牙齿的发育过程源于上皮细胞与间充质细胞之间的相互作用，通过胚胎牙上皮和间充质干细胞的应用，研究者已实现了牙齿的功能性重建和再生，这为全器官置换提供了可能性。然而，在人类牙齿萌出后，上皮干细胞数量显著减少，这使得利用上皮干细胞进行牙齿修复变得极其困难，同时也限制了牙齿再生机制研究模型的发展。

牙齿类器官因其具备与真牙相似的结构和功能，已经成为体外牙齿发育研究的重点模型。2023年的研究中，科学家利用人类诱导多能干细胞（hiPSC）成功构建了能够生成成釉细胞的类器官，这些成釉细胞负责牙釉质的产生与分泌，并且在与牙间充质的相互作用下，能够实现钙化和矿化，展现出成牙的分化潜能。

小鼠的牙上皮干细胞能够在生命的整个过程中保持活性，因此成为了主要的牙齿发育研究模型。然而，常用的胎牛血清（FBS）培养基中，生长因子及代谢物的作用尚未得到明确的定义。位于比利时的研究团队基于小鼠上皮干细胞开发出可长期培养的牙齿类器官，并证实了无血清培养体系的可行性。与hiPSC发展阶段的类器官模型不同，小鼠牙齿类器官涵盖了成釉细胞和成牙本质细胞的相互作用，有助于研究牙齿矿化与重建的分子机制。

2024年11月27日，四川大学的李中瀚教授团队在期刊《Advanced Science》上发表了题为“A chemically defined culture for tooth reconstitution”的研究。研究中，团队在确定成分的无血清化学培养基上重建了小鼠来源的牙齿类器官，发现牙齿重建的过程并未重置发育时钟。进一步的气-液界面培养中，通过Activin A和SHH途径的共刺激，显著提高了早期类器官的发育潜力，并揭示了骨形态发生蛋白（BMP）在牙釉质形成中的重要作用。

研究者从不同发育阶段的小鼠牙胚中分离出上皮与间充质细胞，发现与FBS培养基相似，这些细胞在无血清化学培养基中也能持续生长，形成多个被间充质细胞包围的上皮细胞团和牙胚类结构。之后，将获得的牙齿类器官植入肾被膜下，结果显示胚胎来源的类器官均能形成牙状体，其解剖结构与PN7（胎儿第7天）的M1臼齿相似。定量分析显示，多个胚胎阶段的原代细胞在无血清化学培养基下具备重建牙状体的能力，然而这种能力在出生后逐步消失。

相较于臼齿，相同培养系统中的切齿类器官产出的牙齿数量较少，但生成的牙状体结构更大，且E185及更晚期的切齿牙胚不具备进一步发育成切齿的能力，暗示切齿在发育上速度更快，并较早失去重建潜力。

研究人员注意到，在E145牙齿类器官中，发育标记如间充质祖细胞Msx1+和Sox9+的动态变化与天然M1臼齿相似。尽管原发釉结在培养的第4-10天间发生，继发釉结却未能检出，可能是自组织牙胚的尺寸限制所致。

继续培养至第24天，单细胞RNA测序数据的分析显示，牙齿标记物有多种阶段特异性表达。除了E145外，其他多个阶段的牙齿类器官都能够持续发育并形成成熟牙齿细胞谱系。此外，通过抑制关键信号通路，研究人员发现，牙齿类器官对化学调节表现出响应。抑制ALK5时，类器官中的牙齿形成减少，而阻断Wnt信号则抑制牙齿形成并增加表皮化，激活Wnt信号则能诱导多个牙本质-牙髓复合体及牙釉质样结构的形成。

综上所述，化学培养基中获得的牙齿类器官可以重现正常牙齿发育过程，并拥有与正常牙齿相似的关键信号通路，成为研究发育及重建机制的重要模型。以这些牙齿类器官为基础，研究人员发现牙齿在不同发育阶段的标志物仅在特定阶段表达，晚期阶段未能检出早期阶段标志物，这表明牙齿重建并非通过重置发育时钟来完成。

尽管E125及之后阶段的牙胚能够通过化学培养基及移植获得牙齿结构，但早期牙胚诱导牙齿形成的能力却是短暂的。为了解决这一问题，研究团队探究了早期牙齿发育的重要信号Activin A、SHH信号以及Wnt信号的刺激作用，结果发现这三种信号的联合刺激能够有效诱导牙齿生成。在Activin A与SHH途径激动剂SAG共同加入培养基后，原代组织产生的牙齿数量最多，并且这种持续共刺激有助于在体外培养期间维持其发育潜力。

虽然在转移至气-液界面进行进一步诱导时，牙釉质的生成未能成功，但研究团队发现，抑制BMP信号会显著抑制牙釉质的诱导，并且这一过程呈现剂量依赖性。单独激活BMP信号则能有效推动牙釉质的形成，TGF-β1激活剂同样有助于增强牙釉质的生成。

该研究表明，多个胚胎阶段的牙胚细胞可在无血清化学培养基中生成牙齿类器官，且在移植后可发展为臼齿或切齿样结构。这种类器官模型与自然牙齿的发育特征高度一致，关键信号通路也保持保守性，可为体外研究牙齿重建机制提供有力支持。基于这些发现，研究人员进一步探讨了牙齿重建的生物机制，发现Activin A和SAG的共同刺激至关重要，而BMP/TGF-β信号的激活则是影响成釉细胞分泌细胞外基质和形成成熟牙釉质的关键因素。目前的牙齿类器官仍依赖于原代细胞，难以实现长期增殖，且在体外诱导牙根发育方面仍存在挑战。研究者指出，微环境信号在体外诱导过程中的重要性，而牙齿类器官可能通过与神经嵴细胞结合，以推进在体外生成完全发育的牙齿。未来在这些领域的探索将进一步深入理解牙齿重建机制，并开启人类牙齿临床替代的新可能性。

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