|
 |
АЛАСТЭР ДЖ. СЛОАН,РАШЕЛ ДЖ. ВАДИНГТОН
В настоящее время известно, что клетки-предшественники/стволовые клетки находятся в постнатальной пульпе зуба. Исследования определили несколько ниш мультипотентных мезенхимных клеток-предшественниов, известных как стволовые клетки пульпы зуба, которые обладают высоким пролиферативным потенциалом для самообновления. Эти стволовые клетки признаны жизненно важными для процесса регенерации дентина, который происходит после травмы
Пульпо-дентинный комплекс обладает естественным регенеративным потенциалом, который ведет к формированию третичного дентина. Одонтобласты могут выживать при повреждениях средней тяжести, например трении или кариесе на ранней стадии, и выделять реакционный дентинный матрикс. Однако, травмы большей тяжести, например запущенный кариес или процедуры реставрации, могут привести к разрушению ранее существовавшей одонтобласты. В ответ на стимуляцию пульпо-дентинной поверхности образуются новые одонтобласты и дифференцируются на месте раны, чтобы синтезировать репаративный дентин, который иногда еще называют остеодентин. Этот восстановительный дентин мгновенно создает «мост» из минерализованной ткани снизу сильно поврежденной ткани для того, чтобы сохранить жизнеспособность пульпы.
Большое число исследований показывает, что постнатальная пульпа имеет несколько ниш с потенциальными клетками-пред шественниками/стволовыми клетками, что может быть важным для формирования репаративного дентина. И в самом деле, ниши клеток-предшественников/стволовых клеток постоянно идентифицируются во всех соединительных тканях тела, где они играют очень важную роль в процессе заживления ран. Эта субпопуляция недифференцированных клеток может составлять не менее 1% всего количества клеток популяции. Однако они производят во много раз более дифференцированное потомство в ответ на определенные внешнеклеточные сигналы.
В центре ниши находится «настоящая» взрослая или «материнская» стволовая клетка, которая обладает хоть и не частой, но почти нелимитируемой способностью к самовосстановлению. При митозе эти клетки дают начало обновленной материнской стволовой клетке и дочерней транзитной усиливающей клетке-предшественнице. Эти дочерние клетки-предшественники обладают более лимитированной способностью к самообновлению, но являются высоко пролиферативными. Очевидно, они также контролируют мультипотенцию, и способны проходить вдоль нескольких линий клеток к видоизмененным клеткам, таким, как остеобласты, одонтобласты, адипоциты, хондроциты и нервные клетки (рисунок). Внутри клеток-предшественников/ниш стволовых клеток, в связях клетка–клетка и клетка–матрица очень важны коммуникации для поддержания статуса стволовой клетки, в то время как их реакция на внешние стимулы обеспечивает динамическую систему для восстановления ткани.
В здоровых тканях ниши клеток-предшественников/стволовых клеток находятся обычно в состоянии покоя из-за влияния среды, в которой они найдены. Повреждение или травма, которая приводит к отмиранию постмитотической одонтобласты в матрице дентина, вызывает каскад комплексов и впоследствии необъяснимые явления, в результате которых сигналы передаются в матрицу. Затем эти сигналы заставляют популяцию клеток-предшественников/стволовых клеток осуществлять высокопролиферативную активность и создавать поколение дифференцированных однобластных клеток. Поэтому индентификация ниши клеток-предшественников/стволовых клеток лучше всего наблюдается in situ после их активации в результате травмы. Исследования, проведенные в 80-х годах, показали, что замена одонтобластов, которая синтезирует восстановительный дентин, происходит из недифференциальных мезенхимных клеток в самой пульпе. Маркирование клеток, меченных тритием тимидином, всед за которым пульпа зуба покрывается защитным покрытием, показало начальную пролиферацию клеток глубоко в пульпе, ниже места повреждения, вслед за чем происходит очевидная миграция этих клеток к месту повреждения, где они подвергаются дальнейшей пролиферации и дифференции до функциональных однобластноподобных клеток. Причина данного замещения однобластноподобных клеток (ниши клеток-предшественников/стволовых клеток) до сих пор обсуждается. Ранние исследования Фитцжеральда и его коллег дали возможность предположить, что клетки-предшественники возникли из популяции фибробластоподобных клеток. Недавние исследования ex vivo BrdU предполагают, что ниши клеток-предшественников/стволовых клеток находятся преимущественно в периваскулярных зонах пульпальных полостей, откуда они мигрируют на место повреждения. Однако определение ниш стволовых клеток/клеток-предшественников, как замечено при оценке выражения локуса после повреждения пульпы in vivo, говорят о наличии ниш в дополнение к периваскулярным нишам.
Локус является важной сигнальной молекулой, которая контролирует судьбу стволовой клетки. Недавние исследования на крысах изучили выражение локуса после нанесения защитного покрытия на пульпу зуба. Было обнаружено, что через 1–3 дня после наложения на пульпу зуба защитного покрытия, выражение Локуса 1 увеличилось на одонтобластных и субодонтобластных уровнях; выражение Локуса 2 увеличилось в стромальной пульпе, в то время как выражение Локусов 1 и 3 увеличилось в клетках, которые были связаны с периваскулярными структурами. Данные факты говорят о том, что ниши клеток-предшественников/стволовых клеток находятся в разных местах пульпальной ткани. Но реакция каждой ниши клеток-предшественников/стволовых клеток на повреждение, очевидно, различается в зависимости от месторасположения.
В пульпе зуба взрослого организма могут существовать несколько ниш стволовых клеток/клеток-предшественников. Они включают в себя (a) недифференцированные мезенхимные клетки (так называемые суб-одонтобласты), которые находятся в слоях богатых клетками, недалеко от существующей постмиотической одонтобласты; (b) популяцию периваскулярных клеток, связанных с пульпальной сосудистой сеткой; (c) популяция клеток в центральной пульпальной строме с положительным Локусом-2.
Идентификация и изоляция популяции одонтогенных клеток-предшественников в пульпе зуба взрослого организма впервые была сделана Гронтосом и его коллегами в 2000 году. Эта группа описала идентификацию стволовых клеток пульпы зуба (СКПЗ) на основании их способности к клонированию, высокого пролиферативного уровня и способности формировать минерализированные ткани как in vitro, так и in vivo. Последующие исследования отделили популяции СКПЗ, возникшие из одной клетки СКПЗ, что продемонстрировало мультипотенциальность. Это значило, что они могут формировать адипоциты и нейронные предшественники in vitro, в дополнение к дентиноподобной ткани после их трансплантации мышам с ослабленным иммунитетом. Данные исследования также продемонстрировали разницу в одонтогенном потенциале популяций, возникших из одной клетки, где только 67% клеток могут формировать эктопический дентин in vivo в большом количестве. Это может говорить о существовании отличающихся ниш клеток-предшественников/стволовых клеток в пульпе зуба, которые хотя и обладают пролиферативностью, демонстрируют иерархию в клеточной дифференциации и мультипотенцию.
 |
Ниши стволовых клеток состоят из "настоящей" взрослой стволовой клетки, окруженной транзитными усиливающими клетками-предшественниками. "Настоящая" взрослая стволовая клетка обладает способностью нечастного, но почти нелимитированного самообновления, в то время как дочерние транзитные усиливающие клетки обладают высокой пролиферативной способностью и могут дифференцироватся вдоль нескольких последовательностей клеточных поколений для производства необходимых продифференцированных клеток после стимуляции |
Клеточная характеристика данных СКПЗ сравнивалась с такими же стволовыми клетками костного мозга. И популяции стволовых клеток пульпы зуба, и стволовые клетки костного мозга показывают схожие предполагаемые маркеры поверхности стволовых клеток, включая CD44, CD106, CD146, 3G5 и Stro-1. Оба вида показывают матричные белки, связанные с образованием минеральной ткани, такие, как щелочная фосфотаза, остеокальцин, и остеопонтин. Такие же образцы были также замечены у стволовых клеток, изолированных от периодонтальной связки. Однако, в отличие от стволовых клеток костного мозга, СКПЗ поддерживают уровень пролиферации на 30% выше и имеют более высокий потенциал роста. Такой высокий уровень пролиферации связан с увеличением выражения клеткой пульпы специфических циклических медиаторов клетки, а именно, циклически зависимой кеназы 6 и инсулиноподобного фактора роста. Трансплантация СКПЗ мышам с пониженным иммунитетом привела к формированию дентиноподобной ткани, в то время как стволовые клетки костного мозга производили ткань, похожую на пластинчатую кость. Это говорит о том, что в двух популяциях стволовых клеток существуют различные регуляторные механизмы, которые подтверждаются увеличенным синтезом схожих с дентином протеинов во время формирования тканей дентина в месте трансплантации клетки.
Предпринимались различные попытки изолировать и охарактеризовать популяцию клеток-предшественников/стволовых клеток из пульпы зуба взрослого организма, с намерением достичь более определенной клональной популяции в клетках. A мезенхимная популяция клеток предшественников/стволовых клеток, выражающая рецептор поверхности клетки Stro-1, была изолирована из пульпы зуба взрослого организма. Стратегия изоляции была схожа с той, что ранее использовалась для изоляции стволовой клетки головного мозга. Однако присутствие клоногенных клеток с высокой полиферативной способностью, как сообщают, не так распространено в пульпе зуба, как в костном мозге. Было обнаружено, что эти позитивные клетки Stro-1 могут видоизменяться в нейрогенных, липогенных, миогенных и хондрогенных направлениях дифференцировки и создавать минерализированную матрицу, если они культивируются в «одонтогенных условиях». Когда клетка, изолированная для Stro-1, сравнивалась с теми, которые были негативными для маркера мезенхимных стволовых клеток, только позитивная клетка Stro-1 была способна видоизменяться в однобластноподобные клетки. Это указывает на важность данных клеток в процессе восстановления дентина.
Был доказан продолжительный пролиферативный цикл этих клеток, как и их способность создавать репаративный дентин после аутогенной трансплантации. Примитивные клетки дают высокий уровень ß1 интегринов, что может помочь в ограниченной локализации популяции стволовых клеток через взаимодействие с матричными протеинами, например фибронектином. Это наблюдение недавно было использовано для получения из пульпы зуба крысы высокопролиферативной популяции мезенхимных клеток-предшественников с мультипотенцией. Клетки, показывающие маркеры семейства Eph клеток нервного валика, были также обнаружены в пульпе зуба взрослого организма, давая понять, что эмбриональные клетки продолжают существовать в постнатальных тканях. В результате отбора клеток, выражающих рецептор фактора роста (LANGFR), связанного с нервным валиком, небольшая популяция (менее 1%) была изолирована от зрелой пульпы зуба. Последовательная характеристика данной клеточной популяции, сделанная авторами данного обзора, показала несколько маркеров предполагаемых стволовых клеток и их способность видоизменяться до адипоцитов, хондроцитов, а также в остеогенном направлении.
|
|
|
|
|
|
|
|
Принимая во внимание известный иерархический порядок стволовых клеток в пульпе зуба, использование различных изоляционных стратегий может потенциально привести к изоляции различных популяций клеток-предшественников/стволовых клеток, которые находятся в разных нишах в пульпальных тканях. В настоящее время работа в данной области находится в начальной стадии, и фенотипический анализ в условиях предполагаемых маркеров стволовых клеток, выраженный различными популяциями клеток-предшественников/стволовых клеток, не закончен. Недавно были опубликованы предварительные данные, что позволяет напрямую сравнить несколько маркеров предполагаемых стволовых клеток двух клеточных популяций клеток-предшественников, используя различные характеристики стволовых клеток. Это включает в себя LANGFR, который найден на поверхности клеток нервного валика, и интегрин ß1, который высоко выражен в примитивных клетках. Предварительные результаты показывают, что в пульпе зуба взрослого организма существует более чем одна популяция клеток-предшественников/стволовых клеток, которые отличаются в стадии зародыша (одна имеет характерные особенности нервного валика, а другая мезенхимного происхождения).
Если в зрелой пульпе зуба существует более чем одна популяция стволовых клеток, то это может быть объяснением наблюдаемых различий в одонтогенных реакциях после трансплантации клоновой популяции, возникшей из одиночной клетки. Это может быть также объяснением различий в пролиферативных реакций и сигналах Локуса в ответ на повреждение. Возможность существования более одной популяции клеток-предшественников стволовых клеток в пульпе зуба взрослого организма подтверждается тем, что популяции стволовых клеток в других тканях, такие, как пульпа молочного и периодонтальная связка, имеют различный генотип и уровень экспрессии протеинов.
В настоящее время установлено, что стромальная клетка костного мозга (СККМ) обладает способностью создавать смежные колонии. Исследования продемонстрировали, что каждая колония изначально возникает из клональной экспансии одной клетки-предшественницы. Популяция стволовых клеток, возникших из пульпы зуба взрослого организма, и популяция мезенхимных стволовых клеток была недавно идентифицирована из удаленного у человека молочного зуба. Сравнение пульпы зуба, удаленного молочного зуба, периодонтальной связки взрослого человека и СККМ продемонстрировало, что стволовые клетки пульпы зуба, молочный удаленный зуб и периодонтальная связка взрослого человека имеют более высокий потенциал роста в сравнении с СККМ. Однако были замечены различия в выражении генов и протеина. Интересно то, что клетки удаленного молочного зуба отличаются от периодонтальной связки взрослого человека более высоким уровнем пролиферации и остеоиндуктивностью in vivo. В дополнение к этому, хотя клетки удаленного молочного зуба могут изменяться в предполагаемые одонтобласты и иммунореактивны к сиалофосфопротеину дентина, они не могут восстанавливать полный дентино-пульпарный комплекс, что наблюдается у стволовых клеток пульпы зуба. Такие данные указывают на то, что клетки удаленного молочного зуба человека отличаются от стволовых клеток пульпы зуба в отношении одонтогенной дифференциации и остеогенной индукции. Поэтому возможно, что клетки удаленного молочного зуба могут представлять собой популяцию мультипотентных стволовых клеток, которые более зрелые, чем стволовые клетки пульпы зуба, полученные из зуба взрослого организма. Хотя клетки удаленного молочного зуба могут содержать стволовые клетки/клетки-предшественники, они могут не быть клетками, возникшими из одной клетки, и сейчас предполагают, что они также могут быть гетерогенной популяцией клеток из пульпы.
Определение и характеристика стволовых клеток/клеток-предшественниов в зубных и черепно-лицевых тканях в настоящее время изучаются на предмет их применения в клиническом лечении. Такие новые способы лечения, однако, будет нелегко развить из-за ряда естественных регенеративных процессов внутри поврежденной пульпы. Понятно, что неконтролируемое воспаление в пульпальной среде понижает естественные способности к восстановлению. Такая воспалительная реакция и ее развитие — очень важный фактор в сдерживании репаративного потенциала зуба и ее клетки-предшественницы. Серьезные повреждения могут привести к разрушению однобластной клетки при специфическом фокусе рассмотрения прямо внизу области повреждения, и репаративная дентинная реакция создаст сложности для выживания субоднобласты в находящейся ниже богатой клетками области, возможно, одной из ниш стволовых клеток, описанных ранее в данном обзоре. Способность данной клетки перемещаться в поврежденные места из других ниш в неэффективные места пульпы, для того чтобы заменить поврежденную/утерянную клетку, недостаточно изучена. Мощная смесь бактериальной инфекции и, впоследствии, воспаление безусловно ослабит регенеративные процессы, как уже было упомянуто выше. Однако, все еще неясно, как эти воспалительные процессы влияют на стволовые клетки/клетки-предшественники.
 |
|
|
|
|
|
Хотя пересадка клеток-предшественников на место повреждения происходит естественным путем, она может рассматриваться как случайная и неконтролируемая. Было бы уместно попробовать сдерживать и использовать направленно этот естественный процесс. Предполагается, что направленную пересадку клеток-предшественников можно осуществлять через локальное применение обогащенной популяции клеток или собирая клетки из не аутогенных молочных зубов или удаленных молочных зубов. Обработанные BMP-2, искусственно выращенные пульпированные клетки и клетки пульпы Gdf11 — с трансфекцией электрошоком были успешно трансплантированы в удаленную хирургическим способом пульпу. Это может подсказать один из возможных подходов к зубной регенерации. Интересно то, что первоначально регенирируемые ткани имеют схожий с остеодентином вид, похожий скорее на репаративный дентин (атубулярный) , чем на тубулярный. Стоит рассматривать это как преимущество в формировании дентинного моста, где атубулярный дентин создал бы более эффективный барьер развитию микробов при возникновении кариеса в будущем. Однако это может стать невозможным из-за трудностей получения пригодных источников и количества аутогенных клеток для снижения иммунного ответа на клетку-трансплантант. Для того чтобы улучшить результат, были изучены клетки, которые взятые из недентальных мест, и было обнаружено, что они способны дифференцироваться в однобластные в условиях эксперементальной модельной системы. Если такие подходы к дентальной регенерации будут изучаться в дальнейшем, будет необходим банк тканей для получения аутогенных клеток. Это поднимает неизбежные вопросы относительно возможности применения данной идеи в клиниках и ее стоимости. Оправданы ли такие подходы для лечения пульпы или необходимо сконцентрироваться на понимании роли, которую играют эти клеточные популяции во время естественной регенерации, и использовать их для лечении in situ?
В дополнение к восстановительному дентиногенезу, успех лечения пульпы также зависит от достаточного кровоснабжения. Местный ангеогенез важен во время лечения всех поврежденных мест, и пульпальные повреждения и их лечение — не исключение. В дополнение к обеспечению питания во время лечения, хорошее кровоснабжение может стать причиной увеличения пересадок периваскулярных клеток-предшественников во время регенерации в нише периваскулярных клеток-предшественников. Как обсуждалось ранее, популяцию стволовых клеток пульпы зуба отображает маркер CD146 периваскулярной клетки среди других маркеров, которые также находятся в периваскулярных местах в пульпе. Известно, что ангеогенный фактор роста присутствует среди множества факторов роста, которые были обнаружены в зрелой дентинной матрице. Очевидно, что их высвобождение после повреждения может стать ключом к местному управлению ангеогенезом на месте травмы и, таким образом, косвенно влиять на клетки-предшественники с целью регенерации.
Хотя концепция иженерии зуба имеет высокий потенциал и ее возможность уже продемонстрирована на контролируемых моделях животных in vivo, остается много клинических вопросов. Вопросы, касающиеся сохранения формы зуба, размера, наличия зубного эпителия, роста и прорезывания зубов все еще требуют решения. В настоящее время проводятся исследования методов создания целого зуба и пульпы зуба. Они включают в себя изучение рекомбинации тканей, сбор различных биоинженерных компонентов, создание новых клеток, инженерии химерных зубов и наличие генноуправляемой зубной инженерии. Хотя обсуждение данных методов не является предметом данного обзора, важно заметить, что недавние успехи в биологии стволовых клеткок и инженерии тканей отражают возможности для восстановления зубов. Будущие исследования без сомнения будут концентрироваться на обогащении зубной клетки-предшественницы и биообработки такой клетки для клинического использования. Однако существуют технические обстоятельства, связанные с неизменным вопросом: может ли инженерия, основанная на стволовых клетках, быть успешно применена в клинических целях?
|
|
|
|
|
Гистоморфометрический анализ пульповой клеточной популяции указывает на то, что количество клеток пульпы уменьшается с возрастом. Это касается и суб-одонтобластных клеток, которые могут быть нишей для потенциальной клетки-предшественницы. Лабораторные исследования могли бы подтвердить клинические наблюдения о том, что лечение пульповых ран и регенерация может становиться сложнее с возрастом. Предварительные исследования определили, что популяция потенциальной клетки-предшественницы в пульпе зуба составляет менее 1% общего числа клеток. Очевидно, что размер пула стволовых клеток/клеток-предшественников относительно небольшой и относительно небольшое количество клеток способны участвовать в специфических дентиногенных регенеративных процессах. Взятые вместе, эти факторы поднимают важные вопросы развития новых методов терапии, основанных на популяции клеток-предшественников. Безгранична ли ниша клеток-предшественников? Пополняются ли они через сосудистую сеть в достаточном количестве? Уменьшается ли число специфических популяций на различных уровнях и, как следствие, влияние на специфическую регенеративную реакцию? Будут ли новые биомиметические материалы также эффективны для пациентов в возрасте? По существу, чем меньше популяция клеток, которые могут в этом участвовать, тем менее вероятно, что новые виды терапии будут эффективны в использовании возможности регенерации. Считается, что биомиметические материалы, или «бионаполнители» могут влиять на восстановление натуральных тканей, влиять на эффективность и долговечность реставрации и поддерживать жизнеспособность ослабленной пульпы. Стадия создания зуба, однако, очень необходима при оценке успеха таких новых методов биологического лечения.
Регенерация зубных тканей может быть привлекательной альтернативой более традиционным методам восстановления, так как больные ткани заменяются натуральными тканями, которые становятся частью зуба. Новые методы, основанные на пересадке клеток-предшественников и последующей стимуляции, обладают значительным потенциалом, чтобы повлиять на лечение зубных болезней. Развитие таких подходов требует точных правил относительно регенеративных событий. Понимание данного вопроса важно для будущего развития любого регенеративного лечения зубов, основанного на использовании клеткок-предшественников в пульпе зуба. Очень заманчиво думать, что эти новые клинические методы будут реализованы, но понадобится время, чтобы перенести эти знания из лабораторий в клиники. Возможность развивать восстановительную стоматологию, используя биологическую активность дентальных тканей для улучшения заживления и регенерации тканей существует. Теперешние шаги в сторону изоляции, сбора и криоконсервирования клеток-предшественников пульпы зуба для хранения и лечения вполне реальны. Однако к данному вопросу необходимо подходить с большой осторожностью. Мы все еще далеки от полного понимания таких возможностей и не знаем, как поведут себя клетки-предшественники пульпы зуба. Ничего неизвестно о том, какие способы терапевтического воздейств ия можно будет применять в такой ситуации в будущем. Тем не менее, возможности для их использования в регенерации тканей зуба становятся яснее и предполагают появление более эффективных методов лечения.
