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J·登特·雷斯2019年10月;98(11): 1173–1182. 在線發(fā)布 2019 9月 20. doi： 10.1177/0022034519861903 PMCID： PMC7315683 PMID： 31538866 牙齒生物工程和再生牙科本文已被PMC中的其他文章引用。 抽象在過去的100年中，牙科組織工程和再生牙科醫(yī)學(xué)（統(tǒng)稱為轉(zhuǎn)化牙科）領(lǐng)域取得了巨大進(jìn)步。轉(zhuǎn)化牙科受益于更成熟的組織工程和再生醫(yī)學(xué)（TERM）領(lǐng)域，該領(lǐng)域建立在生物相容性支架，細(xì)胞和生長因子可用于創(chuàng)建功能性，活體替代組織和器官的信念之上。TERM由一個由臨床醫(yī)生，生物醫(yī)學(xué)工程師和基礎(chǔ)研究科學(xué)家組成的跨學(xué)科小組創(chuàng)建和開創(chuàng)，致力于創(chuàng)建生物工程替代組織，為患者提供至少足夠的功能，直到供體器官可用，充其量是功能齊全的替代器官。最終，TERM和再生牙科的目標(biāo)是為診所帶來新的和更有效的療法，以治療有需要的人。最近，美國國立衛(wèi)生研究院/國家牙科和顱面研究所在3年內(nèi)投資了2400萬美元，用于創(chuàng)建牙科口腔和顱面轉(zhuǎn)化資源中心，以促進(jìn)開發(fā)更有效的療法，以治療無牙癥和其他與牙齒相關(guān)的疾病。再生牙科的這個激動人心的時代，特別是對于全牙組織工程，是建立在過去100年中許多關(guān)鍵成功的基礎(chǔ)上的，這些成功有助于我們目前對指導(dǎo)天然牙齒和牙齒組織發(fā)育的信號通路的知識和理解 - 這是當(dāng)前設(shè)計(jì)功能性，活體替代牙科組織和整牙的策略的基礎(chǔ)。在這里，我們使用歷史視角來介紹過去100年來在轉(zhuǎn)化牙科領(lǐng)域取得的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)和關(guān)鍵進(jìn)展。我們將首先描述這一過程在過去100年中是如何演變的，然后假設(shè)下個世紀(jì)會發(fā)生什么。 關(guān)鍵詞： 組織工程， 仿生學(xué)， 再生醫(yī)學(xué)， 種植牙， 牙冠， 牙根 介紹牙齒置換療法簡史牙科是最古老的醫(yī)學(xué)專業(yè)之一，可以追溯到公元前2600年左右的埃及時代（美國牙科教育協(xié)會c2015-2019）。考古學(xué)家在公元前8000年左右的牙齒中發(fā)現(xiàn)了牙齒填充物，并且可以在公元前5000年的蘇美爾文本中找到對蛀牙的引用（密歇根州的Delta Dental）。蛀牙的研究從1700年代一直持續(xù)到今天（ADEA c2015-2019）。雖然希波克拉底和亞里士多德，也許是最早的“循證”牙科臨床醫(yī)生，在公元前4世紀(jì)寫了關(guān)于蛀牙的文章，但第一本完全致力于牙科的書 - 各種疾病和牙齒缺陷的小藥用書 - 直到1530年才出版（ADEA c2015-2019）。 牙科作為一種職業(yè)在1700年代初開始建立，當(dāng)時法國外科醫(yī)生Pierre Fauchard出版了他的書，名為“外科醫(yī)生牙醫(yī)，牙齒論文”，介紹了牙科衛(wèi)生的重要性，牙科填充物和假牙的擬議使用以及糖導(dǎo)致蛀牙的事實(shí)（Adolfo Pati?o 1985）).第一所牙科學(xué)院巴爾的摩牙科學(xué)院于1840年開業(yè)，距離美國牙科協(xié)會（ADA）成立近20年，第一所大學(xué)附屬牙科學(xué)院于1867年成立，哈佛大學(xué)牙科學(xué)院于1867年成立（ADEA c2015-2019）。 第二次世界大戰(zhàn)后，士兵成為牙科的驅(qū)動力，當(dāng)時很明顯需要對牙齒和口腔衛(wèi)生以及用于修復(fù)牙齒的方法進(jìn)行重大改進(jìn)，以保持可靠，功能和健康的軍隊(duì)。這一認(rèn)識導(dǎo)致1931年美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）和1948年國家牙科研究所（NIDR）的成立，后來于1988年更名為國家牙科和顱面研究所（NIDCR）（Sheridan 1988）。從那時起，人們一直在努力為牙齒更換療法創(chuàng)造新的和改進(jìn)的方法。盡管牙科組織和牙齒修復(fù)的牙科材料研究領(lǐng)域在過去100年中急劇擴(kuò)大，但本綜述將重點(diǎn)關(guān)注合成，生物工程和組合牙科療法，這些療法導(dǎo)致了目前全牙組織工程的進(jìn)步。 治療牙齒脫落的臨床方法的演變盡管牙科起源于古代，但齲齒，牙周病和無牙頜癥的治療在很大程度上保持不變，包括下面描述的標(biāo)準(zhǔn)牙齒更換療法。 假牙早在公元前700年，意大利北部的伊特魯里亞人就被用來治療牙齒脫落，當(dāng)時意大利北部的伊特魯里亞人用人類或動物的牙齒制造假牙（Proskauer 1979）。由象牙制成的假牙在1700年代很受歡迎，包括由雕刻的河馬象牙制成的假牙板組成的復(fù)雜版本，支撐著人類，驢和馬的牙齒（Ring 2010）。雖然瓷假牙是在1770年代中期發(fā)明的，但它們被發(fā)現(xiàn)太脆并且容易碎裂，并且將人類牙齒固定在動物象牙上仍然是首選療法（Jordan 2014）。1802年，使用改進(jìn)的瓷假牙通過彈簧安裝在金板上或嵌入硬橡膠材料Vulconite中，而不是象牙，后來被丙烯酸樹脂和其他類型的塑料所取代（Ladha和Verma 2011）?？刹鹦恫糠至x齒與只能由臨床醫(yī)生放置和/或移除的固定義齒相反，提供了可以由患者自己移除和重新插入的牙科假牙，在20世紀(jì)50年代開始流行（Schmidt 1952）。今天，假牙已經(jīng)變得不受歡迎，因?yàn)樗鼈儾皇娣?，?dǎo)致不順應(yīng)性并導(dǎo)致骨吸收，甚至更差的貼合度，以及假牙佩戴者的更多不適。 牙科植入物在公元前2000年的遺骸中發(fā)現(xiàn)的牙科植入物的早期版本由雕刻的竹釘組成（López-Píriz等人，2019）。起源于公元前1000年的早期埃及國王的尸體包含一個上顎骨，無論是在他有生之年還是在他死后，銅釘都被錘入其中（Smith 2019）。法國的一個凱爾特人墳?zāi)估镉幸痪哞F假牙的尸體，據(jù)信可以追溯到公元前300年，也可能是在死后放置的。早在目前的牙科植入物被設(shè)計(jì)出來之前，人們就發(fā)現(xiàn)古代頭骨含有稀有的玉石寶石，以及更常見的材料，如海貝殼（Irish 2004）。 繼續(xù)尋找改進(jìn)的方法，以制造既耐用又實(shí)用且不會被宿主拒絕的牙科植入物。然后，在1952年，一位整形外科醫(yī)生偶然發(fā)現(xiàn)，植入兔股骨中的鈦圓柱體會產(chǎn)生非常緊密的融合，稱為強(qiáng)直癥（Branemark 1983）。這一發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了鈦牙科植入物的創(chuàng)造，其中第一個是由整形外科醫(yī)生Branemark于1965年放置的（Adell等人，1981年）。從那時起，在過去的半個世紀(jì)里，牙科種植療法基本保持不變，只有細(xì)微的改進(jìn)，如新的表面涂層和紋理被認(rèn)為可以改善骨整合。根據(jù)NIDCR的數(shù)據(jù)，從1983年到1987年，種植牙的使用增加了4倍（Garcia 2009），今天對于那些負(fù)擔(dān)得起的人來說，鈦合金牙科植入物是最常見的牙齒脫落療法（Bidra等人，2016）。目前，美國約有300萬人擁有植入物，這一數(shù)字每年以50萬人的速度增長（Bidra等人，2016）。 鈦植入物在牙科的所有專業(yè)領(lǐng)域都越來越受歡迎，目前美國多達(dá)10%的牙醫(yī)放置植入物。植入物是如此受歡迎，以至于許多臨床醫(yī)生選擇不進(jìn)行牙髓治療以延長天然牙齒的壽命，而是通過直接使用植入物來“節(jié)省時間”，基于根管治療的牙齒最終會干燥和開裂的假設(shè)，最終需要種植體治療。 活體替代牙齒與合成種植牙相比的優(yōu)勢本期雜志詳細(xì)介紹了種植牙，包括它們所感知的優(yōu)勢和劣勢。因此，在這里，我們將專注于創(chuàng)造活體替代牙齒的努力，基于與合成牙科植入物相比，重要，血管化和支配性生物工程牙齒的預(yù)期優(yōu)勢。由于合成牙科植入物的潛在并發(fā)癥和相關(guān)不良結(jié)果，外行人，牙科研究人員，臨床醫(yī)生和生物醫(yī)學(xué)工程師一直在努力建立基于生物學(xué)的策略來治療無牙癥。這些努力在轉(zhuǎn)化牙科和全牙組織工程方面處于領(lǐng)先地位。 在這里，我們將討論再生與天然牙齒發(fā)育非常相似的牙齒的努力的歷史，以及使用生物工程牙科組織與天然牙齒組織的物理和功能特性緊密匹配的替代牙齒療法的潛在優(yōu)勢（圖 1). 基于胚胎牙芽的牙齒再生策略胚胎牙齒形成在早期胚胎中，牙齒由2種類型的細(xì)胞發(fā)育，胚胎外胚層（上皮）和來自顱神經(jīng)嵴細(xì)胞的間充質(zhì)。Ed Kollar，Andrew Lumsden和其他人進(jìn)行的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)建立了這兩種細(xì)胞類型如何相互作用以啟動整個發(fā)育計(jì)劃的基本原則，從而導(dǎo)致功能性牙齒的形成（Mina和Kollar 1987;拉姆斯登1988）。從小鼠約10 d和人類約6周開始，第一個牙齒感應(yīng)信號起源于口腔外胚層，并由潛在的間充質(zhì)接收。這些最初的感應(yīng)信號是短暫的，并且在間充質(zhì)細(xì)胞接收后，它們的表達(dá)通過目前知之甚少的機(jī)制停止。然后，間充質(zhì)細(xì)胞通過產(chǎn)生自己的感應(yīng)信號來做出反應(yīng)，這些信號被傳遞到牙齒上皮并由其接收。這種相互的串?dāng)_在整個牙齒發(fā)育過程中持續(xù)存在，導(dǎo)致牙齒完全成型。因此，這兩種細(xì)胞類型相互誘導(dǎo)彼此采用牙源性命運(yùn)并參與牙齒發(fā)育過程。 基于牙齒的生物工程發(fā)育信號級聯(lián)純粹基于這些早期和相對簡單的牙科組織相互作用原理，并且在沒有先驗(yàn)了解感應(yīng)信號本身性質(zhì)的情況下，進(jìn)行了從胚胎牙芽源制造生物工程牙齒的研究（圖 2).Ohazama等人于2004年在《牙科研究雜志》上發(fā)表的一項(xiàng)具有里程碑意義的研究表明，誘導(dǎo)性口腔外胚層可以與從成人非牙源（如骨髓）獲得的間充質(zhì)細(xì)胞相結(jié)合，以啟動牙齒發(fā)育（Ohazama等人，2004年）。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞能夠接收和響應(yīng)牙齒感應(yīng)信號，并將適當(dāng)?shù)男盘柊l(fā)送回牙齒上皮。在一系列互惠的實(shí)驗(yàn)中，該小組能夠通過將它們與胚胎牙齒間充質(zhì)結(jié)合并將由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)植入腎囊中來誘導(dǎo)從牙齦分離的成體上皮細(xì)胞的牙齒形成（Angelova Volponi等人，2013）。這些研究證實(shí)，通過應(yīng)用發(fā)育生物學(xué)的概念，可以在胚胎外形成整個牙齒器官。在這兩種情況下，成體細(xì)胞在從胚胎感應(yīng)源接收到適當(dāng)?shù)男盘柡螅甲兊醚涝葱圆⑼耆珔⑴c牙齒發(fā)育。這些實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵是使用了大量的胚胎感應(yīng)細(xì)胞。 Lesot及其同事接下來確定了牙齒萌生所需的最小細(xì)胞數(shù)（Hu等人，2006）。在小鼠中，范圍為4.0×104至 4.0 × 105細(xì)胞是通過結(jié)合從多個胚胎中收獲的細(xì)胞獲得的，這種方法在人類中顯然是不可能的。不幸的是，這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，體外培養(yǎng)的胚胎細(xì)胞在24至48小時內(nèi)失去其感應(yīng)能力（Zheng，Cai等人，2016）。這些結(jié)果表明，使用標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)方法在體外擴(kuò)增胚胎感應(yīng)牙細(xì)胞可能是不可能的，因此不是人類更換牙齒策略的可行方法。因此，一個根本的挑戰(zhàn)是發(fā)現(xiàn)在保持其感應(yīng)能力的同時擴(kuò)大胚胎牙齒細(xì)胞群體的方法。因此，這一難題已成為使用胚胎牙芽細(xì)胞進(jìn)行牙齒再生策略的障礙，也是使用這種方法的進(jìn)一步努力放緩的主要原因。 確定體外培養(yǎng)的胚胎細(xì)胞如何以及為什么失去其誘導(dǎo)能力的幾項(xiàng)努力集中在闡明細(xì)胞 - 細(xì)胞接觸和信號傳導(dǎo)分子的作用上。細(xì)胞 - 細(xì)胞接觸被認(rèn)為是重要的，因?yàn)榕咛パ例X原基中的感應(yīng)性牙齒間充質(zhì)細(xì)胞緊密包裝或凝聚，因此經(jīng)歷顯著的細(xì)胞 - 細(xì)胞接觸。相反，間充質(zhì)細(xì)胞縮合在單層體外組織培養(yǎng)物中丟失，導(dǎo)致細(xì)胞 - 細(xì)胞接觸大大減少。促進(jìn)間充質(zhì)細(xì)胞凝聚和增加細(xì)胞 - 細(xì)胞接觸的方法包括在懸掛滴中生長細(xì)胞，這是一種三維（ 3D ）細(xì)胞培養(yǎng)方法，已被證明可以成功生長功能性真皮毛細(xì)胞，盡管牙齒誘導(dǎo)所需的大量細(xì)胞使得這種方法不適合人類的再生應(yīng)用（ Higgins 等人， 2013 年）。 ).為了解決牙齒再生中的細(xì)胞信號傳導(dǎo)問題，使用基因表達(dá)篩選來鑒定在二維體外細(xì)胞培養(yǎng)中表達(dá)丟失的信號傳導(dǎo)因子（Zheng，Jia等人，2016）。然而，這種方法的一個問題是，如何最好地區(qū)分由于感應(yīng)牙源信號傳導(dǎo)的變化而改變表達(dá)的基因與與體外單層培養(yǎng)和細(xì)胞接觸喪失的影響相關(guān)的基因。使用懸掛滴法在感應(yīng)毛細(xì)胞上成功進(jìn)行了類似的篩選（Kalabusheva等人，2017），可以比較原代感應(yīng)細(xì)胞，失去感應(yīng)信號的體外培養(yǎng)細(xì)胞以及感應(yīng)信號在懸掛液滴中恢復(fù)的細(xì)胞中的基因表達(dá)（Kalabusheva等人，2017）。使用這種方法，Yang等人（2017）研究了“細(xì)胞群落”效應(yīng)的現(xiàn)象，以確定感應(yīng)細(xì)胞的存在是否可以恢復(fù)體外培養(yǎng)的牙科細(xì)胞中的感應(yīng)能力（Yang等人，2017）。使用遺傳標(biāo)記的細(xì)胞以及感應(yīng)和非感應(yīng)間充質(zhì)細(xì)胞的混合物，他們表明，通過他們所謂的“細(xì)胞群落效應(yīng)”可以恢復(fù)感應(yīng)能力，從而提供識別丟失然后恢復(fù)的感應(yīng)信號的可能手段。如果成功，這種方法可以促進(jìn)人類生物工程替代牙齒療法。 功能性生物工程牙齒發(fā)育牙齒生物工程的牙齒細(xì)胞重組方法的一個基本要求是生物工程牙齒原基能夠在口腔中發(fā)育成功能齊全的牙齒。事實(shí)上，由胚胎牙齒細(xì)胞產(chǎn)生的生物工程牙齒原基在移植和生長在腎囊下以及移植到口腔中時很容易形成礦化的牙齒（Ohazama等人，2004）。同樣，生物工程牙齒原基在手術(shù)移植到口腔后也形成了礦化的牙齒（Nakao等人，2007;池田等人，2009年）。令人驚訝的是，根部形成，牙齒萌出和骨形成，所有這些都發(fā)生在自然牙齒發(fā)育的產(chǎn)后，發(fā)生在幾周后的移植中。 用于生物工程全牙組織工程的產(chǎn)后牙細(xì)胞對小鼠胚胎牙齒發(fā)育的優(yōu)雅研究，以及使用胚胎小鼠牙芽細(xì)胞進(jìn)行生物工程牙齒形成，有助于更好地了解對牙齒發(fā)育和再生至關(guān)重要的信號級聯(lián)和體外培養(yǎng)條件。但是，胚胎牙芽細(xì)胞對于臨床相關(guān)的牙齒替代療法并不理想，因?yàn)樯鲜鋈秉c(diǎn)以及人類胚胎牙芽細(xì)胞不容易獲得，如果它們根本可用的話。因此，已經(jīng)做出了相當(dāng)大的努力來定義成體牙齒細(xì)胞的再生能力，以用于生物工程替代牙齒的形成。從乳牙（嬰兒或原發(fā)）或成人去角質(zhì)牙齒中收獲的成體牙齒干細(xì)胞是牙齒再生應(yīng)用的理想來源，因?yàn)樗鼈兒苋菀撰@得，可以收獲和儲存以供將來使用，并且以其他方式常規(guī)丟棄，利用其他浪費(fèi)的人類自體組織來源進(jìn)行再生牙科（圖 3). 用于牙齒再生的成人牙科干細(xì)胞。（A）牙科干細(xì)胞來源。（B）收獲的人類牙齒的牙髓。DPSC分化為脂肪生成（C-E），成骨（F-H）和神經(jīng)元（I-K）細(xì)胞命運(yùn)。PDL，牙周韌帶。 產(chǎn)后牙科干細(xì)胞用于生物工程牙齒形成產(chǎn)后牙科干細(xì)胞出版物提出使用成人，產(chǎn)后牙科干細(xì)胞進(jìn)行全牙組織工程應(yīng)用，首次出現(xiàn)在2000年代初。NIH / NIDCR的一個團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的激動人心的工作是第一個表征從成人牙髓中收獲的克隆和快速增殖的細(xì)胞群，稱為牙髓干細(xì)胞（DPSC）（Gronthos等人，2000）).這些細(xì)胞與骨髓基質(zhì)細(xì)胞（BMSCs）的不同之處在于，它們僅在體外培養(yǎng)中零星地形成密集鈣化結(jié)節(jié)，不分化成脂肪細(xì)胞，并且在植入體內(nèi)時可以形成牙本質(zhì)/牙髓樣復(fù)合物（Gronthos等人，2000）。該團(tuán)隊(duì)繼續(xù)在分子水平上表征這些細(xì)胞，展示了BMSC和DPSC的共享和差異基因表達(dá)模式（Shi等人，2001）。該小組進(jìn)一步表征了克隆性DPSC的自我更新能力，證明了克隆在植入體內(nèi)時產(chǎn)生異位牙本質(zhì)的能力的變異性（Gronthos等人，2002年），并確定DPSC和BMSC分別存在于牙髓和骨髓的血管周圍生態(tài)位中（Shi和Gronthos 2003）。 來自人類脫落乳牙的干細(xì)胞使用非胚胎牙科細(xì)胞來源進(jìn)行牙齒再生的首批研究之一，使用從人類乳牙（嬰兒）牙齒中收獲的牙髓干細(xì)胞，稱為來自人類脫落乳牙的干細(xì)胞，或SHED（Miura等人，2003）。SHED具有高度增殖性，能夠分化成多種細(xì)胞類型，包括神經(jīng)細(xì)胞和成齒細(xì)胞樣細(xì)胞。當(dāng)植入體內(nèi)時，SHED形成骨骼和牙本質(zhì)，以及當(dāng)植入小鼠大腦時存活并表達(dá)神經(jīng)元細(xì)胞標(biāo)志物（Miura等人，2003）。這份激動人心的報告將嬰兒牙齒確定為生物工程牙齒替代療法的潛在和意想不到的細(xì)胞來源。 大約在同一時間，另一組正在采取不同的方法，使用從當(dāng)?shù)赝涝讏霁@得的廢棄的6個月豬頜骨的未發(fā)生芽的未上頜骨中收獲的成體牙齒間充質(zhì)（DM）和牙齒上皮（DE）細(xì)胞?；谠偕t(yī)學(xué)和組織工程領(lǐng)域取得的令人興奮的進(jìn)展，該團(tuán)隊(duì)決定確定用于再生心臟，骨骼和其他組織的組織工程策略是否也可用于設(shè)計(jì)牙齒。將豬DE和DM細(xì)胞擴(kuò)增到培養(yǎng)物中并接種到可用的可生物降解支架上，例如聚乙醇酸（PGA）/聚（乳酸共乙醇酸）（PLGA），并在體外表征或植入體內(nèi)（Young等人，2002）。令人興奮的是，這些研究的結(jié)果表明，這種方法可用于產(chǎn)生由牙髓，牙本質(zhì)和琺瑯質(zhì)組成的小的，解剖學(xué)上正確的牙冠（Young等人，2002）。 這個開創(chuàng)性小組的結(jié)果是開創(chuàng)性的和開創(chuàng)性的，因?yàn)樗麄冏C明了成年的，哺乳動物牙芽衍生的牙科細(xì)胞來源和組織工程策略可用于再生牙齒，重要的是，體外培養(yǎng)的成體DE和DM細(xì)胞可以在體外培養(yǎng)中擴(kuò)增至少8次，同時仍然保留其形成牙齒組織的能力， 包括牙髓、牙本質(zhì)、牙釉質(zhì)和整個牙冠。根據(jù)他們的發(fā)現(xiàn)，該團(tuán)隊(duì)繼續(xù)表明，其他哺乳動物牙齒細(xì)胞來源，包括來自豬，大鼠和人類牙齒的細(xì)胞，都可用于創(chuàng)建生物工程牙齒結(jié)構(gòu)（Duailibi等人，2004;Young， Abukawa， et al. 2005;Young， Kim， et al. 2005;Duailibi et al. 2011）。 誘導(dǎo)多能干細(xì)胞用于牙齒組織再生Shinya Yamanaka博士的實(shí)驗(yàn)室在2006年發(fā)表了用于產(chǎn)生誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSCs）的方法，從而提供了從任何個體輕松無痛地獲得的細(xì)胞中產(chǎn)生任何類型的自體細(xì)胞的潛力（Takahashi和Yamanaka 2006;山中和高橋2006）。這些出版物和隨后的出版物在再生醫(yī)學(xué)和牙科領(lǐng)域引起了極大的興奮，自體細(xì)胞來源從一開始就非常有限，并且可能無法獲得適當(dāng)?shù)淖泽w細(xì)胞來源，因?yàn)槭斋@會對個體造成額外的損害。關(guān)于iPSC在牙齒組織和全牙組織工程中的應(yīng)用，許多小組正在努力改進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)，以使iPSC療法具有臨床相關(guān)性。正在努力再生牙髓（Goldberg 2011），牙周韌帶（PDL）（Cho等人，2019），成牙細(xì)胞（Xie等人，2018）和成泡細(xì)胞（Cai等人，2013;阿卜杜拉等人，2019）。雖然很有前途，但使用iPSCs的牙科療法仍然被降級到遙遠(yuǎn)的未來，以便對這些方法進(jìn)行徹底的驗(yàn)證。 用于全牙組織工程的支架材料為了進(jìn)一步努力再生醫(yī)學(xué)和牙科，許多研究人員一直在尋找最佳的可生物降解支架材料和設(shè)計(jì)，以支持所需器官和/或感興趣的組織的形成，以及特定和指定的大小和形狀。關(guān)于牙齒再生，已經(jīng)使用了廣泛的支架，包括水凝膠支架，如甲基丙烯酸明膠（GelMA）水凝膠（Smith等人，2016;Khayat et al. 2017;史密斯等人. 2017;史密斯等人. 2018;Smith和Yelick 2019），在熱敏組織培養(yǎng)板上生長的無支架牙科細(xì)胞片（Monteiro等人，2016;Monteiro和Yelick 2017），絲基水凝膠和多孔支架（Xu等人，2008;Zhang等人，2011），以及天然去細(xì)胞化的牙芽支架（Traphagen和Yelick 2009;Traphagen et al. 2012;Zhang et al. 2017），僅舉幾例。 迄今為止，使用成人牙細(xì)胞來源和去細(xì)胞化的天然牙芽細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）支架，接近全尺寸的牙齒已經(jīng)過生物工程改造，并在迷你豬宿主的下顎中生長，使我們比以往任何時候都更接近我們的目標(biāo)（圖 4) (Zhang et al. 2017）。隨著更復(fù)雜的方法被開發(fā)出來，以創(chuàng)建更接近天然組織支架的支架，該領(lǐng)域肯定會朝著組織再生的目標(biāo)發(fā)展，包括功能性牙齒再生。 成人牙科干細(xì)胞衍生的生物工程牙齒。兩種不同的生物工程牙齒（頂部，底部）。（A）發(fā)育良好的6-mo植入nTB（盒）的顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）圖像。（B）H&E染色的nTB冠狀組織學(xué)切片（黑匣子）。（C） B中盒裝區(qū)域的高倍率圖像 （D） C中盒裝區(qū)域的高倍率圖像 （E） 6-mo recell-dTB植入物的Micro-CT圖像。（F）牙根結(jié)構(gòu)（白盒）。（G， H）牙本質(zhì)和牙周韌帶組織的高倍率圖像。C、犬類;d， 牙本質(zhì);dTB，去細(xì)胞化的牙芽;e，琺瑯;H&E，蘇木精和曙紅;I，門牙;nTB，天然牙芽;PM，前摩爾;POL，偏振光圖像。比例尺： A， E = 10 mm;B， F = 2 毫米;C， D， G， H = 20 微米。（張等， 2017) 目前全牙組織工程面臨的挑戰(zhàn)盡管在轉(zhuǎn)化牙科和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得了巨大進(jìn)展，但仍然存在某些障礙，如下所述。 如何創(chuàng)建預(yù)定大小和形狀的功能性全尺寸生物工程牙齒？能夠制造出采用原始牙齒大小和形狀的生物工程牙齒的能力是該領(lǐng)域非常令人垂涎和必要的目標(biāo)。大小和形狀非常重要，特別是對于牙齒，因?yàn)樗鼈兣c對立的牙齒緊密閉塞，其中小于毫米的差異會導(dǎo)致頜骨肌肉和神經(jīng)疼痛，顳下頜關(guān)節(jié)功能障礙和美學(xué)下降。使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造成像和3D打印技術(shù)忠實(shí)地制造生物工程牙齒更換模型的能力無疑有助于該領(lǐng)域更接近實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。大小和形狀的挑戰(zhàn)也與適當(dāng)?shù)难苄纬珊蜕窠?jīng)支配密切相關(guān)，因?yàn)樯锕こ倘叽绲难例X需要適當(dāng)?shù)难苄纬珊蜕窠?jīng)支配才能生長和生存。 另一個重要的考慮因素是如何最好地及時和高度功能性地再生牙齒，并與宿主支持組織（如牙槽頜骨和PDL）相結(jié)合。組織工程和再生醫(yī)學(xué)的新的和有前途的策略包括同時對組織（如肌肉，骨神經(jīng)和脈管系統(tǒng)）進(jìn)行協(xié)調(diào)的同時工程，以促進(jìn)功能性生物工程組織的成功創(chuàng)建。這種方法目前正在應(yīng)用于頜骨和牙齒結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建，它們可以與支撐脈管系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)一起生長，以產(chǎn)生功能性牙齒。 血管形成和神經(jīng)支配天然組織和器官高度血管化，為組織提供適當(dāng)?shù)臓I養(yǎng)并去除不需要的細(xì)胞廢物。此外，對于牙齒而言，特別重要的是，神經(jīng)系統(tǒng)的存在來感知和調(diào)節(jié)疼痛，例如通過咬牙所經(jīng)歷的疼痛，對于這些組織的健康和壽命非常重要。由于合成牙植入物不受支配，因此植入物和/或咬合牙齒在咀嚼時由于過度用力而斷裂的情況并不少見。再生高度血管化和支配的牙齒的能力將是對目前可用的牙齒替代療法的重大改進(jìn)，因此是該領(lǐng)域非常令人垂涎的目標(biāo)。在理解和操縱生物工程牙齒的血管形成和神經(jīng)支配方面取得了進(jìn)展。添加外源性藥物以促進(jìn)神經(jīng)支配，例如信號3A受體抑制劑，促進(jìn)牙髓神經(jīng)支配，通過環(huán)孢菌素A等藥物進(jìn)行免疫調(diào)節(jié)，以及以骨髓基質(zhì)細(xì)胞的形式添加細(xì)胞（K?kten等人，2014;Strub et al. 2018）。血管形成很容易發(fā)生在植入異位部位和口腔中的生物工程牙齒中（Young等人，2002;Duailibi et al. 2004;Nait Lechguer et al. 2008;徐等. 2008;阿布卡瓦等人. 2009;張等. 2011;蒙泰羅等人. 2016;Khayat et al. 2017;史密斯等人. 2017;張等人. 2017;夏普實(shí)驗(yàn)室，未發(fā)表的觀察結(jié)果）。 對抗感染，維護(hù)口腔健康天然和生物工程替代牙齒的另一個重要考慮因素是如何最好地保持健康的口腔環(huán)境，具有適當(dāng)和平衡的微生物群和天然唾液防御（Lynge Pedersen和Belstr?m 2019）。由于口腔健康和全身健康的密切聯(lián)系，這仍然是牙科臨床醫(yī)生以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。特別是，由于牙齒脫落通常是由齲齒和牙周病引起的炎癥和疾病引起的，因此減少口腔中不必要的細(xì)菌負(fù)荷并保持健康的口腔環(huán)境是天然，合成植入物和生物工程牙齒存活的關(guān)鍵。提高對健康與不健康的口腔微生物群的了解，以及創(chuàng)造和維持健康口腔環(huán)境的新方法，肯定會促進(jìn)天然，合成和生物工程牙齒的壽命更長。 復(fù)雜的牙科組織再生結(jié)合合成和生物工程牙科組織的能力也是該領(lǐng)域的一種有前途的方法。例如，用生物工程PDL組織增強(qiáng)鈦植入物的能力，這些組織可以在植入物表面上精心制作骨水泥并附著在植入物表面上，以及在PDL-bone界面合成骨骼，這將改善當(dāng)前的種植體技術(shù)，使牙科植入物更類似于天然牙齒。這種“l(fā)iga-plants”以及合成材料和活組織結(jié)構(gòu)體的其他組合很可能是未來的一種方式，將兩者的優(yōu)點(diǎn)融合到一種功能更強(qiáng)大的牙齒替代療法中。最后，組織再生的無細(xì)胞方法也正在探索中，以避免對自體細(xì)胞來源的需求以及使用同種異體細(xì)胞來源的預(yù)期免疫排斥反應(yīng)。從體外培養(yǎng)的DE和DM細(xì)胞組織培養(yǎng)基中收獲的分泌外泌體和微囊泡可用于“功能化”水凝膠和其他類型的支架，將牙科細(xì)胞分化到硬質(zhì)和軟質(zhì)牙齒組織中，而無需接種細(xì)胞（Huleihel等人，2016）。此外，存在于去細(xì)胞化牙芽支架上的基質(zhì)結(jié)合囊泡（MBV）也可能被證明對再生牙科的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義（van der Merwe等人，2019）。 結(jié)論未來：牙科組織和全牙組織工程的新機(jī)遇和有希望的機(jī)會 - 下一步在哪里？我們預(yù)計(jì)，組織工程、再生醫(yī)學(xué)和牙科領(lǐng)域的持續(xù)進(jìn)步將促進(jìn)改進(jìn)的牙科修復(fù)療法的發(fā)展，包括全牙組織工程。目前，牙齒生物工程的整體概念已在原則上得到驗(yàn)證。來自小鼠和人類的成體和胚胎細(xì)胞的組合已被證明在體外形成牙齒原基。將這些結(jié)構(gòu)手術(shù)移植到口腔中，證明為它們發(fā)育成功能齊全的萌出牙齒提供了合適的環(huán)境。由于如何在體外培養(yǎng)的胚胎牙齒細(xì)胞中保持誘導(dǎo)能力的長期障礙可能即將得到解決，以及成功操縱成體細(xì)胞來源以形成生物工程牙科組織，創(chuàng)造人類生物工程牙齒的臨床療法在不久的將來可能是一個現(xiàn)實(shí)的前景（圖 5). 然而，仍有一些問題必須首先解決。一個是如何控制生物工程牙冠大小和形狀的重大問題。如何通過生物工程牙原基來指導(dǎo)牙冠的精確尺寸和形狀？第二個考慮因素是，完整的人類琺瑯質(zhì)礦化大約需要1年，而新出發(fā)的生物工程牙齒相對而言可能會被嚴(yán)重破壞。然而，事實(shí)上，如果至少暫時把重點(diǎn)放在完善生物工程功能牙根的方法上，這些問題可能就不那么重要了。目前的替代牙齒療法，無論是合成的還是生物工程的，挑戰(zhàn)是如何最好地確保下頜的更換。目前使用的金屬牙種植體基本上是人造牙根。如果生物工程方法可用于創(chuàng)建功能齊全的牙根，包含牙本質(zhì)和牙髓以及支撐骨水泥，PDL和牙槽骨組織，那么牙冠的大小，形狀和礦物質(zhì)質(zhì)量可能就不那么重要了，只要生物工程牙根可以支撐精確的3D打印牙冠。 雖然對全牙生物工程的未來非常樂觀，但我們也認(rèn)識到首先必須克服的重大障礙，這將需要大量的財(cái)政投資，時間和一定的運(yùn)氣?？紤]人類生物工程牙齒治療的可能成本也很重要。例如，如果一顆生物工程牙齒的價格為10，000美元，它是否是一種商業(yè)上可行的產(chǎn)品，可以由牙科保險支持？這是一個重要的考慮因素，因?yàn)樵偕t(yī)學(xué)領(lǐng)域充斥著由于成本過高而失敗的產(chǎn)品。一些再生醫(yī)學(xué)和牙科方法，包括那些使用iPSCs的方法，將是非常有利的，但引起了人們的擔(dān)憂，即基于iPSC的療法在高容量，低成本的牙科治療領(lǐng)域是否具有商業(yè)可行性。雖然我們確信全牙生物工程最終將成為可能，但它需要具有成本競爭力才能成為主流臨床療法。因此，生物工程牙齒組織工程療法的持續(xù)和未來研究工作應(yīng)包括成本考慮因素。 當(dāng)前市場和預(yù)期需求目前牙齒置換療法的市場是光明的。各種消息來源稱，2016年全球種植牙市場規(guī)模為37.7億美元，在2014-2016年的預(yù)測期內(nèi)以7.7%的復(fù)合年增長率增長（Grand View Research 2018）。世界衛(wèi)生組織（WHO）報告稱，每年約有1000萬人遭受的傷害需要牙齒更換治療（Day等人，2019年），美國種植牙科學(xué)會表示，每年有超過1500萬人因牙齒缺失而接受牙橋和牙冠置換療法（Bassir等人，2019）。美國牙科協(xié)會報告稱，美國每年放置500萬個植入物（Block 2018），預(yù)計(jì)這一數(shù)字將繼續(xù)增加。iData Research的市場報告指出，整個美國牙科市場目前價值超過170億美元，牙科假肢高達(dá)103億美元，牙科植入物14億美元，假牙，牙橋和牙骨移植替代品10億美元（Listl等人，2015）。這些數(shù)字部分是由美國和世界老齡化人口增加推動的，預(yù)計(jì)到2050年，美國65歲以上的人口將達(dá)到20%。所有這些預(yù)測都強(qiáng)調(diào)了對生物工程牙科組織和整個牙齒更好，更有效的療法的需求。 作者貢獻(xiàn)P.C. Yelick，為構(gòu)思，設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集做出了貢獻(xiàn)，起草并批判性地修改了手稿;P.T. Sharpe為構(gòu)思和數(shù)據(jù)解釋做出了貢獻(xiàn)，起草并批判性地修改了手稿。兩位作者都給予了最終批準(zhǔn)，并同意對工作的各個方面負(fù)責(zé)。 確認(rèn)我們感謝所有為牙齒組織工程領(lǐng)域的進(jìn)步做出貢獻(xiàn)的人，包括我們各自實(shí)驗(yàn)室的成員。我們也感謝美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）/國家牙科和顱面研究所（NIDCR）/國家生物醫(yī)學(xué)成像和生物工程研究所以及其他來源的研究資金和支持。作者的機(jī)構(gòu)支持這項(xiàng)工作。 引用
來自《牙科研究雜志》的文章由國際和美國牙科研究協(xié)會提供 |
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