牙齒是人體內最硬的器官。露出口腔的部分是牙冠，深埋在骨頭裡面的部分是牙根。我們的牙齒並不是與骨頭直接相連的，二者之間存在一層纖維結締組織叫做牙周膜。牙周膜纖維的一端深入牙槽骨，另一端則深入牙根表面的牙骨質。牙周膜纖維像彈簧一樣將牙齒懸掛在牙槽骨裡來承擔咬合功能。牙骨質，牙周膜連同牙槽骨一起被稱作牙周組織。生理狀態下，牙周組織不斷自我更新，病理狀態下，牙周組織需要修復重建，這都依賴於一群具有自我更新複製、增殖、分化能力的幹細胞群體【1】。
牙周膜幹細胞（Periodontal ligament stem cells，PDLSCs）的存在最早在2004年由施松濤研究組發現。它們可從牙周膜內分離出來，具有間充質幹細胞（Mesenchymal stem cells， MSCs）的基本特徵，體外培養後表達MSCs表面標記物，例如Stro1和CD90等，在體外能被誘導分化為成熟牙周組織，移植後在宿主體內可形成新的牙周組織【2】，被認為是探索牙周組織再生機制的重要切入點。目前針對PDLSCs的研究主要是體外培養。由於缺乏可靠的體內標記和小鼠模型，我們對體內PDLSCs的定位、定量、生物學特性以及調控機制所知甚少。
2020年7月10日，美國Texas A&M University牙學院的趙瑚實驗室團隊在Developmental Cell發表題為Gli1+ periodontium stem cells are regulated by osteocytes and occlusal force 的研究文章，證實Gli1是理想的牙周膜幹細胞標記，並提出生理咬合力通過調節牙槽骨細胞Sclerostin蛋白的分泌，影響Gli1+細胞中經典Wnt信號通路的強度，進而調控Gli1+幹細胞的激活。
課題組前期研究已證實，Gli1+細胞是小鼠切牙、顱面骨縫的主要幹細胞來源【3,4】，基於此，研究人員提出假設：Gli1+細胞也是牙周組織的重要幹細胞來源。利用Gli1-LacZ小鼠和LacZ染色觀察到，在出生後1天，Gli1+細胞分布於整個牙胚間充質以及上皮，隨著年齡增加，其分布逐漸局限，到成年時，Gli1+細胞全部位於牙周膜血管周區域，在根尖區域牙周膜內尤其豐富，但佔全體牙周膜細胞比例不超過5%。通過Gli1-CreERT2;Ai14flox小鼠模型和免疫染色的雙重標記，作者發現Gli1+細胞主要位於有神經伴行的血管周，即神經血管束（neurovascular bundle, NVB），該處豐富的氧氣、營養物質和特殊的調控因子等，被認為是重要的幹細胞niche。基於成年Gli1-CreERT2;Ai14flox小鼠的譜系示蹤和組織透明化三維成像技術，作者發現，在生理狀態下，隨著時間增加，來自於Gli1+幹細胞的子代細胞數量不斷增多，從血管周區域逐漸向整個牙周組織擴散，至tamoxifen誘導後60天，Gli1+幹細胞來源的子細胞遍布整個牙周組織，同時分化形成牙周膜、牙槽骨和牙骨質，這表明Gli1+細胞是多能幹細胞，支持牙周組織的生理性更新。
作者也使用了低劑量tamoxifen誘導來實現單個Gli1幹細胞的標記與示蹤，實驗結果表明單個Gli1+幹細胞可在牙周膜內以克隆的方式擴增，並可同時分化為骨細胞，牙周膜細胞以及牙骨質細胞。牙周膜損傷模型實驗提供進一步證據顯示損傷可快速激活Gli1+幹細胞進入增殖態，並迅速分化為牙周膜與骨組織支持損傷修復。此研究還將Gli1+細胞群體與其它的可能間充質幹細胞標記在牙周組織內進行了比較。結果表明，Gli1標記比NG2, PDGFRa, LepR以及aSMA標記更加特異和全面。
機械力調控是間充質幹細胞研究領域一個重要方向。在咀嚼過程中，牙周組織受到咬合力循環往復的機械刺激，在失牙或錯合畸形等咬合力異常的情況下，牙周組織會發生萎縮從而導致牙槽骨骨質疏鬆，高度降低。可見生理咬合力在牙周組織穩態維持中不可或缺。缺牙後牙周組織的丟失是一個重要的口腔臨床問題，但其相關通路和機制尚不明確。
Gli1+牙周膜幹細胞標記的成功鑑定為研究機械力如何調控間充質幹細胞提供了一個獨特模型。作者通過單側拔牙建立了去咬合力的小鼠模型。與未拔牙側相比較發現，在去咬合力一側磨牙牙周膜內，Gli1+幹細胞幾乎保持原位停止增殖，同時缺牙側頜骨出現骨質疏鬆和牙周組織吸收等表現。作者猜測幹細胞niche內經典Wnt信號強度下調可能是Gli1+幹細胞活性下降的原因。深入研究表明牙槽骨的骨細胞會分泌Wnt通路抑制蛋白Sclerostin來抑制Gli1+幹細胞活性。正常咬合下，Sclerostin表達被咬合力抑制。拔牙去咬合力後，Sclerostin蛋白表達上調，Wnt信號強度降低。由此可見生理性的咬合力對於維持牙周膜幹細胞的激活以及維持牙周組織正常更替有關鍵作用，而咬合力對Gli1+幹細胞的調控是通過調節成骨細胞Sclerostin來間接實現的。
綜上，該研究發現Gli1是小鼠牙周組織PDLSCs的理想體內標記。生理性咬合力通過抑制骨細胞Sclerostin蛋白的分泌，調控幹細胞niche內經典Wnt信號通路的活性強度，進而調控Gli1+幹細胞的激活。
此研究的共同第一作者是來自四川大學華西口腔醫學院的門乙博士和王禹弘同學。實驗主體部分由門乙博士完成。文章的補充修改數據由門乙與王禹弘共同完成。
作者：Bioart
原文連結：https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(20)30456-1
參考文獻：
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2. Seo,B.M., et al.,Investigation ofmultipotent postnatal stem cells from human periodontal ligament.Lancet,2004.364(9429): p. 149-55.
3. Zhao,H., et al.,Secretion of shh by aneurovascular bundle niche supports mesenchymal stem cell homeostasis in theadult mouse incisor.Cell Stem Cell, 2014.14(2): p. 160-73.
4. Zhao,H., et al.,The suture provides a nichefor mesenchymal stem cells of craniofacial bones.Nat Cell Biol, 2015.17(4): p. 386-96.