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不同炎癥狀態下犬年輕恒牙牙髓干細胞增殖及成骨分化能力的改變

2016-11-23 02:14趙玉鳴葛立宏
北京大學學報(醫學版) 2016年5期
關鍵詞:牙髓炎恒牙成骨

凌 龍,趙玉鳴,葛立宏

(北京大學口腔醫學院·口腔醫院,兒童口腔科 口腔數字化醫療技術和材料國家工程實驗室 口腔數字醫學北京市重點實驗室,北京 100081)

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·論著·

不同炎癥狀態下犬年輕恒牙牙髓干細胞增殖及成骨分化能力的改變

凌 龍,趙玉鳴,葛立宏△

(北京大學口腔醫學院·口腔醫院,兒童口腔科 口腔數字化醫療技術和材料國家工程實驗室 口腔數字醫學北京市重點實驗室,北京 100081)

目的:探究不同炎癥狀態對比格犬(Beagle犬)年輕恒牙牙髓干細胞增殖及成骨能力的影響,為炎癥牙髓干細胞的應用提供理論依據。方法:選取Beagle犬年輕恒前磨牙14顆,通過開髓后牙髓暴露的方法建立牙髓炎模型。對照組于開髓后立即拔髓,實驗組分別于術后2周和6周拔出牙髓組織。HE染色確定牙髓炎癥程度,提取不同炎癥狀態下牙髓組織RNA,實時熒光定量PCR(real-time PCR)檢測炎癥因子腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factorα,TNF-α)、白細胞介素(interleukin,IL)家族IL-1β、IL-6、IL-10的表達。酶消化法分離培養正常牙髓干細胞(dental pulp stem cell,DPSC)和炎癥牙髓干細胞(inflammatory DPSC,IDPSC),細胞計數試劑盒(cell counting kit-8,CCK-8)法測定其生長曲線,并對其進行成骨分化誘導,茜素紅染色,real-time PCR檢測成骨相關基因骨涎蛋白(bone sialoprotein,BSP)、堿性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)、牙本質涎磷蛋白(dentin sialophosphoprotein,DSPP)的表達情況。結果:開髓暴露2周和6周后,根管內仍有存活的牙髓組織,伴有不同程度的炎癥細胞浸潤,6周組牙髓中炎癥因子高表達。各組牙髓均可分離培養出牙髓干細胞,IDPSC的增殖能力強于DPSC。經成骨誘導后實驗組細胞BSP、ALP和DSPP的表達均顯著高于DPSC(P<0.01),但6周組表達顯著低于2周組(P<0.01)。結論:Beagle犬年輕恒牙早期牙髓炎癥狀態下,牙髓干細胞的增殖和成骨分化能力均有所增強。

牙髓炎;間充質干細胞;成骨細胞;細胞增殖;細胞分化

年輕恒牙是牙根發育未完成、根尖孔未閉合的未成熟恒牙,其根管壁薄,髓腔寬大,齲齒、外傷、發育異常等因素容易造成牙髓炎癥,使得牙根發育停止,影響使用壽命,因而,炎癥牙髓修復再生,使牙根繼續發育是臨床上亟待解決的問題,也是口腔醫學的研究熱點。近年來,牙源性干細胞的研究為牙髓再生提供了可能性,Gronthos等[1]于2000年首次從牙髓組織分離出了牙髓干細胞(dental pulp stem cell,DPSC),證實其具有自我更新能力,可誘導產生骨樣、軟骨樣及脂肪樣組織,體內可生成牙髓牙本質復合體,在牙髓修復再生領域有很大的應用前景。近來在炎癥組織中也分離出了間充質干細胞,Alongi等[2]研究發現,炎癥的牙髓組織里也含有干細胞(inflammatory DPSC,IDPSC), 但其增殖能力及分化能力受到抑制,Park等[3]的研究結果與此類似。然而,Pereira等[4]分離炎癥牙髓干細胞發現其增殖分化能力同正常細胞相近,Yu等[5]發現乳牙炎癥牙髓中干細胞的增殖分化能力同正常脫落乳牙干細胞沒有明顯差異。目前,關于炎癥對干細胞的影響尚沒有統一的結論,且沒有對年輕恒牙牙髓炎的相關研究。本實驗擬通過建立比格犬(Beagle犬)年輕恒牙不同炎癥程度牙髓炎模型,觀察不同炎癥狀態下年輕恒牙DPSC增殖及成骨分化能力的改變,為炎癥狀態下DPSC介導組織修復再生提供依據。

1 材料與方法

1.1 實驗動物

由北京瑪斯生物技術有限公司提供雄性Beagle犬,20周齡,遺傳背景清楚明確,飼養于北京大學口腔醫院動物房,飼養級別為清潔級。本研究通過北京大學生物醫學倫理委員會審查,批號為LA2011-045。

1.2 建立牙髓炎模型

使用3%(質量分數)戊巴比妥鈉按1 mL/kg體重劑量靜脈注射于20周Beagle犬進行麻醉,采用分角線投照技術拍攝雙側上、下頜前磨牙根尖片,確認牙根發育程度,選取14顆前磨牙的21個牙根進行開髓實驗,開髓洞型為直徑2 mm圓形,牙髓暴露制造牙髓炎癥。分別于術后即刻、2周、6周用拔髓針取出牙髓,以術后即刻牙髓為對照組。取樣完成后對實驗牙齒進行根管治療后樹脂充填。

1.3 HE染色

牙髓取樣后用4%(質量分數)多聚甲醛固定,石蠟包埋,制備5 μm切片,脫蠟入水,蘇木素染色,鹽酸酒精粉色,氨水返藍,伊紅染色,梯度酒精脫水,中性樹膠封片,光鏡下觀察組織形態學變化及炎癥細胞的浸潤。

1.4 實時熒光定量PCR(real-time PCR)檢測牙髓炎癥因子表達

牙髓取樣后液氮保存,取樣完成后取出,無菌小鑷子剪碎,加入1 mL Trizol,超聲組織破碎儀裂解組織,Trizol試劑盒提取總RNA,采用Superscript Ⅲ逆轉錄酶合成cDNA模板,real-time PCR檢測腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factorα,TNF-α)、白細胞介素(interleukin,IL)家族(IL-1β、IL-6、IL-10)的表達,引物序列見表1。反應體系(20 μL):H2O 8 μL,SYBR 10 μL,上、下游引物各0.5 μL,cDNA 1 μL。反應參數:預變性95 ℃ 30 s,變性95 ℃ 10 s,退火64 ℃ 30 s,35個循環,最后一個循環結束后做溶解曲線。

1.5 細胞培養

每組3個牙根(來自于3顆不同的前磨牙)的牙髓用于細胞培養。將取出的牙髓組織立即在含雙抗(鏈霉素-青霉素)的D-Hanks液中浸泡沖洗3次,轉移至60 mm培養皿,加入1 mL的3 g/LⅠ型膠原酶(美國Sigma公司)和4 g/L Dispase酶(美國Sigma公司),無菌小彎剪充分剪碎,轉移至15 mL離心管,37 ℃震蕩消化45 min,加入等體積培養基中止消化,1 200 r/min離心5 min,去上清,1 mL培養基重懸,接種于60 mm培養皿,細胞培養基為10%(質量分數)胎牛血清(美國Hyclone公司)、1%(質量分數)雙抗和αMEM培養基。于37 ℃、5%(體積分數)CO2孵箱中培養,每隔2~3 d換液1次,待細胞生長匯合,消化收集細胞,傳代培養。

1.6 Beagle犬DPSC增殖能力及成骨能力研究

細胞計數試劑盒(cell counting kit-8,CCK-8)法檢測細胞的增殖能力:將P2代細胞以5×103/孔的密度接種于96孔板,每組3個復孔,于37 ℃、5% (體積分數)CO2培養。分別于1、3、5、7、9、10 d更換培養基,避光加入10 μL CCK-8(日本同仁研究所),37 ℃孵箱孵育3 h后將96孔板置于酶標儀(BioTek,ELX808)內測定各孔光密度值(D450 nm),實驗重復3次。以細胞接種和檢測天數為橫坐標,D值為縱坐標繪制Beagle犬生長曲線。

成骨分化:P2代細胞以5×104/孔的密度接種于6孔板,培養至80%匯合后,成骨誘導組更換成骨誘導培養液[αMEM、10%(質量分數)FBS、10 nmol/L地塞米松、10 mmol/L β-磷酸甘油鈉、50 mg/L抗壞血酸鈉]進行培養,對照組繼續加入細胞培養液,每3天換液,3周后終止培養。

茜素紅染色:成骨誘導結束后細胞用4%(質量分數)多聚甲醛固定20 min,PBS漂洗3次,2%(質量分數)茜素紅(Sigma公司)染色15 min,PBS漂洗3次,肉眼及鏡下觀察。

Real-time PCR檢測骨涎蛋白(bone sialoprotein,BSP)、堿性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)、牙本質涎磷蛋白(dentin sialophosphoprotein,DSPP)表達:細胞成骨誘導終止后,Trizol試劑盒提取總RNA,采用Superscript Ⅲ逆轉錄酶合成cDNA模板,引物序列見表1。

表1 基因和引物序列Table 1 Specific primers for real-time reverse transcription-PCR

BSP, bone sialoprotein;ALP, alkaline phosphatase;DSPP, dentin sialophosphoprotein;TNF-α, tumor necrosis factor α;IL-1β, interleukin-1β;IL-6, interleukin-6;IL-10, interleukin-10;GAPDH, glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase.

1.7 Real-time PCR結果分析

采用2-ΔΔCt法進行數據分析:(1)Real-time PCR測得實驗組和對照組中每個樣本的Ct值,即擴增時熒光信號達到固定閾值時的循環次數;(2)計算對照組和實驗組中各目的基因相對于內參基因的ΔCt值,即:ΔCt(對照組)=目的基因Ct平均值-內參基因Ct平均值,ΔCt(實驗組)=目的基因Ct平均值-內參基因Ct平均值;(3)計算實驗組每個基因相對于對照組的ΔΔCt值,即:ΔΔCt=ΔCt(實驗組)-ΔCt(對照組);(4)計算2-ΔΔCt,得出目的基因的相對表達量(實驗組相對于對照組),即相對定量值。每組設計3個重復孔。

1.8 統計學方法

采用SPSS 20.0統計軟件進行統計分析。Real-time PCR及細胞增殖能力結果采用單因素方差分析,組間比較采用LSD法,P<0.05即認為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 Beagle犬年輕恒牙牙髓炎癥模型的建立

實驗用Beagle犬年輕恒前磨牙根尖X線片示牙根發育為Nolla 8~9期,屬于年輕恒牙,實驗牙取樣前拍根尖X線片,根尖周未見明顯病變。對照組牙髓拔髓形態完整,質地堅韌;2周炎癥組可見露髓處牙髓色暗紅,探出血明顯,質地較韌;6周炎癥組可見牙髓增生凸出開髓孔外,呈肉芽狀。HE染色可見對照組牙髓內膠原纖維呈條索狀排列,并有大量梭形成纖維細胞,細胞核均為成纖維狀,組織結構整齊;2周炎癥組的牙髓內仍可見條索狀膠原纖維和成纖維細胞,但有大量胞核小而圓、核深染的炎癥細胞彌漫性浸潤,并可見到散在的炎癥細胞浸潤灶;6周炎癥組的牙髓中冠髓結構紊亂,炎癥細胞浸潤,破壞了正常的組織排列結構,根尖部大量核深染的炎癥細胞聚集(圖1)。

2.2 炎癥牙髓組織中炎癥因子表達

提取不同炎癥時期牙髓組織RNA,real-time PCR檢測TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-10的表達,結果如圖2所示,TNF-α表達在2周與6周炎癥組明顯高于對照組(P<0.05),而IL-1β、IL-6、IL-10在2周炎癥組牙髓中的表達與對照組差異無統計學意義,在6周炎癥組牙髓中的表達則顯著高于對照組(P<0.001)。

2.3 DPSC與IDPSC的分離培養

酶消化法獲得的Beagle犬DPSC與IDPSC形態相似,均為典型的成纖維細胞形態(圖3)。細胞可以穩定傳代,傳至5~6代形態均未明顯改變,選用2~3代的細胞進行下一步實驗。

2.4 增殖能力檢測

通過CCK-8法檢測細胞的生長能力,繪制生長曲線,可見實驗組與對照組細胞均經歷了潛伏期、快速生長期、平臺期和退化衰亡期,IDPSC的整體增殖速率快于DPSC,6周炎癥組IDPSC在7、9、10 d的光密度值與DPSC相比差異有統計學意義,而2周炎癥組IDPSC在9、10 d的光密度值與DPSC相比差異有統計學意義(P<0.01,圖4)。

2.5 成骨能力檢測

經成骨誘導茜素紅染色后DPSC與IDPSC均可見紅色礦化結節(圖5箭頭所示),real-time PCR 檢測成骨相關基因的表達結果顯示,2周和6周炎癥組的細胞成骨相關基因BSP、DSPP、ALP表達均高于對照組細胞,差異有統計學意義(P<0.01),且6周時基因的表達與2周相比有明顯降低(P<0.01,圖6)。

A & a, normal dental pulp as control (the arrows show the fibroblasts); B & b, pulp exposed for 2 weeks with large numbers of inflammatory cells infiltration (the arrow shows the focal inflammatory cells infiltration);C & c,the coronal pulp exposed for 6 weeks, without normal structure, with infiltration by a large number of inflammatory cells (the arrows show the lymphocytes);D & d,the apex of pulp exposed for 6 weeks, with necrosis of normal tissue which replaced by inflammatory cells.

圖1 不同炎癥時期牙髓HE染色(A~D,×4;a~d,×40)
Figure 1 HE staining of dental pulp under different inflammatory stage (A-D, ×4; a-d, ×40)

RQ, relative quantification. *P<0.05 vs.0 week (control group).

圖2 不同炎癥時期牙髓組織炎癥因子表達
Figure 2 The expression of cytokines in dental pulp from different inflammation period

A, DPSCs from normal dental pulp; B, IDPSC from dental pulp exposed for 2 weeks; C, IDPSCs from dental pulp exposed for 6 weeks.

圖3 不同炎癥時期原代牙髓細胞形態(×4)
Figure 3 Cell morphology of stem cells form different inflammation period (×4)

圖4 不同炎癥時期犬牙髓細胞生長曲線
Figure 4 The growth curve of cells from different inflammation period

3 討論

年輕恒牙不可逆性牙髓炎的治療一直是臨床上的難題,無論是再血管化治療還是根尖誘導成形術都只能封閉根尖孔,使牙根有一定的增長,但不能恢復牙髓活性,使牙根有正常的生物學性能。自2000年Gronthos等[1]從牙髓組織分離出DPSC后,牙源性干細胞的多向分化潛能給牙髓修復再生提供了希望,但其細胞來源有限,因此,學者們嘗試尋找其他更容易獲得的干細胞來源。Alongi等[2]研究發現,炎癥的牙髓組織里也含有間充質干細胞,可以在體內形成牙髓-牙本質復合體,預示著這類細胞在修復再生醫學方面有很大的應用前景,或許會改變年輕恒牙不可逆性牙髓炎的治療方式。

關于牙髓炎癥的研究大多基于動物實驗,有研究報道暴露小鼠牙齒牙髓制造根尖周炎模型,結果觀察到60 d時根尖區仍有存活牙髓,90 d時牙髓全部壞死[6]。Gullberg等[7]的實驗將Beagle犬成熟恒牙去除全部冠髓使牙髓暴露,14 d時觀察到牙髓全部壞死。本實驗通過對Beagle犬年輕恒牙進行開髓、暴露不同時間的方法,成功建立了不同炎癥狀態的年輕恒牙牙髓炎模型。實驗中暴露2周的牙髓,HE染色可見大量的淋巴細胞浸潤,牙髓組織結構清楚,屬于牙髓早期階段;暴露6周的牙髓,HE染色可見冠髓組織結構紊亂,正常細胞被炎癥細胞取代,且在根尖區發生了組織壞死,表明牙髓炎癥已進入中晚期階段。

A, DPSC; B, IDPSC from 2 weeks inflamed pulp; C, IDPSC from 6 weeks inflamed pulp.The arrows show mineralized nodules.

圖5 牙髓細胞成骨誘導后茜素紅染色(×4)
Figure 5 Alizarin red staining after cells cultured in osteogenesis media (×4)

與既往研究不同,本實驗牙髓暴露6周后仍有存活的牙髓,其原因一方面是由于選用的牙齒為年輕恒牙,根尖發育未完成,血運豐富,抗炎能力強;另一方面是實驗中開髓洞型較小,且保留了冠髓,所形成的牙髓炎模型更接近臨床實際情況。

本研究中炎癥因子的檢測結果顯示,2周組牙髓炎癥因子與正常牙髓差異不大,說明犬牙髓抗炎能力較強,尚處于炎癥初期;而6周組牙髓炎癥因子表達顯著高于對照組及2周組,說明炎癥隨牙髓暴露時間增加而加重。TNF-α是炎癥過程中最重要的細胞因子,在炎癥過程中可以引起血管擴張、透明以及白細胞的趨化,造成吞噬細胞的增多和內毒素的釋放進而加重炎癥反應,它的含量代表了炎癥的嚴重程度。IL-6為炎癥促進因子,IL-10為炎癥負向調節因子,6周組牙髓IL-6與IL-10的高表達提示炎癥進入中后期,機體啟動了炎癥調控機制。

RQ, relative quantification. Other abbreviations as in Table 1. *P<0.01 vs.0 week (control group); # P<0.01 vs.6 weeks inflamed pulp.

圖6 牙髓細胞成骨誘導后相關基因的表達
Figure 6 The expression of genes after osteoblastic induction

實驗中分離培養了炎癥牙髓以及正常牙髓干細胞,從形態學上觀察兩者細胞形態相似,說明炎癥并未在形態上對細胞有所影響。既往有些研究表明炎癥會抑制干細胞的增殖[2, 8-9],有些則認為炎癥狀態下干細胞的增殖不受影響[3-5],本實驗比較了DPSC與IDPSC的增殖能力,發現IDPSC的生長能力均略強于DPSC,表明炎癥刺激在一定程度上增強了牙髓干細胞的增殖能力。同時,Park等[3]觀察到炎癥狀態下牙周膜干細胞的遷移能力增強,已有研究發現缺氧環境下DPSC的增殖能力和成血管能力增強[10-11],且不可逆牙髓炎中TGF-β1的表達上調,TGF-β1可促進細胞增殖和分化[12],這或許為炎癥環境下細胞的增殖能力不受影響甚至增強提供了理論依據。關于炎癥對干細胞增殖的影響,目前尚無統一結論,可能為各個實驗中炎癥狀態不同所致。本實驗選用的是年輕恒牙,年輕恒牙血運豐富,細胞增殖能力強,可能對炎癥刺激的反應也較強;另外,本實驗的取樣動物為Beagle犬,種屬不同也可能是實驗結果不同的原因。

對DPSC與IDPSC進行成骨誘導均可形成大量礦化結節,real-time PCR檢測成骨相關基因的表達,發現2周組與6周組細胞的表達均顯著高于正常細胞,另外2周組基因表達也顯著高于6周組,即炎癥早期IDPSC的成骨能力顯著增強,晚期有所下降,說明早期輕度炎癥刺激可增強IDPSC的成骨分化能力,而隨著時間延長炎癥程度加重,細胞的成骨能力下降。Goldberg等[13]研究發現,輕度炎癥會促進細胞的成骨分化,但重度炎癥會導致細胞凋亡,與本研究結果一致。也有研究結果顯示,炎癥組織干細胞成骨分化能力與正常組織無明顯差異[4-5,8-9]或者低于正常組織[2-3],這可能是在炎癥的不同階段取樣所致。

本實驗通過開髓使牙髓暴露于不同時間的方法建立了Beagle犬年輕恒牙不同嚴重程度的牙髓炎模型,證明炎癥環境下牙髓干細胞的增殖能力有所增加,炎癥早期牙髓干細胞的成骨分化能力明顯增強,后期有所下降,提示臨床上年輕恒牙不可逆牙髓炎中牙髓干細胞用于修復再生治療的可能性。雖然早期炎癥牙髓干細胞的增殖及成骨能力有所增強,但關于炎癥環境對干細胞凋亡及免疫學特性的影響目前尚不明確,有待于進一步實驗探究。

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(2015-01-20收稿)

(本文編輯:趙 波)

Impact of different degree pulpitis on cell proliferation and osteoblastic differentiation of dental pulp stem cell in Beagle immature premolars

LING Long, ZHAO Yu-ming, GE Li-hong△

(Department of Pediatric Dentistry, Peking University School and Hospital of Stomatology & National Engineering Laboratory for Digital and Material Technology of Stomatology & Beijing Key Laboratory of Digital Stomatology, Beijing 100081, China)

Objective:To compare the proliferation and osteoblastic differentiation of dental pulp stem cell (DPSC) isolated from normal and inflamed pulps of different degrees in Beagle immature premolars, and provide evidence for the use of inflammatory DPSC (IDPSC). Methods: This study evaluated 14 Beagle’s young premolars (21 roots). In the experiment group, irreversible pulpitis was induced by pulp exposure and the inflamed pulps were extracted 2 weeks and 6 weeks after the pulp chamber opening.For the control group, normal pulps were extracted immediately after the exposure. HE staining and real-time PCR were performed to confirm the inflammation. The cells were isolated from the inflamed and normal pulps (IDPSC and DPSC). Cell proliferation and osteoblastic differentiation potentials of the two cells were compared. Results: Inflammation cells infiltration was observed in the inflamed pulps by HE staining. The expression of inflammatory factor was much higher in the 6 week inflamed pulp. IDPSC had higher potential of cell proliferation and osteoblastic differentiation potentials. Furthermore, the osteoblastic differentiation potentials of IDPSC from 2 week inflamed pulp were higher than those from 6 week inflamed pulp. Conclusion: The potential of cell proliferation and osteoblastic differentiation of DPSC was enhanced at early stage of irreversible pulpitis, and reduced at late stage in Beagle immature premolars.

Pulpitis; Mesenchymal stromal cells; Osteoblasts; Cell proliferation; Cell differentiation

時間:2015-5-27 11:18:51

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.4691.R.20150527.1118.021.html

R781.33

A

1671-167X(2016)05-0878-06

10.3969/j.issn.1671-167X.2016.05.024

△ Corresponding author’s e-mail, gelh0919@126.com

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