牙芯片技术模拟早期牙上皮-间充质相互作用以促进牙釉质再生研究

《Materials Today Bio》：Tooth-on-a-chip to engineer early dental epithelial-mesenchymal interaction

本研究针对牙釉质再生难题，开发了一种微流控“牙芯片”模型，通过独立灌注谱系特异性培养基和精确控制DE-DM界面几何形状，成功模拟了早期牙发育过程。该平台实现了DM细胞向成牙本质细胞分化及DE细胞向成釉细胞分化，并观察到界面特异性矿化，为牙再生策略提供了可控的双培养基微环境工具。

　　

牙齿缺失是全球数百万人面临的健康问题，不仅影响咀嚼功能和引发疼痛，还会降低患者的生活信心。牙釉质作为人体最坚硬的组织，由牙上皮（DE）细胞分化形成的成釉细胞分泌产生。然而，成釉细胞在牙齿萌出前就已消失，导致成熟牙釉质无法自我修复。因此，实现牙釉质再生的核心挑战在于重建牙上皮与牙间充质（DM）细胞在发育早期的相互作用。现有体外模型存在明显局限：无法精确控制DE-DM界面几何形状，且多采用单一培养基，难以同时满足两种细胞谱系的特定需求，导致结果重复性差且无法模拟天然牙发育的形态发生过程。

为突破这一瓶颈，研究团队在《Materials Today Bio》上发表了题为“牙芯片技术工程化模拟早期牙上皮-间充质相互作用”的论文，开发了一种创新型微流控“牙芯片”平台。该研究通过3D打印和软光刻技术构建三通道聚二甲基硅氧烷（PDMS）装置，实现了DM细胞在纤维蛋白水凝胶中的3D培养，并独立灌注DE和DM特异性培养基。研究首次在体外重现了DM细胞凝聚成牙乳头样核心、分泌胶原形成信号龛，并诱导DE细胞分化为表达AMELX的成釉细胞的过程。更重要的是，团队观察到界面处空间限定的矿化现象，钙磷比值达1.73，表明无定形磷酸钙的形成。这一平台为解析牙形态发生机制和加速釉质再生策略提供了全新工具。

关键技术方法包括：1）基于3D打印的芯片快速原型设计，优化柱状结构实现凝胶封闭与培养基扩散平衡；2）流变学筛选仿牙髓力学性能的纤维蛋白凝胶（10 mg/mL fibrinogen-2U/mL thrombin）；3）时序共培养策略：先培养人源DM细胞形成凝聚体，再接种猪源DE细胞；4）多指标验证：qPCR分析牙源性标志物（PAX9、BMP4、MSX1等），免疫荧光检测成釉细胞分化（AMELX、AMBN），结合阿尔新红染色、钙含量测定和扫描电镜能谱分析矿化过程。

3.1. 芯片制备与筛选

通过比较三种不同柱状结构设计，最终选定具有“凹痕”结构的Design 3，其在防止凝胶泄漏的同时优化了气泡排出机制，确保长期培养的稳定性。

3.2. 水凝胶优化与3D培养兼容性

力学测试表明10 mg/mL纤维蛋白胶的储能模量（G′）最接近天然牙髓组织，且细胞存活率超过95%。相较于明胶甲基丙烯酰（GelMA）等材料，纤维蛋白胶在维持构建体完整性和细胞形态方面表现最优。

3.3. 芯片上的牙本质发生

DM细胞在3天内沿柱状结构垂直排列（FWHM角度分布峰值90°），并上调牙源性标志物基因表达（PAX9、RUNX2等）。与DE细胞共培养后，COL1A1等早期牙本质分化标记进一步显著上调，证实DE细胞对DM细胞具有诱导效应。

3.4. DE-DM界面表征、成釉作用及矿化

共培养21天后，界面形成类似钟状期牙胚的凹陷形态，DE细胞表达成釉蛋白（AMELX/AMBN）。H&E染色显示典型成釉细胞极性排列，阿尔新红染色与SEM-EDX证实界面处钙磷矿化沉积，钙含量随培养时间显著增加。

研究结论强调，该牙芯片模型首次在单设备中实现了对早期牙发生、成釉作用和矿化过程的可控模拟。通过独立双培养基系统和界面几何调控，成功复现了DM细胞凝聚诱导DE细胞分化的关键事件。尽管当前模型仍处于概念验证阶段，但其为研究牙形态发生信号通路（如BMP4、SHH、Wnt）提供了动态分析平台。未来整合患者特异性诱导多能干细胞（iPSCs）及阶段特异性信号分子调控，有望推动个性化牙再生治疗策略的发展，并为釉质发生不全等发育性牙病机制研究提供新范式。