整合空间与单核转录组学解析人类牙齿形态发生中的细胞谱系动态

《International Dental Journal》：Integrative Spatial and Single-Nucleus Transcriptomics Elucidate Cell Lineage Dynamics in Human Tooth Morphogenesis

本研究通过整合空间转录组和单核RNA测序技术，首次系统描绘了人胚胎牙胚从帽状期向钟状期过渡阶段的细胞图谱，鉴定出10种上皮和9种间充质亚群，揭示了SPP1+巨噬细胞通过整合素受体与成牙本质细胞互作、雪旺细胞通过SEMA3C/MDK/PDGFC信号参与微环境调控的新机制，为牙齿再生研究提供了关键靶点和珍贵数据资源。

　　

牙齿作为研究器官发育的经典模型，其形态发生过程涉及复杂的上皮-间充质相互作用（epithelial-mesenchymal interactions）、细胞分化和组织矿化。虽然传统标记物如牙本质涎磷蛋白（DSPP）、碱性磷酸酶等已被用于识别成牙源性细胞，但这些标记物的特异性有限，且难以实现细胞类型的精确定位和分离。随着单细胞转录组学（scRNA-seq）技术的发展，研究人员已初步构建了人类和小鼠牙齿的单细胞图谱，但早期胚胎发育阶段（特别是帽状期向钟状期过渡期）的空间转录组数据仍然匮乏，限制了人们对牙齿发育微环境中细胞通信网络的深入理解。

为了突破这一瓶颈，来自南方医科大学深圳市口腔医院（坪山）的研究团队在《International Dental Journal》发表了创新性研究。他们联合运用单核RNA测序（snRNA-seq）和空间转录组（spatial RNA-seq）技术，对孕12-18周（PCW12-PCW18）的人胚胎牙胚及周边组织进行多组学整合分析，系统解析了牙齿形态发生过程中的细胞谱系动态和微环境调控机制。

研究人员主要采用四大技术手段：一是获取4例健康流产胚胎的颌骨组织进行snRNA-seq和空间RNA-seq；二是整合公共数据库（GEO accession GSE184749）中PCW12-19的胚胎磨牙和切牙数据；三是通过Seurat、Harmony等进行数据整合和细胞注释；四是运用Monocle3、RNA velocity、CellChat等工具重构细胞轨迹和通信网络。

研究结果首先通过高质量数据整合揭示了细胞组成全景：

（一）A single-cell atlas of human embryonic teeth from the cap to early bell stage

通过对26,394个高质量细胞的分析，鉴定出5大类细胞（上皮细胞、间充质细胞、内皮细胞、免疫细胞和雪旺细胞）共18个核心亚群，发现免疫细胞比例随发育进程显著增加。

（二）Molecular features of odontogenic epithelial cells

上皮细胞被细分为10个亚型，包括：

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  牙上皮干细胞（Dental epi，表达SOX2/KRT5/KRT17）
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  口腔基底/副基底细胞（Oral epi basal，表达KRTDAP/MEIS2）
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  前成釉细胞（PreAM，表达VWDE）
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  釉结细胞（EK，表达SHH/WNT10B/BMP4）
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  分泌型成釉细胞（Secretory AM，表达AMELX/AMBN/ENAM）
  空间定位显示牙源性上皮与口腔上皮存在明显分区特征。

（三）Molecular characteristics of odontogenic mesenchymal cells

间充质细胞分为9个亚群，包括：

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  LGR5+间充质细胞（LGR5+ Msc，表达LGR5/MCAM/SOX2）
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  增殖性牙髓细胞（Cycling DP，表达TOP2A/MKI67）
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  早期成牙本质细胞（OD early，表达TNC/SP7/RUNX2）
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  晚期成牙本质细胞/成骨细胞（OD late/OB，表达S100A13/DSPP/DMP1）
  轨迹分析表明LGR5+ Msc细胞是成牙本质细胞分化的起源。

（四）Cell–cell communication in the periodontal microenvironment

发现SPP1+巨噬细胞通过SPP1-整合素受体（integrin receptor）与成牙本质细胞互作；雪旺细胞通过SEMA3C/MDK/PDGFC信号参与微环境调控；周细胞通过POSTN-ITGAV_ITGB5和MDK-LRP1与牙囊细胞、成牙本质细胞通信。

研究结论强调该工作首次构建了人胚胎牙胚帽状期向钟状期过渡的高分辨率细胞图谱，不仅揭示了牙源性细胞分化的关键驱动基因（如TNC、SFRP4、CAPZB等），还发现了非经典信号通路（MK、PTN、NRG、SEMA3、POSTN）在上皮-间充质对话中的重要作用。更重要的是，该研究首次报道了SPP1+巨噬细胞通过SPP1-ITGAV互作调控成牙本质细胞分化的新机制，以及雪旺细胞通过SEMA3C信号参与牙齿神经支配的潜在功能。这些发现为牙齿再生提供了新的靶点：LGR5+间充质细胞可作为理想的干细胞来源，SPP1信号通路可用于增强成牙本质分化能力，而SEMA3C则可能调控神经血管网络重建。尽管研究存在样本量有限、空间分辨率不足等局限，但其整合多组学解析发育微环境的策略为器官再生研究提供了范本，鉴定出的关键靶点群将推动牙齿再生治疗向精准调控方向迈进。