牙本質(zhì)在骨組織工程學(xué)中的應(yīng)用

肖聞瀾， 胡琛，2， 榮圣安， 朱宸佑，2， 伍穎穎，2

1.四川大學(xué)口腔疾病研究國家重點實驗室國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心，四川成都（610041）； 2.四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院種植科，四川成都（610041）

牙周疾病、腫瘤、外傷等均可造成口腔硬組織的缺損。為了實現(xiàn)骨組織的再生，組織工程學(xué)是一個很有前景的治療方向［1］。結(jié)合生命科學(xué)和工程學(xué)的原理和技術(shù)，以生物材料為支架，搭載患者自身的干細胞，聯(lián)合生長因子進行移植，可以在修復(fù)組織的同時減少免疫排斥、病原體轉(zhuǎn)移等問題［2］。牙本質(zhì)是一種很有潛力的生物材料，它的無機、有機成分構(gòu)成與骨組織類似。無機成分以羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）為主，有機成分以I型膠原為主，這些成分均為制備支架的常用物質(zhì)。另外，牙本質(zhì)本身含有多種生長因子［3］。近年來，牙本質(zhì)在骨組織工程學(xué)中的應(yīng)用引起了很大關(guān)注。

1 牙本質(zhì)的組成概述

人牙本質(zhì)由65%的無機成分與35%的有機成分構(gòu)成，無機成分以HA為主［4］。需要注意的是，牙本質(zhì)中HA的含量和結(jié)晶程度與其所在部位有很大關(guān)系。相較于牙冠部分，牙根部牙本質(zhì)由結(jié)晶度更低、Ca/P更小的磷酸鹽構(gòu)成，因此與自體骨具有更加接近的理化性質(zhì)［5］。

近90%的牙本質(zhì)有機成分由I型膠原構(gòu)成［6］。這種3股超螺旋結(jié)構(gòu)的膠原相互交聯(lián)形成網(wǎng)架狀結(jié)構(gòu)，容納沉淀于其中的礦化結(jié)晶以及其他有機組分，包括非膠原蛋白（noncollagenous proteins，NCPs）、蛋白多糖、脂質(zhì)等［7］。NCPs大致可以分為兩類，第一類包括牙本質(zhì)磷蛋白（dentin phospho?protein，DPP），牙本質(zhì)涎蛋白（dentin sialoprotein，DSP）及牙本質(zhì)基質(zhì)蛋白1（dentin matrix protein 1，DMP1）。從前認為這類NCPs由成牙本質(zhì)細胞合成，僅存在于牙本質(zhì)基質(zhì)中，為牙本質(zhì)特異性蛋白。但是，最近也有很多研究在骨等礦化組織中發(fā)現(xiàn)它們［8］。另一類NCPs定位于牙本質(zhì)、牙骨質(zhì)、骨組織的細胞外基質(zhì)，包括骨涎蛋白（bone sialo?proteins，BSP）、骨鈣蛋白和骨鈣素（bone gla?pro?tein，BGP），NCPs在牙本質(zhì)和骨組織的礦化過程中均起到重要作用［9?10］。牙本質(zhì)中貯藏有豐富的生長因子與生物活性分子。如骨形態(tài)發(fā)生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP），這種糖蛋白定位于牙本質(zhì)、牙骨質(zhì)與骨組織的細胞外基質(zhì)，被證實可誘導(dǎo)間充質(zhì)干細胞向軟骨和骨組織分化［11］。胰島素樣生長因子（insulin?like growth factor，IGF），血小板衍生生長因子（platelet?derived growth factor，PDGF），成纖維細胞生長因子（fibroblast growth factor，F(xiàn)GF）也被發(fā)現(xiàn)存在于人牙本質(zhì)基質(zhì)中［12］。牙本質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)賦予了它在組織工程學(xué)中承擔(dān)各種角色（支架、生長因子來源等）的潛能，接下來本文將闡述牙本質(zhì)的各種應(yīng)用方式。

2 牙本質(zhì)在組織工程學(xué)中的應(yīng)用

2.1 脫蛋白質(zhì)

脫蛋白質(zhì)加工的出發(fā)點在于發(fā)揮HA等磷酸鈣的支架作用。對于HA類生物材料來說，高孔隙率和足夠的孔徑是有效促進骨再生的重要因素，多孔區(qū)域允許血管化和細胞浸潤［13］。牙本質(zhì)原本是致密的礦化組織，去除蛋白質(zhì)后可以提高其孔隙率。Fichant等［14］對牙本質(zhì)進行脫蛋白質(zhì)處理，掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察到材料表面除牙本質(zhì)小管的天然孔隙之外，出現(xiàn)了膠原纖維消失后形成的新孔隙，這種新孔隙使材料的總體孔隙度增大到約20%。脫蛋白后，牙本質(zhì)的彈性模量、硬度等機械性能有所下降，與已經(jīng)在組織工程學(xué)中用作支架的珊瑚外骨骼材料的性能接近。研究者認為這些結(jié)果展現(xiàn)了脫蛋白牙本質(zhì)作為支架的潛能。Tabatabaei等［15］比較了脫蛋白、脫礦和天然牙本質(zhì)材料，在模擬體液中，SEM顯示脫蛋白牙本質(zhì)組具有最高的HA晶體形成速率，培養(yǎng)的人牙髓干細胞也在脫蛋白牙本質(zhì)表面顯示出更好的細胞黏附、活力和分化情況。

脫蛋白牙本質(zhì)或許可作為一種合適的支架，但是這種方法仍然有爭議，很多研究者認為NCPs、生長因子等對于牙本質(zhì)促進骨再生的作用是必須的。目前運用較為廣泛的脫蛋白方法是使用質(zhì)量分數(shù)為2.6%的NaOCl溶液于37℃下浸泡樣品，使用搖動平臺持續(xù)混合，每天換液一次，總流程持續(xù) 14 d［16］。

2.2 脫礦

脫礦處理是目前研究較多的一種方式。這種方式保留膠原纖維，通過去除部分礦物質(zhì)提高孔隙率。Kim等［4］分析了脫礦與未脫礦牙本質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)，X線能量色散譜顯示脫礦牙本質(zhì)由Ca/P比較小、結(jié)晶度較低的磷酸鹽構(gòu)成，SEM顯示脫礦牙本質(zhì)小管直徑更大，伴有膠原纖維的網(wǎng)狀暴露。這些改變有利于增強骨組織再生材料的兩種重要性能，即骨傳導(dǎo)性和骨誘導(dǎo)性。牙本質(zhì)的骨傳導(dǎo)性與無機成分結(jié)晶度呈負相關(guān)，高結(jié)晶度的磷酸鈣往往難以由破骨細胞直接降解，在移植部位吸收緩慢，反之脫礦牙本質(zhì)結(jié)晶度低，易降解［17］。Bono等［18］將MG63和SAOS?2細胞接種至脫礦牙本質(zhì)材料表面，觀察到了顯著的細胞黏附與增殖，這表明了脫礦牙本質(zhì)優(yōu)秀的骨傳導(dǎo)性。脫礦牙本質(zhì)骨誘導(dǎo)性的增強則與各種生長因子容易通過增寬的牙本質(zhì)小管釋放有關(guān)。以目前研究較多的BMP?2為例，脫礦牙本質(zhì)可以作為儲藏庫，在移植后不斷釋放BMP?2，募集和誘導(dǎo)未分化細胞向骨組細胞分化。Kim等［19］在裸鼠背部的皮下組織植入脫礦牙本質(zhì)，在植入位點發(fā)現(xiàn)了新骨形成，證實牙本質(zhì)具有骨誘導(dǎo)性。

由于這兩種性能，研究者們不僅關(guān)注脫礦牙本質(zhì)的支架作用，還在考慮其作為生長因子來源的可行性。還有學(xué)者認為，將重組骨形態(tài)發(fā)生蛋白（recombinant human BMP?2，rhBMP?2）搭載至脫礦牙本質(zhì)將獲得更好的效果［20］。Kim等［21］在骨缺損模型中，通過聯(lián)用脫礦牙本質(zhì)與rhBMP?2實現(xiàn)了與自體骨接近的新骨形成水平。

在技術(shù)上，目前運用的脫礦方式非常多樣。一般認為由于酸性物質(zhì)對有機成分的影響，過度脫礦是不利的。Li等［22］提出運用5%、10%、17%濃度的EDTA逐級脫礦牙本質(zhì)，從而保留蛋白質(zhì)等有機成分的方案。楊禾豐等［23］在這種脫礦牙本質(zhì)表面成功觀察到了骨髓間充質(zhì)干細胞的增殖及成骨分化。Tabatabaei等［15］也在其體外實驗中得到了相似的結(jié)果。

2.3 提取非膠原蛋白

在組織工程學(xué)領(lǐng)域，運用人體或非人體組織的提取物是很常見的做法?？紤]到牙本質(zhì)中非膠原蛋白的豐富含量，單獨提取NCPs，再聯(lián)合其他支架材料是一個可行的選擇。NCPs被證實參與調(diào)控骨的形成，控制未分化細胞的黏附、增殖和分化，以及羥基磷灰石的成核與膠原蛋白的礦化等。DPP是牙本質(zhì)基質(zhì)中最豐富的非膠原蛋白，被證實參與生物礦化過程初始階段HA結(jié)晶的成核［24］。DSP可作為一種配體，通過誘導(dǎo)未分化的間充質(zhì)細胞內(nèi)的信號傳導(dǎo)級聯(lián)反應(yīng)，指導(dǎo)其分化［25］。DSP通過加速成骨細胞增殖以及隨后的成骨細胞分化來促進骨的形成［26］。在DMP1的環(huán)境下培養(yǎng)人牙周膜干細胞，通過堿性磷酸酶染色和von Kossa硝酸銀染色觀察向成骨細胞的分化，DMP1處理組分化程度明顯高于無DMP1的對照組［27］。因此，NCPs被視為一種很有前景、可搭載至支架的生物活性分子。

目前從牙本質(zhì)中分離NCPs的過程基本遵循三步法，三步依次使用鹽酸胍、EDTA溶液、鹽酸胍，每一步分別提取非礦化成分中的、緊鄰和結(jié)合HA的、以及其他剩余的 NCPs［28］。

3 小結(jié)

目前，各種形式的牙本質(zhì)材料已在體外和體內(nèi)實驗中展現(xiàn)了其有效性與安全性。牙本質(zhì)含有磷酸鹽、膠原蛋白、生長因子等成分。脫蛋白加工可得到高孔隙率、大孔徑的以HA為主的支架材料；脫礦加工可得到兼有膠原和HA，且搭載多種生長因子的多功能材料；提取NCPs加工可以得到生物活性分子，用于交聯(lián)、改性其他材料。因此，在骨組織工程學(xué)的探索中，可以考慮將牙本質(zhì)作為一個合適的選擇。但是，牙本質(zhì)材料的應(yīng)用仍有許多問題。各種加工方式得到的牙本質(zhì)材料的優(yōu)劣勢還需要分析，每種制作工藝還需要優(yōu)化，這些都需要進一步的研究來完善。