Выращивание зубов из стволовых клеток

Руководство по выращиванию зубов

Тканевую инженерию в стоматологии применяли еще в эпоху фараонов: древнейшие известные зубные имплантаты найдены археологами именно в Египте. Среди них есть и зубы, которые были реимплантированы женщине на место утерянных и частично интегрировались с живой тканью. В мужской челюсти обнаружился искусственный зуб, мастерски вырезанный из раковины моллюска еще 5500 лет назад. Но несмотря на внушительный срок, полноценного лечения пациента с адентией, то есть полной или частичной потерей зубов, не существует до сих пор.

История вопроса

около 330 до н.э.

Аристотель описывает регенерацию кончика хвоста у ящерицы.

1950-е

В костном мозге найдены два типа стволовых клеток: гемопоэтические предшественники кровяных телец и мезенхимальные предшественники костной и хрящевой ткани, включая зубы.

Впервые выделены и выращены «в пробирке» эмбриональные стволовые клетки мышей.

Стволовые клетки обнаружены в зубной пульпе человека.

Успешная изоляция и культивирование в лаборатории эмбриональных стволовых клеток человека.

Показано, что мезенхимальные стволовые клетки в пульпе способны регенерировать дентиноподобные тканевые комплексы.

Удается выделить популяцию стволовых клеток из еще живых остатков разрушенного зуба.

Обнаружение стволовых клеток в периодонтальной связке, которая удерживает зуб на месте.

Зрелые дифференцированные клетки мышей успешно «перепрограммированы» в стволовые (индуцированные плюрипотентные) клетки.

Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки получены из фибробластов человека.

Из стволовых клеток пульпы на искусственном скаффолде выращены дентиноподобные комплексы.

Свои или искусственные

Ортопедические конструкции и имплантаты до некоторой степени компенсируют функции утраченного зуба, однако у этих искусственных заменителей отсутствуют сосуды, нервные окончания и рецепторы. Кроме того, они не образуют периодонтальную связку — слой соединительной ткани между корнем зуба и костью, формирующей стенку лунки. Периодонт способствует закреплению зуба в альвеоле и обеспечивает его механическую устойчивость: сила жевательных мышц человека составляет целых 390 кг, и связка распределяет это давление между зубами.

В отличие от зуба, имплантат неподвижен, а развитие вокруг него соединительной ткани часто заканчивается воспалением (периимплантитом) и требует удаления искусственного зуба. Кроме того, имплантат не может быть соединен в одну конструкцию с зубами пациента как раз из-за неспособности адекватного распределения давления ввиду отсутствия периодонта. Наконец, имплантированный заменитель требует куда более внимательного отношения к гигиене полости рта, что снова возвращает нас к основному источнику наших проблем, «человеческому фактору». Очевидно, идеальным решением была бы технология выращивания настоящих живых зубов, а не пересадка искусственных. Так давайте перейдем к делу.

Самый ранний признак развития зубов — образование дентальной пластинки, подковообразного утолщения эпителия, которое тянется вдоль верхней и нижней челюстей эмбриона. Пройдя через несколько этапов, она образует корни отдельных зубов. Координацию этого процесса обеспечивают как минимум четыре эпителиальных сигнальных центра, клетки которых выделяют вещества, регулирующие формирование зуба.

Все перечисленное выше пригодится нам и для создания новых зубов методами тканевой инженерии. «Рецептура» выращивания любой биологической ткани требует трех базовых компонентов: стволовых клеток, внеклеточного матрикса (скаффолда, который предоставляет опору для развивающихся клеточных структур) и, наконец, факторов роста, объединенных в необходимые для развития зуба сигнальные пути. Пойдем по порядку и начнем с главных героев — стволовых клеток, обладающих одонтогенной компетентностью и способных развиться в ткани зубов.

Дентальные стволовые клетки

В отличие от большинства зрелых клеток, стволовые клетки способны проходить через множество делений и понемногу специализироваться, формируя клетки разных типов. Эмбриональные стволовые клетки тотипотентны и могут превратиться в любой из более чем 200 видов клеток взрослого организма. Постнатальные стволовые клетки сохраняются и в тканях взрослого организма. Они мультипотентны, то есть способны дать начало лишь определенным типам клеток, и локализуются в соответствующих тканях, будь то костный мозг, кровеносные сосуды, печень, кожа или дентальные ткани.

В зависимости от локализации дентальные стволовые клетки (ДСК) подразделяются на стволовые клетки пульпы, удаленных молочных зубов, периодонтальной связки, десны, клетки предшественников зубного фолликула Это дает нам немало возможностей их заполучить. Стволовые клетки пульпы можно выделить прямо из удаленных зубов — это удобный и перспективный источник ДСК, подходящих для восстановления как дентина, пульпы и цемента, так и костной ткани. Помимо этого, они проявляют выраженную нейрорегенеративную активность, ингибируя гибель нейронов, астроцитов и олигодендроцитов после травмы, ускоряя восстановление поврежденных аксонов. Популяция стволовых клеток удаленных молочных зубов может дифференцироваться в клетки костной и нервной тканей, а ДСК десны подходят для восстановления пародонта, мышц и даже сухожилий.

Читать еще:  Даймон ку брекеты

Механизмы развития одонтогенных стволовых клеток окончательно не выяснены, однако идентифицировано уже более 200 работающих в них генов. Понятно, что каждый тип ДСК имеет свои особенности, которые обещают им применение не только в стоматологии, но и в других областях медицины. Другим ресурсом стволовых клеток для выращивания зубов остаются индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК), полученные «перепрограммированием» взрослых дифференцированных клеток за счет обработки специальным коктейлем сигнальных молекул. Ученые продолжают развивать безопасные методы создания ИПСК и их использования.

Межклеточный матрикс

Но ресурс стволовых клеток для выращивания зубов еще даже не полдела. Для развития и образования сложной структуры зрелой ткани требуется опора, скаффолд из молекул межклеточного матрикса: именно он поддерживает прикрепление, миграцию и пространственную организацию клеток. Просветы и поры в нем обеспечивают движение клеток, ростовых факторов и обмен веществ. Искусственный скаффолд должен быть прост в использовании, обладать биосовместимостью, способностью к деградации в организме и низкой иммуногенностью, хорошими механическими свойствами

Среди синтетических материалов для формирования скаффолда стоит упомянуть «биоактивное» стекло, которое может срастаться с биологическими тканями, полимолочную кислоту и композиты на основе металла, керамики или полимеров. Все они позволяют изготовлять скаффолды необходимой формы, хотя их применение остается весьма ограниченным из-за низкой биосовместимости и токсичности. В противоположность им натуральные биоматериалы для скаффолдов — такие как коллаген, хитозан или гиалуроновая кислота — биосовместимы и легко биодеградируются. Однако они менее прочны и способны вызывать реакции отторжения.

В любом случае идеальным материалом для скаффолда будет структура, полученная непосредственно из натуральных полимеров внеклеточного матрикса или из их синтетических аналогов. Росшие на таком скаффолде стволовые клетки пульпы и периодонта при обработке соответствующими сигнальными веществами успешно развивались в одонтогенном направлении — к образованию тканей зуба. Впрочем, к этому мы еще вернемся, а пока нам нужен третий вид ингредиентов.

Сигнальные пути

Стволовые клетки — наш основной ресурс, скаффолд — основа его развития, но дирижировать их взаимодействием должны сигнальные молекулы, включая факторы роста и интерферирующие РНК. Факторы роста — это молекулы пептидов, передающие сигналы для управления клеточным поведением через воздействие на специфические рецепторы на поверхности клеток. Они обеспечивают взаимосвязь и взаимодействие между клетками, а также между ними и внеклеточным матриксом. Так, если кариозная полость оказалась близко к чувствительной пульпе или у пациента наблюдается повышенная стираемость зубов, соответствующие факторы роста запускают образование вторичного и третичного дентина. Идентифицирован и целый ряд факторов роста, действующих во время развития зубов, таких как костный морфогенетический белок (BMP), тромбоцитарный фактор роста (PDGF) и фактор роста фибробластов (FGF). Их доставляют к стволовым клеткам с помощью наночастиц или через сам скаффолд, заполняя его нужным набором молекул.

Для контроля над дифференцировкой клеток используют и молекулы интерферирующей РНК. Они связываются с матричной РНК и останавливают синтез того или иного белка. Для целевой доставки такую РНК превращают в ДНК и в виде плазмиды переносят в клетку. Теперь у нас есть все необходимое для получения зуба: дентальные стволовые клетки (в ассортименте), скаффолд (продукт, идентичный натуральному) и факторы роста (по вкусу).

Рецепт готов

Базовые принципы тканевой инженерии зубов уже разработаны, и попытки перейти к применению на практике предпринимаются больше полутора десятков лет. Пионерами в выращивании зубов можно назвать английских ученых, которые приступили к таким исследованиям еще в 2002 году. И хотя их эксперименты по регенерации твердых зубных тканей особого результата не принесли, уже вскоре ученые из команды Такаши Цуи провели более успешные опыты, продлившиеся около двух лет. После решения ряда проблем им удалось выделить дентальные стволовые клетки из мышиных эмбрионов, «собрать» из них биоинженерный зачаток, вырастить из него полноценный зуб и имплантировать его в челюсть мыши.

Протокол, подготовленный японскими специалистами в ходе этой работы, стал одним из ключевых руководств, которыми пользуются ученые для экспериментов в области тканевой инженерии. На него опирались и российские ученые из стоматологического университета имени Евдокимова (МГМСУ): в 2017 году им удалось провести собственные успешные опыты по выращиванию мышиных зубов. Человеческие зубы более сложны и громоздки, и вырастить их пока не удается. Остаются нерешенными проблемы, связанные с иннервацией и кровоснабжением «биоинженерного» зуба, его связочным аппаратом, а главное — с выбором пула стволовых клеток.

Дело в том, что получить человеческие ДСК можно из здорового зуба (повредив его) или из зуба с удаленной пульпой. Доступные же клетки — такие, как стволовые клетки десны, — не обладают одонтогенной способностью. Научиться получать нужные ДСК из имеющихся ресурсов или индуцированных плюрипотентных стволовых клеток пока только предстоит. Однако нет сомнений в том, что через некоторое время биоинжиниринг зубов поможет и взрослым, и детям окончательно забыть о трепете перед визитом к стоматологу.

Читать еще:  Флюороз у детей лечение

Выращивание зубов — миф или реальность

Вот уже много лет в источниках массовой информации периодически появляются сообщения о том, что стало возможным выращивание зубов на месте утраченных или поврежденных. Это, естественно, не может оставить равнодушными людей, для которых отсутствие зубов стало проблемой. Что же происходит в этой области на самом деле?

До сих пор достоверных сведений о том, что выращивание зубов разработано для людей, не обнаружено. Однако многочисленные лаборатории во всем мире плодотворно работают над этой проблемой и уже добились определенных успехов.

Выращивание зубов американскими исследователями

В медицинском центре Колумбийского университета США профессор Джереми Мао и его исследовательская группа разрабатывают новый метод восстановления зубов взамен утраченных. Статья исследователя на эту тему была размещена в журнале Journal of Dental Research.

По методике Мао в челюсьт пациента будет имплантирован каркас из капролактона и гидроксиапатита, являющихся биосовместимыми полимерами. Этот каркас получают методом трехмерной печати, его конструкция предусматривает обилие канальцев диаметром 200 мкм, заполненных специфическими веществами, стимулирующими клеточный рост (stromal-derived factor-1, SDF1) и морфогенным костным белком (bone morphogenetic protein-7, BMP7).

Эти факторы заставляют собственные стволовые клетки пациента вырабатывать ткань зуба, причем в строго указанном направлении, формируя полноценный зуб правильной формы. В итоге получается практически естественным путем выращенный зуб.

Метод протестирован пока только на крысах, но уже теперь видно, что он имеет хорошую перспективу для переноса технологии на человеческий организм. Возможно, уже в скором будущем вместо протезирования в клиниках начнут выращивать новые зубы по методу Джереми Мао.

Выращивание зубов в Японии

В Японии выращивание зубов пошло по другому пути. Они осуществили выращивание полноценного зуба в пробирке и пересадку его в челюсть мыши.

Для выращивания использовались мезенхимальные и эпителиальные клетки мыши. Клеточный материал был помещен в коллагеновый каркас, и после приенения технологий выращивания тканей был получен полноценный зуб величиной 1,3 миллиметра. Он имел вполне сформировавшиеся эмаль, пульпу, дентин, кровеносные сосуды и нервные окончания, был правильной формы и выглядел как обычный зуб мыши.

Этот зуб был имплантирован в челюсть восьминедельной мыши взамен удаленного резца. Подсаженный зуб прижился в челюсти отлично и функционировал как обычный зуб.

Это только первый шаг в разработке новой технологии. Ученые испытывают различные методики выращивания зубов не только на коллагеновой основе, но и на живых тканях, выращенных отдельно in vitro. Целью разработчиков является создание технологии, позволяющей выращивать полноценные органы из нескольких клеток организма.

Исследования выращивания зубов в Украине

В Полтавском Центре трансплантации тканей ученый-генетик Александр Баранович разработал технологию выращивания зубов посредством стволовых клеток. Эта технология уже прошла испытания на первых добровольцах и показала весьма обнадеживающие результаты.

Источником стволовых клеток украинский ученый сделал выпавшие детские молочные зубы. По собственной оригинальной методике он выделяет из них вещество, под воздействием которого клетки десны преобразовываются в ондонтобласты — зародышевые клетки зубов. Под воздействием специальных методик из этих клеток образуются полноценные зубные ткани — дентин, пульпа, эмаль и нервные волокна.

Украинский ученый попытался запатентовать свою технологию выращивания зубов, но оказалось, что подобный метод не так давно уже был запатентован американской стоматологической корпорацией «Adeсkron». На продолжение исследований и разработку собственной оригинальной методики ученому, как всегда, не хватает средств.

Выращивание зубов в России

Не менее трех московских стоматологических сетевых центров уже третий год предлагают желающим опробовать на себе новую методику выращивания зубов. По словам генерального директора одного из этих центров, технология, по которой они работают, разработана отечественными учеными.

Директор утверждает, что за время работы с этой методикой не было ни одного случая негативных последствий выращивания зубов. Однако до сих пор со всех желающих испытать на себе действие технологии выращивания зубов руководство центра берет расписку, что они осведомлены об экспериментальности метода и в случае неудачи клиника не несет за это ответственности.

Хотя с клиентов, согласившихся подвергнуться выращиванию зубов, не берут иной платы, кроме накладных расходов на технологический процесс, тем не менее удовольствие это стоит недешево. Выращивание одного зуба обходится примерно в 3 000 евро. И в желающих недостатка нет, несмотря на такие жесткие условия.

Читать еще:  Болезненность десен

До сих пор ученые не могут гарантировать нормальное развитие выросшего зуба. Дело в том, что после инъекции у пациента вырастает молочный зуб, который через несколько лет выпадает, но будет ли на его месте расти постоянный зуб, клиника гарантировать не может. Зато обещает в случае, если постоянный зуб все же не вырастет, повторить операцию подсадки уже за половинную оплату.

Зуб даю

Игорь Юрьевич, о выращивании зубов говорят все чаще. Сообщения из США, Японии, Англии, Финляндии, Франции, Китая. И в вашем центре упорно ищут такой путь решения зубной проблемы. Все имеющиеся способы избавления от болезней зубов не самые эффективные?

Игорь Малышев: Я бы не хотел быть столь категоричным. Имеющиеся способы очень эффективны. Но у всех у них один общий недостаток: у каждого метода – свой ограниченный срок пригодности. Будь то самая современная пломба или самый современный имплантат. Очень хочется, чтобы взамен вышедших из строя зубов были те, которые не доставляют никаких неприятностей и воспринимаются, как свои. И исследования показывают, что такое вполне возможно.

Игорь Малышев: Точной даты назвать не могу. Да и никто не назовет. Пока мы делаем следующее. Есть два признанных в мире направления восстановления зубов. Первое – это выращивание зуба из его зачатка.

Где берете зачаток?

Игорь Малышев: И тут опять два пути. Можно взять его у эмбриона. Такая процедура возможна только под микроскопом. Взяли из эмбриона этот зачаток. Затем подсадили его под капсулу почки. Почему почки? Да потому что тут очень хорошее кровоснабжение. Идеальная температура тела. И буквально через две недели вырастает маленький зубик. Этот зубик можно подсадить в лунку челюсти вместо удаленного. И процесс пошел: вырастет нормальный зуб.

Как просто! Сколько вы шли к такому результату?

Игорь Малышев: Первыми тут были японцы, и они шли к нему десять лет. Нам было проще, и мы получили результат за полтора года.

Но воспользоваться в лечебной практике этим результатам пока не удалось и японцам. Почему?

Игорь Малышев: Чрезвычайно сложно заполучить зачаток зуба из эмбриона.

А замены эмбриону нет? Те же стволовые клетки, из которых выращивают, что хотите, где хотите.

Игорь Малышев: Ваш вопрос действительно мучает ученых всего мира уже десятки лет. И действительно, разработаны методы, с помощью которых из стволовых клеток можно сконструировать зачаток зуба.

Почему не сконструировали?

Игорь Малышев: Сконструировали. Это делается. Получаются биоинженерные зубы. Но и это пока эксперимент. Есть еще второе направление создания новых зубов.

Оно необходимо? Первое же вы не отвергаете?

Игорь Малышев: Не отвергаем. Но ведь важен конечный результат. То есть переход из стадии эксперимента в клинику. И второй подход более клинически приемлем. Он состоит в том, чтобы воссоздать зуб с помощью биопечати прямо в лунке зуба.

Но в таком случае не обойтись без робота? Ошибаюсь?

Игорь Малышев: Не ошибаетесь. Это одно из достоинств данного направления. То есть “отпечатать” новый зуб на любом расстоянии от соискателя этого зуба. Университет СТАНКИН и лаборатории 3Д Биопринтинг Солюшен (3D Bioprinting Solutions) помогают нам реализовать это направление. Работы в этих двух направлениях возглавляет член-корреспондент РАН Олег Янушевич. Печатать надо живыми зубными клетками, которые и помогут воссоздать и ткани зуба, и целиком сам зуб.

Но где взять эти живые клетки?

Игорь Малышев: Их можно взять из самого удаленного зуба. Его пульпа содержит их в должном количестве.

А мы выбрасываем удаленные зубы.

Игорь Малышев: Скоро выбрасывать перестанем. Более того, появятся банки хранения стволовых клеток зуба конкретного человека. А еще важнее не выбрасывать выпадающие молочные зубы. Они – кладезь стволовых клеток. Их надо хранить бережно. Поскольку из них, если возникнет необходимость, можно выращивать не только зубы. Так можно решить и проблему дефицита органов и тканей для пересадки, и избавиться от отторжения пересаженных.

Радужное будущее ждет нас. Но опять-таки: когда?

Игорь Малышев: По самым оптимистическим прогнозам, для этого понадобится не менее десяти лет. Может, и больше. Хотя наука сейчас развивается непредсказуемыми темпами.

{SOURCE}

Ссылка на основную публикацию