小管結(jié)構(gòu)是存在差別的。骨細(xì)胞的胞質(zhì)突起數(shù)量從40～100個(gè)不等，牙骨質(zhì)細(xì)胞突起則只有8～20個(gè)［6，21］。骨細(xì)胞陷窩多呈規(guī)則的橢圓形，牙骨質(zhì)細(xì)胞陷窩較之更大，形態(tài)相對(duì)不規(guī)則，陷窩壁厚，位于深層的細(xì)胞牙骨質(zhì)可見(jiàn)空陷窩［18］。部分細(xì)胞牙骨質(zhì)陷窩內(nèi)可含不止一個(gè)細(xì)胞［9，19］，而這在骨細(xì)胞系統(tǒng)中幾乎不可見(jiàn)。與骨細(xì)胞相比，牙骨質(zhì)細(xì)胞小管網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)較為疏松，排列欠有序［20，22］。鄰近的牙骨質(zhì)細(xì)胞間突起存在縫隙連接［14］，具體分子結(jié)構(gòu)是否與骨細(xì)胞類(lèi)似目前尚不明確。有學(xué)者通過(guò)在小鼠體內(nèi)注射示蹤劑證實(shí)了牙骨質(zhì)陷窩小管系統(tǒng)功能性通道的存在。值得注意的是，示蹤劑在骨陷窩內(nèi)是均質(zhì)分布的，而在牙骨質(zhì)細(xì)胞周?chē)鷦t分布不均勻，包埋在深層的牙骨質(zhì)細(xì)胞陷窩內(nèi)染色更深。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果一方面證實(shí)了深層牙骨質(zhì)細(xì)胞間通訊的存在，但同時(shí)也表明牙骨質(zhì)的陷窩小管系統(tǒng)內(nèi)組織液的循環(huán)流動(dòng)可能不如骨細(xì)胞通暢［23］。在小鼠離體牙牙骨質(zhì)細(xì)胞的異硫氰酸熒光素染色也證實(shí)了這些發(fā)現(xiàn)［18］。

骨組織內(nèi)含豐富的血管，骨細(xì)胞在骨組織活躍的改建活動(dòng)中起到了十分重要的作用。然而，牙骨質(zhì)是不含血管的組織，終生不斷沉積而成，幾乎不存在生理性的改建。牙骨質(zhì)和骨組織在結(jié)構(gòu)和功能上的差異在一定程度也導(dǎo)致了牙骨質(zhì)細(xì)胞彼此間的通訊與交流不如骨細(xì)胞活躍。

3 牙骨質(zhì)細(xì)胞相關(guān)標(biāo)志物

骨細(xì)胞生成的過(guò)程需要經(jīng)歷類(lèi)骨質(zhì)細(xì)胞的形成、類(lèi)骨質(zhì)骨細(xì)胞礦化及骨細(xì)胞的成熟三個(gè)階段，每一個(gè)階段都有相應(yīng)的高表達(dá)基因［5－6］。類(lèi)骨質(zhì)骨細(xì)胞表達(dá)E11，主要在樹(shù)突延伸過(guò)程中起重要作用。膜型基質(zhì)金屬蛋白酶1(Membrane type-1matrix metalloproteinase，MT1-MMP，MT1-MMP)參與細(xì)胞外基質(zhì)降解與改建，對(duì)骨餡窩小管系統(tǒng)的發(fā)育至關(guān)重要。此外，在類(lèi)骨質(zhì)骨細(xì)胞的形成階段X連鎖磷酸鹽調(diào)節(jié)基因(Phex)及細(xì)胞外基質(zhì)磷酸化糖蛋白(matrix extracellular phosphoglycoprotein，MEPE)的表達(dá)也會(huì)增加，而礦化骨細(xì)胞會(huì)增加牙本質(zhì)基質(zhì)蛋白(dentin matrix protein 1，DMP1)的表達(dá)。成熟骨細(xì)胞的標(biāo)志物主要是WNT信號(hào)通路調(diào)節(jié)因子骨硬化蛋白。長(zhǎng)久以來(lái)，這些骨細(xì)胞相關(guān)標(biāo)志物在牙骨質(zhì)細(xì)胞中的表達(dá)水平和作用機(jī)制一直不太明確。Zhao等［19］建立了牙骨質(zhì)細(xì)胞系 IDGCM6并對(duì)其進(jìn)行了一系列研究，結(jié)果表明，牙骨質(zhì)表達(dá)基因與骨細(xì)胞系IDG-SW3類(lèi)似，包括Dmp1/DMP1，Phex，E11/gp38，MT1-MMP和 Sost/Sclerostin等。

DMP1因最初發(fā)現(xiàn)于大鼠牙本質(zhì)中而得名。多項(xiàng)研究表明，DMP1在骨組織中的表達(dá)水平遠(yuǎn)高于牙本質(zhì)。DMP1參與骨的礦化過(guò)程，對(duì)骨骼的正常形成起著重要的調(diào)控作用。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)，牙骨質(zhì)細(xì)胞也表達(dá) DMP1［14，17］。DMP1 基因缺陷的小鼠患有佝僂病，細(xì)胞牙骨質(zhì)生成減少并出現(xiàn)礦化不全，牙骨質(zhì)形態(tài)發(fā)生缺陷，骨陷窩小管系統(tǒng)異常［24］。

Phex蛋白在骨和牙的發(fā)育過(guò)程中都起著十分重要的作用。Phex基因發(fā)生突變可導(dǎo)致遺傳性X連鎖低磷性佝僂病低磷酸鹽血癥的發(fā)生。已有研究證實(shí)在X連鎖低磷性佝僂病的動(dòng)物模型之一Hyp鼠同樣會(huì)出現(xiàn)細(xì)胞牙骨質(zhì)異常［25］。

E11是早期骨細(xì)胞表達(dá)的標(biāo)志蛋白，與樹(shù)突的形成有關(guān)［26］。研究表明E11蛋白存在于鼠牙骨質(zhì)細(xì)胞中［27］。在小鼠體內(nèi)，只有類(lèi)牙骨質(zhì)樹(shù)突中出現(xiàn)特異性的E11蛋白表達(dá)。IDG-CM6牙骨質(zhì)細(xì)胞系在早期即出現(xiàn)E11的高表達(dá)。

MT1-MMP作為早期骨細(xì)胞的標(biāo)志物之一，如發(fā)生突變會(huì)導(dǎo)致骨細(xì)胞樹(shù)突數(shù)目減少甚至缺如［28］。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，條件性敲除MT1-MMP的小鼠出現(xiàn)細(xì)胞牙骨質(zhì)形態(tài)和分布不正常［29］。

成熟的骨細(xì)胞表達(dá)骨硬化蛋白，通過(guò)對(duì)成骨細(xì)胞的WNT信號(hào)的抑制作用負(fù)向調(diào)節(jié)骨生成。骨硬化蛋白由SOST基因編碼，體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)皆證實(shí)牙骨質(zhì)細(xì)胞表達(dá)SOST［30－32］，敲除小鼠SOST 基因?qū)е录?xì)胞牙骨質(zhì)沉積增多，牙槽骨骨量增加，骨皮質(zhì)厚度和骨密度也有增高［27，33］。

4 牙骨質(zhì)細(xì)胞的功能

骨組織具有活躍的改建能力，大量研究顯示骨細(xì)胞是骨組織改造塑形過(guò)程的主要調(diào)節(jié)者。骨組織作為應(yīng)力感受細(xì)胞，可將機(jī)械應(yīng)力轉(zhuǎn)化為生物學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞活性的因子。這些因子可能通過(guò)縫隙連接介導(dǎo)的細(xì)胞間通信系統(tǒng)和骨陷窩小管液的流體動(dòng)力變化來(lái)調(diào)節(jié)成骨及破骨細(xì)胞活動(dòng)，從而指揮骨改建。

核因子NF-κB受體活化因子配體(receptor activator ofnuclear factor kappaB ligand，RANKL)和骨保護(hù)素(Osteoprotegerin，OPG)是十分重要的骨吸收相關(guān)調(diào)節(jié)因子。RANKL能刺激破骨細(xì)胞的分化、活化，抑制破骨細(xì)胞凋亡，OPG則通過(guò)阻斷RANKL的功能，抑制破骨細(xì)胞的分化和活化，誘導(dǎo)破骨細(xì)胞凋亡。OPG與RANKL的比值是決定破骨細(xì)胞的成熟及功能狀態(tài)的關(guān)鍵，與骨的改建密切相關(guān)［5，34－36］。牙骨質(zhì)缺乏與骨組織類(lèi)似的改建及重塑的能力，但在正畸牙移動(dòng)的過(guò)程及一些病理狀態(tài)下，牙骨質(zhì)較牙槽骨具有更強(qiáng)的抗吸收能力，對(duì)牙骨質(zhì)這種抗吸收能力的具體機(jī)制目前尚沒(méi)有較為深入的研究。與牙槽骨及長(zhǎng)骨骨細(xì)胞相比，細(xì)胞性牙骨質(zhì)高表達(dá)OPG基因，而RANKL表達(dá)相對(duì)較低，OPG/RANKL比值較高。Zhao等［19］的研究表明，牙骨質(zhì)細(xì)胞系IDG-CW6的OPG/RANKL比值比骨細(xì)胞系IDG-SW3高，且應(yīng)用流體剪切力對(duì)細(xì)胞進(jìn)行加載后，IDG-CM6的OPG/RANKL比值進(jìn)一步上升升高，表明無(wú)論自然狀態(tài)或是應(yīng)力作用下，牙骨質(zhì)對(duì)破骨細(xì)胞的分化和活化都有更強(qiáng)的抑制潛能。

骨細(xì)胞對(duì)骨生成活動(dòng)的調(diào)節(jié)主要是通過(guò)分泌骨硬化蛋白實(shí)現(xiàn)的。骨硬化蛋白是一種分泌型糖蛋白，由SOST基因編碼。在應(yīng)力刺激下通過(guò)突觸傳遞至骨表面，作用于成骨細(xì)胞，降低成骨速度。骨硬化蛋白表達(dá)的變化是一種骨骼對(duì)機(jī)械刺激的適應(yīng)性反應(yīng)。人和小鼠的牙骨質(zhì)細(xì)胞均有骨硬化蛋白及SOST基因的表達(dá)［30－32］。SOST基因敲除的小鼠出現(xiàn)細(xì)胞牙骨質(zhì)的沉積增多，牙槽骨骨量增加，骨皮質(zhì)厚度和骨密度也相應(yīng)增高［27，32］。由于SOST基因缺陷而罹患骨硬化癥或范布凱綜合征的患者均表現(xiàn)出牙骨質(zhì)增多的表型，牙周膜間隙變窄［31］。對(duì)牙骨質(zhì)細(xì)胞系加載流體剪切力后SOST mRNA表達(dá)減少［19］。牙根生理性吸收的現(xiàn)象伴隨著牙骨質(zhì)的生理性再生修復(fù)。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，在牙骨質(zhì)的修復(fù)過(guò)程中，部分無(wú)細(xì)胞牙骨質(zhì)處吸收陷窩外會(huì)生成一層薄的細(xì)胞牙骨質(zhì)［6］。SOST只在細(xì)胞牙骨質(zhì)中表達(dá)，以往的研究表明，牙骨質(zhì)細(xì)胞中骨硬化蛋白及SOST基因均表現(xiàn)為較高水平的表達(dá)。同時(shí)，在牙骨質(zhì)細(xì)胞系IDG-CM6中，其表達(dá)還出現(xiàn)一定的時(shí)相性，故SOST可能與牙骨質(zhì)的修復(fù)存在一定關(guān)聯(lián)［18］。

牙骨質(zhì)細(xì)胞表達(dá)與礦物質(zhì)平衡功能密切相關(guān)的基因如Dmp1，Phex等，但表達(dá)量與骨細(xì)胞相比很低。早期曾有學(xué)者提出牙骨質(zhì)細(xì)胞參與類(lèi)牙骨質(zhì)基質(zhì)的繼發(fā)性礦化，而對(duì)IDG-CM6細(xì)胞系的研究也表明牙骨質(zhì)細(xì)胞具備促進(jìn)礦化作用［19］。

5 小結(jié)

綜上所述，牙骨質(zhì)與骨組織有諸多共同的特征，而牙骨質(zhì)細(xì)胞與骨細(xì)胞在組織形態(tài)學(xué)和分子生物學(xué)表達(dá)方面也有一定的相似性，但又存在諸多差異。和骨細(xì)胞一樣，牙骨質(zhì)細(xì)胞具備陷窩小管系統(tǒng)，能在彼此之間或與外界進(jìn)行物質(zhì)交換和信息傳遞，骨細(xì)胞分泌的多種調(diào)控因子在牙骨質(zhì)細(xì)胞中也有表達(dá)，但對(duì)于牙骨質(zhì)細(xì)胞在牙骨質(zhì)的發(fā)生發(fā)育及發(fā)揮功能的過(guò)程究竟起到何種作用，以及作用機(jī)制等問(wèn)題目前尚不明確，有待未來(lái)進(jìn)一步的深入研究。截至目前，關(guān)于牙骨質(zhì)細(xì)胞臨床應(yīng)用價(jià)值的研究文獻(xiàn)極為鮮見(jiàn)。但仍有研究表明牙骨質(zhì)細(xì)胞作為牙骨質(zhì)的功能性細(xì)胞，在壓根吸收、牙周病牙骨質(zhì)的再生，以及正畸治療過(guò)程中相關(guān)炎性牙根吸收的修復(fù)中發(fā)揮的重要作用［37］。隨著對(duì)牙骨質(zhì)細(xì)胞研究的深入，將更利于包括正畸、牙周疾病的治療及口腔相關(guān)學(xué)科的臨床工作的開(kāi)展。

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