牙齿的形成是由上皮与间充质细胞之间的相互作用决定的。通过研究胚胎牙上皮和间充质干细胞，科学家们已经实现了牙齿的功能性重建和再生，为原位全器官置换提供了可能。然而，随着人类牙齿的萌出，上皮干细胞数量逐渐减少，限制了其在牙齿修复中的应用，并妨碍了牙齿再生机制研究模型的发展。

为了克服这一困难，牙齿类器官以其与真实牙齿相似的结构和功能，成为了体外研究牙齿发育的重要模型。2023年的研究成功地利用人类诱导多能干细胞（hiPSC）构建了人类成釉细胞类器官，这一模型能够与牙间充质相互作用，促进牙釉质的钙化与矿化，展现了成牙分化的潜能。

小鼠牙上皮干细胞在整个生命过程中得以维持，而由于哺乳动物牙齿发育相关信号的相似性，这些干细胞已成为主要的研究模型。比利时科学家利用小鼠上皮干细胞开发了可长期培养的牙齿类器官，并验证了无血清培养体系的可行性。不同于hiPSC的类器官模型仅局限于上皮来源的成釉细胞，小鼠牙齿类器官涵盖了成釉细胞与成牙本质细胞的互动，有助于深入研究牙齿矿化及重建的分子基础。

2024年11月27日，四川大学的李中瀚教授课题组在期刊《Advanced Science》上发表了题为“A chemically defined culture for tooth reconstitution”的研究论文。他们在无血清化学培养基中重建了小鼠牙齿类器官，并发现牙齿重建并不意味着重置发育时钟。研究团队通过气-液界面同时刺激Activin A和SHH信号通路，进一步激发了早期体外类器官的发育潜力，并揭示了骨形态发生蛋白BMP在牙釉质形成中的重要作用。

研究人员从不同发育阶段的小鼠牙胚中分离原代上皮和间充质细胞，发现牙齿在无血清化学培养基中同样能够持续成长，显示出与FBS培养基相似的生长特性。移植获得的牙齿类器官至肾被膜下后，均能形成与PN7（胎儿第7天）M1臼齿相似的牙状体结构。定量分析表明，多个胚胎阶段的原代细胞在无血清化学培养基中能够重建牙状体，而这种能力在出生后会逐渐消失。

与臼齿相比，在相同培养系统中，切齿类器官中生成的牙齿数量更少，但生成的牙状体结构更大，且E185及更晚期来源的切齿牙胚缺乏进一步发育成切齿的能力，显示切齿在发育上比臼齿更快，并更早失去重建潜力。

在分析了E145牙齿类器官后，发现其发育标记如间充质祖细胞Msx1+Sox9+与天然M1臼齿相似。同时，原发釉结在培养的第4-10天内形成，但未检测到继发釉结，这可能与自组织牙胚的尺寸限制有关。继续培养至第24天，scRNA-seq数据分析揭示了多种阶段特异性牙齿标记物的时序性表达，多个不同阶段的牙齿类器官也可以继续发育并生成成熟的牙齿细胞。

研究人员还通过抑制关键信号通路发现牙齿类器官对其化学环境有响应。当抑制ALK5时，类器官中的牙齿形成明显减少；阻断Wnt信号则抑制牙齿生成并增加表皮化，而激活Wnt信号能够诱导多个牙本质-牙髓复合体和牙釉质样结构的形成。这些研究结果表明，化学定义的培养基中的牙齿类器官能够很好地模拟正常牙齿发育过程，并具备与正常牙齿相似的关键信号通路，因而可以作为发育及重建机制研究的模型。

在牙齿类器官模型的基础上，研究团队发现牙齿发育各阶段的标志物在各自阶段表达，并未在晚期阶段再次出现，说明牙齿重建并非通过重置发育时钟获得成功。尽管E125及以后的牙胚能在化学培养基及移植后形成牙齿结构，但早期牙胚诱导牙齿形成的能力有限。为了增强这一能力，研究人员探索了多个信号通路，包括Activin A、SHH和Wnt信号。发现联合刺激这三种信号能够显著提高牙齿生成数量，并且持续的共刺激有助于保持其发育潜力。

尽管在转移类器官至气-液界面后未能生成牙釉质，研究团队发现抑制BMP信号会显著减少牙釉质的生成，而BMP信号的激活则能促进牙釉质的产生。综上所述，本研究表明多个胚胎阶段的牙胚细胞能够在无血清化学培养基上生成牙齿类器官，并在移植后发育成臼齿或切齿样结构。该类器官模型具有与真实牙齿相似的发育特征和关键信号通路，为进一步研究牙齿重建机制提供了重要基础。未来的探索将有助于更深入了解牙齿重建机制，并推动人类牙齿临床替代的更多可能性。借助尊龙凯时的先进技术，研究人员期待在这一领域取得更加显著的突破。