细胞外基质调控牙髓-牙本质再生的多维机制：从生物组成、力学转导到智能支架策略

《International Journal of Oral Science》：Extracellular matrix in dental pulp and dentin regeneration: from compositional and mechanical cues to scaffold-based translational strategies

　　

传统的牙髓炎治疗牺牲了牙髓-牙本质复合体（pulp-dentin complex）的结构和功能，排除了生理性修复。再生性牙髓治疗程序（regenerative endodontic procedures, REPs）整合干细胞、支架和生长因子以恢复这一复合体，其中细胞外基质（extracellular matrix, ECM）作为一个动态微环境，协调生化和力学信号以调节细胞行为。基于ECM的策略的临床转化仍受到对其双重修复/降解作用以及基质物理特性如何调控细胞命运的碎片化理解的制约。本综述系统总结了ECM组成及其在组织再生中的应用，梳理了调控ECM稳态的调节网络。在此基础上，研究人员进一步梳理了牙髓炎进展过程中牙髓ECM的结构和功能演变，考察了特定基质成分和力学转导（mechanotransduction）如何影响不同的牙髓细胞群，比较了不同来源ECM来源支架的再生效率和转化潜力，并客观评估了其转化挑战，同时总结了ECM引导牙髓再生的关键信号网络。通过桥接病理变化、力学生物学调控和支架策略，本综述将ECM定位为牙髓-牙本质再生的中心枢纽，识别了关键知识空白，并提出了未来工程化智能、力学优化和免疫调节ECM基生物材料的方向，为再生性牙髓治疗（regenerative endodontics）的加速临床转化提供了理论支持和实践指导。

Introduction
根管治疗（root canal treatment, RCT）是当前牙髓及根尖周疾病最常用的临床手段，但其以人工材料替代缺损牙体组织的核心理念导致牙髓固有免疫、感觉和再生功能丧失，并改变牙齿力学性能，增加牙折和再感染风险。再生性牙髓治疗程序（regenerative endodontic procedures, REPs）通过刺激内源性或移植外源性干细胞并诱导分化，旨在恢复牙髓-牙本质复合体的天然结构与功能。然而，当前REPs仍面临再生成功率及再生组织特征缺乏可预测性和可控性的问题。脱细胞细胞外基质（decellularized extracellular matrix, dECM）支架因保留天然ECM结构而备受关注，但ECM并非被动结构支架，其组成、结构及力学特性在炎症、修复和衰老过程中动态变化。因此，本综述将ECM视为动态且具有指令性的再生微环境，系统总结其组成、力学转导机制及来源特异性应用。

Composition and biological functions of the extracellular matrix
细胞外基质是由非细胞成分构成的三维（3D）多孔网状结构，为组织驻留细胞提供结构稳定性、营养及生化信号，支持细胞黏附与包埋。其主要成分包括胶原蛋白（collagen, COL）、非胶原蛋白（non-collagenous proteins, NCPs）、糖胺聚糖（glycosaminoglycans, GAGs）、蛋白聚糖及多种生长因子。COL是ECM最丰富的结构成分，不同亚型组装形成超分子结构；NCPs如纤连蛋白（fibronectin, FN）、层粘连蛋白和弹性蛋白通过结合整合素（integrins）调节细胞黏附、分化与迁移；GAGs和蛋白聚糖在信号转导和组织稳态维持中发挥重要作用。此外，ECM储存并释放多种生长因子，如转化生长因子（transforming growth factor, TGF）-β₁、血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）、血小板源性生长因子（platelet-derived growth factor, PDGF）和成纤维细胞生长因子（fibroblast growth factor, FGF），协同调控细胞行为与组织再生。

Applications of the extracellular matrix in tissue regeneration
ECM通过重现天然微环境的机械、化学和生物学特征，在软硬组织再生中展现出巨大潜力，但其效果受来源、脱细胞策略及生物力学特性等多变量影响。在软组织再生方面，ECM水凝胶负载脂肪来源间充质干细胞外泌体（adipose-derived mesenchymal stem cell-derived exosomes, ADSC-exos）可促进皮肤创面愈合；脱细胞骨骼肌肉支架能招募宿主细胞并诱导神经血管形成；ECM在心肌再生和牙周软组织修复中亦具有应用价值。在硬组织再生方面，仿生ECM支架结合微骨折技术可促进透明软骨再生；COL I和硫酸软骨素包被的聚己内酯支架显著改善骨再生；骨膜来源dECM及间充质干细胞与内皮细胞共培养体系制备的dECM可促进成骨分化与血管生成。

Regulatory network of extracellular matrix remodeling and homeostasis
ECM处于持续合成、降解和重塑的动态平衡中，由整合素介导的力学转导、信号通路及蛋白酶系统共同调控。整合素作为细胞感知ECM力学线索的主要受体，通过衔接蛋白如踝蛋白（talin）、缢蛋白（kindlin）和黏着斑激酶（focal adhesion kinase, FAK）将机械刺激转化为生化信号。RhoA/Rho相关卷曲螺旋形成蛋白激酶（Rho-associated coiled-coil-containing protein kinase, ROCK）通路通过增强肌动蛋白-肌球蛋白收缩性驱动ECM定向重排；Yes相关蛋白（Yes-associated protein, YAP）/具有PDZ结合基序的转录辅激活因子（transcriptional coactivator with PDZ-binding motif, TAZ）通路响应细胞骨架张力，调控促基质基因转录；TGF-β/Smad通路通过Smad2/3磷酸化促进ECM合成，并与YAP/TAZ形成正反馈环路。基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases, MMPs）和赖氨酰氧化酶（lysyl oxidase, LOX）家族等蛋白酶系统调控ECM降解与交联，其中MMP-9可激活潜伏态TGF-β，偶联基质降解与促纤维化信号输出。

Similarities and specificities of dental pulp–ECM and ECM from other tissue sources
不同来源ECM在组成和功能上各具特性。骨ECM富含羟基磷灰石结合蛋白，提供刚性支撑；肌腱ECM以高度对齐的COL I纤维为主；皮肤ECM含较多弹性蛋白；血管ECM富含基底膜成分。相比之下，牙髓-ECM为特化的软组织，COL I纤维排列较松散且基质较柔软，富含层粘连蛋白、FN及TGF-β₁、VEGF、FGF等生物活性分子，不仅支持牙髓干细胞（dental pulp stem cells, DPSCs）黏附与迁移，还促进血管生成和神经发生。鉴于牙髓-ECM研究的系统性不足，其他组织ECM的血管化设计策略、刚度调控及免疫调节功能可为优化牙髓-ECM支架设计提供重要参考。

Dynamic remodeling of pulpal extracellular matrix during pulpitis
随着牙髓炎进展，牙髓-ECM的结构、组成和力学特性发生动态改变。在炎症刺激下，促炎因子如白细胞介素（interleukin, IL）-1β和IL-6显著上调，诱导MMP-2、MMP-3、MMP-9等降解酶高表达，加速胶原、弹性蛋白和蛋白聚糖的降解。单细胞转录组学显示龋坏人牙髓中肌成纤维细胞增多且COL₁A₁、FN₁表达上调，呈纤维化样重塑。健康牙髓具有较低弹性模量（约5.5±2.8 kPa），但炎症牙髓的刚度变化及体内实时动态监测数据仍较缺乏。ECM与免疫细胞存在双向串扰：ECM降解片段可被Toll样受体（Toll-like receptors, TLRs）识别，招募中性粒细胞和单核细胞；同时ECM作为生长因子库，其重塑调节VEGF、PDGF和TGF-β的可用性。在可逆性牙髓炎早期，ECM重塑呈适应性且具可逆性；随着炎症持续，蛋白水解重塑与刚度驱动的纤维化正反馈形成恶性循环，导致ECM-免疫稳态破坏，推动牙髓炎向不可逆组织破坏发展。不同疾病阶段（可逆性牙髓炎、不可逆行牙髓炎、牙髓坏死）的ECM重塑特征各异，但直接证据仍有限，再生策略应基于残余牙髓的实际生物学状态而非仅依赖临床诊断标签。

Regulatory roles of ECM in pulp regeneration
在干细胞介导的牙髓再生中，ECM成分通过多机制调控DPSCs活性、增殖、迁移及趋化。牙本质磷蛋白（dentin phosphoprotein, DPP）、牙本质涎蛋白（dentin sialoprotein, DSP）、COL I、MMP-1、层粘连蛋白及弹性蛋白微纤维界面蛋白-1（elastin microfibril interface located protein-1, EMILIN-1）等促进DPSCs黏附与迁移；TGF-β₁、骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein, BMP）和层粘连蛋白诱导DPSCs向成牙本质细胞样细胞分化，上调牙本质涎磷蛋白（dentin sialophosphoprotein, DSPP）、牙本质基质蛋白-1（dentin matrix protein-1, DMP-1）等标志物；COL、FN和DMP-1促进内皮细胞分化和血管出芽；层粘连蛋白-521、重组玻连蛋白和多聚鸟氨酸促进DPSCs神经元样分化及神经发生。在力学调控方面，ECM力学特性以维度依赖方式调节干细胞行为。在2D培养中，高刚度导致DPSCs核增大、染色质凝集及衰老；3D培养可缓冲刚度的不利影响。高刚度促进成牙本质细胞分化，中等刚度诱导内皮细胞分化，低刚度促进血管生成和抗炎表型。不同牙髓细胞群对力学刺激具有差异性机械敏感性：中等刚度有利于神经突生长；巨噬细胞在软基底上向M2型极化，硬基底诱导M1型；牙髓成纤维细胞在硬基底上收缩性和胶原合成增强。YAP/TAZ和核因子-κB（nuclear factor kappa-B, NF-κB）通路是ECM刚度信号的关键介导者，高刚度通过Hippo通路抑制促进YAP核转位，而软基底通过降低肌动蛋白张力激活NF-κB。此外，细胞骨架张力通过LINC复合体传递至细胞核，影响核孔通透性和表观遗传景观。衰老和全身性疾病如糖尿病和骨质疏松可重塑牙 pulp力学微环境，其中年龄相关的刚度增加通过YAP依赖机制降低牙髓再生能力。

Advantages of the dECM as a three-dimensional scaffold for pulp regeneration and source-specific applications
dECM作为三维支架在牙髓再生中具有重要优势，但不同来源ECM在免疫原性、生物相容性和再生潜力上存在差异。人源dECM包括全成分dECM和仿生支架：DPSC来源ECM支架高度模拟天然牙髓微环境；人脱落乳牙干细胞（stem cells from human exfoliated deciduous teeth, SHEDs）来源ECM可诱导成牙本质细胞样分化并降低异位钙化风险；根尖乳头干细胞（stem cells from apical papilla, SCAPs）来源无细胞片层衍生颗粒（cell sheet-derived pellet, CSDP）形成牙髓样组织。非口腔人源ECM如人脐带静脉内皮细胞（human umbilical vein endothelial cells, HUVECs）来源ECM和人羊膜脱细胞基质支架亦显示出促血管生成和牙髓再生潜力，但存在免疫风险。异种dECM中，牛源和猪源牙髓脱细胞水凝胶保留天然ECM多孔架构及生长因子（如TGF-β₁、bFGF、BMP-2、VEGF），有效支持DPSCs活力并诱导成骨、血管和神经分化，但脱细胞处理可能降低某些功能蛋白水平。智能响应性dECM支架（如炎症响应、力学自适应和生长因子控释）为动态牙髓再生提供了新方向，但目前仍处于临床前阶段。临床转化需克服供体变异性、储存稳定性、免疫原性及符合药品生产质量管理规范（Good Manufacturing Practice, GMP）的规模化生产等挑战。

Signaling pathways associated with ECM-mediated pulp regeneration
ECM通过生物活性分子与细胞表面受体结合，激活多条信号通路形成复杂调控网络。TGF-β信号通路激活Smad2/3，上调肌腱蛋白C（tenascin-C, TNC）表达，后者通过Toll样受体4（Toll-like receptor 4, TLR-4）激活NF-κB通路，促进炎症因子释放并抑制成牙本质细胞分化；同时TNC结合Notch受体激活Notch信号通路，上调HES1和HEY1，促进DPSCs增殖分化及血管内皮生长因子A（VEGF-A）、血小板源性生长因子-BB（PDGF-BB）等分泌，并与Wnt通路协同促进牙本质矿化。整合素介导的下游通路中，精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（Arg-Gly-Asp, RGD）序列结合内皮细胞整合素激活FAK和丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase, MAPK）/ERK通路促进血管生成；TGF-β激活人牙髓成纤维细胞Smad2/3驱动COL I/COL III合成；胶原和纤维蛋白片段结合巨噬细胞β1整合素激活磷脂酰肌醇3-激酶（phosphoinositide 3-kinase, PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B, Akt）通路，诱导M1型向M2型巨噬细胞极化促进组织修复。这些通路通过广泛串扰协同调控牙髓再生。