间充质干细胞在正畸牙移动及牙根吸收中的研究进展

杨春先，张丹，唐丁炫 综述 张疆弢 审校

遵义医科大学附属口腔医院正畸科一组，贵州 遵义 563000

错 畸形是指牙齿、颌骨、颅面的畸形，严重影响人们的口腔健康及颜面部的美观，需进行正畸治疗。正畸牙移动(orthodontic tooth movement，OTM)是正畸治疗的基础，依赖于牙周膜和牙槽骨的协调性改建。正畸牙根吸收(orthodontic root resorption，ORR)是正畸治疗的常见并发症[1-2]，部分吸收的牙根在正畸力去除后会修复，但能力有限，而且有部分牙根无法修复[3]。正畸疗程长，随着年龄增加，患者出现牙根吸收、牙移动缓慢等情况的风险增加，如何加快牙移动、减少和修复牙根吸收是正畸领域研究的热点。

多种手术及非手术方法已用于加速牙移动，多种药物及物理方法用于减少或修复牙根吸收，但效果都存在不确定性，于是学者们转向了干细胞疗法。间充质干细胞(mesenchymal stem cells，MSCs)是一类增殖能力强、有多系细胞分化潜能及免疫调节功能的细胞。MSCs不仅分化为成骨细胞直接参与骨形成和骨再生[4]，还通过影响破骨细胞生成来参与骨吸收[5]。OTM 的骨改建包括移动牙的张力侧成骨和压力侧发生骨吸收，MSCs 对成骨细胞和破骨细胞的影响是MSCs 参与OTM 骨改建的关键，MSCs 可通过加速骨改建而加速牙移动。MSCs 有向牙周膜细胞、成牙骨质细胞等牙周组织细胞分化的潜能和免疫调节功能，可再生牙周膜、牙骨质等组织[6-7]，这些特性使MSCs对牙根吸收产生抑制和修复作用。通过综述不同来源MSCs 对正畸牙移动和牙根吸收的影响及可能的机制，可为干细胞应用于加速牙移动和防治牙根吸收的研究提供参考。

1 MSCs对正畸牙移动的影响

1.1 OTM的生物学基础 OTM依赖于多种细胞及生物因子作用下牙周组织的协调性改建。正畸力从牙齿传递至牙周组织，牙周组织局部缺血缺氧和液体流动而引发无菌性炎症级联反应，牙周膜和牙槽骨发生改建，牙齿发生移动，多种细胞如MSCs、成骨细胞、破骨细胞和多种炎症因子如环氧合酶-2(cyclooxygenase-2，COX-2)、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、白介素-1β(ⅠL-1β)以及组织改建因子如巨噬细胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor，M-CSF)、核因子κB 受体活化因子(receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL)、核因子κB 受体活化因子配体(receptor activator of nuclear factor-κB，RANK)、骨保护素(osteoprotegerin，OPG)、转化生长因子-β(transforming growth factorβT，GF-β)参与其中[8]。牙槽骨改建由移动牙张力侧成骨细胞成骨和压力侧破骨细胞吸收骨来完成。TGF-β介导牙周组织中的MSCs 增殖分化为成骨细胞[9]。破骨细胞的分化主要由M-CSF和RANKL调节，成熟的关键途径是RANKL/RANKL/OPG 信号通路的激活，破骨细胞被激活后进行骨吸收[10]，OTM 的速率主要取决于破骨细胞活性和骨吸收过程[11]。牙周膜是一层对机械敏感的纤维结缔组织，可将正畸力从牙齿传递到牙槽骨并为骨改建提供稳定的微环境[12]，去除正畸力后，牙周膜在新的位置上通过改建重新恢复正常结构、形态、功能及与牙槽骨、牙骨质的连接。

1.2 不同来源MSCs对OTM的影响

1.2.1 牙周膜干细胞(periodontal ligament stem cells，PDLSCs) 内源性PDLSCs 参与OTM 中的成骨和破骨并促进骨改建、加速牙移动。PDLSCs 在2004年首次从PDL 中分离出来并被鉴定为MSCs，具有克隆增殖、多向分化和免疫调节特性[13]。MSCs 在维持骨稳态中起重要作用，成骨细胞和破骨细胞活性之间的平衡是OTM 骨改建的关键，PDLSCs是牙周膜特异性MSCs，OTM 中的骨改建是通过PDLSCs 实现的[14-15]。PDLSCs 对机械负荷敏感，在张力和压力刺激下，PDLSCs 可向成骨细胞分化和调节破骨细胞的形成[16-17]。OTM 中，PDLSCs 通过产生高水平的炎性细胞因子和趋化因子来响应正畸机械力[18-19]并影响破骨细胞和成骨细胞的增殖分化及功能来参与骨改建[20]。黄华明等[16]认为PDLSCs的增殖分化潜能可用于重建牙周组织，从而加速正畸治疗。近来的研究证实了PDLSCs 通过分化为成骨细胞和促进破骨细胞生成、增强其活性来加快骨形成和骨吸收，进而加速牙移动。牙周膜中的Gli1+细胞已被证实是PDLSCs[21]，使用抑制剂或遗传消融来减少或清除Gli1+细胞会抑制张力侧成骨和减少压力侧破骨细胞数量而抑制骨改建、减慢牙移动[22]。巨噬细胞包括M1 和M2 样巨噬细胞，其中的M1 样巨噬细胞可产生ⅠL-1β、TNF-α等促炎因子，这些因子促进OTM 中的骨吸收和牙根吸收[18，23]。MSCs在骨改建中调节巨噬细胞极化，硫化氢(H2S)是一种由MSCs 产生并与骨稳态有关的气体递质。机械负荷下PDLSCs 产生更多的H2S 来激活M1样巨噬细胞极化及增加破骨细胞的数量和活性，进而促进骨改建及牙移动[24]。单核细胞趋化蛋白-1(monocyte chemotactic protein-1，MCP-1)和RANKL促进OTM 中巨噬细胞的迁移和破骨细胞的分化，PDLSCs 在正畸力诱导下产生的内源性H2S 通过促进MCP-1 的分泌和RANKL 的表达而促进OTM 中的破骨活动[19]。研究还表明PDLSCs在去除正畸力后通过TGF-β信号介导压力侧牙周膜的恢复，进而促进牙移动复发[25]。因此，如何精准调控PDLSCs 的功能可能是未来研究加速牙移动、减少牙移动复发的重点。

1.2.2 脂肪来源干细胞(adipose-derived stem cells，ADSCs) 移植外源性ADSCs可增加上颌扩弓时牙齿颊侧移动的距离。上颌横向扩弓是常见的正畸治疗措施，通常是打开腭中缝来扩宽牙弓，但难以避免上颌后牙颊侧移动，后牙过度颊侧移动会出现牙槽骨高度降低、牙根吸收等并发症[26]。Gul 等[27]发现移植ADSCs 到大鼠牙周组织后增加了大鼠磨牙在扩弓期向颊侧移动的距离，且与对照组相比，移植细胞组牙周组织中炎症因子COX-2 和与破骨细胞分化成熟相关的RANKL 减少、OPG 含量增加及OPG/RANKL 比值增大。PDLSCs 在OTM 过程中调节成骨细胞和破骨细胞的增殖和分化，对牙周和骨的重塑有重要作用。外源性MSCs 可通过旁分泌机制激活驻留的祖细胞而发挥作用[28]，ADSCs 具有成骨分化和向PDL分化的高潜能[29-30]。Feng 等[25]、Safari 等[31]认为他们移植的ADSCs 可能通过自身分化作用或间接激活牙周组织中驻留的PDLCSs 来影响成骨细胞-破骨细胞的转换及加速骨重建，加快清除牙周膜透明样变区域及促进牙周膜改建，进而阻止或缩短牙移动延迟期、从而促进OTM。

1.2.3 骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMMSCs) 移植的BMMSCs 促进破骨细胞形成及增强其活性加速骨改建，进而加速牙移动。RANKL 与RANK 结合诱导破骨细胞分化，Wang 等[10]发现在M-CSF 刺激下，受压的小鼠骨髓间充质干细胞(mice bone marrow mesenchymal stem cells，mBMMSCs)中RANKL 的表达明显高于未受压的mBMMSCs。正畸加力10 d 后，尾静脉注射移植mBMMSCs 的小鼠较注射生理盐水的对照组小鼠牙移动距离显著增加且压力侧破骨细胞增多、破骨活动增强。李一涵等[32]的研究证实移植骨髓间充质干细胞与颗粒型多孔β磷酸三钙(beta-tricalcium phosphate，β-TCP)支架能良好地修复牙槽骨缺损区，并且缺损区邻牙在此修复区内早期移动时，该区域再生的牙周组织改建活跃、有加速牙移动的趋势。Kanzaki 等[33]和Dunn等[34]发现PDL中OPG水平的升高会减少牙槽骨吸收而减慢牙移动速率，但OPG作用的效果具有剂量依赖性。Gul Amuk 等[27]在正畸加力期间向大鼠移植BMMSCs后发现其牙周膜OPG增高，认为他们移植的BMMSCs可能也会以同样的方式减慢牙移动，但其研究中缺乏数据来证明这一猜测。综上所述，MSCs 是牙移动骨改建的关键细胞，其成骨分化潜能直接影响骨形成，张力刺激下MSCs 成骨分化增强、促进骨形成；压力刺激下MSCs调节破骨细胞形成及其活性，促进破骨，加速骨改建及牙移动。

2 MSCs对正畸牙根吸收的影响

2.1 正畸牙根吸收的生物学基础 正畸牙根吸收是正畸负荷引发无菌性炎症引起牙根表层牙骨质的吸收，更严重的会涉及牙本质的吸收[1]。破牙细胞负责牙根的吸收，包括破牙骨质细胞和破牙本质细胞，由其前体细胞在趋化作用下从牙周膜中游走并转化而来。破牙细胞在黏附素、整合素和细胞外基质蛋白作用下黏附于牙根表面，在多种酶如抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate resistant acid phosphatase，TRAP)、组织蛋白酶和基质金属蛋白酶作用下吸收牙根表面的矿物质和降解有机物[1，35]。RANKL/RANK/OPG 信号通路通过影响破牙细胞的活性参与牙根吸收的调控[1，36]，炎症因子如前列腺素、白介素1、COX-2 和TNF-α通过促进炎症的产生而促进牙根吸收[35，37-38]。吸收的牙根由牙周膜前体细胞/干细胞分化为成牙骨质细胞并形成牙骨质来修复[20，39]，同时牙周膜中产生新生Sharpey 纤维附着于这些牙骨质中形成牙周膜和牙根表面的连接，进而恢复牙根的形态和功能[40]。牙根吸收区的某些非细胞物质也参与牙根的修复，纤维连接蛋白、骨桥蛋白(osteopontin，OPN)等细胞外基质蛋白有助于招募成牙骨质细胞前体细胞至牙根表面并促进其黏附增殖和分化为成牙骨质细胞；局部的细胞因子和生长因子如骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein 2，BMP-2)和TGF-β等在成牙骨质细胞细胞前体细胞分化和成牙骨质细胞增殖中发挥重要作用[41]。

2.2 不同来源的MSCs 对正畸牙根吸收的影响 MSCs 通过向不同种类的细胞分化及免疫调节功能来修复或替代缺损的组织，现已被广泛用于口腔组织的修复和再生，不同种类MSCs 如PDLSCs、BMMSCs、ADSCs 等在体内均可诱导牙周组织再生[42]。移植部位的微环境可提供干细胞分化所需的营养物质、生长因子和细胞外基质，是干细胞分化为不同类型细胞的关键[43]。MSCs 在牙本质块上体外培养时表达成牙骨质细胞分化及牙体硬组织矿化相关的OPN 和骨涎蛋白(bone sialoprotein，BSP)，移植到牙周组织微环境中的MSCs可分化为成牙骨质细胞和成纤维细胞并形成牙骨质和牙周膜[44]。正畸牙根吸收与无菌性炎症相关，多种炎症因子促进牙根吸收，吸收的牙根恢复其形态和功能需要形成新的牙骨质和重建正常形态的牙周膜。MSCs的免疫调节功能及生成牙骨质/PDL 样复合物的潜力使其应用于正畸牙根吸收的研究[13，29]。

2.2.1 脂肪来源干细胞(adipose-derived stem cells，ADSCs) ADSCs 是来源于脂肪组织的MSCs，因其可自体移植、易获得、短时间内大量扩增等优势，被认为是牙周组织再生最有前景的干细胞。干细胞移植处的局部微环境被称为干细胞生态位，对干细胞的自我更新和分化有重要作用[45]。ADSCs 可分化为成骨细胞[46]，成牙骨质细胞与成骨细胞相似甚至被认为是成骨细胞的亚群，因此有学者猜想ADSCs在合适的环境下可向成牙骨质细胞分化[47-48]。牙囊间充质干细胞与牙根表面未矿化的牙本质基质接触是牙骨质形成所需的微环境[49]，温秀杰等[48]在体外将成牙本质非胶原蛋白和牙囊细胞条件培养液混合以模拟牙骨质形成的微环境并培养出有成牙骨质细胞特征的ADSCs。Lemaitre等[29]证实了移植的ADSCs不仅分化为成牙骨质细胞，而且还通过招募内源性成牙骨质细胞前体细胞至牙根表面及促进其分化为成牙骨质细胞而再生牙骨质[50]。同种异体移植和自体移植ADSCs 都可形成新的牙骨质、牙周膜及Sharpey 纤维。ADSCs 再生牙周膜、牙骨质的能力使其对正畸牙根吸收产生影响。ADSCs可通过抑制炎症、加速牙周膜改建和再生牙骨质来抑制正畸牙根吸。上颌横向扩弓治疗会导致后牙颊倾，而牙齿过度颊侧倾斜会导致牙根吸收。Gul Amuk 等[27]建立大鼠快速上颌扩弓模型并向大鼠磨牙周围移植ADSCs 后减少了大鼠磨牙扩弓期和保持期的牙根吸收，同时增加扩弓期牙移动速率。移植的干细胞通过激活移植部位的驻留干细胞和分泌相关因子介导组织再生效应和免疫调节作用[28]，Gul Amuk等[27]认为移植的ADSCs可能通过降低炎症标志物COX-2 来减少牙根吸收及分化为成牙骨质细胞或促进牙周MSCs 分化为成牙骨质细胞[20，28]来增加牙骨质厚度、修复吸收的牙根。Gul Amuk等[27]还发现保持期注射ADSCs比扩弓期注射ADSCs对抑制或修复正畸牙根吸略有效，认为若患者进行快速上颌扩弓前存在牙根吸收则首选在保持期内注射ADSCs，因为扩弓期不希望OTM 加速；若扩弓前没有发生明显的牙根吸收，则无需进行治疗；若需同时加速OTM和预防牙根吸收，则在扩弓期间移植ADSCs。Gul Amuk等[27]还认为移植的ADSCs因代谢需求而加速骨改建，在透明样组织很少的或没有的情况下发生牙移动，避免透明样变的积累，进而减少了牙根吸收。

2.2.2 骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cell，BMMSCs) BMMSCs可迁移至炎症和损伤区并促进局部组织修复和再生[51]，外源性BMMSCs在体内可向成牙骨质细胞、成骨细胞和成纤维细胞分化，再生牙骨质、牙槽骨和牙周膜[44，52]。Amuk等[53]在正畸加力期间通过局部注射将其同种异体BMMSCs 移植到大鼠的牙周组织中后不仅牙根吸收陷窝数减少、吸收面积减小，而且牙周组织中RANKL 和COX-2 显著降低，OPG 的表达显著增高。Amuk 等[53]认为移植的BMMSCs 不仅通过抑制RANKL-RANK 通路及分化为成牙骨质细胞再生牙骨质而减少了牙根吸收，还发挥其抗炎作用减少破骨细胞和炎症因子COX-2 来抑制破骨活动而减少了牙根吸收。研究表明OPG 可以促进正畸牙根吸收的修复[54]，Amuk 等[53]移植转染OPG 基因的BMMSCs 的大鼠产生的吸收陷窝面积和破骨细胞数显著低于单纯移植BMMSCs的大鼠，这表明OPG可抑制牙根吸收，因此OPG 基因联合MSCs 疗法治疗正畸源性牙根吸收的效果可能会更理想。虽然OPG 的增加可能会减慢牙移动[33]，但对于正畸治疗中发生严重牙根吸收的患者而言，需要的是抑制和修复牙根吸收而不是加速牙移动。

2.2.3 尿源性干细胞(urine-derived stem cells，USCs) 用于牙根吸收防治的MSCs 如BMMSCs、PDLSCs、牙囊细胞等细胞[55]需要从骨髓、牙齿、牙槽骨中获取，方法有创，数量较少。人尿源性干细胞(urinederived stem cells，hUSCs)在2008 年首次从人尿液中分离纯化，具有自我更新增殖能力及多向分化潜能[56]，来源广泛、采集简单及安全无创，被称为再生医学研究理想的“种子细胞”。体外实验表明hUSCs 可促进成牙骨质细胞株OCCM-30 的增殖和成骨，但作用机制不清[57]。周建萍[55]建立大鼠正畸牙根吸收模型并在其磨牙牙根黏膜处局部注射hUSCs，结果显示移植的hUSCs迁移到大鼠磨牙牙根周围，并且通过促进牙根周围成骨因子的表达及减少破骨细胞数量促进局部成骨，通过减小牙根吸收体积及形成修复性牙骨质来促进牙根吸收的修复。USCs 除自身的分化功能外，还能通过旁分泌机制促进受损组织的修复[58]。顾磊等[59]向大鼠移植的尿源性干细胞外泌体不仅减少了牙根吸收陷窝体积、促进牙根吸收的修复，而且还改善了牙槽骨密度，其机制可能是移植的外泌体上调牙齿及周围牙槽骨中BMP-2、BSP 的表达来诱导牙周细胞的增殖分化而促进了牙骨质和牙槽骨的形成。正畸牙根吸收由牙周膜前体干细胞分化为成牙骨质细胞并生成牙骨质来修复吸收陷窝。PDLSCs是牙周膜中主要的MSCs，体外可分化为成牙骨质细胞样细胞，体内可形成Sharpey纤维呈现生理附着的牙骨质/牙周膜样结构，实现牙骨质的功能性再生[13]。Turkkahraman等[60]发现植入大鼠牙周膜的Wnt反应性干细胞群体后代通过Wnt/β-catenin 途径直接修复了其生理性牙移动产生的牙根吸。Choi 等[61]证明Wnt/β-catenin 信号通路参与调节成牙骨质细胞分化和牙骨质基质的分泌，可促进牙骨质的形成。因此，PDLSCs和基于Wnt/β-catenin 信号通路的牙周膜Wnt 反应性干细胞再生牙骨质的特性可能会用于正畸牙根吸收的防治。综上所述，不同来源的MSCs如ADSCs和BMMSCs可以抑制牙根吸收，USCs及其外泌体可修复吸收的牙根，而牙周膜中的干细胞如PDLSCs、Wnt 反应干细胞可能对防治牙根吸收有作用。MSCs可能通过免疫调节减少牙根吸收中的炎症因子和自身分化为牙骨质形成细胞来减少和修复牙根吸收，但相关机制还需进一步明确。

3 应用外源性MSCs加速牙移动和防治牙根吸收需要考虑的问题

3.1 MSCs的来源 牙源性和非牙源性MSCs都能进行成骨分化和再生牙骨质[6]，都可用于研究加速牙移动和防治牙根吸收，但需考虑治疗效果及是否易获得足够数量的细胞。针对正畸患者，MSCs 可来源于拔除前磨牙、智齿或乳牙后收集的PDL、牙囊组织，对于非拔牙治疗者，其牙龈组织也可提供MSCs[62-63]，这保证了患者可进行自体移植，提高安全性，但MSCs的低免疫原性也使异体移植成为可能。无论自体移植还是异体移植还需考虑MSCs 供体的年龄，研究表明随着年龄的增加，MSCs的增殖、迁移和多向分化能力降低[64-65]，移植到体内后再生牙骨质和PDL 的能力也会降低甚至缺如[65]。若无法从年轻供体获得MSCs时，可通过改变局部细胞培养微环境提高MSCs 的增殖分化和组织修复再生能力[66]。

3.2 MSCs 移植的方法、数量及频率 干细胞移植的修复再生效应与干细胞是否到达组织损伤区域有关，干细胞若不能有效附着于损伤区域则会降低治疗效果[67]。MSCs 已广泛用于研究口腔组织再生，尤其是再生牙周炎破坏的组织。对于牙周缺损的治疗，通常是将MSCs 转移到实验创建的缺损区，或者是在临床上通过根分叉区域或牙周手术创造的区域进行移植[68]。但正畸牙根吸收没有可见缺损，若MSCs 要到达牙根表面需要将MSCs移植到薄而完整的牙周膜中，有研究应用临床上的浸润麻醉和牙周韧带注射法成功将大鼠BMMSCs 转移至完整的PDL 中[69]。但也有研究通过黏膜下注射法同样证明移植的hUSCs 到达牙根周围并且产生治疗效应[55]。因此MSCs可通过直接输送或自身迁移到损伤区域进行组织修复，即使没有直接植入缺损处的MSCs也可激活缺损处组织的再生修复能力[70]。目前的研究针对不同甚至是相同种类的MSCs，移植的细胞数量不一致[27，53，69]，但针对不同种类的MSCs 需要探究其合适的数量，不是移植的细胞数量越多越好[71-72]。干细胞移植后存活的时间与治疗效果有关，Hayashi 等[73]和Robey 等[74]表明移植的MSCs在宿主组织中的寿命较短，大约只有3 d。Hasegawa等[44]认为MSCs移植到牙周缺损处4周内仍有存活并处于不同分化阶段。不同种类干细胞移植到不同部位存活时间不同，需要更多的研究来明确，进而确定移植频率、提高疗效。

4 展望

干细胞疗法有望成为加速牙移动和防治正畸牙根吸收的有效方法。现有研究表明MSCs 是OTM 骨改建的关键细胞，通过促进成骨和破骨活动加速骨改建来加速牙移动。同时，MSCs 的增殖分化潜能和免疫调节功能可通过减轻炎症、加速牙周膜重塑及再生牙骨质来抑制和修复正畸牙根吸收。但已有研究存在诸多问题，如MSCs 加速牙移动和抑制或修复牙根吸收的相关机制未阐明，MSCs 移植的种类、数量、方法不一致，尚无统一的标准，研究数量少且研究对象局限于动物，需要增加动物研究数量并进行临床研究。虽然Baba 等[75]表明牙周炎患者自体移植BMMSCs 没有出现干细胞移植可能带来的支原体感染、成瘤等不良反应，但干细胞移植的安全性仍需重点关注。解决这些问题后，若干细胞的移植能实现抑制或修复正畸牙根吸收的同时不会减慢牙移动甚至是加速牙移动，那干细胞疗法就有望应用于临床中并为正畸患者带来福音。