牙骨质细胞的研究进展

谢雨菲 赵宁 综述 沈刚 审校

牙骨质是覆盖在牙根表面的薄层矿化组织，也是维持牙和牙周组织联系的重要结构。根据细胞分布和纤维来源，牙骨质可被分为4种类型:无细胞无纤维牙骨质、无细胞外源性纤维牙骨质、有细胞内源性纤维牙骨质及有细胞混合纤维牙骨质。牙骨质在解剖学上属于牙体组织，而在功能上则与牙周组织密切相关［1］，它对牙齿起保护和支持作用，使其固位于牙槽窝内，承担咀嚼力量。同时，由于牙骨质终生不断沉积，对牙齿的生理性移动和部分病理性变化起到了补偿作用［2－4］。牙骨质不含血管，生理情况下的牙骨质代谢非常缓慢。部分病理情况如根尖炎症或创伤等可导致根尖牙骨质发生吸收。

牙骨质的组织结构与骨组织相似，由细胞和矿化的细胞间质组成，而牙骨质细胞与骨细胞也有诸多共同点。骨细胞在骨组织所有细胞中占95%以上，在过去很长一段时间学者们一直认为其是一种无功能的“静止细胞”，但近期骨生物学的研究表明，骨细胞除了保持骨组织的基本形态以外，还具有感知、转导力学信号，修饰其细胞周围环境及调节骨代谢等功能［5－6］。近年来，牙骨质细胞在全身及局部代谢中所扮演的角色也开始得到越来越多学者的关注。牙骨质细胞是否也同骨细胞一样可以感知外周环境变化及内分泌信号，甚至对牙骨质代谢具有调节作用呢?本文试将牙骨质细胞与骨细胞进行比较，并结合文献对现阶段国内外有关牙骨质细胞及其功能的研究进展作一综述。

1 牙骨质细胞的来源与形态结构

骨细胞起源于成骨细胞。终末分化的成骨细胞被新矿化的骨基质包埋后，其合成活动停止，细胞形态发生改变，突起增多，最终成为骨细胞。

对于成牙骨质细胞的起源目前还存在一定争议。经典的理论认为成牙骨质细胞是由牙囊外胚间叶细胞分化而成。近年来的研究表明，在牙的发育过程中，赫特维希上皮根鞘细胞发生由上皮细胞向间充质细胞的转变，可分化成为成牙骨质细胞［7－8］。成牙骨质细胞的形态结构与成骨细胞有很高的相似度，体积较大，多呈立方形，细胞核深染，胞质富含粗糙内质网和高尔基复合体，表明其基因转录及蛋白质合成活动十分活跃［9－11］。在敲除一些关键性成骨调节因子如 Runx2、Osterix后，骨及细胞牙骨质生成活动的改变有很多共同点［12－13］。但是，也有一些体内和体外研究表明，成骨细胞及成牙骨质细胞也存在诸多差异。

在细胞牙骨质生成的过程中，成牙骨质细胞以相对快速的多极方式分泌基质生成类牙骨质，而细胞本身则被埋入其中成为牙骨质前体细胞［10－11］。被包埋的牙骨质前体细胞在初期尚具有分泌功能，此后形态逐渐发生改变，细胞器减少，翼状细胞突变得细长并开始发出细小分枝，分泌活动也减弱［13－14］。成熟的牙骨质细胞形态类似于骨细胞，细小的胞质突起可相互吻合。电镜下观察牙骨质细胞，细胞器排列稀疏，内质网扩张，线粒体稀少。随着基质的不断沉积与包埋，位于深处的牙骨质细胞逐渐缩小，核皱缩，细胞器进一步减少，空泡溶酶体增多，细胞内吞活动减少，甚至发生变性或消失，深层细胞牙骨质中可有空陷窝出现［9，16－18］。

2 牙骨质细胞陷窝小管系统

包埋骨细胞体与细胞突起的陷窝小管相互通联形成星网状陷窝小管系统，它是代谢产物交流及互换的通道。骨细胞通过突起之间的缝隙连接将多个细胞连接在一起，形成一个多核的合胞体，使细胞信号可以在多个细胞间传递。骨细胞间除了通过缝隙连接相互联系外，细胞与陷窝小管之间的环形间隙内所充填的流体、蛋白多糖等也是细胞间相互联络的一个重要方面［6，10］。这种结构使应力作用下深层骨细胞与血管及骨表面的成骨细胞、破骨细胞等的物质交换与信息传递成为可能。因此，骨细胞是一种细胞动力学群体，当外界环境稳定性发生改变时，可以对不同刺激作出反应。

成熟的牙骨质细胞位于牙骨质陷窝内并且具备陷窝小管系统［3，13，19－20］。和骨细胞一样，牙骨质细胞在被不断生成的基质包埋的同时也能够与外界进行物质交换和信息传递。但是，有研究表明，牙骨质细胞和骨细胞的胞质突起及陷窝小管结构是存在差别的。骨细胞的胞质突起数量从40～100个不等，牙骨质细胞突起则只有8～20个［6，21］。骨细胞陷窝多呈规则的椭圆形，牙骨质细胞陷窝较之更大，形态相对不规则，陷窝壁厚，位于深层的细胞牙骨质可见空陷窝［18］。部分细胞牙骨质陷窝内可含不止一个细胞［9，19］，而这在骨细胞系统中几乎不可见。与骨细胞相比，牙骨质细胞小管网状结构较为疏松，排列欠有序［20，22］。邻近的牙骨质细胞间突起存在缝隙连接［14］，具体分子结构是否与骨细胞类似目前尚不明确。有学者通过在小鼠体内注射示踪剂证实了牙骨质陷窝小管系统功能性通道的存在。值得注意的是，示踪剂在骨陷窝内是均质分布的，而在牙骨质细胞周围则分布不均匀，包埋在深层的牙骨质细胞陷窝内染色更深。该实验结果一方面证实了深层牙骨质细胞间通讯的存在，但同时也表明牙骨质的陷窝小管系统内组织液的循环流动可能不如骨细胞通畅［23］。在小鼠离体牙牙骨质细胞的异硫氰酸荧光素染色也证实了这些发现［18］。

骨组织内含丰富的血管，骨细胞在骨组织活跃的改建活动中起到了十分重要的作用。然而，牙骨质是不含血管的组织，终生不断沉积而成，几乎不存在生理性的改建。牙骨质和骨组织在结构和功能上的差异在一定程度也导致了牙骨质细胞彼此间的通讯与交流不如骨细胞活跃。

3 牙骨质细胞相关标志物

骨细胞生成的过程需要经历类骨质细胞的形成、类骨质骨细胞矿化及骨细胞的成熟三个阶段，每一个阶段都有相应的高表达基因［5－6］。类骨质骨细胞表达E11，主要在树突延伸过程中起重要作用。膜型基质金属蛋白酶1(Membrane type-1matrix metalloproteinase，MT1-MMP，MT1-MMP)参与细胞外基质降解与改建，对骨馅窝小管系统的发育至关重要。此外，在类骨质骨细胞的形成阶段X连锁磷酸盐调节基因(Phex)及细胞外基质磷酸化糖蛋白(matrix extracellular phosphoglycoprotein，MEPE)的表达也会增加，而矿化骨细胞会增加牙本质基质蛋白(dentin matrix protein 1，DMP1)的表达。成熟骨细胞的标志物主要是WNT信号通路调节因子骨硬化蛋白。长久以来，这些骨细胞相关标志物在牙骨质细胞中的表达水平和作用机制一直不太明确。Zhao等［19］建立了牙骨质细胞系 IDGCM6并对其进行了一系列研究，结果表明，牙骨质表达基因与骨细胞系IDG-SW3类似，包括Dmp1/DMP1，Phex，E11/gp38，MT1-MMP和 Sost/Sclerostin等。

DMP1因最初发现于大鼠牙本质中而得名。多项研究表明，DMP1在骨组织中的表达水平远高于牙本质。DMP1参与骨的矿化过程，对骨骼的正常形成起着重要的调控作用。动物实验证实，牙骨质细胞也表达 DMP1［14，17］。DMP1 基因缺陷的小鼠患有佝偻病，细胞牙骨质生成减少并出现矿化不全，牙骨质形态发生缺陷，骨陷窝小管系统异常［24］。

Phex蛋白在骨和牙的发育过程中都起着十分重要的作用。Phex基因发生突变可导致遗传性X连锁低磷性佝偻病低磷酸盐血症的发生。已有研究证实在X连锁低磷性佝偻病的动物模型之一Hyp鼠同样会出现细胞牙骨质异常［25］。

E11是早期骨细胞表达的标志蛋白，与树突的形成有关［26］。研究表明E11蛋白存在于鼠牙骨质细胞中［27］。在小鼠体内，只有类牙骨质树突中出现特异性的E11蛋白表达。IDG-CM6牙骨质细胞系在早期即出现E11的高表达。

MT1-MMP作为早期骨细胞的标志物之一，如发生突变会导致骨细胞树突数目减少甚至缺如［28］。实验证实，条件性敲除MT1-MMP的小鼠出现细胞牙骨质形态和分布不正常［29］。

成熟的骨细胞表达骨硬化蛋白，通过对成骨细胞的WNT信号的抑制作用负向调节骨生成。骨硬化蛋白由SOST基因编码，体内外实验皆证实牙骨质细胞表达SOST［30－32］，敲除小鼠SOST 基因导致细胞牙骨质沉积增多，牙槽骨骨量增加，骨皮质厚度和骨密度也有增高［27，33］。

4 牙骨质细胞的功能

骨组织具有活跃的改建能力，大量研究显示骨细胞是骨组织改造塑形过程的主要调节者。骨组织作为应力感受细胞，可将机械应力转化为生物学反应，产生调节破骨细胞和成骨细胞活性的因子。这些因子可能通过缝隙连接介导的细胞间通信系统和骨陷窝小管液的流体动力变化来调节成骨及破骨细胞活动，从而指挥骨改建。

核因子NF-κB受体活化因子配体(receptor activator ofnuclear factor kappaB ligand，RANKL)和骨保护素(Osteoprotegerin，OPG)是十分重要的骨吸收相关调节因子。RANKL能刺激破骨细胞的分化、活化，抑制破骨细胞凋亡，OPG则通过阻断RANKL的功能，抑制破骨细胞的分化和活化，诱导破骨细胞凋亡。OPG与RANKL的比值是决定破骨细胞的成熟及功能状态的关键，与骨的改建密切相关［5，34－36］。牙骨质缺乏与骨组织类似的改建及重塑的能力，但在正畸牙移动的过程及一些病理状态下，牙骨质较牙槽骨具有更强的抗吸收能力，对牙骨质这种抗吸收能力的具体机制目前尚没有较为深入的研究。与牙槽骨及长骨骨细胞相比，细胞性牙骨质高表达OPG基因，而RANKL表达相对较低，OPG/RANKL比值较高。Zhao等［19］的研究表明，牙骨质细胞系IDG-CW6的OPG/RANKL比值比骨细胞系IDG-SW3高，且应用流体剪切力对细胞进行加载后，IDG-CM6的OPG/RANKL比值进一步上升升高，表明无论自然状态或是应力作用下，牙骨质对破骨细胞的分化和活化都有更强的抑制潜能。

骨细胞对骨生成活动的调节主要是通过分泌骨硬化蛋白实现的。骨硬化蛋白是一种分泌型糖蛋白，由SOST基因编码。在应力刺激下通过突触传递至骨表面，作用于成骨细胞，降低成骨速度。骨硬化蛋白表达的变化是一种骨骼对机械刺激的适应性反应。人和小鼠的牙骨质细胞均有骨硬化蛋白及SOST基因的表达［30－32］。SOST基因敲除的小鼠出现细胞牙骨质的沉积增多，牙槽骨骨量增加，骨皮质厚度和骨密度也相应增高［27，32］。由于SOST基因缺陷而罹患骨硬化症或范布凯综合征的患者均表现出牙骨质增多的表型，牙周膜间隙变窄［31］。对牙骨质细胞系加载流体剪切力后SOST mRNA表达减少［19］。牙根生理性吸收的现象伴随着牙骨质的生理性再生修复。有学者发现，在牙骨质的修复过程中，部分无细胞牙骨质处吸收陷窝外会生成一层薄的细胞牙骨质［6］。SOST只在细胞牙骨质中表达，以往的研究表明，牙骨质细胞中骨硬化蛋白及SOST基因均表现为较高水平的表达。同时，在牙骨质细胞系IDG-CM6中，其表达还出现一定的时相性，故SOST可能与牙骨质的修复存在一定关联［18］。

牙骨质细胞表达与矿物质平衡功能密切相关的基因如Dmp1，Phex等，但表达量与骨细胞相比很低。早期曾有学者提出牙骨质细胞参与类牙骨质基质的继发性矿化，而对IDG-CM6细胞系的研究也表明牙骨质细胞具备促进矿化作用［19］。

5 小结

综上所述，牙骨质与骨组织有诸多共同的特征，而牙骨质细胞与骨细胞在组织形态学和分子生物学表达方面也有一定的相似性，但又存在诸多差异。和骨细胞一样，牙骨质细胞具备陷窝小管系统，能在彼此之间或与外界进行物质交换和信息传递，骨细胞分泌的多种调控因子在牙骨质细胞中也有表达，但对于牙骨质细胞在牙骨质的发生发育及发挥功能的过程究竟起到何种作用，以及作用机制等问题目前尚不明确，有待未来进一步的深入研究。截至目前，关于牙骨质细胞临床应用价值的研究文献极为鲜见。但仍有研究表明牙骨质细胞作为牙骨质的功能性细胞，在压根吸收、牙周病牙骨质的再生，以及正畸治疗过程中相关炎性牙根吸收的修复中发挥的重要作用［37］。随着对牙骨质细胞研究的深入，将更利于包括正畸、牙周疾病的治疗及口腔相关学科的临床工作的开展。

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