余曉宏 劉嶼 曾蓮 楊艷玲 王洲 李衛(wèi)
1.云南省第二人民醫(yī)院口腔內(nèi)科 昆明 650012;2.昆明醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院口腔頜面外科 昆明 650031
牙周炎等牙周組織疾病造成牙周支持組織的破壞,牙周附著的喪失,最終導(dǎo)致牙齒的松動(dòng)、脫落。牙周炎治療的最終目的不但要控制炎癥和阻止病變的進(jìn)一步發(fā)展,而且還要形成新的牙槽骨和牙骨質(zhì)[1]。牙周膜干細(xì)胞分化是骨組織再生和修復(fù)的關(guān)鍵,因此研究牙周膜干細(xì)胞成骨分化的分子機(jī)制對(duì)于臨床上治療牙周組織疾病具有重要作用。
人牙周膜包圍干細(xì)胞亞群,其負(fù)責(zé)維持和再生牙周組織結(jié)構(gòu)和功能。這些細(xì)胞表現(xiàn)出多能性,可以分化為成骨細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和牙齒成牙骨質(zhì)細(xì)胞,以及形成牙骨質(zhì)和牙周膜樣組織,因此通常被稱為牙周膜干細(xì)胞,大量的動(dòng)物研究[2]提供了可靠的證據(jù)支持牙周膜干細(xì)胞可用于牙周組織再生的設(shè)想。因此牙周組織再生治療的一個(gè)關(guān)鍵因素為促干細(xì)胞定向誘導(dǎo)分化,目前雖已證實(shí)骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子、血小板衍生因子、雌激素等具有明確的骨向誘導(dǎo)作用。但對(duì)于牙周組織的修復(fù)治療仍需積極尋求更多的高效藥物。
由豬胎兒的牙齒材料[3]制備的釉基質(zhì)衍生物(enamel matrix derivative)由疏水性蛋白質(zhì)的混合物組成,其中牙釉蛋白含量超過(guò)90%。在牙周骨內(nèi)缺損的治療中,釉基質(zhì)衍生物被證明可以支持骨缺損的再生[4]。有研究[5-6]已經(jīng)特別報(bào)道了釉基質(zhì)衍生物可以在體外刺激成骨細(xì)胞和成牙骨質(zhì)細(xì)胞的增殖和分化,并促進(jìn)體內(nèi)牙骨質(zhì)和牙周組織的再生。在體外,釉基質(zhì)衍生物能促進(jìn)CD4+T細(xì)胞凋亡,抑制腫瘤壞死因子誘導(dǎo)的MC3T3-E1成骨細(xì)胞的凋亡[7]。另有研究[8]表明,將釉基質(zhì)衍生物放入猴牙周缺損模型中,觀察到幾乎完全的無(wú)細(xì)胞牙骨質(zhì)修復(fù),膠原組織緊密地結(jié)合于新生的牙槽骨。雖然研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了釉基質(zhì)衍生物有促進(jìn)牙周膜成纖維細(xì)胞增殖及牙槽骨修復(fù)的作用,但其中的調(diào)控作用機(jī)制還很不明確,其對(duì)牙周膜干細(xì)胞的作用還有待進(jìn)一步研究。人牙周膜干細(xì)胞成骨分化受到多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的調(diào)節(jié),如Wnt通路、Smad蛋白通路、p38有絲分裂原活性蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)通路、Notch等[9]。Wnt信號(hào)通路已被證明在間充質(zhì)干細(xì)胞增殖、分化、凋亡等過(guò)程均產(chǎn)生調(diào)控作用[10-11],而Wnt信號(hào)通路是否參與調(diào)控釉基質(zhì)衍生物促進(jìn)人牙周膜干細(xì)胞成骨向分化尚無(wú)報(bào)道。因此本實(shí)驗(yàn)旨在探討Wnt信號(hào)通路在釉基質(zhì)衍生物促進(jìn)人牙周膜干細(xì)胞成骨分化過(guò)程中是否起作用,從而進(jìn)一步闡明釉基質(zhì)衍生物促進(jìn)人牙周膜干細(xì)胞成骨分化的作用機(jī)制。
釉基質(zhì)衍生物(Straumann公司,瑞士),DDK1(Sigma公司,美國(guó)),Dulbecco’s改良Eagle’s培養(yǎng)基(Dulbecco’s modified Eagle’s medium,DMEM)(Gibco公司,美國(guó))、0.25%胰蛋白酶(Gibco公司,美國(guó))、青鏈霉素(Gibco公司,美國(guó));胎牛血清(Gibco公司,美國(guó));Ⅰ型膠原,骨鈣素,β-連環(huán)蛋白,RunX2,CaMKⅡ及NLK引物合成(上海生工生物工程有限公司),Trizol提取試劑(Invitrogen公司,美國(guó));Super TaqMan OneStep RT-qPCR Kit(北京康為世紀(jì)生物科技有限公司);CCK-8檢測(cè)試劑盒(北京索萊寶科技有限公司); β-連環(huán)蛋白抗體(Abcam公司,英國(guó))、RunX2抗體(Santa Cruz Biochemistry公司,美國(guó)),CaMKⅡ(Abcam公司,英國(guó))、NLK抗體(Abcam公司,英國(guó)),對(duì)應(yīng)二抗(北京康為世紀(jì)生物科技有限公司);STRO-1(Abcam公司,英國(guó))、CD146流式抗體(Abcam公司,英國(guó));Masson Trichrome染色試劑盒(北京索萊寶科技有限公司)、Von Kosa’s染液(北京索萊寶科技有限公司);CO2細(xì)胞培養(yǎng)箱(FORMA 3131;Thermo公司,美國(guó)),倒置相差顯微鏡(TS100;Nikon公司,日本),多功能酶標(biāo)儀(FC;Thermo公司,美國(guó)),超低溫冰箱-80 ℃(L93-12L;Thermo公司,美國(guó)),低溫高速離心機(jī)(GS-15R;Beckman公司,美國(guó)),其余細(xì)胞培養(yǎng)耗材(Corning公司,美國(guó)),實(shí)時(shí)熒光定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(quantitative real-time polymerase chain reaction,qRT-PCR)儀(ABI-7500;ABI公司,美國(guó)),低溫離心機(jī)(CF-16RX;日立公司,日本),流式細(xì)胞儀(CyFlow Space,Partec GmbH公司,德國(guó))。
1.2.1 人牙周膜干細(xì)胞體外培養(yǎng)和鑒定 取因正畸而拔除的健康前磨牙,患者年齡11~14歲。用尖刀刮取牙根部的牙周膜組織,將組織剪成1 mm3碎塊。在超凈工作臺(tái)內(nèi)用磷酸鹽緩沖液(phosphate buffered saline,PBS)和不含胎牛血清的α-基礎(chǔ)Eagle’s 培養(yǎng)基(α-minimum Eagle’s medium,α-MEM)各清洗標(biāo)本2次,將標(biāo)本接種于T25培養(yǎng)瓶中,加入適量含有10%胎牛血清、1%雙抗的DMEM,置于CO2培養(yǎng)箱中,37 ℃、5% CO2、飽和濕度條件下培養(yǎng)。待細(xì)胞從組織塊邊緣爬出并生長(zhǎng)匯合達(dá)80%時(shí),用0.25%胰蛋白酶消化后擴(kuò)大培養(yǎng)。
選取生長(zhǎng)狀況良好的第3代細(xì)胞,收集細(xì)胞后制備成單細(xì)胞懸浮液。向流式管中加入50 μL細(xì)胞懸浮液,使每管細(xì)胞數(shù)目約為106,向管中分別加入50 μL稀釋后的STRO-1、CD146單克隆抗體,并輕輕混勻,4 ℃避光孵育30 min;然后用洗滌緩沖液洗滌細(xì)胞2次。每管加入250 μL緩沖液重懸細(xì)胞后用流式細(xì)胞儀檢測(cè)。
1.2.2 CCK-8檢測(cè)釉基質(zhì)衍生物對(duì)人牙周膜干細(xì)胞增殖的影響 收集對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的細(xì)胞,用完全培養(yǎng)基重懸,將細(xì)胞接種于96孔板中,使每孔細(xì)胞數(shù)目為1×103,培養(yǎng)基體積為200 μL,調(diào)零孔只加入200 μL培養(yǎng)基。將細(xì)胞置于37 ℃、5% CO2培養(yǎng)箱培養(yǎng)24 h,按實(shí)驗(yàn)分組更換相應(yīng)培養(yǎng)液,使釉基質(zhì)衍生物的終濃度為10、20、50、100 mg·L-1,空白對(duì)照組不處理,分別于6 h、12 h、1 d、2 d、3 d、5 d和7 d后取出1塊板。向每個(gè)孔加入10 μL CCK-8溶液。將培養(yǎng)板在培養(yǎng)箱內(nèi)孵育2 h,用酶標(biāo)儀測(cè)定450 nm波長(zhǎng)處的吸光度(A)值,并計(jì)算細(xì)胞活力:
1.2.3 人牙周膜干細(xì)胞膠原合成及礦化結(jié)節(jié)形成檢測(cè) 取第3代人牙周膜干細(xì)胞,以5×104mL-1接種1 mL至24孔板,培養(yǎng)24 h后,每組3孔重復(fù),對(duì)照組換成含10%胎牛血清、1%雙抗的DMEM,實(shí)驗(yàn)組在相同的培養(yǎng)液中加入不同質(zhì)量濃度的釉基質(zhì)衍生物(20、50或100 mg·L-1),空白對(duì)照組不做處理,放入37 ℃、5% CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)2、4周后進(jìn)行以下檢測(cè)。
Trichrome染色檢測(cè)膠原合成情況:按試劑說(shuō)明書(shū)進(jìn)行,細(xì)胞用體積分?jǐn)?shù)10%甲醛固定后,加入Bouin’s溶液56 ℃ 1 h,放入魏格特鐵蘇木精染液10 min,清洗后,放入比布列西酸性品紅液10~15 min,再放入苯胺藍(lán)溶液10 min,清洗后放入1%乙酸5 min,脫水后顯微鏡觀察。
茜素紅染色法檢測(cè)礦化結(jié)節(jié)形成情況:接種等量人牙周膜干細(xì)胞至24孔爬片,待細(xì)胞融合度達(dá)80%時(shí),分別換液為含20、50、100 mg·L-1釉基質(zhì)衍生物的DMEM,空白對(duì)照組換等體積不含釉基質(zhì)衍生物的培養(yǎng)基,繼續(xù)培養(yǎng)2、4周后,用茜素紅染色法將礦化結(jié)節(jié)染成紅色。將固定后的細(xì)胞爬片用PBS洗滌后,浸入5%硝酸銀水溶液中10 min,日光下放置暴曬30 min,蒸餾水洗滌,乙醇系列脫水,二甲苯透明,顯微鏡觀察。
1.2.4 qRT-PCR檢測(cè)成骨分化標(biāo)志物mRNA水平收集生長(zhǎng)狀況良好的第3代細(xì)胞,用Trizol法提取細(xì)胞總RNA,qRT-PCR檢測(cè)成骨分化相關(guān)因子Ⅰ型膠原(collagen Ⅰ)、骨鈣素(osteocalcin)、RunX2 mRNA水平的表達(dá)情況。引物序列見(jiàn)表1。PCR程序如下:95 ℃ 5 min;95 ℃變性30 s,55 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s,30個(gè)循環(huán);72 ℃10 min。
表1 qRT-PCR的引物序列Tab 1 Primer sequence for qRT-PCR
1.2.5 Western blot、qRT-PCR檢測(cè)DDK1對(duì)人牙周膜干細(xì)胞成骨分化的影響 選取第3代人牙周膜干細(xì)胞,以5×104mL-1接種1 mL至6孔板,每孔加入含10%胎牛血清的DMEM 2 mL,待細(xì)胞融合度達(dá)80%時(shí),分別換液為含20、50、100 mg·L-1釉基質(zhì)衍生物的DMEM和含0.05 mg·mL-1DKK1的DMEM,空白對(duì)照組換等體積DMEM,共5組,每組6孔重復(fù)。培養(yǎng)7 d后,其中3孔提取總RNA,經(jīng)qRT-PCR檢測(cè)β-連環(huán)蛋白、RunX2、CaMKⅡ及NLK在mRNA水平的表達(dá)情況;另外3孔提取總蛋白質(zhì),經(jīng)Western blot檢測(cè)β-連環(huán)蛋白、RunX2、CaMKⅡ及NLK在蛋白質(zhì)水平的表達(dá)情況。
用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,每個(gè)體外實(shí)驗(yàn)至少進(jìn)行3次。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示;采用單因素方差分析檢驗(yàn)差異顯著性,用LSD-t檢驗(yàn)比較兩組間差異。P<0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
采用組織塊消化培養(yǎng)的原代細(xì)胞,5~10 d可見(jiàn)組織塊周圍明顯有原代細(xì)胞爬出(圖1A),進(jìn)一步通過(guò)有限稀釋克隆法得到純化的人牙周膜干細(xì)胞。純化后的人牙周膜干細(xì)胞形態(tài)豐滿,呈長(zhǎng)梭形,細(xì)胞核聚集在中心,細(xì)胞呈反射狀、旋渦狀生長(zhǎng),2周左右即可達(dá)80%匯合(圖1B);流式細(xì)胞檢測(cè)結(jié)果顯示第3代人牙周膜干細(xì)胞陽(yáng)性表達(dá)間充質(zhì)細(xì)胞表面標(biāo)記物CD146(陽(yáng)性)、STRO-1(陽(yáng)性),證實(shí)所取得細(xì)胞為間充質(zhì)來(lái)源(圖2)。
圖1 人牙周膜干細(xì)胞形態(tài)特征Fig 1 Morphological characteristics of human periodontal ligament stem cells
圖2 流式細(xì)胞儀檢測(cè)人牙周膜干細(xì)胞表面抗原的表達(dá)Fig 2 Flow cytometry detection of surface antigens of human periodonatal ligament stem cells
CCK8檢測(cè)不同濃度(10、20、50、100 mg·L-1)釉基質(zhì)衍生物對(duì)人牙周膜干細(xì)胞活力的影響,結(jié)果顯示(圖3),與空白對(duì)照組相比,在20 mg·L-1以上釉基質(zhì)衍生物均明顯促進(jìn)人牙周膜干細(xì)胞的活力,并呈現(xiàn)劑量和時(shí)間依賴性,在作用3 d后效果最明顯(P<0.05)。
以釉基質(zhì)衍生物(0、20、50、100 mg·L-1)分別培養(yǎng)牙周膜干細(xì)胞2、4周后,以qRT-PCR檢測(cè)成骨相關(guān)因子Ⅰ型膠原、骨鈣素、RunX2的mRNA表達(dá)水平。結(jié)果顯示,隨時(shí)間的延長(zhǎng),釉基質(zhì)衍生物促進(jìn)牙周膜干細(xì)胞成骨相關(guān)因子Ⅰ型 膠原、骨鈣素、RunX2表達(dá)(P<0.05)(圖4)。
圖3 釉基質(zhì)衍生物對(duì)牙周膜干細(xì)胞活力的影響Fig 3 Effects of enamel matrix derivatives on proliferation of periodontal ligament stem cells
圖4 qRT-PCR檢測(cè)牙周膜干細(xì)胞成骨相關(guān)基因表達(dá)Fig 4 Expression of osteogensis-related genes of periodontal ligament stem cells detected by qRT-PCR
以不同濃度的釉基質(zhì)衍生物(0、20、50、100 mg·L-1)作用牙周膜干細(xì)胞2、4周后,檢測(cè)牙周膜干細(xì)胞生成膠原情況以及礦化結(jié)節(jié)形成情況;Trichrome染色結(jié)果顯示(圖5A~H),隨著釉基質(zhì)衍生物的濃度越高,牙周膜干細(xì)胞合成膠原量顯著增多(P<0.05),且呈劑量、時(shí)間效應(yīng)關(guān)系,說(shuō)明釉基質(zhì)衍生物能夠促進(jìn)牙周膜干細(xì)胞膠原的合成能力;茜素紅染色結(jié)果顯示(圖5I~P),隨著釉基質(zhì)衍生物的濃度越高,牙周膜干細(xì)胞礦化結(jié)節(jié)形成量越多(P<0.05),并且呈劑量、時(shí)間效應(yīng)關(guān)系,說(shuō)明釉基質(zhì)衍生物能夠促進(jìn)牙周膜干細(xì)胞礦化結(jié)節(jié)形成的能力。
使用釉基質(zhì)衍生物(20、50、100 mg·L-1)或0.05 mg·L-1DDK1分別培養(yǎng)牙周膜干細(xì)胞7 d后,以qRT-PCR和Western blot檢測(cè)β-連環(huán)蛋白、RunX2、CaMKⅡ及NLK的表達(dá)。結(jié)果顯示,在mRNA水平(圖6A~D),釉基質(zhì)衍生物促進(jìn)牙周膜干細(xì)胞RunX2、CaMKⅡ及NLK的表達(dá),而降低β-連環(huán)蛋白表達(dá),并且呈現(xiàn)出一定劑量依賴效應(yīng)(P<0.05);在蛋白質(zhì)水平(圖6E)與mRNA表達(dá)一致,而當(dāng)人牙周膜干細(xì)胞經(jīng)DDK1處理后,釉基質(zhì)衍生物的效果被明顯抑制。
圖5 Trichrome和茜素紅染色檢測(cè)牙周膜干細(xì)胞膠原合成和礦化能力Fig 5 Collagen synthesis and mineralization nodule formation of periodontal ligament stem cells detected by Trichrome staining and alizarin red staining
目前針對(duì)牙周組織疾病治療的難點(diǎn)和重點(diǎn)都在于如何有效提升牙槽骨再生的水平。 Seo等[10]于2004年首次從人第三磨牙中分離出牙周膜干細(xì)胞,在一定的培養(yǎng)條件下,牙周膜干細(xì)胞能夠分化為成牙骨質(zhì)細(xì)胞、脂肪細(xì)胞和膠原形成細(xì)胞。牙槽骨再生需要細(xì)胞同時(shí)具備較強(qiáng)的礦化能力和膠原合成能力,牙周膜干細(xì)胞移植可以是牙槽骨再生的有效方法[11]。
Wnt信號(hào)通路分為經(jīng)典的Wnt/β-連環(huán)蛋白信號(hào)通路和非經(jīng)典的Wnt/CaMKⅡ/NLK信號(hào)通路。目前在干細(xì)胞參與成骨分化的過(guò)程中研究較多的為Wnt/β-連環(huán)蛋白信號(hào)通路,但是對(duì)Wnt/β-連環(huán)蛋白信號(hào)通路在人牙周膜干細(xì)胞的成骨分化過(guò)程中的作用尚有爭(zhēng)議[12-13],有分析稱Wnt/β-連環(huán)蛋白信號(hào)通路對(duì)人牙周膜干細(xì)胞成骨分化的抑制或促進(jìn)作用可能與細(xì)胞生長(zhǎng)微環(huán)境、生長(zhǎng)狀態(tài)和所受刺激等因素有關(guān)。
圖6 qRT-PCR和Western blot檢測(cè)牙周膜干細(xì)胞β-連環(huán)蛋白、RunX2、CaMKⅡ及NLK的表達(dá)Fig 6 Expression of β-catenin, RunX2, CaMKⅡ and NLK in periodontal ligament stem cells detected by qRT-PCR and Western blot
牙釉質(zhì)基質(zhì)蛋白是牙齒發(fā)育期間產(chǎn)生的以牙釉蛋白衍生蛋白為主的異質(zhì)混合物。熱處理形式的牙釉質(zhì)基質(zhì)蛋白具有調(diào)節(jié)人牙周膜細(xì)胞的間充質(zhì)和非間充質(zhì)分化途徑的能力[14],但由于從人牙胚不易獲得牙釉質(zhì)基質(zhì)蛋白,臨床上常用的釉基質(zhì)衍生物是由豬牙胚中提取得到的釉基質(zhì)蛋白純化獲得。牙釉質(zhì)基質(zhì)蛋白相對(duì)容易獲得,因此對(duì)于釉基質(zhì)衍生物調(diào)節(jié)牙周膜干細(xì)胞的成骨分化將有助于進(jìn)一步理解其發(fā)揮臨床療效的作用機(jī)制,對(duì)于釉基質(zhì)衍生物的廣泛臨床應(yīng)用顯得意義重大,同時(shí)能夠?yàn)檠乐芙M織缺損的診療提供一定參考。
本實(shí)驗(yàn)分離出牙周膜干細(xì)胞,并提供流式細(xì)胞儀鑒定,證明了牙周膜干細(xì)胞的干細(xì)胞特性。在給予濃度梯度的釉基質(zhì)衍生物刺激后,細(xì)胞增殖能力得到顯著提高,同時(shí)細(xì)胞膠原形成和礦化能力以及成骨細(xì)胞相關(guān)基因表達(dá)也被明顯增強(qiáng),提示釉基質(zhì)衍生物能夠促進(jìn)牙周膜干細(xì)胞的增殖,還能夠明顯促進(jìn)其成骨分化,其結(jié)論與王爽等[15]的發(fā)現(xiàn)一致;另外,在濃度梯度釉基質(zhì)衍生物作用的同時(shí)施加DKK-1,結(jié)果顯示牙周膜干細(xì)胞成骨分化能力被明顯抑制,表明抑制Wnt信號(hào)通路可抑制釉基質(zhì)衍生物促進(jìn)牙周膜干細(xì)胞成骨分化的能力,進(jìn)一步表明釉基質(zhì)衍生物促進(jìn)牙周膜干細(xì)胞分化的作用可能是通過(guò)對(duì)經(jīng)典的Wnt/β-連環(huán)蛋白信號(hào)通路的激活,從而使糖原合成酶激酶(glycogen synthetase kinase,GSK)-3β大量被磷酸化,促進(jìn)β-連環(huán)蛋白在細(xì)胞內(nèi)聚集,并轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核內(nèi)與轉(zhuǎn)錄因子/淋巴增強(qiáng)因子結(jié)合,同時(shí)促進(jìn)下游一系列靶基因的表達(dá),調(diào)控了牙周膜干細(xì)胞的增殖與分化過(guò)程。另一方面,本研究還發(fā)現(xiàn)釉基質(zhì)衍生物能促進(jìn)CaMKⅡ、NLK表達(dá),且其表達(dá)也與牙周膜干細(xì)胞成骨分化程度呈正相關(guān),DDK-1作用后,CaMKⅡ、NLK表達(dá)被明顯抑制。提示,釉基質(zhì)衍生物對(duì)牙周膜干細(xì)胞成骨分化的促進(jìn)作用也可能涉及非經(jīng)典的Wnt/CaMKⅡ/NLK信號(hào)通路。因此,本研究將有助于進(jìn)一步明確釉基質(zhì)衍生物促牙周膜干細(xì)胞分化的相關(guān)機(jī)制,對(duì)釉基質(zhì)衍生物應(yīng)用于臨床治療牙槽骨再生將能夠提供一定理論參考。但由于釉基質(zhì)衍生物包含多種蛋白質(zhì),具體是哪些蛋白質(zhì)或者哪種蛋白質(zhì)的某一肽段發(fā)揮作用還需要進(jìn)一步研究。