近日，美國塔夫茨大學團隊造出了一種實驗室細胞培養牙齒——他們在迷你豬的口腔裡培養出了“類人牙齒”，標誌著用生物工程結構替代牙種植體邁出了新的一步。
簡單來說，研究人員在由豬牙碎片製成的支架內，培養了豬和人類牙齒細胞的混合物。在實驗室培養皿中放置幾周後，他們將牙齒碎片植入六隻迷你豬的頜骨之中。
兩個月後，研究人員拔掉了迷你豬的牙齒，結果發現這些牙齒已經開始以與健康成年牙齒相似的方式生長，它們甚至形成了堅硬的牙骨質和牙本質層。“它們非常像牙齒。”研究人員表示。
實驗室細胞培養牙齒正在照進現實
健康牙齒的核心在於牙髓。牙髓中含有神經和血管，它們被一層層的硬組織包圍，這些硬組織被稱為牙本質、牙骨質和牙釉質。
這些組織層非常堅硬，正因此牙釉質被認為是人體中最堅硬的組織。但是，它們可能會被細菌侵蝕從而導致蛀牙。
如果蛀牙蔓延到牙髓就會很疼。牙醫透過會去除患者牙齒的腐爛區域，並用填充物取而代之，這種填充物通常可持續約 15 年，隨後它們就需要進行更換。
更換植入物並非易事，首先必須重建所有隨時間推移而被吸收的骨骼。每更換一次就必須切除更多的牙齒組織，最終這顆牙齒的主人會徹底失去它。
如果一個成年人壞掉一顆牙齒，他的補牙選擇十分有限，通常是用鈦植入物或塑膠假牙來補牙。這些植入物由錨定在顎骨中的鈦螺釘組成，一般頂部有著牙齒狀的瓷冠。
儘管它們看起來很像牙齒，也可以用來撕咬食物和咀嚼食物，但它們遠不及真正的牙齒。如果種植體與患者現有的牙齒沒有完全對齊，撕咬和咀嚼會將不均勻的力量傳遞到周圍的頜骨，從而損壞支撐頜骨的骨骼。
有時，細菌也會附著在種植體上，這會導致牙齒的主人出現種植體牙周炎，進而會導致骨組織破壞。
因此，本次課題組所研究的替代方案是：透過在實驗室培養人類牙齒，爭取在未來替代人類的受損牙齒。
生物工程牙齒周圍在短期內即可形成牙周膜
本次實驗之所以瞄準豬是因為：豬在一生中會長出多組牙齒，因此它的頜骨中含有尚未發育完全、牙齦尚未長出的牙齒細胞。
實驗中，研究人員針對 6 月齡豬下頜中採集到的天然豬牙胚進行脫細胞處理。這一過程保留了牙芽細胞外基質（ECM，Extracellular matrix）的主要成分，其中包括膠原蛋白、層粘連蛋白和膠原蛋白網路。
然後，研究人員使用上述構建體在 6 個月大的小型豬宿主中進行一項試點研究，並測試了 4 種型別植入物的生長情況，同時所有構建體都被植入並生長 3 個月或 6 個月。
第一種型別植入物是單獨使用脫細胞牙芽（dTB，decellularized tooth bud）-ECM 支架。第二種型別植入物是使用 Recell dTB-ECM 支架。第三種型別植入物是使用含有 BMP-2 的 dTB-ECM 骨架。（注：BMP 指的是，英文全稱是 bone morphogenetic protein，它是控制牙齒髮育的重要分子。）第四種型別植入物是使用新鮮分離的天然牙芽（nTB，natural tooth bud）。
透過此，研究人員觀察到形成了人類牙齒大小的礦化類牙結構，這種情況在 ReCell-dTB 植入組中最常見。
具體來說：Recell dTB-ECM 支架表現出了纖維蛋白 1 和 2 表達的增加，這是天然牙周膜和牙根形成的重要細胞外基質標誌物，同時其形成的結構明顯大於該團隊的以往所有研究成果以及其他學者的已發表成果。
此外，研究人員觀察到，在體內生長僅 2 個月之後，生物工程牙齒周圍就形成了成熟的牙周膜組織。
但是，研究人員發現在年輕的豬宿主體內，後續牙齒的形成會導致部分植入的構建體發生位移，而且在植入後 3 個月時和 6 個月時，他們在所有 4 種型別的植入物中均發現了壞死組織和固定不當的組織。
這表明需要針對生物工程牙胚構建體進行血管化改良，並針對頜骨進行灌注處理。同時，這也表明新增骨形態發生蛋白這一做法，並不能促進生物工程牙齒的形成。
為此，研究人員先是針對實驗方法進行標準化，以確保能夠既可靠又一致地批次生產 dTB-ECM 支架。
接下來，研究人員使用年齡不低於 2 歲的尤卡坦迷你豬開展試驗，它們已經完成了成熟牙列的形成，因此不會再出現連續的牙齒形成。（注：尤卡坦小型豬是一種原產於墨西哥南部的天然小型豬品種，美國從墨西哥引進後進行了封閉培育。）
然後，研究人員縮短了生成時間，即僅僅將植入物生長 2 個月和 4 個月。
對於 2 歲年齡的尤卡坦迷你豬來說，它的的下頜比較大，這讓研究人員得以在每個下頜半區植入 2 個構建體。
實驗結果顯示，這一次植入物的成功率達到 50%，不僅比上一次植入物的成功率更高，並且形成了接近完整人類牙齒尺寸的生物工程牙齒。
與此同時，研究人員還使用熒光染料來標記植入的細胞，以此來標記新形成的骨和牙齒組織，以便能夠識別新形成的鈣化組織。
聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，polymethylmethacrylate）嵌入樣本的切片結果顯示：在新形成的牙齒狀結構的周圍，有著清晰的熒光染色層圖案，它類似於在牙槽骨小梁周圍觀察到的那種厚厚的熒光染色層，這表明本次成果中骨形成的速度，比牙本質形成的速度還要快。
另外，研究人員使用不同的熒光細胞跟蹤器來標記 3 種型別的細胞，以便能夠識別和跟蹤生物工程牙根中的單個細胞型別。
然而，熒光細胞標記在體外培養 1 周後僅僅顯示出微弱的訊號，在植入 2 個月後則根本無法檢測到訊號。
為此，研究人員使用針對人牙髓幹細胞的細胞型別特異性波形蛋白抗體、針對豬牙胚來源的牙上皮細胞的 E-鈣粘蛋白抗體以及針對人臍靜脈內皮細胞的凝血因子 VIII，來對石蠟包埋切片標本進行免疫熒光染色。
隨後，研究人員開始量化和評估每種細胞型別的分佈。任何組織工程結構能否在臨床上獲得成功，都取決於其長期存活以及與宿主的整合，特別是與宿主血管系統的整合。
此外，即使使用抗凝藥物，器官支架的裸露血管也具有高度血栓形成性，因此必須對 dECM 支架進行再細胞化才能實現成功移植。
出於上述考量，研究人員在生物工程牙芽結構中使用人臍靜脈內皮細胞，並針對宿主下頜進行灌注固定。
結果顯示，所觀察到壞死組織形成明顯減少，植入物的固定效果和組織學狀況也均有所改善。
日前，相關論文以《使用去細胞化牙胚細胞外基質支架在體內生物工程化牙形成》（In vivo bioengineered tooth formation using decellularized tooth bud extracellular matrix scaffolds）為題發在Stem Cells Translational Medicine[1]。
美國塔夫茨大學的張蔚博（音）助理教授是第一作者，該校的帕梅拉·耶利克（Pamela Yelick）教授擔任通訊作者。
總的來說，研究人員使用解碼自然編碼細胞的方式，製造出了這種生物工程牙齒，其具有天然牙齒的關鍵特性。這意味著在實驗室裡有望培養出功能齊全的、能夠生長的人類牙齒，並且這些牙齒還可以與人的牙齦和下巴結合。
當然，目前這些生物工程牙齒的美觀度還不夠高，但是研究人員認為未來其將能夠創造出一種功能性生物牙齒替代品，並能將其用於需要替換牙齒的人。
儘管本次成果證實了再生牙齒組織中存在人類供體細胞，但它並沒有完全揭示宿主和供體對於再生牙齒組織的影響。未來，研究人員計劃改進細胞標記技術，以更好地分析牙齒再生中供體和宿主細胞的相互作用。
參考資料：
https://www.technologyreview.com/2025/02/06/1111178/humanlike-teeth-grown-in-mini-pigs/
https://academic.oup.com/stcltm/advance-article/doi/10.1093/stcltm/szae076/7933795?login=false
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