Перспективы создания зуба методами тканевой инженерии

.....

гттт

Kg

Мини-обзоры

Перспективы создания зуба методами тканевой инженерии

Волков А.В.

Ткани зуба у взрослых практически не способны к самостоятельной регенерации, и дефект эмали, возникающий в результате действия повреждающих факторов, постепенно приводит к потере зуба. Без сомнения, современные технологии протезирования позволяют произвести реконструкцию даже при полном отсутствии зубов. Однако прогресс современной органотипической регенеративной медицины подвигает исследователей к поиску технологий замещения зубов естественными трансплантатами.

Для формирования полноценной структуры зуба в эмбриогенезе необходимы клетки (энамелобласты, одонтоб-ласты), образование которых возможно только при взаимодействии клеток эктодермальной и мезенхимальной природы [2, 4]. Ткани зуба закладываются на 6-7-й неделе внутриутробного развития. Закладка их начинается с погружения эпителия ротовой полости в подлежащую мезенхиму. На эпителиальной зубной пластинке появляются мелкие выпячивания, называемые зубными зачатками, из которых будет развиваться молочный зуб. Эта структура образует эмалевый орган, а нижележащая мезенхима, заполняющая полость чаши, называется зубным сосочком.

Дифференцировка зубных зачатков начинается с 3-го месяца внутриутробного развития, а к началу 5-го эмалевый орган утрачивает непосредственную связь с эпителием ротовой полости, хотя остатки зубной пластинки могут длительно сохраняться (иногда из них развиваются кисты). Незадолго до этого клетки зубной пластинки формируют второй эпителиальный зачаток, из которого будет развиваться постоянный зуб (рис. 1) [1, 3].

Возможность существования малодифференцирован-ных клеток пульпы впервые предположил Н. Taatz в 1965 году [6]. Он обнаружил в пульпе зуба активные фибробла-

стоподобные клетки, способные к культивированию in vitro. Уже в 1969 году в пульпе была обнаружена зона с активной клеточной пролиферацией [7]. Эта область получила название зоны Уейла [zone of Weil]. В ней были выявлены одонтобласты - клетки, активно синтезирующие внеклеточный матрикс с высоким уровнем щелочной фосфатазы в цитоплазме [7]. Эти клетки, расположенные в виде трехмерной сети, также активно экспрессировали виментин [8]. В дальнейшем было показано активное участие клеток пульпы этой области в регенерации зуба при кариозном процессе - вторичный (или репаративный) дентиногенез в самообновлении ткани зуба [9].

Основными клетками, поддерживающими вторичный дентиногенез, являются одонтобласты, которые, в свою очередь, происходят от проодонтобластов. Последние же возникают при взаимодействии мезенхимальных стволовых клеток (МСК) пульпы с прогениторными клетками ротового эпителия, активно экспрессирующего цитокератин 14 (CK-14). ДНК microarray-анализ МСК пульпы показал почти полное отсутствие различий между этими клетками и стромальными клетками костного мозга [10]. Популяция пульпарных МСК неоднородна. In vivo и in vitro только 2/3 из них способны к эктопическому образованию пульпы, а 1/3 имеют потенцию к дифференцировке в другие клетки мезенхимальных тканей и даже в нейральные клетки [11].

В настоящее время технологии создания артифициаль-ного зуба (дентогенез) методами тканевой инженерии развиваются двумя основными путями. Первый путь - так называемый прямой дентогенез. От плода получают закладки зуба (зубная пластинка, эмалевый орган, зубной сосочек). Клеточная масса, состоящая из энамелобластов, одонтоб-ластов и малодифференцированных эпителиальных и ме-зенхимальных клеток, суспензируется и совместно культивируется. В качестве матрицы используют

Рис. 1. Закладка зуба человека на стадии эмалевого органа. Окраска гематоксилин и эозин. 1 - могослойный эпителий ротовой полости; 2 - зубная пластинка; 3 - эмалевый орган; 4 - внутренний эмалевый эпителий; 5 - наружный эмалевый эпителий; 6 - мезенхимальный зубной. Окраска: гематоксилин и эозин. Из Sobotta J. Atlas und Grundriss der Histologie und Mikroskopischen Anatomie des Menschen. Mbnchen, 1902, с изенениями.

Рис. 2. Артифициальный зуб крысы, сформированный в подкапсульном пространстве почки из мезенхимальных стволовых клеток и клеток эпителия ротовой полости через 12 недель после пересадки. BO - кость; Am амелобласты; DP - пульпа зуба; OD - одонтобласты, E - эмаль; D - дентин (J Dent Res 2004; 83; 7: 523-528).

Клеточная трансплантология и тканевая инженерия № 1, 2005

мм

ш

Мини-обзоры

13

Рис. 3. Макропрепарат (А) и рентгенограмма (В) артифициального зуба крысы, сформированного в подкапсульном пространстве почки из мезенхимальных стволовых клеток и клеток эпителия ротовой полости через 12 недель после пересадки. (J Dent Res 2004; 83; 7: 523-528).

биодеградируемые полимеры на основе органических кислот (PGA, PGLA), которым придают трехмерную форму зуба [1, 3, 5]. Культура клеток наносится на матрицу, и препарат пересаживается в альвеолу челюсти, где под воздействием факторов клеточного и тканевого микроокружения происходит дентогенез [3].

Второй путь - непрямой дентогенез, при котором развитие происходит внеальвеолярно [1]. После выделения, кокультивирования и нанесения на матрицу клеток закладки зуба тканеинженерная конструкция пересаживается в мягкие ткани, не относящиеся к ротовой полости (сальник, околопочечная клетчатка, подкожная жировая клетчатка) на срок от 20 до 35 недель. По истечении указанного времени происходит образование ткани зуба за счет ближайших межклеточных взаимодействий (рис. 2, 3) [1]. Однако, у аллографтинга есть ряд известных недостатков. Поэтому дентогенез из аутогенных тканей имеет явные преимущества. Оказалось, что для формирования ткани зуба важны, прежде всего, низкодифференцированные эпителиальные клетки ротовой полости, а мезенхимальные клетки могут иметь отличное от мезенхимы краниальной части эмбрио-

на происхождение. Так, в эксперименте при кокультивиро-вании стромальных клеток костного мозга и эпителия эмалевого органа можно получить сформированную структуру зуба [3]. Таким образом, имеются доступные клеточные источники для дентогенеза у взрослого организма, что позволяет отказаться от использования аллогенного клеточного материала.

Создание тканеинженерных конструкций для дентоге-неза de novo - реальность сегодняшнего дня. Основной проблемой можно считать обеспечение кровоснабжения артифициального зуба после графтинга, так как технология прямого дентогенеза в клинической практике может вызвать ряд неудобств в течение как минимум 30-35 недель, связанных с созданием определенных условий микроокружения для развивающегося зуба. Нельзя не отметить, что создание зуба как органа de novo можно считать прорывом в реконструктивной стоматологии. Об этом свидетельствуют и поток публикаций, и внимание частных компаний (Odontis Ltd), формирующих «новый бизнес» в стоматологической имплантологии.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Duailibi M.T. et al. Bioengineered teeth from cultured rat tooth bud cells. J Dent Res 2004; 83(7): 523-8.

2. Ohazama A. et al. Stem-cell-based tissue engineering of murine teeth. J Dent Res 2004; 83(7): 518-22.

3. Smith A. Tooth tissue engineering and regeneration - a translational vision! J Dent Res 2004; 83(7): 517.

4. Murray P., Garcia-Godoy F. Stem cell responses in tooth regeneration. Stem Cells and Development 2004; 13: 255-62.

5. Young C.S. et al. Tissue engineering of complex tooth structures on biodegradable polymer scaffolds. J Dent Res 2004; 81(10): 695700.

6. Taatz H., Stiefel A. Fibroblasts of the pulp tissue in the submicroscopic picture. Stoma (Heidelb)-German. 1965; 18(4): 231-48.

7. Harris R., Griffin C.J. The fine structure of the mature odontoblasts and cell rich zone of the human dental pulp. Aust Dent J 1969;

14(3): 168-77.

8. Lyn P. et al. The connective tissue cells of human dental pulp: an histological and immunohistochemical study. Bull Group Int Rech Sci Stomatol Odontol 1991; 34(3-4): 133-37.

9. Bjorndal L. et al. A quantitative light microscopic study of the odontoblast and subodontoblastic reactions to active and arrested enamel caries without cavitation. Caries Res 1998; 32(1): 59-69.

10. Shi S. et al. Comparison of human dental pulp and bone marrow stromal stem cells by cDNA microarray analysis. Bone 2001; 29(6): 532-9.

11. Gronthos S. et al. Stem cell properties of human dental pulp stem cells. J Dent Res 2002; 81(8): 531-5.

12. Young C.S. et al. Tissue engineering of complex tooth structures on biodegradable polymer scaffolds. J Dent Res 2002; 81(10): 695700.

Клеточная трансплантология и тканевая инженерия № 1, 2005