Получены органоиды, вырабатывающие зубную эмаль

Зубная эмаль защищает зубы от механического стресса, а также от воздействия бактерий. Это самая твердая ткань человеческого тела. Эмаль вырабатывают специализированные клетки — амелобласты. Когда зуб полностью сформирован, эти клетки отмирают. Некоторые животные могут регенерировать эмаль благодаря активным эпителиальным стволовым клеткам, формирующим функциональные амелобласты, но взрослый человек на это не способен. Также пока неясно, как можно получить амелобласты in vitro.

Многие предыдущие исследования проводились на мышах, у которых процессы формирования зубов значительно отличаются от человеческих. Так, у них нет второго набора зубов, а резцы постоянно регенерируют. В новой работе ученые из США использовали секвенирование РНК единичных клеток (single-cell combinatorial indexing RNA sequencing, sci-RNA-seq), чтобы проанализировать процессы формирования зубов у человека на 9–22 гестационной неделе, после чего получили органоиды, вырабатывающие зубную эмаль.

У человека формирование тканей рта начинается около шестой гестационной недели с утолщения орального эпителия, которое даст начало зубам и тканям слюнных желез. Каждый зуб формируется отдельно от других и проходит несколько морфологических стадий. Зубы окружены толстой волокнистой тканью — зубным фолликулом. Фолликул и содержащиеся в нем ткани называют зубным зачатком. Авторы собрали зубные зачатки и образцы слюнных желез на пяти этапах развития зародыша, представлявших различные стадии развития зубов.

Полученные данные авторы проанализировали с помощью программы Monocle3, чтобы построить возможные траектории изменения активностей генов в ходе дифференцировки зубов. Они идентифицировали различные ткани и типы клеток. Одонтобласты (клетки, формирующие дентин) вырабатывают дентиновый сиалофосфопротеин (DSPP), а амелобласты —амелобластин (AMBN) и энамелин (ENAM), что позволяет их различить. Исследователи впервые идентифицировали новый тип клеток — субодонтобласты, которые являются предшественниками одонтобластов.

Далее авторы выявили сигнальные пути, участвующие в формировании амелобластов: Wnt, TGF- β, HH, FGF и BMP. Основываясь на этих данных, они разработали протокол получения амелобластов из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Сначала из стволовых клеток получили оральный эпителий, в котором индуцировали сигнальные пути BMP4, TGF-β1, Wnt/CHIR99021, EGF и HH/SAG, чтобы получить амелобласты ранних стадий. Путем проб и ошибок протокол оптимизировали, при этом использовали белки с усиленным эффектом, разработанные с помощью компьютера, и известные химические сигналы. На 16-й день 25% клеток продуцировали AMBN.

На полученных клетках авторы изучили процессы, происходящие при нарушении формирования эмали. Так, у мутантных клеток была нарушена полярность.

Чтобы понять, можно ли из амелобластов ранних стадий получить зрелые клетки, их вводили внутримышечно мышам. Через восемь недель клетки имели более зрелый фенотип: они вырабатывали маркеры амелобластов и кальцинированное вещество. Однако эти клетки пока не могли вырабатывать ENAM. Для окончательного созревания потребовалось кокультивировать амелобласты с одонтобластами в 3D-органоидах.

Исследователи планируют улучшить протокол, чтобы получить эмаль, сравнимую по твердости с природной, а также разработать способы ее использования для восстановления зубов. Один из возможных путей — заполнить созданной эмалью полости и другие дефекты зуба. Другой — создать «живые пломбы». Конечная цель — получить зуб из стволовых клеток.

Возбудители пневмонии могут селиться на зубных протезах