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牙源性干细胞促进血管生成研究进展

2019-6-15 09:06  来源:中国实用口腔科杂志
编辑:庄雪莹 刘尧 陈旭 阅读量:2333

    牙源性干细胞是一种具有自我更新、多向分化能力的间充质干细胞,能够向成骨细胞、成软骨细胞、成牙本质细胞、成脂细胞、成神经细胞和成内皮细胞方向分化。与骨髓、脐带和脂肪组织来源的间充质干细胞相比,牙源性干细胞更易获得,且生物学性能更好。因此,牙源性干细胞被认为是组织再生较为理想的种子细胞。在组织修复与再生过程中,充足的血管化可以为组织提供氧气、营养和其他必需物质并排出代谢废物。牙源性干细胞具有促进血管生成的作用,已被用于皮肤缺损、缺血性疾病、神经损伤等临床疾病的治疗以及骨修复和牙髓组织再生。本文就近年来牙源性干细胞促进血管生成的研究进展做一综述。

    1.牙源性干细胞促进内皮细胞血管生成的途径与机制

    牙源性干细胞存在于内皮细胞的周围,可发挥类似于周细胞的作用,通过旁分泌效应分泌血管生长因子,调控内皮细胞的增殖分化,进而调控血管生成。

    1.1牙源性干细胞释放促血管生成细胞因子

    血管生成是在多种促血管生成因子和抗血管生成因子的微妙平衡调节下进行的。牙源性干细胞无论是在基础状态下还是在损伤或缺氧等有害刺激因素下,都可以释放促血管生长因子,如血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、碱性成纤维细胞生长因子(basic fibroblast growth factor,bFGF)和血小板源性生长因子(platelet derived growth factor,PDGF)等。牙髓干细胞(dental pulp stem cells,DPSCs)还可以释放其他促血管生成因子包括血管生成素(angiopoietin,ANG)、集落刺激因子、二肽基肽酶Ⅳ、内皮素-1、白细胞介素-8、胰岛素样生长因子结合蛋白-3、单核细胞趋化蛋白-1和尿激酶型纤溶酶原激活物等。

    将人脐静脉内皮细胞(human umbilical vein endothelial cells,HUVECs)与DPSCs共培养物包封在肽水凝胶PuraMatrixTM支架中,在没有外源性生长因子的情况下,DPSCs通过促进HUVECs的迁移和增加VEGF表达促进早期血管网络的形成;将加载细胞和PuraMatrixTM支架的牙根片段移植到小鼠背部皮下,可观察到血管化的牙髓样组织形成。

    研究表明,趋化因子CXCL12,也称为基质细胞衍生因子-1(stromal cell-derived factor-1,SDF-1),不仅能调节细胞迁移,还可促进受损组织的血管生成。Bae等在小鼠皮下放置牙周膜干细胞(periodontal ligament stem cells,PDLSCs)和HUVECs共同注入的基质胶栓7d后,发现基质胶内能够产生血管样结构,新形成的血管与宿主循环系统之间发生了吻合;将趋化因子受体CXCR4拮抗剂AMD3100加入到基质胶栓内,则没有明显的血管样结构生成,由此可见PDLSCs和HUVECs之间的SDF-1α-CXCR4轴可能是体内血管生成的重要信号通路。

    1.2牙源性干细胞外泌体诱导内皮细胞血管生成

    外泌体(Exosomes)是一种由细胞分泌的直径为30~100nm具有双层膜结构的细胞外微囊泡,介导细胞与细胞之间的信息交流。Komaki等发现,胎盘间充质干细胞外泌体可诱导内皮细胞迁移、管腔形成和血管生成的相关基因表达,表明胎盘间充质干细胞条件培养基的血管生成作用部分是通过外泌体直接刺激内皮细胞产生的。研究发现,DPSCs外泌体能够促进内皮细胞的增殖,增强内皮细胞的迁移能力,诱导内皮细胞形成管腔,促进血管生成。

    此外有研究表明,高表达缺氧诱导因子-1α(hypoxia inducible factor-1α,HIF-1α)的间充质干细胞可分泌更多的外泌体,促进内皮细胞的血管生成;Jagged1是间充质干细胞外泌体中惟一的Notch信号通路的配体,将含有Jagged1的外泌体加入内皮细胞中,可使Notch靶基因的转录发生变化并在血管形成体外实验中诱导血管生成,提示间充质干细胞外泌体可通过加载Jagged1基因增强其血管生成能力,这对缺血性疾病治疗具有潜在的应用价值。

    2.牙源性干细胞分化为血管内皮细胞的途径与机制

    牙源性干细胞在血管生成的过程中,可作为功能性内皮细胞的潜在来源。但即使通过生长因子和机械刺激,其内皮向分化效率也相当低,这极大地限制了其临床应用。Zhang等认为,通过激活经典Wnt/β-catenin信号通路能够诱导牙源性干细胞的血管生成。

    近来也有研究表明,转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)抑制剂SB-431542可增强VEGF-A对脱落乳牙干细胞(stem cells from human exfoliated deciduous teeth,SHEDs)向内皮细胞分化的诱导作用;SB-431542抑制SMAD2/3磷酸化并上调VEGF-A和血管内皮细胞生长因子受体2(vascular endothelial growth factor receptor 2,VEGFR2),VEGF-A和SB-431542联合应用可增强SHEDs向内皮细胞分化。与DPSCs相比,PDLSCs具有更强的血管生成、骨生成和神经分化性能。从小鼠牙周膜中获得的内皮细胞较牙髓中内皮细胞更易新生血管。

    除了内皮细胞外,平滑肌细胞也是血管的重要组成部分。在血管再生过程中,SHEDs可通过TGF-β1刺激诱导分化为功能性血管平滑肌细胞,且该过程通过ALK5信号通路进行调控。

    3.应激微环境下牙源性干细胞促进血管生成

    当机体受到刺激后常处于各种应激状态,其中缺氧和炎症是较为常见的应激微环境。应激微环境下牙源性干细胞仍可通过旁分泌作用调节损伤部位的局部微环境,调节血管生成的能力,进而优化以细胞为基础的缺血性疾病的组织再生。

    3.1缺氧

    在组织再生过程中,严重缺氧可导致组织坏死。然而,短期缺氧却能够刺激血管生成。2010年Aranha等最先证明将DPSCs和人牙髓成纤维细胞暴露于实验性缺氧条件下,发现HIF-1α和VEGF的表达增强,促进血管生成。Yuan等研究显示,在缺氧条件下共培养根尖牙乳头干细胞(stem cells from apical papilla,SCAPs)和HUVECs时,VEGF、肝配蛋白B2和HIF-1α表达量较常氧状态下更高,更能够促进内皮小管和血管网络的形成;荧光染色显示HUVECs形成管状结构的主干,而SCAPs位于内皮细胞附近,证明了血管形成过程中SCAPs是通过旁分泌作用促使血管生成。

    在短时间缺少氧气和葡萄糖且缺少血清的微环境下,SCAPs能够快速内皮移位,缺氧条件下SCAPs分泌更多的促血管生成因子,而抗血管生成因子基质金属蛋白酶组织抑制因子-1和血小板反应蛋白-1降低。

    3.2炎症

    牙齿龋坏或创伤常导致牙髓组织的炎症反应,集聚大量炎性细胞并释放促炎性细胞因子。DPSCs短期暴露于肿瘤坏死因子-α时,可通过NF-kB信号传导上调VEGF的表达,有助于血管生成。另有研究表明,炎症环境也可增加PDLSCs的自噬水平,提高bFGF、ANG的表达,促进血管再生。进一步研究发现,自噬是通过调节pERK1/2信号通路增加间充质干细胞旁分泌VEGF,促进内皮细胞血管生成,这在皮肤创伤愈合过程中发挥重要作用。

    4.提高牙源性干细胞血管生成性能的方法

    4.1牙源性干细胞的基因修饰

    通过各种生物化学的方法将牙源性干细胞的部分DNA序列进行修改,从而改变细胞的基因型,能够增强其血管生成的能力。Zhang等利用慢病毒建立血小板源性生长因子BB(PDGF-BB)基因修饰的hDPSCs,结果显示PDGF-BB可显著增强hDPSCs增殖和成牙本质向分化,并且由hDPSCs分泌的PDGF-BB和VEGF促进了血管生成;将组织工程复合物移植到小鼠体内12周后,PDGF-BB基因修饰的hDPSCs组形成了更多高度血管化的牙髓组织和牙本质样矿化组织。

    此外,CXCL12基因修饰的PDLSCs中bFGF、VEGF、干细胞因子和胎盘生长因子高表达,通过体外基质胶血管生成实验可观察到形成更长的毛细血管样结构,将其植入大鼠体内,能够促进临界尺寸颅骨缺损的骨组织修复和血管生成。

    4.2条件培养基

    有学者认为牙源性干细胞内皮分化效率低是因为不能重现富含细胞外基质的三维体内环境,而从人脐静脉内皮细胞中提取去细胞化的细胞外基质(HUVECs-DECM)作为培养基有助于刺激SHEDs促进血管生成。此外,在牙髓干细胞条件培养基(hDPSC-CM)中检测到多种促血管生成因子如VEGF、SDF-1、尿激酶型纤溶酶原激活物和抗血管生成因子基质金属蛋白酶组织抑制因子-1、纤溶酶原激活物抑制剂;hDPSC-CM具有持续促血管生成和成熟的作用,甚至被认为是优于内皮生长培养基的内皮细胞最佳条件培养基。

    5.结语

    牙源性干细胞具有优秀的间充质干细胞特性,并且容易获取,无创伤性。将牙源性干细胞应用于人体内促进血管生成,进而促进组织再生具有重要的临床转化意义,但牙源性干细胞促进血管生成的能力及其作用机制仍需进一步明确。

编辑: 陆美凤

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