中山大学《BM》综述：从修复操作到发育工程，牙周再生策略的革新之路

EngineeringForLife · 公众号 · · 2025-03-25 00:00

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理想的牙周再生需要结合牙槽骨、牙周韧带和牙骨质，并配合sharpey’s纤维抵抗咬合力。由于其结构复杂的结构，生理再生极为罕见，临床再生面临诸多挑战。牙周膜干细胞（PDLSCs）的发现为牙周再生带来了新希望，其具有多向分化潜能，是牙周再生的关键细胞。尽管传统疗法如引导组织再生（GTR）通过激活PDLSCs的功能来促进再生，但临床效果不一致，需要额外策略来增强PDLSCs的功能。随着研究深入，出现了多种新策略如使用多层支架和细胞片技术、重组生长因子等，但仍面临成本、安全性和复杂性等挑战。免疫调节在PDLSCs介导的再生中起着至关重要的作用。“凝血-免疫调节”的概念已经出现，强调血液凝固和免疫反应的耦合牙周再生。尽管具有潜力，但基于免疫策略的临床转化仍然难以捉摸。

随着再生医学的发展，“发育工程”的先进策略得到了认可。中山大学陈泽涛团队在发育工程引导牙周再生方面取得了初步进展，但其成功的临床应用还需要进一步的临床试验和考虑。鉴于此，该团队综述了牙周再生材料发展的战略转变，并对未来的发展方向进行了展望。

1.牙周多组织再生的生物学基础

牙周多组织修复和再生过程可分为四个重叠的阶段：止血、炎症、组织修复和伤口重塑。在止血阶段，损伤引发血液凝固形成血凝块，为细胞黏附、增殖和分化提供临时细胞外基质，并激活免疫级联反应，调节免疫微环境。在炎症阶段，免疫细胞被激活，其中M1型巨噬细胞释放促炎细胞因子，不利于PDLSCs的再生潜能，而M2型巨噬细胞则通过释放抗炎因子和生长因子，促进PDLSCs的增殖和分化。在组织修复阶段，PDLSCs作为最重要的细胞，具有多向分化潜能，能够合成胶原纤维、形成牙槽骨和牙骨质，从而启动早期修复基质的形成。在伤口重塑阶段，早期修复基质逐渐成熟和重建，形成更有组织的牙周组织。PDLSCs在牙周组织再生中起着关键作用，其功能受免疫微环境的调节。因此，深入理解PDLSCs的特性及其与免疫微环境的相互作用，对于开发有效的牙周再生策略具有重要意义（图1）。

图1 PDLSCs的分离、表征及应用

2.牙周再生策略的范式转变

基于PDLSCs直接操作的牙周再生策略，主要通过激活PDLSCs的多向分化潜能来促进牙周组织再生。PDLSCs具有分化为成牙骨质细胞、成纤维细胞和成骨细胞的能力，是牙周再生的关键细胞。传统方法如GTR通过物理屏障膜阻止上皮细胞和牙龈结缔组织细胞迁移，促进PDLSCs优先占据缺陷位点并分化。然而临床效果不一，促使研究者探索新方法。近年来，通过调节生物材料的拓扑结构、使用生物活性因子来增强PDLSCs的功能，取得了一定成效。如生物打印支架可直接操纵PDLSCs，在体外和体内均可保持细胞活力并促进PDLSCs分化，具有很大的再生潜力（图2）。但面临成本、安全性和复杂性等挑战。这些方法虽在临床应用中取得了一定进展，但整体转化效果仍不理想，需要更精确的时空调控来实现牙周组织的精确再生。

图2 基于PDLSCs直接操作的牙周再生策略

基于PDLSCs免疫调节的牙周再生策略，通过调控免疫微环境来增强PDLSCs的再生能力。PDLSCs的生物学功能受免疫微环境调节，其中巨噬细胞和T细胞起关键作用。M2型巨噬细胞通过分泌抗炎因子和生长因子促进PDLSCs的增殖和分化，推动组织再生。T细胞在牙周再生中也有重要作用，调节性T细胞通过分泌抗炎因子创造有利环境，保护PDLSCs。研究发现，生物材料植入后会激活免疫反应，其中多功能序贯释放的纤维支架可促进PDLSCs的血管生成和巨噬细胞向M2型极化，从而调节炎症（图3）。然而，大多数研究仅关注生物材料对局部微环境的影响，常忽略其对全身免疫的影响。此外，生物材料与血液的相互作用对组织再生过程中的免疫微环境调控至关重要，但目前的免疫调节策略在临床转化中仍面临挑战，尤其是在实现理想的牙周复杂再生方面。

图3 基于PDLSCs免疫调控的牙周再生策略

基于凝血免疫调节操作的牙周再生策略，强调凝血和免疫反应在牙周再生中的耦合作用。牙周再生早期，凝血和炎症启动，血凝块含多种免疫细胞，参与免疫调节。生物材料可改变血凝块结构，影响免疫微环境，进而影响再生效率。研究发现，通过调控纤维蛋白网络结构、结合外源性蛋白等，可影响免疫细胞行为，增强再生效果。但目前的凝血-免疫调节策略仅实现部分牙周再生，整体效果仍不理想。由于PDLSCs功能随年龄增长衰退，仅靠刺激其功能难以实现牙周复杂再生，需更新生物学基础，探索新策略。通过研究牙周复合体的发育过程，作者受到牙周发育工程概念的启发，有动力推进下一代牙周再生策略（图4）。

图4 基于凝血免疫调节操作的牙周再生策略

3.下一代牙周再生策略：牙周发育工程

发育工程是再生医学中的一种新兴方法，它旨在模仿胚胎发育过程中发生的自然过程，以创造功能性组织和器官。与再生过程不同，其目标是再生整个牙周复合体，包括牙周韧带、牙槽骨和牙骨质。因此，有必要回顾牙周复合体的发育过程，并解剖发育过程和再生过程之间的差异。牙周组织的发育是一个复杂的过程，它始于Hertwig上皮根鞘（HERS）的诱导，并以根尖孔的关闭而结束。关键的发育事件，如上皮诱导、PDL纤维锚定、生长和矿化都参与了这个复杂的过程。牙周发育与再生过程主要包括干细胞和微环境的差异。在细胞方面，牙周发育过程中的关键干细胞包括PDLSCs和HERS细胞。 PDLSCs具有多向分化潜能，可分化为成牙骨质细胞、成纤维细胞和成骨细胞，但其功能随年龄增长而衰退，增殖、迁移和分化能力减弱。HERS细胞在牙周发育中起重要作用，可诱导成牙骨质细胞的分化和牙根伸长，但成熟牙周组织中HERS会消失，其残余部分在牙周再生中的作用有限。当牙根表面存在实质性缺损时，机体往往通过成骨直接填补缺损，最终导致牙齿僵直，而不能修复牙骨质和牙周韧带的功能结构（图5）。在微环境方面，牙周发育过程中存在上皮源性信号分子（如Wnt/β-catenin、Shh、FGF等），这些信号分子在牙根延伸和牙周复合体形成中发挥关键作用。而在牙周再生过程中，这些上信号分子的表达可能缺失或减弱，而免疫反应更为强烈，涉及更多的炎症细胞和炎症分子。这种微环境的差异影响了信号分子的功能和细胞的行为，使得再生过程中的细胞反应与发育过程中的不同，从而增加了牙周再生的复杂性和挑战性。

图5 不同的细胞参与牙周发育和修复过程

牙周发育工程的研究进展主要涉及两个方面：首先涉及到细胞的应用，包括直接使用在牙周发育过程中参与牙周形成的干细胞，诱导细胞恢复到发育状态，促进间充质聚集。其次着重于牙周发育微环境的模拟，包括上皮源性信号的诱导、细胞外基质的应用和免疫微环境的调节。其中，巨噬细胞介导的微环境可能有助于诱导PDLCs的再发育状态。作者前期研究也表明，M1型巨噬细胞诱导的免疫微环境促进了PDLCs的活性，如上皮-间质转化、纤维降解、破骨细胞生成和炎症。相比之下，M2型巨噬细胞诱导的免疫微环境在上皮诱导、纤维形成和PDLCs矿化方面更优越，这些发现表明免疫微环境调节在实施发育工程策略中的潜力（图6）。

图6 发育工程的应用

从发育生物学的理论知识来看，以发育工程策略为指导的组织再生是目前最接近实现生理再生的途径。发育工程已经在其他领域的组织再生中取得了显著的成功。然而，目前牙周发育工程在临床应用中仍面临许多挑战。首先需要更深入地理解牙周发育的具体信号和机制，以设计有效的策略。其次，特别是涉及胚胎干细胞的使用，需要解决伦理问题和潜在的安全风险。此外，开发成本效益高且符合伦理的材料，确保策略的可及性和可扩展性。未来的研究应重点应用多组学技术，如单细胞技术、空间转录组测序和空间蛋白质组学，以识别关键细胞类型和微环境因素。同时，整合3D生物打印和纳米医学等先进技术，开发更精确的发育微环境，推动牙周再生策略的发展和临床转化。通过解决这些难题，有望实现真正的牙周复合物再生（图7）。

图7 牙周发育工程策略及未来发展方向示意图

4.全文小结

综上所述，该研究系统回顾了牙周再生策略的演变，从基于PDLSCs直接操作的传统方法，到凝血-免疫调节策略和前沿的牙周发育工程。作者重点阐述了牙周发育工程这一新策略，尽管应用潜力巨大，但仍需深入研究以克服细胞选择、伦理和成本等挑战。未来，多组学技术、3D生物打印和纳米医学的整合将推动牙周再生策略的发展和临床应用。

参考资料：

https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2025.03.009

来源： EngineeringForLife

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