Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

ПАРАТГОРМОН-РОДСТВЕННЫЙ ПРОТЕИН. 2-е издание переработанное и дополненное

Курзанов А. Н., Ледванов М. Ю., Быков И. М., Медведев В. Л., Стрыгина Е. А., Бизенкова М. Н., Заболотских Н. В., Ковалев Д. В., Стукова Н. Ю.,

11.2. Роль паратгормон-родственного протеина в прорезывании зубов

Развивающиеся зубы окружены костью и должны прорастать сквозь костные структуры челюсти чтобы появиться в полости рта. Прорезывание зубов представляет собой сложный и жестко регулируемый процесс развития, включающий в себя клетки зуба и окружающие костные альвеолы и требует пространственной координации активности разных клеток. Прорезывание зубов происходит в результате запрограммированной и локализованной экспрессии молекул, необходимых для резорбции и образования альвеолярных костей. Скоординированная навигация через альвеолярную кость и оральный эпителий регулируется генами как локализованное событие в зубном фолликуле в хронологически предопределенное время. Прорезывание зуба до его функционального положения включает дискретно локализованную, двусторонне-симметричную резорбцию кости, чтобы создать путь прорезывания и образование кости, чтобы заполнить пространство, ранее занимаемое коронкой и растущими корнями. Исследования поверхностей крипты во время прорезывания подтверждают эту поляризацию метаболизма альвеолярного отростка вокруг зуба в отношении как костных клеток, так и топографии минерализованной поверхности (Marks S.C. et al., 1995). Внутрикостная фаза прорезывания зуба считается главным образом процессом моделирования альвеолярных костей. Костное моделирование в процессе прорезывания зубов контролируется генетически, а не регулируется механическим перемещением зуба (Wise G.E., King G.J., 2008). Оригинальные исследования Кэхилла и Маркса (Cahill D.R., and Marks S.C.), продемонстрировавшие необходимость зубного фолликула для прорезывания зубов изменили существовавшие ранее представления об этом процессе (Cahill D.R., Marks S.C. et al., 1980; 1982; Marks S.C. et al., Cahill D.R., 1986; 1987). Показано, что зубной фолликул необходим для прорезывания зубов, поскольку он инициирует и регулирует необходимый остеокластогенез и остеогенез во время внутрикостной фазы прорезывания, ведущей к появлению зубов. Недавно выполненные генетические исследования на мышах (Takahashi A. et al. 2019) выдвигают на первый план несколько возможных механизмов недостаточности прорезывания зубов. Дефицит передачи сигналов ПТГрП-PTH1R может сделать зубной фолликул «нефункциональным», поддерживая классическую теорию Маркса и Кэхилла. Расширение корня также может вносить косвенный вклад путем механического предотвращения правильного прорезывания зубов. Полагают, что нарушения прорезывания зубов, наблюдаемые у человека из-за мутаций PTH1R, могут происходить через комбинацию этих механизмов.

Прорезывание зуба, связанное с зубным фолликулом зависит от окружающей среды, метаболических и клеточных событий вокруг него (Ericson S., Bjerklin K., 2001). Клетки зубного фолликула трансформируются в другие клетки, такие как цементобласты, остеобласты и клетки периодонтальной связки (Diekwisch T.G., 2001; Morsczeck C. et al., 2005). Зубной фолликул продуцирует большое количество ПТГрП, который является одной из молекул, имеющих решающее значение во внутрикостной фазе прорезывания зубов, где он действует в качестве сигнального фактора стимулирующего локальную резорбцию кости индуцируя спонтанное образование остеокластов через паракринный каскад на клетках зубного фолликула.

В ответ на ПТГрП клетки зубного фолликула выделяют растворимые факторы, способные индуцировать резорбцию кости (Weir E.C., 1996). В микроокружении зуба около 60 % поверхности альвеолярной кости над коронкой покрывается остеокластами при фактическом отсутствии остеобластов во время начала прорезывания, что позволяет сформировать путь прорезывания (Marks S.J. et al., 1983). После образования пути прорезывания остеобласты образуют костную ткань у основания зуба, что способствует его перемещению в полость рта (Cahill D.R., Marks S.C. et al., 1980). Таким образом, процесс прорезывания зуба представляет собой уникальный пример полностью разобщенного формирования и резорбции кости. В дополнение к этому, процесс прорезывания зубов может быть индуцирован и модулирован гормонами и факторами роста (Thesleff I., 1987; Klingelhoffer C. et al. 2016). Показано, что in vitro ПТГрП может усилить экспрессию гена фактора роста эндотелия сосудов в клетках зубных фолликулов (Yao S. et al., 2007). Выдвижение зуба из костных структур челюсти является локализованным событием, которое требует экспрессии определенных молекул, чтобы регулировать резорбцию кости. Остеокласты, резорбирующие альвеолярную кость, как установлено, образуются из мононуклеарных клеток в определенное время до прорезывания зуба (Marks S. et al., 1983; Wise G.E., Fan W., 1989). В начале прорезывания коронковая часть фолликула накапливает мононуклеарные клетки, которые имеют цитохимические и ультраструктурные особенности остеокластов, а апикальная часть фолликула, сайт интенсивной пролиферации клеток, связывает эпидермальный фактор роста (EGF). Зубной фолликул содержит различные белки, а концентрация несколько изменяется во время прорезывания. Среди них выделяются уменьшение металлопротеиназ матрикса и увеличение протогликанов по мере прорезывания(Marks S.C. et al., 1995). Количество остеокластов увеличивается на поверхности альвеолярной кости в результате слияния мононуклеарных клеток с образованием остеокластов (Marks S. et al., 1983; Wise G.E. et al., 1985). Остеокласты мигрируют в крипту зуба из сосудистого слоя, прилегающего к зубному фолликулу, который отделяет эпителий эмалиевого органа и звездчатый ретикулум от окружающей альвеолярной кости. Таким образом, остеокласты крипты зуба представляют собой отдельную популяцию, которая формируется независимо от остеокластов в другом месте костной ткани челюсти. Было показано, что ряд веществ регулирует активность остеокластов. Активаторы/стимуляторы многоядерных резорбирующих клеток включают ПТГ, ПТГрП, интерлейкины (IL-1, IL-6 и IL-11), тромбоцитарный фактор роста, 1,25 гидроксивитамин D3, глюкокортикоиды и вещество P, в то время как кальцитонин, эстроген, интерферон, IL-4, IL-8, IL-10, IL-18 и кортикостероиды участвуют в ингибировании клеток остеокластов/одонтокластов (Oursler M.J. et al., 1993; Shioni A. et al., 1991; Fuller K. et al., 1995; Udagawa N. et al., 1997). Остеокластогенез необходим для резорбции кости и может включать ингибирование транскрипции и синтеза остеопротегерина (OPG) в фолликуле, а также усиление рецепторного активатора NF каппа-B-лиганда (RANKL) в соседней альвеолярной кости и/или в фолликуле. ПТГрП может регулировать экспрессию RANKL в клетках зубных фолликулов. Остеобласты могут также влиять на процесс прорезывания, обеспечивая наиболее важную физиологическую роль, при образовании остеокластов посредством сигнализации через путь RANKL/OPG. ПТГрП влияет на баланс продукции OPG и RANKL цементобластами и этот эффект может оказывать значительное влияние на остеокластогенез, резорбцию корня и прорезывание зуба (Boabaid F. et al., 2004). Ингибирование молекул, которые способствуют остеокластогенезу, может препятствовать прорезыванию зуба. У нокаутных мышей, лишенных RANKL, зубы не прорезаются (Kong et al., 1999).

Zhang J. et al. (2019) исследовали влияние ПТГрП (1–34) на резорбцию кости и остеогенез клеток зубного фолликула in vitro и in vivo. Исследования in vitro показали, что ПТГрП (1–34) ингибировал остеогенез клеток зубного фолликула путем инактивации сигнального пути Wnt/?-catenin. ПТГрП (1–34), а также увеличивал экспрессию отношения RANKL/OPG в клетках зубного фолликула. Соответственно, исследование in vivo показало, что ПТГрП (1–34) ускоряет прорезывание зубов и ингибирует образование альвеолярного отростка. В исследовании, проведенном Han J-W. et al (2017), был изучен одонтогенный потенциал фрагмента ПТГрП (107–111) остеостатина в клетках зубной пульпы человека. Полученные результаты позволили констатировать, что остеостатин способствовал одонтогенной дифференцировке клеток пульпы зуба человека, о чем свидетельствуют образование минерализованных узелков, индукция активности щелочной фосфатазы и активация одонтогенных маркеров (дентин-сиалофосфопротеин, матриксный белок-дентина-1). Остеостатин увеличивал фосфорилирование внеклеточной сигнально-регулируемой киназы (ERK). Однако ингибитор ERK (U0126) нивелировал увеличение экспрессии и минерализации дентин сиалофосфопротеина и матриксного белка дентина-1, вызванных остеостатином. Комбинация минерального триоксидного агрегата и остеостатина в большей мере усиливала экспрессию генов, связанных с одонтогенной дифференцировкой, и минерализацию клубеньков кальция в клетках пульпы зуба человека по сравнению с одним минеральным триоксидным агрегатом. Данное исследование показало, что остеостатин может способствовать одонтогенной дифференцировке и минерализации путем активации сигнального пути ERK. Комбинация минерального триоксидного агрегата и остеостатина показала в клетках пульпы зуба человека синергетический эффект по сравнению с одним минеральным триоксидным агрегатом.

Гибридизация in situ интактной мышиной нижней челюсти показала, что звездчатый ретикулум и эпителий эмалиевого органа экспрессируют большое количество мРНК ПТГрП непосредственно перед прорезыванием зуба. Рецептор PTH1R был в основном обнаружен на окружающих поверхностях кости, но также присутствовал в зубном фолликуле. Это позволило рассматривать клетки зубного фолликула в качестве вероятных клеток-мишеней для действий ПТГрП, о чем свидетельствует экспрессия рецептора PTH1R в этих клетках. Рецептор полностью функционален, и его ответ на ПТГрП, эквивалентен реакции мезенхимальных клеток млекопитающих, известных как мишени для действия ПТГрП (Dunbar M.E. et al., 1998). Эти данные были подтверждены в исследовании in vitro, в котором мРНК ПТГрП была идентифицирована на высоких уровнях в культивируемых эпителиальных клетках звездчатого ретикулума и мезенхимальных клетках зубного фолликула (DF) с помощью анализа защиты РНКазы (Nakchbandi I.A. et al., 2000). При совместном культивировании эти клетки полностью способны поддерживать образование функциональных остеокластов в отсутствие добавленных предшественников остеокластов, остеобластов или витамина D. Нейтрализация эффектов ПТГрП привела к уменьшению числа образующихся остеокластов. Это доказывает, что полученный из звездчатого ретикулума ПТГрП стимулирует образование остеокластов. Авторы продемонстрировали, что клетки DF экспрессируют функциональные рецепторы PTH1R, и кондиционированные среды, собранные из обработанных ПТГрП клеток DF, способны индуцировать резорбцию костной ткани длинных костей плода крысы. Обработка ПТГрП также индуцировала увеличение экспрессии фактора дифференцировки остеокластов и сопутствующее снижение экспрессии фактора, ингибирующего остеокластогенез, в клетках DF. Добавление фактора, ингибирующего остеокластогенез, привело к уменьшению количества остеокластов, образующихся в сокультурах. Это позволило предположить, что образование остеокластов опосредовано фактором дифференцировки остеокластов. Таким образом, ПТГрП, по-видимому, регулирует образование остеокластов в DF механизмом, аналогичным процессу, опосредованному остеобластами в периферическом скелете [45]. (Nakchbandi I. A. et al. 2000).

Существуют убедительные доказательства роли ПТГрП в активации остеокластов, прилегающих к зубному зачатку (Liu J.G. et al., 2000;
Mekaapiruk K. et al., 2002; Kitahara Y. et al., 2002). Эта активация стимулирует остеорезорбцию, которыая необходима для прорезывания зубов. ПТГрП играет значительную роль в дифференцировке остеокластов и резорбции альвеолярной кости во время развития зубного зачатка и формироваии последующего пути прорезывания зуба (Wise G.E. et al., 2000; Yao S. et al., 2007; Ono W. et al., 2016; Klingelhoffer C. et al., 2016). Остеокласты должны резорбировать кость, лежащую над коронковой частью зуба, чтобы он мог выдвигаться в полость рта, а остеобласты должны образовать кость у основания зуба, чтобы выталкивать его вверх из крипты. ПТГрП продуцируется клетками звездчатого ретикулума, и способствует образованию остеокластов над криптой. В отсутствие ПТГрП эти остеокласты не появляются и выдвижение зубов не происходит (Boabaid F. et al., 2004). Локализованный в звездчатом ретикулуме зуба, ПТГрП может оказывать паракринное действие на клетки близлежащего зубного фолликула, чтобы инициировать выдвижение зуба. Паракринной сигнализации с участием ПТГрП и интерлейкина-1?, продуцируемого в звездчатом ретикулуме, принадлежит важная роль в регуляции выдвижения зуба (Wise G.E. et al., 2002).

Клетки зубного фолликула моляра крысы максимально экспрессируют гены моноцитарного хемотаксического белка-1 (MCP-1) моноцитов и колониестимулирующего фактора-1 (CSF-1) на 3-й день постнатального периода (Wise G.E. et al., 2000). Поскольку 3-й день также является временем максимального притока мононуклеарных клеток в фолликул, MCP-1 и CSF-1 могут участвовать в наборе/созревании этих клеток. Авторы исследовали роль ПТГрП в модулировании экспрессии генов в зубном фолликуле и присутствие в нем рецептора для ПТГрП. Генную экспрессию этого рецептора усиливали путем инкубации клеток с интерлейкином-1?. Посредством обратной транскрипционно-полимеразной цепной реакции было продемонстрировано, что ПТГрП усиливает экспрессию MCP-1 или CSF-1 клетками фолликула. Таким образом, одним из действий ПТГрП в прорезывании зуба может быть то, что он усиливает экспрессию и секрецию гена MCP-1 и CSF-1 в зубном фолликуле. Более того, IL-1 α может усиливать экспрессию PTH1R в клетках фолликула (Wise G.E. et al., 2000). В более поздней работе Yao S. et al. (2007) приведены результаты исследования хронологии экспрессии гена ПТГрП в звездчатом ретикулуме крысы и определение его влияния на экспрессию сосудистого эндотелиального фактора роста и костного морфогенетического белка (BMP-2) для остеокластогенеза и роста костей. Максимальный уровень экспрессии ПТГрП был выявлен на 7-й день послеродового периода. Поскольку вторичная активация остеокластогенеза, необходимая для прорезывания зуба, происходит около 10 дня, авторы полагают, что ПТГрП стимулирует этот остеокластогенез, влияя на экспрессию сосудистого эндотелиального фактора роста. Одновременно усиление продукции BMP-2 с помощью ПТГрП может стимулировать рост кости у основания костной крипты, чтобы способствовать выдвижению зуба. Ген раннего ответа Jun B рассматривается как ключевой посредник действий ПТГрП в цементобластах. Сверхэкспрессия Jun B в цементобластах имитировала действия ПТГрП для поддержки остеокластогенеза. Повышенная экспрессия Jun B способна имитировать действия ПТГрП за счет снижения дифференцировки и минерализации цементобластов и снижения уровней остеопротегерина в пределах увеличенной остеокластической дифференциации (Berry J.E. et al., 2006). Информация о транскрипционной регуляции функции цементобластов способствует лучшему пониманию их роли в прорезывании зуба и резорбции корня.

Без ПTГрП, костная ткань окружающая фолликул зуба не будет резорбироваться, и поэтому зуб не сможет расти (Yao S. et al., 2007). У мышей с блокадой секреции ПТГрП имело место нарушение прорезывания зубов в связи с формированием дефектного остеокластгенеза. Зубы, по-видимому, развиваются нормально, но попадают в ловушку окружающих костей и подвергаются их воздействию. Локализация мРНК ПТГрП при нормальном развитии зубов с помощью гибридизации in situ выявляет возрастающие уровни экспрессии в эпителии эмалевого органа до образования пути прорезывания зуба. Рецептор PTH1R экспрессируется как в соседней зубной мезенхиме, так и в альвеолярной кости. Замена экспрессии ПТГрП в эпителии эмалевого органа с помощью трансгенного кератина-14 корректирует дефект в резорбции кости и восстанавливает нормальную программу прорезывания зуба. Таким образом, ПТГрП представляет собой существенный сигнал в формировании пути прорезывания зуба (Philbrick W.M. et al., 1996). Этот вывод предполагает, что ПТГрП, секретируемый эпителиальным слоем, обычно нацелен на рецепторы в вышележащей кости, где он активирует резорбцию альвеолярной кости остеокластами, чтобы обеспечить прорезывание зуба.