牙骨質細胞的研究進展

謝雨菲 趙寧 綜述 沈剛 審校

牙骨質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系的重要結構。根據細胞分布和纖維來源，牙骨質可被分為4種類型:無細胞無纖維牙骨質、無細胞外源性纖維牙骨質、有細胞內源性纖維牙骨質及有細胞混合纖維牙骨質。牙骨質在解剖學上屬于牙體組織，而在功能上則與牙周組織密切相關［1］，它對牙齒起保護和支持作用，使其固位于牙槽窩內，承擔咀嚼力量。同時，由于牙骨質終生不斷沉積，對牙齒的生理性移動和部分病理性變化起到了補償作用［2－4］。牙骨質不含血管，生理情況下的牙骨質代謝非常緩慢。部分病理情況如根尖炎癥或創傷等可導致根尖牙骨質發生吸收。

牙骨質的組織結構與骨組織相似，由細胞和礦化的細胞間質組成，而牙骨質細胞與骨細胞也有諸多共同點。骨細胞在骨組織所有細胞中占95%以上，在過去很長一段時間學者們一直認為其是一種無功能的“靜止細胞”，但近期骨生物學的研究表明，骨細胞除了保持骨組織的基本形態以外，還具有感知、轉導力學信號，修飾其細胞周圍環境及調節骨代謝等功能［5－6］。近年來，牙骨質細胞在全身及局部代謝中所扮演的角色也開始得到越來越多學者的關注。牙骨質細胞是否也同骨細胞一樣可以感知外周環境變化及內分泌信號，甚至對牙骨質代謝具有調節作用呢?本文試將牙骨質細胞與骨細胞進行比較，并結合文獻對現階段國內外有關牙骨質細胞及其功能的研究進展作一綜述。

1 牙骨質細胞的來源與形態結構

骨細胞起源于成骨細胞。終末分化的成骨細胞被新礦化的骨基質包埋后，其合成活動停止，細胞形態發生改變，突起增多，最終成為骨細胞。

對于成牙骨質細胞的起源目前還存在一定爭議。經典的理論認為成牙骨質細胞是由牙囊外胚間葉細胞分化而成。近年來的研究表明，在牙的發育過程中，赫特維希上皮根鞘細胞發生由上皮細胞向間充質細胞的轉變，可分化成為成牙骨質細胞［7－8］。成牙骨質細胞的形態結構與成骨細胞有很高的相似度，體積較大，多呈立方形，細胞核深染，胞質富含粗糙內質網和高爾基復合體，表明其基因轉錄及蛋白質合成活動十分活躍［9－11］。在敲除一些關鍵性成骨調節因子如 Runx2、Osterix后，骨及細胞牙骨質生成活動的改變有很多共同點［12－13］。但是，也有一些體內和體外研究表明，成骨細胞及成牙骨質細胞也存在諸多差異。

在細胞牙骨質生成的過程中，成牙骨質細胞以相對快速的多極方式分泌基質生成類牙骨質，而細胞本身則被埋入其中成為牙骨質前體細胞［10－11］。被包埋的牙骨質前體細胞在初期尚具有分泌功能，此后形態逐漸發生改變，細胞器減少，翼狀細胞突變得細長并開始發出細小分枝，分泌活動也減弱［13－14］。成熟的牙骨質細胞形態類似于骨細胞，細小的胞質突起可相互吻合。電鏡下觀察牙骨質細胞，細胞器排列稀疏，內質網擴張，線粒體稀少。隨著基質的不斷沉積與包埋，位于深處的牙骨質細胞逐漸縮小，核皺縮，細胞器進一步減少，空泡溶酶體增多，細胞內吞活動減少，甚至發生變性或消失，深層細胞牙骨質中可有空陷窩出現［9，16－18］。

2 牙骨質細胞陷窩小管系統

包埋骨細胞體與細胞突起的陷窩小管相互通聯形成星網狀陷窩小管系統，它是代謝產物交流及互換的通道。骨細胞通過突起之間的縫隙連接將多個細胞連接在一起，形成一個多核的合胞體，使細胞信號可以在多個細胞間傳遞。骨細胞間除了通過縫隙連接相互聯系外，細胞與陷窩小管之間的環形間隙內所充填的流體、蛋白多糖等也是細胞間相互聯絡的一個重要方面［6，10］。這種結構使應力作用下深層骨細胞與血管及骨表面的成骨細胞、破骨細胞等的物質交換與信息傳遞成為可能。因此，骨細胞是一種細胞動力學群體，當外界環境穩定性發生改變時，可以對不同刺激作出反應。

成熟的牙骨質細胞位于牙骨質陷窩內并且具備陷窩小管系統［3，13，19－20］。和骨細胞一樣，牙骨質細胞在被不斷生成的基質包埋的同時也能夠與外界進行物質交換和信息傳遞。但是，有研究表明，牙骨質細胞和骨細胞的胞質突起及陷窩小管結構是存在差別的。骨細胞的胞質突起數量從40～100個不等，牙骨質細胞突起則只有8～20個［6，21］。骨細胞陷窩多呈規則的橢圓形，牙骨質細胞陷窩較之更大，形態相對不規則，陷窩壁厚，位于深層的細胞牙骨質可見空陷窩［18］。部分細胞牙骨質陷窩內可含不止一個細胞［9，19］，而這在骨細胞系統中幾乎不可見。與骨細胞相比，牙骨質細胞小管網狀結構較為疏松，排列欠有序［20，22］。鄰近的牙骨質細胞間突起存在縫隙連接［14］，具體分子結構是否與骨細胞類似目前尚不明確。有學者通過在小鼠體內注射示蹤劑證實了牙骨質陷窩小管系統功能性通道的存在。值得注意的是，示蹤劑在骨陷窩內是均質分布的，而在牙骨質細胞周圍則分布不均勻，包埋在深層的牙骨質細胞陷窩內染色更深。該實驗結果一方面證實了深層牙骨質細胞間通訊的存在，但同時也表明牙骨質的陷窩小管系統內組織液的循環流動可能不如骨細胞通暢［23］。在小鼠離體牙牙骨質細胞的異硫氰酸熒光素染色也證實了這些發現［18］。

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

3 牙骨質細胞相關標志物

骨細胞生成的過程需要經歷類骨質細胞的形成、類骨質骨細胞礦化及骨細胞的成熟三個階段，每一個階段都有相應的高表達基因［5－6］。類骨質骨細胞表達E11，主要在樹突延伸過程中起重要作用。膜型基質金屬蛋白酶1(Membrane type-1matrix metalloproteinase，MT1-MMP，MT1-MMP)參與細胞外基質降解與改建，對骨餡窩小管系統的發育至關重要。此外，在類骨質骨細胞的形成階段X連鎖磷酸鹽調節基因(Phex)及細胞外基質磷酸化糖蛋白(matrix extracellular phosphoglycoprotein，MEPE)的表達也會增加，而礦化骨細胞會增加牙本質基質蛋白(dentin matrix protein 1，DMP1)的表達。成熟骨細胞的標志物主要是WNT信號通路調節因子骨硬化蛋白。長久以來，這些骨細胞相關標志物在牙骨質細胞中的表達水平和作用機制一直不太明確。Zhao等［19］建立了牙骨質細胞系 IDGCM6并對其進行了一系列研究，結果表明，牙骨質表達基因與骨細胞系IDG-SW3類似，包括Dmp1/DMP1，Phex，E11/gp38，MT1-MMP和 Sost/Sclerostin等。

DMP1因最初發現于大鼠牙本質中而得名。多項研究表明，DMP1在骨組織中的表達水平遠高于牙本質。DMP1參與骨的礦化過程，對骨骼的正常形成起著重要的調控作用。動物實驗證實，牙骨質細胞也表達 DMP1［14，17］。DMP1 基因缺陷的小鼠患有佝僂病，細胞牙骨質生成減少并出現礦化不全，牙骨質形態發生缺陷，骨陷窩小管系統異常［24］。

Phex蛋白在骨和牙的發育過程中都起著十分重要的作用。Phex基因發生突變可導致遺傳性X連鎖低磷性佝僂病低磷酸鹽血癥的發生。已有研究證實在X連鎖低磷性佝僂病的動物模型之一Hyp鼠同樣會出現細胞牙骨質異常［25］。

E11是早期骨細胞表達的標志蛋白，與樹突的形成有關［26］。研究表明E11蛋白存在于鼠牙骨質細胞中［27］。在小鼠體內，只有類牙骨質樹突中出現特異性的E11蛋白表達。IDG-CM6牙骨質細胞系在早期即出現E11的高表達。

MT1-MMP作為早期骨細胞的標志物之一，如發生突變會導致骨細胞樹突數目減少甚至缺如［28］。實驗證實，條件性敲除MT1-MMP的小鼠出現細胞牙骨質形態和分布不正常［29］。

成熟的骨細胞表達骨硬化蛋白，通過對成骨細胞的WNT信號的抑制作用負向調節骨生成。骨硬化蛋白由SOST基因編碼，體內外實驗皆證實牙骨質細胞表達SOST［30－32］，敲除小鼠SOST 基因導致細胞牙骨質沉積增多，牙槽骨骨量增加，骨皮質厚度和骨密度也有增高［27，33］。

4 牙骨質細胞的功能

骨組織具有活躍的改建能力，大量研究顯示骨細胞是骨組織改造塑形過程的主要調節者。骨組織作為應力感受細胞，可將機械應力轉化為生物學反應，產生調節破骨細胞和成骨細胞活性的因子。這些因子可能通過縫隙連接介導的細胞間通信系統和骨陷窩小管液的流體動力變化來調節成骨及破骨細胞活動，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)和骨保護素(Osteoprotegerin，OPG)是十分重要的骨吸收相關調節因子。RANKL能刺激破骨細胞的分化、活化，抑制破骨細胞凋亡，OPG則通過阻斷RANKL的功能，抑制破骨細胞的分化和活化，誘導破骨細胞凋亡。OPG與RANKL的比值是決定破骨細胞的成熟及功能狀態的關鍵，與骨的改建密切相關［5，34－36］。牙骨質缺乏與骨組織類似的改建及重塑的能力，但在正畸牙移動的過程及一些病理狀態下，牙骨質較牙槽骨具有更強的抗吸收能力，對牙骨質這種抗吸收能力的具體機制目前尚沒有較為深入的研究。與牙槽骨及長骨骨細胞相比，細胞性牙骨質高表達OPG基因，而RANKL表達相對較低，OPG/RANKL比值較高。Zhao等［19］的研究表明，牙骨質細胞系IDG-CW6的OPG/RANKL比值比骨細胞系IDG-SW3高，且應用流體剪切力對細胞進行加載后，IDG-CM6的OPG/RANKL比值進一步上升升高，表明無論自然狀態或是應力作用下，牙骨質對破骨細胞的分化和活化都有更強的抑制潛能。

骨細胞對骨生成活動的調節主要是通過分泌骨硬化蛋白實現的。骨硬化蛋白是一種分泌型糖蛋白，由SOST基因編碼。在應力刺激下通過突觸傳遞至骨表面，作用于成骨細胞，降低成骨速度。骨硬化蛋白表達的變化是一種骨骼對機械刺激的適應性反應。人和小鼠的牙骨質細胞均有骨硬化蛋白及SOST基因的表達［30－32］。SOST基因敲除的小鼠出現細胞牙骨質的沉積增多，牙槽骨骨量增加，骨皮質厚度和骨密度也相應增高［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出牙骨質增多的表型，牙周膜間隙變窄［31］。對牙骨質細胞系加載流體剪切力后SOST mRNA表達減少［19］。牙根生理性吸收的現象伴隨著牙骨質的生理性再生修復。有學者發現，在牙骨質的修復過程中，部分無細胞牙骨質處吸收陷窩外會生成一層薄的細胞牙骨質［6］。SOST只在細胞牙骨質中表達，以往的研究表明，牙骨質細胞中骨硬化蛋白及SOST基因均表現為較高水平的表達。同時，在牙骨質細胞系IDG-CM6中，其表達還出現一定的時相性，故SOST可能與牙骨質的修復存在一定關聯［18］。

牙骨質細胞表達與礦物質平衡功能密切相關的基因如Dmp1，Phex等，但表達量與骨細胞相比很低。早期曾有學者提出牙骨質細胞參與類牙骨質基質的繼發性礦化，而對IDG-CM6細胞系的研究也表明牙骨質細胞具備促進礦化作用［19］。

5 小結

綜上所述，牙骨質與骨組織有諸多共同的特征，而牙骨質細胞與骨細胞在組織形態學和分子生物學表達方面也有一定的相似性，但又存在諸多差異。和骨細胞一樣，牙骨質細胞具備陷窩小管系統，能在彼此之間或與外界進行物質交換和信息傳遞，骨細胞分泌的多種調控因子在牙骨質細胞中也有表達，但對于牙骨質細胞在牙骨質的發生發育及發揮功能的過程究竟起到何種作用，以及作用機制等問題目前尚不明確，有待未來進一步的深入研究。截至目前，關于牙骨質細胞臨床應用價值的研究文獻極為鮮見。但仍有研究表明牙骨質細胞作為牙骨質的功能性細胞，在壓根吸收、牙周病牙骨質的再生，以及正畸治療過程中相關炎性牙根吸收的修復中發揮的重要作用［37］。隨著對牙骨質細胞研究的深入，將更利于包括正畸、牙周疾病的治療及口腔相關學科的臨床工作的開展。

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