能分泌牙釉质的干细胞衍生的类器官

　　类器官现在已经由干细胞制造出来，可以分泌形成牙釉质的蛋白质，这种物质可以保护牙齿免受损伤和腐烂。一个多学科的科学家团队领导了这项工作。这是实现以干细胞为基础的治疗方法来修复受损牙齿和再生失去的牙齿这一长期目标的关键的第一步。牙釉质是在牙齿形成过程中由称为成釉细胞的特殊细胞形成的。这些细胞在牙齿形成完成后死亡。因此，身体没有办法修复或再生受损的牙釉质。

　　

“我们的长期目标是开发基于干细胞的治疗方法来修复受损的牙齿和再生那些失去的牙齿，这是关键的第一步，”华盛顿大学牙科学院的修复牙科教授Hai Zhang说。研究结果发表在今天的《Developmental Cell》杂志上。华盛顿大学医学院生物化学系Hannele Ruohola-Baker实验室的研究生Ammar Alghadeer是这篇论文的主要作者。该实验室隶属于华盛顿大学干细胞和再生医学研究所。

牙釉质保护牙齿免受咀嚼产生的机械压力，并帮助它们抵抗腐烂，它是人体最坚硬的组织。

牙釉质是在牙齿形成过程中由称为成釉细胞的特殊细胞形成的。当牙齿形成完成时，这些细胞就会死亡。因此，身体无法修复或再生受损的牙釉质，牙齿容易骨折或脱落。为了在实验室中制造成釉细胞，研究人员首先必须了解驱动胚胎干细胞发育成这些高度特化的珐琅质产生细胞的遗传程序。为了做到这一点，他们使用了一种称为单细胞组合索引RNA测序(sci-RNA-seq)的技术，该技术可以揭示哪些基因在细胞发育的不同阶段是活跃的。

这是可能的，因为被称为信使RNA (mRNA)的RNA分子将激活基因DNA中编码的蛋白质指令携带到组装蛋白质的分子机器中。这就是为什么在细胞发育的不同阶段mRNA水平的变化揭示了在每个阶段哪些基因是开启的和关闭的。

通过对人类牙齿发育不同阶段的细胞进行sci-RNA测序，研究人员能够获得每个阶段基因激活的一系列快照。然后，他们使用一种称为Monocle的复杂计算机程序来构建未分化干细胞发育成完全分化成釉细胞过程中可能发生的基因活动轨迹。

“计算机程序预测你如何从这里到那里，路线图，构建成釉细胞所需的蓝图，”西澳大学干细胞和再生医学研究所的生物化学教授和副主任、该项目负责人Ruohola-Baker说。

有了这个轨迹，研究人员经过多次试验和错误，能够诱导未分化的人类干细胞成为成釉细胞。他们将干细胞暴露在化学信号中，这些化学信号可以激活不同的基因，这些基因的序列模仿了sci-RNA-seq数据所揭示的路径。在某些情况下，他们使用已知的化学信号。在其他情况下，来自华盛顿大学蛋白质设计医学研究所的合作者创造了计算机设计的具有增强效果的蛋白质。

在进行这个项目的同时，科学家们还首次发现了另一种细胞类型，称为亚牙母细胞，他们认为这是牙母细胞的祖先，牙母细胞是牙齿形成的关键细胞类型。

研究人员发现，这些细胞类型可以被诱导形成小的、三维的、多细胞的微型器官，称为类器官。这些细胞自我组织成类似于人类牙齿发育的结构，并分泌三种基本的珐琅质蛋白:成釉细胞蛋白、成釉原蛋白和珐琅质。这些蛋白质会形成一个基质。矿化过程是形成具有所需硬度的牙釉质所必需的。

研究小组现在希望改进这一工艺，使牙釉质在耐久性上与天然牙齿相当，并开发出使用这种牙釉质修复受损牙齿的方法。一种方法是在实验室制造牙釉质，然后用来填补蛀牙和其他缺陷。

Ruohola-Baker指出，另一种更有雄心的方法是创造“活的填充物”，这种填充物可以生长并修复蛀牙和其他缺陷。最终的目标是创造出干细胞衍生的牙齿，可以完全取代失去的牙齿。

Ruohola-Baker说，牙齿是开发其他干细胞疗法的理想模型。“我们希望能够替代的许多器官，比如人类的胰腺、肾脏和大脑，都是巨大而复杂的。从干细胞中安全地再生它们需要时间。另一方面，牙齿要小得多，也不那么复杂。它们可能是最容易摘到的果实。我们可能需要一段时间才能使它们再生，但我们现在可以看到实现这一目标所需的步骤。这可能最终会是‘活填充物世纪’和人类再生牙科的世纪。”

Single-cell census of human tooth development enables generation of human enamel. Developmental Cell, 2023