牙齿是高度特化的哺乳动物特异性器官，牙齿的健康和生理功能对于口腔颅颌面部和全身稳态的维持至关重要。然而，牙齿自我修复能力极为有限，且易受创伤、细菌、炎症等多种病理因素侵袭，导致牙齿缺损和缺失相关疾病在全球范围内持续高发。干细胞与再生医学为器官修复提供了新的解决手段，但生理性、功能性和规模化的器官再生及临床转化仍难以实现。根据胚胎发育原理，模拟或重现发育过程而促进器官再生是极具潜力的再生医学范式新转变。细胞凝聚（cell condensation）是器官发生中至关重要的共性初始过程，干/祖细胞通过自组装（self-assembly）形成凝聚体（condensates）而“涌现”（emergent）发育性器官形成潜能。通过模拟发育性细胞凝聚过程而创新再生医学策略体系、最终用于指导牙齿等器官的临床转化实践，具有重要的医学和科学意义。
2023年1月19日，空军军医大学口腔医院组织工程中心金岩教授课题组在具有高影响力和良好口碑的百年顶刊Physiological Reviews 杂志（IF=46.513）发表了题为“Mesenchymal Condensation in Tooth Development and Regeneration: a Focus on Translational Aspects of Organogenesis”的论文，系统总结了团队20年以来在“发育指导再生”研究方向的系列原创发现与成果，阐明了牙齿干细胞（dental stem cells, DSCs）通过形成间充质凝聚（mesenchymal condensation）关键性介导牙齿发育形成（odontogenesis）的基本原理，提出了发育原理指导建立的工程化类凝聚体（cytocondensoids）重要新概念，论述了干细胞自组装聚合（self-assembled aggregation）核心技术体系，揭示了类凝聚体/聚合体移植促进牙齿多组织缺损修复的良好效应与机制，并介绍了团队最终实现人体全长牙髓再生和工程化全牙再生临床转化的前沿实践经验。该研究将进一步促进未来人体器官再生新策略的建立。
图1 发表文章截图
牙齿间充质的发育起源为颅神经嵴细胞（cranial neural crest cells, CNCCs），它们发生上皮-间充质转换（epithelial-mesenchymal transition, EMT）、从闭合中的神经管迁出，并定植于鳃弓，成为外胚间充质（ectomesenchyme）。CNCCs及其早期分化的施旺前体细胞（Schwann cell precursors, SCPs）产生DSCs，DSCs在培养中由其组织来源可分为乳牙牙髓干细胞（SHED）、恒牙牙髓干细胞（DPSCs）、牙周膜干细胞（PDLSCs）等多种亚类，具有强大的再生医学应用潜能。近年来，研究进一步结合单细胞测序、谱系追踪等技术明确了DSCs的体内标志物、定位与命运，包括Gli1+、NG2+、PTHrP+、CD24a+等多个亚群，在生理性牙齿形成和缺损修复中发挥关键作用，并通过一系列信号通路和表观遗传修饰机制所调控。理解DSCs的生物学特性是揭示间充质凝聚原理与工程化聚合应用的基础。
间充质凝聚最早由Fell于1925年在发育中鸟类的胸骨中发现，被认为广泛参与多器官发育形成，但近一个世纪以来对其调控机制的研究进展缓慢。近年来，对牙发育中DSCs凝聚行为的研究引领了这个领域的突破，其中牙发育不同时期的三种间充质凝聚形式被陆续阐明，包括原初凝聚体（primordial mesenchymal condensation）及其分化的牙乳头凝聚体（dental papilla condensation）和牙囊凝聚体（dental follicle condensation），分别具备独特的DSCs组成、分子特征、神经血管伴行特性和功能特点，不同凝聚区通过旁分泌作用相互诱导并指导邻近牙源性上皮的持续发育，最终形成成熟的牙齿器官。在此过程中，多种形态发生和细胞通讯分子机制已被较充分阐明，学界围绕间充质凝聚形成原理、维持原理和分化原理已进行了大量的研究。其中，DSCs的机械自组装特性、形态素（morphogen）的分泌与诱导、细胞外基质（extracellular matrix, ECM）的沉积与交联三者相互作用，共同构成牙发育中间充质凝聚形成的机制基础。
根据上述发育原理，培养中的DSCs可通过非粘附培养、生物材料诱导、空间限制和自组装引导等工程化方式进行聚合，其产物具备整体性（integrated）、三维密集性（three-dimensional compacted）、可诱导和自组装构成的半自主性（semi-autonomous）、组织形成潜能的原始性（primitive）和植入宿主可启动器官发生程序的再生性（regenerative）等5个特性，即为可用于再生应用的cytocondensoids。其中，由课题组团队研发的DSCs自组装聚合（self-assembled aggregation）技术体系可保留大量细胞自分泌ECM，可在植入过程中与天然牙ECM复合后相互诱导启动发育性基因表达，并可通过释放细胞外囊泡（extracellular vesicles, EVs）重塑再生微环境和动员宿主细胞，具有独特的再生效能。
课题组团队已采用DSCs自组装聚合技术构建的cytocondensoids在免疫健全的小动物和大动物中分别陆续实现了牙本质-牙髓复合体、牙骨质-牙周膜-牙槽骨复合体和牙髓-牙根-牙周联合再生，在解析再生机制的过程中提出了聚合（assembly）——发生（patterning）——交流（crosstalk）3个cytocondensoids应用实现组织再生的必经阶段，并凝练了形态重建（reconstruction）——功能重塑（restoration）——依赖于神经血管化的生物整合（integration）3个器官再生阶段性目标。在这些临床前再生实践经验的指引下，课题组在近10年内陆续开展了牙髓、牙周和工程化全牙再生3项临床试验，其中人体全长牙髓再生和工程化全牙再生已获成功，能够为解决临床牙髓坏死和脱位牙再植治疗的医学难题提供新的可行手段。在牙周炎骨再生过程中，组织局部炎症对cytocondensoids的再生潜能具有不良影响，需通过DSCs预处理或宿主微环境重塑优化再生效率。
本研究中率先提出了牙齿间充质凝聚区的3种亚形态、首次定义了cytocondensoids的特性与再生应用过程、系统总结和阐明了DSCs凝聚与成牙的机制、工程化聚合和再生的机制，大篇幅着重探讨了当前研究的不足与未来的研究方向，具有丰富的原创性
与分析性表格支持，享有较高的学术价值。
图2 发育性间充质凝聚指导牙齿器官再生示意图
在本研究中，金岩教授为论文的唯一通讯作者，空军军医大学口腔医院副主任医师隋秉东、主治医师郑晨曦、博士研究生赵万民为论文的共同第一作者。论文致谢国家自然科学基金重点项目（81930025）和国家科技部重点研发计划项目（2022YFA1104400、2021YFA1100600）的支持。
通讯作者金岩，教育部长江学者特聘教授、国家杰出青年基金获得者，“973计划”、 “863计划”、国家重点研发计划首席科学家，全国优秀科技工作者，曾任中国组织工程与再生医学专委会和中华口腔生物医学专委会主任委员，创立的空军军医大学口腔医院组织工程中心是目前国内最具影响力的干细胞与再生医学研究平台之一。第一作者隋秉东，空军军医大学口腔医院组织工程中心青年PI、博士生导师，美国宾夕法尼亚大学公派访问学者，国家博士后创新人才支持计划入选者，全军优秀博士学位论文获得者，陕西省青年科技新星，获国际细胞外囊泡学会青年研究奖、国际口腔学会杰出青年学者奖、陕西省科技进步一等奖等学术奖励。
课题组团队长期从事干细胞与再生医学的基础和临床转化研究，取得多项里程碑式科学发现，包括制备了我国第一个组织工程产品“组织工程双层皮肤”、世界第一例组织工程角膜、在国际上率先实现人体全长牙髓和工程化全牙再生。团队已获得国家科技进步一等奖1项，省部级科学技术一等奖5项，2次获得中国十大生物医学科学进展，在Cell Metabolism、Nature Biomedical Engineering、Science Translational Medicine 等期刊发表SCI论文逾200篇。团队长期欢迎研究生报考和优秀博士后、科研助理加入团队，有意向可发送简历至隋秉东老师（bingdong1221@163.com）。
参考文献：
https://doi.org/10.1152/physrev.00019.2022
转自：“iNature”微信公众号
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