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近年来，器官工程学与组织工程学的发展将使在常规医学技术下无法进行的人体遗传缺陷组织的修复和器官再生等医学实践成为现实。干细胞是一种具有无限或很强的自我更新能力，有多种发育潜能，存在于胚胎、成体器官或组织中的未分化或分化程度很低的细胞。在器官工程学与组织工程学中主要是利用干细胞进行组织修复和器官再生的研究。
1 牙齿再生的相关背景知识
就器官的组织结构和发育分化过程而言，牙齿是相对比较简单的一种器官。而且，与其他器官比较，牙齿的发育有着与众不同的特点。人的一生有两次牙齿发育过程，从胚胎期间到3岁之间形成乳牙，从6岁开始，乳牙逐步脱落，被恒牙取代。因此，牙齿是人体唯一的能在成体中再次发育的器官。从器官发育的角度出发，成体中牙齿的再生要比其他器官的再生更为容易，更有可能实现。美国国立卫生研究院（世界上最权威的生物医学的研究和资助机构）的官员根据现有的研究基础和发展趋势预测，人类第一个可能成功再生并进入商业化应用的器官将是牙齿。
牙齿的发育过程是依赖于预定牙齿发生部位的上皮组织与其下方的间充质之间的相互诱导而发生的。在预定牙齿发生部位的上皮组织与其下方的间充质之间的相互诱导过程中，各有关信号因子在这两种组织中传递，激发相关基因的表达，导致发育分化和形态发生。在哺乳动物中，以小白鼠为动物模型，对牙齿发育的分子生物学机制已经进行了大量的基础性研究工作。这些资料是进行牙齿再生的工作基础。
2 干细胞的相关背景知识
在各种干细胞的研究与应用中，胚胎干细胞最引人注目。由于胚胎干细胞诱导分化为心肌细胞和神经干细胞的成功，使得干细胞应用于临床的研究取得了突破性进展。胚胎干细胞主要有以下几个特点:（1）发育全能性;（2）种系传递能力;（3）易于进行基因改造操作。由于胚胎干细胞所具有的这些生物学特性，使其成为发育生物学中研究细胞分化、组织形成过程的基本体系，并成为临床细胞替代治疗和移植的新的细胞来源 ［1］。
目前，成体干细胞成为干细胞工程的另一主要研究对象。成体干细胞同样具有多向分化能力，具有高度的可塑性，不仅能分化为来源组织的细胞，而且还能转向分化为不同胚层起源的细胞。成体干细胞的可塑性使得其象胚胎干细胞一样，有可能在再生医学等应用领域发挥重要的作用。
3 干细胞技术在牙齿再生中的研究应用
由于龋病、牙周炎、外伤等原因造成的牙的缺失与损坏是常见的口腔疾病，目前治疗措施有充填材料、烤瓷牙、种植牙，但这并不是理想的治疗方法，学者们正在探索利用干细胞来修复和重建牙体组织的可能 ［2］。
（1）牙髓干细胞在牙齿再生中的应用 牙髓中含有少量未分化的外胚间充质细胞，在正常情况下保持不分裂的静息状态，在牙体受损或外界因素作用下，未分化的外胚间充质细胞会分化为成牙本质细胞样细胞，并分泌形成修复性牙本质。这些未分化的外胚间充质细胞实质上就是牙髓干细胞。牙髓干细胞是牙髓组织中处于较早发育阶段的细胞群体，通过对称和不对称两种分裂方式进行自我复制，产生牙髓组织中不同发育阶段和不同分化方向的细胞，最终生成具有一定细胞数目和多种细胞类型的牙髓组织。
1999年，Lyaruu ［3］ 等分离出含有残余上皮的牙髓，种植在口腔粘膜下，同样发现有牙齿样结构形成。2000年，Conˉble ［4］ 等体外培养牙髓细胞，促进分化成成牙本质细胞成功。证实了牙髓中存在能够分化成成牙本质细胞的干细胞-DPSCs。Gronthos ［5］ 等把经过体外扩增的人DPSCs与HA/TCP载体混合，移植在免疫耐受小鼠背侧皮肤下，6周后观察发现移植处有牙本质/牙髓结构，并通过偏振光发现胶原基质沉积在成牙本质细胞层样的垂直方向上。这些实验初步展示了DPSCs重建牙齿的能力及其应用前景。这也说明牙齿再生在理论上是可能的。从脱落的乳牙残留的牙髓中得到的乳牙牙髓干细胞（SHED） ［6］ ，较DPSCs具有更多的分化潜能，将其植入裸鼠体内后发现SHED可以产生牙本质。2002年，CS Young ［7］ 等把6个月大小猪的牙胚细胞接种在由可生物降解聚合物制成的”支架”上，并植入鼠肠内让其生长。约6个月后发现鼠肠内出现了可以辨认的包括牙本质、牙釉质、牙髓腔的原始猪牙结构。这是首次利用动物牙胚细胞培育出既包含牙本质又包含牙釉质的复杂齿冠。更重要的是，这一研究表明，牙齿中可能有干细胞存在。研究人员认为，如果能够识别、分离并繁殖牙髓干细胞，那么将来也许可以做到通过提取患者自身的牙髓干细胞，让其生长成所需的牙齿结构，来替代患者由于疾病等原因而缺损的牙齿。这有可能给牙科学带来革命性的影响。
（2）骨髓间充质干细胞在牙齿再生中的应用 骨髓间充质干细胞能够分化成多种类型间充质起源的细胞，PR Kramer ［8］ 等将骨髓间充质干细胞与牙周韧带细胞共培养，然后用免疫组化和原位杂交等方法检测共培养后的骨髓间充质干细胞和牙周韧带细胞，发现共培养的骨髓间充质干细胞骨钙蛋白和骨桥蛋白的表达量明显增加，而骨涎蛋白的表达量明显降低，这正是牙周韧带细胞的特性，也就是说共培养的骨髓间充质干细胞获得了牙周韧带细胞的特性。最为重要的是，对这个实验的分析表明利用骨髓间充质干细胞修复和再造牙周组织在临床上的可行性。
另外，PT Sharpe ［9］ 等用6～9周野生型CD-1鼠的骨髓细胞与10天的鼠胚下颌原基上皮重组，得到了牙齿的结构。值得注意的是，这个实验使用的骨髓细胞是一个混合群体，它是由纤维原细胞、造骨细胞、脂肪祖细胞和骨髓间充质干细胞组成，骨髓间充质干细胞的含量达到0.01%。这种不纯的成体细胞群具有形成骨和牙齿的能力，这对组织工程和人类来说都是非常重要的，因为这意味着纯的干细胞群也许是没有必要的，这些方法的进一步发展可能有重要的应用价值。在这个实验中，还尝试使用了胚胎干细胞和神经干细胞分别与10天鼠胚下颌原基上皮重组，结果发现没有完整牙齿的形成，但是进一步的检测发现有Dspp的表达，这就表明虽然没有完整牙齿的形成，但细胞的分化已经发生。胚胎口腔上皮是一种由双层细胞构成的简单的外胚层上皮，可以设想，它完全可以用另一来源的上皮细胞来代替，如果这种上皮是工程化的，能够表达合适的信号去起始牙的形成，这样的话，完整的牙原基就可以完全从体外培养的细胞得到。组织工程牙原基无疑是牙齿再生中重要的元件。包柳郁、金岩等 ［10］ 成功的建立人牙源性上皮细胞的体外培养体系，为牙齿组织工程研究提供了可靠的种子细胞来源，这将为牙齿的再生与应用研究带来新的曙光。由来自体外培养的非牙源性的细胞构成的原基具有形成牙齿的可能性，这在组织工程牙齿替代中是重要的一步。然而，在PT Sharpe的实验中面临的另一个问题是当把这个胚胎性的器官原基移植到成年鼠该器官正常的生长部位后能否正常发育并形成完整的器官呢?P.T.Sharpe等将14. 5天鼠胚的磨牙原基移植到成年鼠上颌牙齿间隙裂的软组织中，26天后发现在移植部位有清晰的牙结构的形成，与第一磨牙大小相似且具有牙本质和牙釉质。这就表明胚胎性的牙原基在它的成体环境中仍能发育为完整的牙齿，这在医学上具有重要的意义。利用体外培养的来自成体的非牙源性的细胞去替代牙原基中的胚胎性的牙间充质细胞和胚胎性的牙原基能够在成体口中发育成完整的牙齿以及找到合适的替代胚胎口上皮的细胞来源等问题的解决，为我们将来能够用来自自身的成体非牙源性细胞制造的牙原基移植到缺损牙齿的部位以长出新牙提供了现实的可能性。另外，人的智齿以及乳牙中分离出的牙髓干细胞提出了用病人自己的牙源性细胞去制造牙原基的可能性。
在人类，随着年龄的增长，几乎所有的人都有不同程度的牙齿的缺失和缺陷。因此，人类牙齿的再生是一项极具应用前景、市场价值和社会效益的研究工作。由于牙齿易于操作且并不是至关重要的器官，因此对于验证组织工程器官替代的实用性及可行性来说，它无疑是一种极具吸引力的器官。利用干细胞进行牙齿再生有着现实的可行性，很多实验室也都在进行相关研究，随着研究的进一步深入，相信不久的将来，这个设想就可以变为现实。
参考文献
1 裴雪涛.干细胞生物学，北京:科学出版社.2003，66.
2 卿海，廖顺尧，程惊秋，等.干细胞技术及其在口腔医学中的研究及应用前景.生物医学工程学杂志，2002，19（4）:684-687.
3 Lyaruu DM，van Croonenburg EJ，van Duin MA，et al.Development of transplanted pulp tissue containing epithelial sheath into a tooth-like structure.Oral Pathol Med，1999，28（7）:293.
4 Couble ML，Farges JC，B1eicher F，et al.Odontoblast differentiation of human dental pulp cells in explant cultures.Calcif tissue Int，2000，66（2）:129-138.
5 S Gronthos，MMankani，J Brahim，et al.Postnatal human dental pulp stem cells（DPSCs）in vitro and in vivo.PNAS，2000，97（25）:13625-13630.
6 Masako Miura，Stan Gronthos，Mingrui Zhao，et al.SHED:Stem cells from human exfoliated deciduous teeth.PNAS，2003，100（10）:5807-5812.
7 CS Young，S Terada，JP Vacanti，et al.Tissue Engineering of Comˉplex Tooth Structures on Biodegradable Polymer Scaffolds.J Dent Res，2002，81（10）:695-700.
8 PR Kramer，S Nares，SF Kramer，et al.Mesenchymal Stem Cells Acˉquire Characteristics of Cells in the Periodontal Ligament in vitro.J Dent Res，2004，83（1）:27-34.
9 A Ohazama，SACModino，IMiletich，et al.Stem-cell-based Tissue Engineering of Murine Teeth.J Dent Res，2004，83（7）:518-522.
10 包柳郁，金岩，牛忠英，等.人牙源性上皮细胞的体外培养研究.临床口腔医学杂志，2003，19（11）:643-645.
作者单位:350007福建师范大学生物工程学院发育生物学研究室