牙齿的发育是由上皮和间充质细胞之间的相互作用所决定的。在这一过程中，胚胎牙上皮和间充质干细胞的结合使得牙齿的功能性重建与再生成为可能。虽然这种原位全器官置换具有潜在的应用价值，但人类在牙齿萌出后，上皮干细胞的数量显著减少，导致利用上皮干细胞进行牙齿修复面临诸多挑战，同时也限制了牙齿再生机制的研究模型的发展。

牙齿类器官因其与真实牙齿相似的结构和功能，成为体外研究牙齿发育的重要模型。2023年，研究人员通过人类诱导多能干细胞（hiPSC）成功构建了表现出人类成釉细胞特征的类器官，这些成釉细胞负责牙釉质的生成和分泌，从而促成了牙釉质的钙化与矿化。此外，小鼠的牙上皮干细胞由于在整个生命周期内能维持其存活，成为目前牙齿发育研究的主要模型。然而，胎牛血清（FBS）培养基中无法清晰界定生长因子及代谢物对牙齿发育的影响。比利时的研究团队基于小鼠的上皮干细胞，开发出了一种可长期培养的牙齿类器官，同时验证了无血清培养体系的可行性。

与只集中在上皮来源的hiPSC类器官模型不同，小鼠牙齿类器官则能包含成釉细胞和来自间充质的成牙本质细胞两类细胞的相互作用，从而更深入地探讨牙齿矿化和重建的分子基础。2024年11月27日，四川大学的李中瀚教授团队在《Advanced Science》期刊上发表了题为“A chemically defined culture for tooth reconstitution”的研究文章，该研究在确定成分的无血清化学培养基上进行了小鼠来源牙齿类器官的重建。研究发现，牙齿重建并未重置发育时钟，且在气-液界面的共刺激下，早期类器官的发育潜力得到了进一步的激发。

研究人员从不同发育阶段的小鼠牙胚中分离出原代上皮和间充质细胞，结果显示，牙齿培养物即使在无血清的化学培养基中也能够持续成长，并形成多个上皮细胞团和牙胚样结构。通过移植这些获得的牙齿类器官，研究表明，胚胎来源的类器官能够形成牙状体结构，其解剖特征与胎儿第7天的M1臼齿相似。此外，定量分析结果显示，在无血清培养基中，来自多个胚胎阶段的原代细胞均能重建牙状体，而这种能力会在出生后消失。

有研究指出，相较于臼齿，使用相同培养系统的切齿类器官所生成的牙齿数量更少，但牙状体结构却更大，且来自E185及晚期的切齿牙胚不具备进一步发育为切齿的能力，表明切齿的发育速度相对较快，且更早地失去重建分化的潜力。此外，研究还发现，在E145的牙齿类器官中，其发育标记物与天然M1臼齿表现出相似的发育轨迹和动态表达模式，但原发釉结在培养的4-10天内发生，而始终未能检出继发釉结，这可能与自组织牙胚的尺寸限制有关。

在类器官冗长的培养过程中，scRNA-seq数据分析发现了多种阶段特异性牙齿标记物的时序性表达。研究显示，除了E145，来自多个其他阶段的牙齿类器官同样能够持续发育并产生成熟的牙齿细胞谱系。值得注意的是，研究团队通过抑制关键信号通路，发现牙齿类器官对这些化学调节信号的反应。结果表明，当抑制ALK5时，类器官中的牙齿形成明显减少；而Wnt信号的阻断则不仅抑制了牙齿的形成，还导致表皮化现象的增加。相反，激活Wnt信号通路可以诱导形成多个牙本质-牙髓复合体及牙釉质样结构。

综上所述，利用无血清化学培养基获得的牙齿类器官能够重现正常的牙齿发育过程，并具有与正常牙齿发育相似的关键信号通路，成为发育和重建机制研究的有力模型。使用此类牙齿类器官作为研究模型，科学家发现牙齿在不同发育阶段的标志物仅会在特定阶段表达，这意味着牙齿重建不会通过重置发育时钟的方式进行。

在探索牙齿重建的过程中，研究发现早期牙胚的诱导能力较短期内保持不住。为了解决这一问题，研究人员探讨了早期重要信号如ActivinA、SHH信号以及Wnt信号的刺激作用，发现三者结合后的刺激显著提高了牙齿的生成能力，且ActivinA和SAG的持续共刺激帮助保持了体外牙齿类器官的发育潜力。在后续的气-液界面诱导中，研究团队发现抑制BMP信号对牙釉质的诱导有显著的抑制作用，且这一过程存在剂量依赖关系。单独激活BMP信号则能有效促进牙釉质的形成，而TGF-β1激活剂同样能增强牙釉质的生成。

本研究表明，多个胚胎阶段的牙胚细胞能够在化学无血清培养基上形成牙齿类器官，并在移植后能够发育成臼齿或切齿样结构。这一类器官模型不仅保持了牙齿的发育特征，更关联着关键的信号通路，因此为体外研究牙齿重建机制提供了新思路。最终，研究人员指出，牙齿重建过程并非重置发育时钟，而是依赖于原代细胞的最初阶段继续发育。ActivinA和SAG的共刺激被认为是推进早期牙胚发育的重要因素，而BMP/TGF-β信号的激活则是促使成釉细胞分泌细胞外基质及成熟牙釉质形成的关键因素。尽管目前的牙齿类器官仍依赖于原代细胞，且在诱导牙根发育方面存在困难，但进一步探索微环境信号的影响及与神经嵴细胞的结合或将助力在体外生成完全成熟的牙齿。未来对于这一领域的深入研究，将为人类牙齿临床替代提供更多可能性。

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