Czas. Stomatol., 2010, 63, 12, 739-748

© 2010 Polish Dental Society

http://www.czas.stomat.net

Medycyna regeneracyjna w stomatologii

– �śząb z próbówki” – stan zaawansowania badań

nad uzyskaniem żywych zębów zastępczych

Regenerative medicine in dentistry – �śa test-tube tooth”

– current state of research on vital substitute teeth (bioteeth) Ewa Olender1, Artur Kamiński1, 2, Izabela Uhrynowska-Tyszkiewicz1, Hubert Wanyura2

1Z Zakładu Transplantologii i Centralnego Banku Tkanek WUM, Kierownik: dr hab. med. A. Kamiński 2Z Kliniki Chirurgii Czaszkowo-Szczękowo-Twarzowej WUM, Kierownik: prof. dr hab. med. H. Wanyura Summary

Streszczenie

Introduction: Reconstruction and regeneration of

Wstęp: wykorzystywanie potencjału autoregeneracji

tissues through the use of patient’s own cells and

w celu odtwarzania i zastępowania tkanek z zasto-

the induction of the autoregenerative potential

sowaniem własnych komórek pacjenta stanowi ele-

are elements of a new approach towards medical

ment nowego podejścia do leczenia – medycyny re-

treatment – the regenerative medicine. This kind of

generacyjnej. Tego typu postępowanie terapeutyczne

treatment is already practised in maxillofacial and

jest już stosowane w chirurgii szczękowo-twarzowej

oral surgery. Regenerative medicine and biology

oraz chirurgii stomatologicznej. Medycyna i biolo-

also create interesting prospects for dentistry: to

gia regeneracyjna stwarzają interesujące perspek-

create functional vital substitute teeth by means

tywy także w stomatologii: możliwość uzyskania

of in-vitro technique. It is a potential alternative

funkcjonalnych żywych zębów metodami in vitro,

to contemporary methods of missing tooth

potencjalnej alternatywy do współczesnych metod

replacement.

uzupełniania braków uzębienia.

Aim of the study: To present the assumptions,

Cel pracy: niniejszy artykuł przedstawia główne

research foundations and trends in the field of

założenia, podstawy doświadczalne oraz kierunki

biotooth development.

badań w dziedzinie biologicznego uzyskiwania zęba

Conclusions: Research concerning biotooth is being

zastępczego.

carried out in many centres. Two main trends can be

Podsumowanie: prace nad uzyskaniem biologiczne-

distinguished: the first one originating in tissue en-

go zęba zastępczego prowadzone są w wielu ośrod-

gineering and the second one based on developmen-

kach i można w nich wyróżnić dwa główne nurty:

tal biology and embryology. The basic difference

wywodzący się z inżynierii tkankowej oraz opierają-

between these two approaches can be described as

cy się na biologii rozwoju i embriologii. Podstawo-

follows: the engineering-related approach aims at

wą różnicę między obu podejściami można opisać

constructing a tooth with the use of biosubstitute

następująco: w podejściu inżynieryjnym dąży się do

material scaffolds, while embryology/developmen-

skonstruowania zęba z wykorzystaniem rusztowań

tal biology-related approach aims at creating con-

z materiałów biozastępczych, zaś w podejściu bio-

ditions capable of triggering natural mechanisms

logicznym/embrionalnym do stworzenia warunków

of tooth development. Clinical application is not to

uruchamiających naturalne mechanizmy rozwoju

be expected soon and will require broadening of the

zęba. Perspektywa zastosowań klinicznych jest jesz-

knowledge of many mechanisms involved in tooth

cze odległa i wymagać będzie pogłębienia wiedzy na

biology.

temat wielu mechanizmów biologii zęba.

KEYWORDS:



HASŁA INDEKSOWE:



regenerative medicine, cell culture, biotooth



medycyna regeneracyjna, hodowle komórkowe,

biologiczny ząb zastępczy

739

E. Olender i in.

Czas. Stomatol.,

Wprowadzenie

prowadzone są w wielu ośrodkach badaw-

czych, także niepublicznych. Autorytety jak

Substytucja utraconych zębów ma długą hi-

profesor Paul Sharp z King’s College London

storię – już starożytni Etruskowie, Egipcjanie,

wyrażają optymistyczne opinie na temat rysu-

Rzymianie oraz Majowie praktykowali róż-

jących się perspektyw.

ne jej formy z zastosowaniem takich materia-

łów jak: muszle, żelazo, kości zwierzęce [24].

Cel pracy

Teoretycznie najlepszym substytutem byłyby

zęby naturalne – uzyskane z własnego ma-

Celem pracy było opisanie głównych zało-

teriału biologicznego pacjenta, bezpośrednio

żeń, podstaw doświadczeń oraz kierunków ba-

w jego docelowej lokalizacji. Powyższa kon-

dań w dziedzinie uzyskiwania biologicznego

cepcja, choć wydawała się przez wiele lat nie-

zęba zastępczego.

możliwa do zrealizowania, nie była jednak

pozbawiona racjonalnych przesłanek: natural-

Metodyka prób uzyskiwania biologiczne-

ne rozwiązania spotykane w świecie zwierząt

go zęba zastępczego

świadczą o istnieniu wielu wariantów wymia-

Wytwarzanie żywych zębów zastępczych

ny i odnowy uzębienia oraz o ogromnym po-

będzie w mniejszym lub większym stopniu

tencjale regeneracyjnym organizmu, w tym o

opierać się na naturalnych mechanizmach bio-

możliwości odtwarzania nie tylko zębów, ale

logicznych rozwoju zęba. Zależność ta jest bar-

także żuchwy wraz z uzębieniem. Argument

dzo wyraźna zwłaszcza w przypadku podejścia

podnoszący różnice mechanizmów biologicz-

biologicznego, które zakłada reprodukcję pro-

nych i związane z nimi nieprzekraczalne ba-

cesu embrionalnego. Jednak również trady-

riery traci swoją aktualność wobec faktu, że w

cyjna inżynieria tkankowa, w której podsta-

warunkach eksperymentalnych udało się wy-

wę stanowi wykorzystanie materiałów bioza-

indukować powstanie zębów u ptaków, groma-

stępczych, obok zastosowania odpowiedniej,

dy zwierząt, która w warunkach naturalnych

biokompatybilnej matrycy, musi, uwzględniać

uzębienia nie ma.

naturę rozwoju zęba i dokonać wyboru wła-

Znaczny postęp, jaki dokonał się w poznaniu

ściwego składnika biologicznego – komórek

procesu rozwoju zęba, embriologii, biologii

– oraz uzyskać kontrolę nad ich namnażaniem

komórek macierzystych, a także w technikach

i różnicowaniem.

hodowli komórkowej i iżynierii tkankowej,

Prowadzi się obecnie badania nad wykorzy-

pozwala postrzegać odtwarzanie czynnościo-

staniem do tego celu: komórek macierzystych

wych żywych zębów – zębów z hodowli – jako

miazgi zęba (ang. Dental Pulp Stem Cells –

realną przyszłą alternatywę do współczesnych

DPSC), komórek macierzystych pozyskanych

metod uzupełniania braków uzębienia [22, 23].

z zębów mlecznych (ang. Stem cells from

Wykorzystywanie autoregeneracji z zastoso-

Human Exfoliated Deciduous teeth – SHED),

waniem własnych tkanek i komórek pacjenta

komórek macierzystych woreczka zębowego

ma już obecnie miejsce np. w chirurgii szczę-

(ang. Dental Follicle Stem Cells – DFSC),

kowo-twarzowej oraz chirurgii stomatologicz-

komórek macierzystych wierzchołkowej czę-

nej i stanowi element nowego podejścia do le-

ści brodawki zębowej (ang. Stem Cells of the

czenia – medycyny regeneracyjnej. Prace nad

Apical part of the Papilla – SCAP), komórek

uzyskaniem biologicznego zęba zastępczego

macierzystych więzadła przyzębnego (ang.

740

2010, 63, 12

Ząb z próbówki

Periodontal Ligament Stem Cells – PDLSC)

szkody dla ich czynności [6].

oraz komórek macierzystych szpiku kostne-

Innym zjawiskiem, które legło u podstaw

go (ang. Bone Marrow Mesenchymal Stem

koncepcji tworzenia biologicznych substytu-

Cells – BMSC) [12, 23]. Sterowanie pro-

tów zęba, jest naturalna zdolność komórek

cesem wzrostu będzie skuteczniejsze dzięki

wyizolowanych z tkanek do spontanicznej re-

znajomości i zastosowaniu czynników oddzia-

agregacji i tworzenia tkankopodobnych struk-

łujących w procesie naturalnym: związków

tur obserwowana początkowo na komórkach

z grupy zwanej czynnikami wzrostu oraz z

organizmów nizszych. W latach 60-ych XX

grupy czynników transkrypcyjnych (uaktyw-

w. wykazano, że również komórki zarodko-

niających transkrypcję genów, czyli stymu-

we kręgowców spontanicznie reagregują i są

lujących w efekcie syntezę różnych białek).

w stanie odtworzyć prawidłowy topograficz-

Podstawowe znaczenie mają: białka morfo-

nie układ charakterystyczny dla danego narzą-

genetyczne kości (ang. Bone Morphogenetic

du [33]. Przykładem zdolności do reagregacji,

Proteins – BMP), czynnik wzrostu fibrobla-

który bezpośrednio przemawiał za możliwo-

stów (ang. Fibroblast Growing Factor – FGF),

ścią realizacji hodowli zęba z zawiązków, było

białko genu sonic hedgehog – SHH, białka

odtworzenie układu epitelialno-mezenchymal-

szlaku sygnalizacyjnego Wnt oraz produkty

nego z rozdrobnionych tkanek zawiązka wsz-

genów Pax9, Msx1, -2, Barx1, Pitx2, Lhx-6,

czepionego w błonę kosmówkowo-owodnio-

7, Lef, Runx2 [22, 36].

wą zarodka kurzego, a następnie uzyskanie

z tak odtworzonej struktury po wszczepieniu

Podstawy doświadczalne

zwierzęciu-biorcy zawiązka zęba [15].

Wstępne doświadczenia dotyczące możli-

Kolejnym ważnym etapem formułowania

wości hodowli zęba polegały na obserwacji

podstaw doświadczalnych i teoretycznych ho-

wzrostu zawiązków zębów przeszczepianych

dowli zęba było prowadzenie tzw. ekspery-

we wczesnych stadiach rozwoju. W doświad-

mentów rekombinacyjnych, które polegały na

czeniach tych uzyskiwano w pełni uformowa-

odpreparowywaniu składnika epitelialnego

ne korony i częściowo wykształcone korzenie.

bądź mezenchymalnego zawiązka i zastępo-

Pierwsze doniesienia na ten temat zostały opu-

wania go inną tkanką, a następnie obserwowa-

blikowane przez S. Glasstone już w 1936 r. [5].

niu wpływu takiej modyfikacji na rozwój zęba.

W latch późniejszych podobne próby były po-

[35]. Doświadczenia te wykazały kluczową

dejmowane przez Slavkina [27] oraz Kollara

rolę nabłonka jamy ustnej w indukcji rozwoju

[11] i Kocha [10]. Pomysł modyfikowania na-

zęba oraz uzależnienie dalszego rozwoju zęba

turalnych zawiązków zęba powstał we wcze-

od wzajemnych oddziaływań między nabłon-

snych latach 50-ych XX wieku, kiedy to S.

kiem jamy ustnej a mezenchymą. Kamieniem

Glasstone wykazała, że obie połówki podzie-

milowym w rozwoju medycyny było przed-

lonego na wczesnym etapie rozwoju zawiąz-

stawienie pod koniec lat osiemdziesiątych XX

ka zęba podejmują dalszy rozwój i ostatecz-

wieku przez transplantologa J. Vacantiego i

nie przekształcają się w zęby o prawidłowej

chemika R. Langera koncepcji odtwarzania

wielkości. Doświadczenie to zademonstrowa-

narządów w warunkach in vitro poprzez ho-

ło plastyczność i zdolność do samoodnowy

dowlę komórek tych narządów na biodegrado-

zarodkowych zawiązków zęba, a tym samym

walnych rusztowaniach [2]. Sukcesy w rekon-

możliwość manipulowania zawiązkami bez

struowaniu fragmentów wątroby doprowadzi-

741

E. Olender i in.

Czas. Stomatol.,

ły do upowszechnienia tej metody i podjęcia

od razu w całości i w postaci dojrzałej, 2) skon-

prób odtwarzania innych narządów, np.: mię-

struowanie zęba z użyciem rusztowań, komó-

śnia sercowego, jelita, tchawicy, a także zęba

rek i czynników wzrostu w postaci niedojrza-

(żywy ząb jest narządem, składa się bowiem

łej – dalszy rozwój następowałby w warun-

z tkanek różnych typów, które spełniają okre-

kach hodowli lub już w organizmie biorcy, 3)

ślone czynności).

indukowanie powstawania zęba z odpowied-

nio dobranych komórek poprzez odtworzenie

Główne założenia i kierunki badań współ-

naturalnych warunków powstawania zawiązka

czesnych

zęba, w warunkach poza organizmem lub w

Zasadniczym celem jest wypracowanie spo-

organizmie biorcy, 4) indukcja powstania trze-

sobu wytwarzania/indukowania powstawania

ciej i kolejnych generacji zębów w szczęce/żu-

żywego zęba, który mógłby zastąpić ząb na-

chwie pacjenta poprzez manipulacje genetycz-

turalny utracony przez pacjenta. Przewaga

ne lub zastosowanie odpowiednich czynników

zęba żywego nad substytutem zęba polega na

stymulujących (czynników wzrostu itp.) [19,

jego możliwościach adaptacyjnych i trwałości.

26]. Obecnie realizowane są próby głównie na

�śŻywy” oznacza obecność składnika komór-

drodze drugiej i trzeciej.

kowego. Obecnie wyróżnić można dwa głów-

Konstruowanie zastępczego żywego zęba

ne nurty w poszukiwaniu sposobu realizacji

wyłącznie w warunkach in vitro oraz indukcja

powyższego celu: nurt wywodzący się z in-

trzeciej generacji zębów in vivo – dwie skraj-

żynierii tkankowej oraz nurt opierający się na

ne koncepcje uzyskania żywych zębów zastęp-

biologii rozwoju i embriologii [19, 26].

czych – pozostają na razie w sferze rozważań

Inżynieria tkankowa w celu odtwarzania tka-

i badań wstępnych.

nek z definicji wykorzystuje komórki, czynni-

W praktyce prowadzi się intensywne prace

ki wzrostu oraz, co jest charakterystyczne dla

nad �śtrzecią drogą”, która łączy w sobie me-

tego nurtu, rozmaite materiały, z których wy-

todykę inżynierii tkankowej oraz wykorzysta-

konuje się rusztowania nadające kształt przy-

nie mechanizmów biologii rozwoju. Ogólnie

szłemu zębowi i na które wysiewa się w wa-

rzecz biorąc, celem jest wytworzenie w wa-

runkach in vitro komórki. W podejściu opie-

runkach laboratoryjnych konstruktów o funk-

rającym się na biologii rozwoju nie stosuje

cji zawiązka zęba, który po wszczepieniu daw-

się rusztowań dla komórek, nacisk położony

cy kontynuowałby rozwój, aż do uformowa-

jest na próbę odtworzania procesów embrio-

nia dojrzałego, wyrzniętego zęba. Próby idą

nalnych (głównie oddziaływań epitelialno-me-

w dwóch zasadniczych kierunkach: tworzenia

zenchymalnych). Podstawową różnicę między

konglomeratu komórek zdolnych do różnico-

obu podejściami można opisać nastepująco:

wania w komórki zęba i tworzenia jego tkanek

w podejściu inżynieryjnym dąży się do skon-

z zastosowaniem rusztowania-podpory dla ko-

struowania zęba, w podejściu biologicznym/

mórek [19, 26].

embrionalnym do stworzenia warunków uru-

chamiających naturalne mechanizmy rozwo-

Podejście inżynieryjne – z zastosowaniem

ju zęba.

rusztowań

Teoretycznie istnieją cztery drogi uzyskania

Ze względu na niewielki rozmiar ząb wy-

biologicznego zęba zastępczego: 1) skonstru-

daje się być idealnym narządem-kandydatem

owanie zęba z użyciem rusztowań i komórek

do odtworzenia w warunkach laboratoryjnych.

742

2010, 63, 12

Ząb z próbówki

Pierwsze podejście, zbliżone do tradycyjnej in-

śnia, jako naturalnego �śinkubatora”. Stamtąd,

żynierii tkankowej, zakłada możliwość skon-

w odpowiednim momencie byłby przeszcze-

struowania zęba, o strukturze trójwymiarowej

piany do jamy ustnej. Autorzy koncepcji nie

uformowanej poprzez zastosowane rusztowa-

opisują jednak szczegółowo sposobu odtwo-

nia o odpowiednim kształcie. Na rusztowa-

rzenia zębiny korony i korzenia. Opisana me-

nie wysiewane są odpowiednio dobrane ko-

toda wykorzystywałaby nieresorbowalny ma-

mórki, które mnożąc się zasiedlają stopniowo

teriał syntetyczny – nie byłby to więc w całości

całe rusztowanie. Zazwyczaj materiał, z któ-

ząb biologiczny. Byłby to zatem żywy implant.

rego wykonane są rusztowania, jest biodegra-

Zaletą metody jest pełna kontrola nad kształ-

dowalny, a więc z czasem zanika, a jego miej-

towaniem korony oraz możliwość zautoma-

sce zajmuje macierz wytworzona przez ko-

tyzowania procesu wytwarzania zębów i tym

mórki. Macierz utrzymuje wyznaczony przez

samym prowadzenia procesu na dużą skalę.

rusztowanie pierwotny kształt całej struktu-

Wadą metody jest niemożność ominięcia eta-

ry. Ponieważ komórki i tkanki cechuje zdol-

pu inkubacji w tkankach biorcy.

ność do reagregacji, przyjmuje się również, że

Zespół P.C.Yelick zaproponował odmienną

zmieszanie odpowiednich typów komórek w

metodę i wykonał jej eksperymentalną we-

odpowiednich proporcjach i umieszczenie ich

ryfikację [3]. Z trzecich niewyrzniętych zę-

na matrycy odwzorowujacej naturalne, trójwy-

bów trzonowych świń (sześciomiesięcznych)

miarowe środowisko powinno doprowadzić do

i szczurów (czterodniowych) pozyskiwa-

odbudowy tkanki czy narządu, z której dane

no tkanki zawiązka zęba w późnym stadium

komórki pochodzą [2]. Podejście to budziło

pączka. Tkanki trawiono enzymatycznie w

duże nadzieje ze względu na zakładaną moż-

celu uwolnienia komórek. Komórki następ-

liwość łatwego modelowania kształtu hodo-

nie namnażano i wysiewano na biodegrado-

wanych zębów.

walne rusztowania polimerowe (z poliglikolu,

W praktyce, w warunkach eksperymental-

polimleczanu, polimleczano-co-glikolu) ufor-

nych istotnie dokonano postępu w zakresie

mowane na kształt zębów siecznych i trzono-

kontroli kształtu żywego dzięki zastosowaniu

wych. Rusztowania dla komórek świńskich

odpowiednio uformowanych rusztowań z gą-

miały wymiary 1 x 0,5 x 0,5 cm, dla szczu-

bek kolagenowych i sekwencyjnemu wysie-

rzych 1 x 5 x 5 mm. Tak przygotowane kon-

waniu komórek mezenchymy zębotwórczej w

strukty wszczepiano chirurgicznie szczurom

bezpośrednim kontakcie z nabłonkiem zębo-

w tkankę sieci i pozostawiano na 12-30 tygo-

twórczym. Jednak efekty nie są w pełni zada-

dni. Po tym czasie wszczepy eksplantowano i

walające [7]. Robey [25] zaproponował mody-

poddawano analizie histologicznej. Analiza ta

fikację metody, według której każdą ze skła-

potwierdziła obecność drobnych struktur zę-

dowych zęba należy odtwarzać indywidualnie:

bopodobnych o wymiarach od 1 do 2 mm, wy-

koronę z materiału syntetycznego o właści-

kazujących cechy kształtu koron zębów trzo-

wościach szkliwa, wypełnioną biomateriałem

nowych. Jednak we wszystkich przypadkach

HA/TCP (hydroksyapatyt/fosforan wapnia) z

kształt ten nie odwzorowywał kształtu użytego

zawieszonymi w nim komórkami macierzy-

rusztowania. Uzyskane twory były też znacz-

stymi, zaś korzeń z wykorzystaniem komórek

nie mniejsze, aniżeli wszczepione rusztowa-

macierzystych więzadła przyzębnego PDLSC.

nia. W powstałych strukturach obecne były

Konstrukt taki byłby wszczepiany np. do mię-

ameloblasty i odontoblasty. Nie stwierdzono

743

E. Olender i in.

Czas. Stomatol.,

wykształcenia się korzenia, ani tkanki kost-

giczna wykonana po 4 tygodniach i 6 miesią-

nej, której tworzenie towarzyszy powstawaniu

cach wykazała częściową regenerację korze-

zęba w warunkach naturalnych.

nia (odtworzona została zębina) oraz ozębnej

Wyniki powyższego doświadczenia inter-

[29].

pretuje się raczej jako dowód na reorganizo-

Nie w pełni satysfakcjonujące efekty me-

wanie się użytych elementów epitelialnych i

tod inżynierii tkankowej tłumaczy się ne-

mezenchymalnych, nie zaś na formowanie sie

gatywnym wpływem samego rusztowania.

tkanek de novo. Porównywalne wyniki uzy-

Rusztowanie stanowi barierę dla odontogen-

skano w doświadczeniu z komórkami wyizo-

nych oddziaływań epitelialno-mezenchymal-

lowanymi z pączka zęba trzonowego cztero-

nych oraz dla przepływu informacji pozycyj-

dniowego szczura. W odróżnieniu od poprzed-

nej (gradientu morfogenów) w kształtujacym

niego doświadczenia, komórki przed wysia-

się zębie. Poza tym kwaśne produkty degrada-

niem były utrzymywane w hodowli in vitro

cji tworzywa użytego do budowy rusztowania

przez 6 dni. Po tym czasie zostaly wysiane na

wpływają niekorzystnie na mikrośrodowisko

rusztowanie i wraz z nim wszczepione szczu-

tworzącego się zęba [8].

rom-biorcom. Implanty pozostawiono na 12

tygodni. W efekcie doświadczenia otrzymano

Podejście biologiczne

drobne skupiska chaotycznie zorganizowanej

Drugie podejście, bez użycia rusztowania,

tkanki zębopodobnej, która nie osiągnęła roz-

realizuje strategię w większym stopniu opar-

miarów rusztowania [3].

tą na naśladowaniu naturalnych procesów po-

W 2008 r. zespół P.C. Yelick wykonał do-

wstawania zębów, obserwowanych w rozwoju

świadczenia z zastosowaniem rusztowania ob-

zarodkowym. Metoda ta wymaga pełniejszego

sianego w jednej części komórkami pocho-

zrozumienia mechanizmów kontroli wczesnych

dzącymi z zawiązka zęba w stadium pączka,

etapów wykształcania się zęba. Wiodącym

w drugiej mezenchymalnymi komórkami ma-

ośrodkiem, który podjął ten kierunek badań,

cierzystymi szpiku kostnego. Konstrukty wsz-

jest Katedra Rozwoju Twarzoczaszki w King’s

czepiano do żuchwy zwierzęcia-dawcy komó-

College w Londynie. Grupa badawcza skupia

rek. Efekty oceniano po 12 i 20 tygodniach.

sie wokół założyciela i kierownika Katedry –

Stwierdzono obecność małych zębopodob-

profesora P. T. Sharpe’a. Zespół ten prowadzi

nych tworów składających się z zębiny, szkli-

doświadczenia głównie na komórkach mysich,

wa, miazgi, cementu, ozębnej, otoczonych zre-

zarodkowych, jak i osobników dorosłych. Osią

generowaną tkanką kostną. Nie zaobserwowa-

koncepcji jest wykorzystanie naturalnego po-

no struktur korzenia [4].

tencjału oddziaływań epitelialno-mezenchy-

Niepowodzenie w uzyskaniu jakichkolwiek

malnych, zwłaszcza zdolności komórek na-

struktur korzeniopodobnych przełamał zespół

błonka jamy ustnej do indukcji rozwoju zęba

Sonoyamy w 2006 r. Na rusztowania z HA/

[17, 19]. Ich doświadczenia polegały na wy-

TCP ukształtowane na kształt korzenia wysie-

tworzeniu konglomeratu komórek mezenchy-

wano komórki macierzyste wywodzące się z

malnych nie pochodzących z zawiązka zęba,

brodawki wierzchołkowej (SCAP) i więzadła

które pokrywano warstwą komórek embrio-

przyzębnego (PDLSC) świń [23], a następnie

nalnych komórek nabłonka jamy gębowej (ko-

umieszczano rusztowania w zębodole poeks-

mórki mezenchymalne należały do jednego

trakcyjnym. Analiza tomograficzna i histolo-

z trzech pierwotnie nieodontogennych typów

744

2010, 63, 12

Ząb z próbówki

komórek: mezenchymalnych zarodkowych

komórkowej będzie polegać, przynajmniej w

komórek macierzystych, nerwowych komó-

części, na wykorzystaniu i naśladowaniu pro-

rek macierzystych, komórek szpiku osobni-

cesów naturalnych. Poznanie mechanizmów

ka dorosłego), utrzymaniu konglomeratu w

sterujących tymi procesami jest kluczowym

warunkach hodowli przez 2-3 dni, a następ-

zadaniem. Zrozumienie podstaw odmiennej

nie wszczepieniu go podtorebkowo do ner-

biologii zęba u gatunków bardziej odległych

ki myszy i oceny jego struktury po 10 – 14

taksonomicznie i genetycznie od człowieka

dniach. Po tym czasie stwierdzono wyraźne

może mieć także duże znaczenie.

formowanie struktur korony zęba i tkanki kost-

Zęby są strukturami charakterystycznymi

nej w każdym przypadku, niezależnie od ro-

dla kręgowców. Występują u ryb, płazów, ga-

dzaju zastosowanych komórek mezenchymal-

dów i ssaków. Prawdopodobnie wykształciły

nych. Doniosłość tych wyników tkwi w fakcie,

się jako przydatki skórne (podobnie jak wło-

że okazało się możliwym zastosowanie jako

sy czy gruczoły potowe), które wtórnie zaję-

komponentu mezenchymalnego komórek in-

ły obszar jamy gębowej i uzyskały połączenie

nych niż zarodkowych, czy wywodzących się

z kością [13]. U wielu ryb spodoustych bło-

z niewyrzniętych zębów [21].

na śluzowa jamy gębowej wysłana jest łuska-

W 2007 roku grupa badaczy skupiona wo-

mi plakoidalnymi, tworami o funkcji zębów,

kół T. Tsuji z Tokyo University zaproponowała

podobnymi do tych, które pokrywają skórę.

metodę także bez użycia rusztowania, w której

Identyczność budowy wewnętrznej zębów i

konglomerat komórek zatapiany był w kropli

łusek plakoidalnych oraz istnienie tworów po-

żelu kolagenowego, a następnie inkubowany

średnich świadczy o ich pełnej homologii [30].

in vitro bądź wszczepiany podtorebkowo do

Stanowi to przesłankę, by poszukiwać braku-

nerki. W doświadczeniach z użyciem komó-

jącego komponentu epitelialnego niezbędne-

rek epitelialnych i mezenchymalnych wyizo-

go do rozwoju zęba w nabłonku skóry. U ryb,

lowanych z mysiego zawiązka siekacza uzy-

płazów i gadów okres życia zęba jest ograni-

skano każdorazowo zawiązki zęba (zarówno

czony. Po pewnym czasie ząb wypada, a na

w wariancie in vitro, jak i in vivo). Zawiązki

jego miejsce wyrzyna się ząb należący do na-

te wszczepiano dorosłej myszy do zębodołu

stępnej generacji. Wymiana taka może trwać

po ekstrakcji siekacza. Obserwowano normal-

całe życie. U rekinów, u których wymiana

ny rozwój korony siekacza z obecnością szkli-

zębów następuje szybko, można dostrzec na

wa, miazgi, naczyń krwionośnych i nerwów, a

przekroju szczęki lub żuchwy kolejne zęby w

także początki wytwarzania struktur korzenia.

różnym stopniu rozwoju. Wymiany następują

Nie wiadomo jednak, czy wytworzony ząb jest

niezależnie od stanu zębów w danym momen-

w stanie się wyrznąć [20]. Poza badaniami do-

cie używanych – rolą wymiany zębów nie jest

tyczącymi uzyskania samego zęba prowadzi

zastępowanie konkretnych zniszczonych zę-

się także prace nad możliwością pełnego zasy-

bów. Sytuacja u ssaków, a więc i ludzi, w któ-

milowania zęba zastępczego ze środowiskiem

rej wymiana zębów następuje najwyżej jeden

jamy ustnej, w tym jego ukrwieniem i uner-

raz i nie obejmuje nigdy wszystkich zębów

wieniem [14, 18].

(difiodontyzm) nie jest zatem uniwersalnym

rozwiązaniem biologicznym [30].

Odniesienia do biologii kręgowców

Być może zjawisko występowania trze-

Uzyskiwanie żywego zęba drogą hodowli

ciej generacji zębów u człowieka w przypad-

745

E. Olender i in.

Czas. Stomatol.,

ku mutacji genu Runx2 jest dowodem na to,

ne (ang. Zebrafish). Stwierdzono znaczne po-

że polifiodontyzm może zostać przywrócony

dobieństwa między rozwojem zęba następcze-

przy zmienionej ekspresji niektórych genów.

go a odnową krypt jelitowych i morfogenezą

Przykładem możliwości uruchomienia �śuśpio-

mieszka włosowego. Interesujące jest również,

nych” mechanizmów odontogenezy jest wy-

że wzorzec ekspresji genów dla zębów pierw-

wołanie rozwoju zęba w jamie gębowej kur-

szej generacji jest inny, aniżeli dla kolejnych

cząt. Mimo, że ptaki utraciły uzębienie 80 mi-

generacji [9].

lionów lat temu, prawdopodobnie jako przy-

stosowanie do lotu, nadal jednak mają geny

Kwestie do rozwiązania. Perspektywy

umożliwiające odpowiednie interakcje mię-

Bioinżynieria zębów w porównaniu do bio-

dzytkankowe i wykształcenie zębów. W wa-

inżynierii innych narządów uczyniła bardzo

runkach eksperymentalnych, po przeszczepie-

duży postęp w stosunkowo krótkim czasie.

niu do embrionu kurczęcia mysich komórek

Wykazano bezsprzecznie, że: po pierwsze,

grzebienia nerwowego (prekursorów składni-

można wytworzyć struktury korony zęba sto-

ka epitelialnego zawiązka zęba) składnik me-

sując komórki zawiązka zęba i rusztowania,

zenchymatyczny, wywodzący się z kurczęcia,

po drugie, można odtworzyć koronę zęba bez

odpowiada na stymulację przez mysi składnik

użycia rusztowania, wykorzystując embrional-

epitelialny skutkując wykształceniem struktur

ny nabłonek jamy ustnej i macierzyste komór-

zębopodobnych [16].

ki mezenchymatyczne szpiku, po trzecie, me-

W przeciwieństwie do człowieka, u wielu

zenchymatyczne komórki macierzyste szpi-

kręgowców zębotwórczy składnik epitelialny

ku mogą różnicować się w kierunku komórek

jest dostępny także po wykształceniu się dojrza-

odontogennych, po czwarte, komórki ze zdy-

łych zębów. I tak, siekacz gryzoni cechuje stały

socjowanych tkanek zawiązka zęba zawieszo-

wzrost. Jest to możliwe dzięki podziałom ko-

ne w kolagenie mogą rozwinąć się w prawidło-

mórek epitelialnych w strukturze zwanej pętlą

wy zawiązek zęba, ukształtować prawidłową

wierzchołkową (ang. cervical loop). Znajdują

koronę i korzeń po wszczepieniu ortotopowym

się w niej komórki macierzyste, które, dzieląc

u dorosłego biorcy [28, 35].

się asymetrycznie, odtwarzają komórkę macie-

Wykonane doświadczenia pozwoliły także

rzystą i komórkę ukierunkowaną na różnicowa-

zidentyfikować ograniczenia, z którymi na-

nie do ameloblastów. Ta ostatnia przemieszcza

uka i biotechnologia muszą się zmierzyć: za-

się ku brzegowi siecznemu zęba, gdzie prze-

wodność metod tradycyjnej inżynierii tkanko-

kształca się w czynną komórkę szkliwotwór-

wej, brak zadawalającego substytutu embrio-

czą [31]. Jak wspomniano wyżej, bierze się pod

nalnych komórek epitelialnych, niezbędnych

uwagę tworzenie konstruktów-chimer, które za-

do rozwoju zęba, fragmentaryczna znajomość

wierać będą obok komórek ludzkich, odpowia-

mechanizmów molekularnych towarzyszących

dających składnikowi mezenchymatycznemu,

wykształcaniu sie zęba, odrzucanie przeszcze-

komórki pętli wierzchołkowej siekaczy gryzo-

pu (jeśli z różnych względów stosowany w ho-

ni. Obecność stale odnawiającego się składnika

dowlii materiał komórkowy będzie allo– bądź

epitelialnego, zawierającego epitelialne komór-

ksenogeniczny), trudności w kontrolowaniu

ki macierzyste, umożliwia również wielokrotną

kształtu, wielkości i koloru wytwarzanych zę-

wymian zębów u ryb – wykazano to m.in. na

bów. Poza tym, do rozwiązania pozostają kwe-

przykładzie zębów gatunku Danio pręgowa-

stie: asymilacji zęba uzyskanego in vitro ze

746

2010, 63, 12

Ząb z próbówki

środowiskiem, skrócenia czasu rozwoju zęba

8. Hu B, Nadiri A, Kuchler-Bopp S, Perrin-

do postaci dojrzałej (miesiące zamiast lat), in-

Schmitt F, Peters H, Lesot H: Dental epithe-

dukcji wyrzynania się zęba zastępczego, uzy-

lial histomorphogenesis in vitro. J Dent Res

skiwania komórek zdolnych do różnicowania

2005, 84: 521-525.

i efektywnego namnażania od pacjentów w

9. Huysseune A: Formation of a succession-

al dental lamina in the zebrafish (Danio re-

starszym wieku [28, 35].

rio): support for a local control of replace-

ment tooth initiation. Int J Dev Biol 2006, 50

Podsumowanie

(7):637-643.

10. Koch W E: Tissue interaction during in vitro

W świetle powyższego, prognozy przewi-

odontogenesis. W: Slavkin H C, Bavetta L A

dujące wypracowanie skutecznej metodolo-

red. Developmental Aspects of Oral Biology.

gii uzyskiwania biologicznych zębów zastęp-

Academic Press Inc. New York 1972, 126-

czych w ciągu najbliższych lat mogą okazać

-149.

się nadmiernie optymistyczne.

11. Kollar E J, Baird G: The influence of the den-

tal papilla on the development of tooth shape

Piśmiennictwo

in embryonic mouse germs. J Embryo Exp

Morph 1969, 21: 131-148.

1. Chai Y, Slavkin HC: Prospects for tooth re-

12. Li ZY, Chen L, Liu L, Lin YF, Li SW, Tian WD:

generation in the 21st century: a perspective.

Odontogenic potential of bone marrow me-

Microsc Res Tech 2003, 60 (5): 469-79.

senchymal stem cells. J Oral Maxillofac Surg

2007, 65 (3): 494-500.

2. Cima L G, Vacanti J P, Vacanti C, Inqber D,

Mooney D, Langer R: Tissue engineering by

13. Lin Y, Yelick P: Dental tissue engineering.

cell transplantation using degradable poly-

W: Atala A, Lanza R editors: Principles in

mer substrates. J Biomech Eng 1991, 113 (2):

Regenerative Medicin. Elsevier 2008.

143-151.

14. Luukko K, Moe K, Sijaona A, Furmanek T,

3. Duailibi M T, Duailibi S E, Young C S, Barlett

Hals Kvinnsland I, Midtbø M, Kettunen P:

J D, Vacanti I P, Yelick P C: Bioengineered

Secondary induction and the development of

teeth from cultured rat tooth bud cells. J Dent

tooth nerve supply. Ann Anat 2008, 190 (2):

Res 2004, 83: 523-528.

178-187.

4. Duailibi S E, Duailibi M T, Zhang W, Asrican

15. Main JH: Retention of potential to differen-

R, Vacant I P, Yelick P: Bioengineered dental

tiate in long-term cultures of tooth germs.

tissues grown in the rat jaw. J Dent Res 2008,

Science 1966, 152: 778–780.

87: 745-750.

16. Mitsiadis TA, Caton J, Cobourne M: Waking-

5. Glasstone-Hughes S: The development of

up the sleeping beauty: recovery of the ances-

tooth germs in vitro. J Anat 1936, 70: 260-

tral bird odontogenic program. J Exp Zool B

-266.

Mol Dev Evol 2006, 306 (3): 227-233.

6. Glasstone-Hughes S: The development of

17. Modino SA, Sharpe PT: Tissue engineering

halved tooth germs; a study in experimental

of teeth using adult stem cells. Arch Oral Biol

morphology. J Anat 1952, 86: 12-25.

2005, 50 (2): 255-258.

7. Honda MJ, Tsuchiya S, Sumita Y, Sagara H,

18. Nait Lechguer A, K�źchler-Bopp S, Hu B,

Ueda M:The sequential seeding of epithelial

Ha�Żkel Y, Lesot H:Vascularization of engi-

and mesenchymal cells for tissueengineered

neered teeth. J Dent Res 2008, 87 (12):1138-

tooth regeneration. Biomaterials 2007, 28:

-1143.

680-689.

19. Nakahara T, Yoshiaki I: Tooth regeneration:

747

E. Olender i in.

Czas. Stomatol.,

Implications for the use of bioengineered or-

Mesenchymal stem cell-mediated functional

gans in first-wave organ replacement. Human

tooth regeneration in swine. PLoS One 2006,

Cell 2007, 20: 63-70.

20, 1: e79.

20. Nakao K, Morita R, Saji Y, Ishida K, Tomita Y,

30. Szarski W: Anatomia porównawcza kręgow-

Ogawa M, Saitoh M, Tomooka Y, Tsuji T: The

ców. Państwowe Wydawnictwo Naukowe,

development of a bioengineered organ germ

Warszawa 1987, 514-529.

method. Nat Methods 2007, 4 (3):227-30.

31. Tummers M, Thesleff I: Root or crown: a de-

21. Ohazama A, Modino S A, Miletich I, Sharpe P

velopmental choice orchestrated by the dif-

T: Stem-cell-based tissue engineering of mu-

ferential regulation of the epithelial stem

rine teeth. J Dent Res 2004, 83 (7): 518-522.

cell niche in the tooth of two rodent species.

22. Olender E, Kamiński A, Ubrynowska-

Development 2003, 130 (6): 1049-1057.

Tyszkiewicz I, Wanyura H: Aspekty histolo-

32. Wang S, Shi S: Mesenchymal stem cell-me-

giczne i molekularne mechanizmy kontro-

diated functional tooth regeneration in swine.

li naturalnego rozwoju zęba. Czas Stomatol

PLoS 2006, 20, 1:e79.

2010, 63, 9: 543-550.

33. Weiss P, Taylor AC: Reconstitution of com-

23. Olender E, Kamiński A, Ubrynowska-

plete organs from single-cell suspensions

Tyszkiewicz I, Wanyura H: Komórki macie-

of chick embryos in advanced stages of dif-

rzyste tkanek zęba i możliwości odtwarzania

ferentiation. Proc Natl Acad Sci USA 1960,

struktur zęba – przegląd pismiennictwa. Czas

46:1177-1185.

Stomatol 2010, 63, 11: 682-692.

24. Ring ME: A thousand years of dental im-

34. Yen A, Sharpe P: Stem cells and tooth tissue

plants: a definitive history. Comp Cont Edu

engineering. Cell Tissue Res 2008 331: 359-

Dent 1995, 16: 1060-1069.

-372.

25. Robey PG: Post-natal stem cells for dental and

35. Yu J, Shi J, Jin Y: Current approaches and

craniofacial repair. Oral Biosci Med 2005, 2:

challenges in making a bio-tooth. Tissue Eng

83-90.

Part B Rev 2008, 14 (3): 307-319.

26. Sartaj R, Sharpe P: Biological tooth replace-

36. Zhang Y, Chen Z, Song Y, Liu C, Chen Y:

ment. J Anat 2006, 209: 503-509.

Making a tooth: growth factors, transcription

27. Slavkin H C, Beierle J, Bvetta L A:

factors, and stem cells. Cell Research 2005,

Odontogenesis: cel-cell interaction in vitro.

15 (5): 301-316.

Nature 1968, 217: 269-217.

Adress: 02-004 Warszawa, ul. Chałubińskiego 5

28. Snead M L: Whole-tooth regeneration: it takes

Tel./Fax: [phone]

a village of scientists, clinicians, and patients.

e-mail: [e-mail]

J Dent Educ 2008, 72 (8): 903-911.

29. Sonoyama W, Liu Y, Fang D, Yamaza T, Seo Paper received 5 July 2010

BM, Zhang C, Liu H, Gronthos S, Wang CY: Accepted 11 January 2011

748