猪身上长出“类人牙齿”？科学家用猪细胞造出类牙生物工程结构，有望替代种植牙和假牙

近日，美国塔夫茨大学团队造出了一种实验室细胞培养牙齿—— 他们在迷你猪的口腔里培养出了“类人牙齿”，标志着用生物工程结构替代牙种植体迈出了新的一步。

图 | 在实验室中培养牙齿细胞以制造生物工程牙齿（来源：OXFORD UNIVERSITY PRESS）

简单来说，研究人员在由猪牙碎片制成的支架内，培养了猪和人类牙齿细胞的混合物。在实验室培养皿中放置几周后，他们将牙齿碎片植入六只迷你猪的颌骨之中。

两个月后，研究人员拔掉了迷你猪的牙齿，结果发现这些牙齿已经开始以与健康成年牙齿相似的方式生长，它们甚至形成了坚硬的牙骨质和牙本质层。“它们非常像牙齿。”研究人员表示。

实验室细胞培养牙齿正在照进现实

健康牙齿的核心在于牙髓。牙髓中含有神经和血管，它们被一层层的硬组织包围，这些硬组织被称为牙本质、牙骨质和牙釉质。

这些组织层非常坚硬，正因此牙釉质被认为是人体中最坚硬的组织。但是，它们可能会被细菌侵蚀从而导致蛀牙。

如果蛀牙蔓延到牙髓就会很疼。牙医通过会去除患者牙齿的腐烂区域，并用填充物取而代之，这种填充物通常可持续约 15 年，随后它们就需要进行更换。

更换植入物并非易事，首先必须重建所有随时间推移而被吸收的骨骼。每更换一次就必须切除更多的牙齿组织，最终这颗牙齿的主人会彻底失去它。

如果一个成年人坏掉一颗牙齿，他的补牙选择十分有限，通常是用钛植入物或塑料假牙来补牙。这些植入物由锚定在颚骨中的钛螺钉组成，一般顶部有着牙齿状的瓷冠。

尽管它们看起来很像牙齿，也可以用来撕咬食物和咀嚼食物，但它们远不及真正的牙齿。如果种植体与患者现有的牙齿没有完全对齐，撕咬和咀嚼会将不均匀的力量传递到周围的颌骨，从而损坏支撑颌骨的骨骼。

有时，细菌也会附着在种植体上，这会导致牙齿的主人出现种植体牙周炎，进而会导致骨组织破坏。

因此， 本次课题组所研究的替代方案是：通过在实验室培养人类牙齿，争取在未来替代人类的受损牙齿。

（来源： Stem Cells Translational Medicine ）

生物工程牙齿周围在短期内即可形成牙周膜

本次实验之所以瞄准猪是因为：猪在一生中会长出多组牙齿，因此它的颌骨中含有尚未发育完全、牙龈尚未长出的牙齿细胞。

实验中，研究人员针对 6 月龄猪下颌中采集到的天然猪牙胚进行脱细胞处理。这一过程保留了牙芽细胞外基质（ECM，Extracellular matrix）的主要成分，其中包括胶原蛋白、层粘连蛋白和胶原蛋白网络。

然后，研究人员使用上述构建体在 6 个月大的小型猪宿主中进行一项试点研究，并测试了 4 种类型植入物的生长情况，同时所有构建体都被植入并生长 3 个月或 6 个月。

• 第一种类型植入物是单独使用脱细胞牙芽（dTB，decellularized tooth bud）-ECM 支架。

• 第二种类型植入物是使用 Recell dTB-ECM 支架。

• 第三种类型植入物是使用含有 BMP-2 的 dTB-ECM 骨架。（注：BMP 指的是骨形态发生蛋白，英文全称是 bone morphogenetic protein，它是控制牙齿发育的重要分子。）

• 第四种类型植入物是使用新鲜分离的天然牙芽（nTB，natural tooth bud）。

通过此，研究人员观察到形成了人类牙齿大小的矿化类牙结构，这种情况在 ReCell-dTB 植入组中最常见。

具体来说：Recell dTB-ECM 支架表现出了纤维蛋白 1 和 2 表达的增加，这是天然牙周膜和牙根形成的重要细胞外基质标志物，同时其形成的结构明显大于该团队的以往所有研究成果以及其他学者的已发表成果。

此外，研究人员观察到，在体内生长仅 2 个月之后，生物工程牙齿周围就形成了成熟的牙周膜组织。

但是，研究人员发现在年轻的猪宿主体内，后续牙齿的形成会导致部分植入的构建体发生位移，而且在植入后 3 个月时和 6 个月时，他们在所有 4 种类型的植入物中均发现了坏死组织和固定不当的组织。

这表明需要针对生物工程牙胚构建体进行血管化改良，并针对颌骨进行灌注处理。同时，这也表明添加骨形态发生蛋白这一做法，并不能促进生物工程牙齿的形成。

为此，研究人员先是针对实验方法进行标准化，以确保能够既可靠又一致地批量生产 dTB-ECM 支架。

接下来，研究人员使用年龄不低于 2 岁的尤卡坦迷你猪开展试验，它们已经完成了成熟牙列的形成，因此不会再出现连续的牙齿形成。（注：尤卡坦小型猪是一种原产于墨西哥南部的天然小型猪品种，美国从墨西哥引进后进行了封闭培育。）

然后，研究人员缩短了生成时间，即仅仅将植入物生长 2 个月和 4 个月。

对于 2 岁年龄的尤卡坦迷你猪来说，它的的下颌比较大，这让研究人员得以在每个下颌半区植入 2 个构建体。

实验结果显示，这一次植入物的成功率达到 50%，不仅比上一次植入物的成功率更高，并且形成了接近完整人类牙齿尺寸的生物工程牙齿。

（来源： Stem Cells Translational Medicine ）

与此同时，研究人员还使用荧光染料来标记植入的细胞，以此来标记新形成的骨和牙齿组织，以便能够识别新形成的钙化组织。

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，polymethylmethacrylate）嵌入样本的切片结果显示：在新形成的牙齿状结构的周围，有着清晰的荧光染色层图案，它类似于在牙槽骨小梁周围观察到的那种厚厚的荧光染色层，这表明本次成果中骨形成的速度，比牙本质形成的速度还要快。

另外，研究人员使用不同的荧光细胞跟踪器来标记 3 种类型的细胞，以便能够识别和跟踪生物工程牙根中的单个细胞类型。

然而，荧光细胞标记在体外培养 1 周后仅仅显示出微弱的信号，在植入 2 个月后则根本无法检测到信号。

为此，研究人员使用针对人牙髓干细胞的细胞类型特异性波形蛋白抗体、针对猪牙胚来源的牙上皮细胞的 E-钙粘蛋白抗体以及针对人脐静脉内皮细胞的凝血因子 VIII，来对石蜡包埋切片标本进行免疫荧光染色。

（来源： Stem Cells Translational Medicine ）

随后，研究人员开始量化和评估每种细胞类型的分布。任何组织工程结构能否在临床上获得成功，都取决于其长期存活以及与宿主的整合，特别是与宿主血管系统的整合。

此外，即使使用抗凝药物，器官支架的裸露血管也具有高度血栓形成性，因此必须对 dECM 支架进行再细胞化才能实现成功移植。

出于上述考量，研究人员在生物工程牙芽结构中使用人脐静脉内皮细胞，并针对宿主下颌进行灌注固定。

结果显示，所观察到坏死组织形成明显减少，植入物的固定效果和组织学状况也均有所改善。

日前，相关论文以《使用去细胞化牙胚细胞外基质支架在体内生物工程化牙形成》（ In vivo bioengineered tooth formation using decellularized tooth bud extracellular matrix scaffolds ）为题发在 Stem Cells Translational Medicine [1]。

图 | 相关论文（来源： Stem Cells Translational Medicine ）

美国塔夫茨大学的 张蔚博 （音）助理教授是第一作者，该校的帕梅拉·耶利克（ Pamela Yelick ）教授担任通讯作者。

图 | 从左到右：张蔚博（音）、帕梅拉·耶利克（Pamela Yelick）（来源：美国塔夫茨大学官网）

总的来说，研究人员使用解码自然编码细胞的方式，制造出了这种生物工程牙齿，其具有天然牙齿的关键特性 。 这意味着在实验室里有望培养出功能齐全的、能够生长的人类牙齿，并且这些牙齿还可以与人的牙龈和下巴结合。

当然，目前这些生物工程牙齿的美观度还不够高，但是研究人员认为未来其将能够创造出一种功能性生物牙齿替代品，并能将其用于需要替换牙齿的人。

尽管本次成果证实了再生牙齿组织中存在人类供体细胞，但它并没有完全揭示宿主和供体对于再生牙齿组织的影响。未来，研究人员计划改进细胞标记技术，以更好地分析牙齿再生中供体和宿主细胞的相互作用。

参考资料：