К ростовым факторам относятся пептиды, которые передают сигналы между клетками, функционируют как стимуляторы и/или ингибиторы роста, дифференцировки и выживания клеток при повреждении [12][13]. Они демонстрируют высокую рецепторную специфичность, могут действовать на конкретные типы клеток, либо проявлять универсальные эффекты на разные мишени [14]. Характерная особенность этих молекул – высокая активность при очень низких концентрациях, обычно оцениваемых в диапазоне пикограмм. В сложной системе регуляции ростовые факторы функционируют в трехмерном пространстве интерстиция, действуя по эндокринному, аутокринному и паракринному механизмам [15][16]. Конечной целью этого влияния является трансдукция сигнала в клеточное ядро и модификация экспрессии генов, контролирующих пролиферацию, дифференцировку или секреторную активность. Центральным адаптером этих эффектов является мобилизация каскадов фосфоинозитид 3-киназы/протеин киназы B (PI3K/Akt) и протеинкиназы mTOR [17][18].

Включение ростовых молекул в морфогенез и регенерацию зуба показано во многих исследованиях [4][10][16–19]. В период развития эту сигнализацию опосредуют элементы эпителио-мезенхимального зачатка. Ростовые факторы диффундируют через все пространство эмалевого органа и мезенхимального сосочка, контролируют закладку зубов, дифференцировку микрососудов, одонто- и амелобластов, а затем отвечают за секрецию дентина и эмали соответственно [20]. Основным регулятором этих процессов является трансформирующий фактор роста-β (TGF-β), согласующий пространственное положение одонтобластов и канальцевой системы в пределах дентино-эмалевой границы [21]. Потеря передачи сигналов TGF-β в одонтобластах и мезенхиме, продуцирующей костную ткань, ведет к нарушению роста корня зуба, а также снижает плотность дентинного матрикса и задерживает прорезывания моляра [22]. TGF-β2 функционирует в тандеме с сосудистым эндотелиальным фактором роста (VEGF) и целым семейством костных морфогенетических белков (BMP), которые синхронизируют закладку зубов с остеогенезом в альвеолярных отростках. BMP-2, -3, -4 и -7 активно вовлекаются в инициацию развития корня зуба [6]. Размер корня и зуба в целом регулирует Smad4 – центральный медиатор канонического пути передачи сигналов BMP/TGF-β. Инактивация Smad4 нарушает эпителио-мезенхимальное взаимодействие. В этом случае происходит укорочение корней на фоне дефектов в дифференцировке одонтобластов и дентиногенезе [23]. Хотя большинство лигандов BMP обнаруживается в дентальной мезенхиме, передача их сигналов через систему Smad4 является необходимым условием на уровне эпителиального корневого влагалища Гертвига, и именно эта система коммуникаций контролирует дифференцировку одонтобластов и развитие корня зуба [24].

В зрелом зубе возникают сходные процессы сигнализации, обеспечивающие дифференцировку новых поколений одонтобластов в процессах посттравматической регенерации. Таким образом, матрикс дентина содержит «коктейль» из биоактивных молекул с обширным спектром межклеточного взаимодействия. Их главным источником здесь выступают одонтобласты. У человека они экспрессируют все три изоформы TGF (TGF-1, -2 и -3), но только TGF-β1 специфически взаимодействует с протеогликанами дентина – декорином и бигликаном [13]. Эти молекулярные ассоциации пролонгируют биологическую активность TGF, существенно снижая его инактивацию в межклеточном пространстве.

Активность ростовых молекул в матриксе дентина дополняет их влияние на состояние клеток пульпы зуба, которые синтезируют в основном VEGF, фактор роста фибробластов и TGF-β. Их экспрессию потенцируют воспалительные цитокины и бактериальные экзотоксины [18]. Репаративные процессы в пульпе – это результат суммарной активности факторов роста всех тканевых компонентов зуба.

Трофические и ростовые факторы всегда высвобождаются из ткани дентина и пульпы при травме альвеолярной кости, повреждении зуба, а также при клинических вмешательствах и восстановительных процедурах (рис. 2).

Обычно триггером процесса выступает деминерализация межклеточного вещества под действием матриксных металлопротеиназ или кислых бактериальных метаболитов [25]. При этом активность связанных с протеогликанами изоформ суммируется с эффектом их клеточных и матриксных фракций. В модельных экспериментах показана экскреция факторов роста в присутствии фармакологических агентов на основе этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА). Эта возможность не исключена и при использовании адгезивных сред и остеопластических биоматериалов [26]. Например, раствор гидроксид кальция Ca(OH)2, широко применяемый в эндодонтии, дает резкую щелочную реакцию, но при этом оказывает слабое солюбилизирующее действие на дентин и стимулирует высвобождение TGF-1 [27]. Последний индуцирует дентиногенез после обтурации корневых каналов. Этот факт позволяет объяснить терапевтические эффекты Ca(OH)2 не только изменением физико-химического состояния пульпы, но также его прямым влиянием на дифференцировку камбиальных клеток через выработку ростовых молекул [28]. Стимулирующее влияние на экспрессию ростовых молекул отмечается при экзогенном подведении соединений Ca2+ в участки репарации поврежденной костной ткани [29][30].

Исследования состояния факторов роста in vivo и при аппликации в культуре пульпарных клеток демонстрируют прямое вовлечение TGF-β1 и BMP-7 в индукцию одонтобластов [9][31][32]. Репаративный дентиногенез стартует с отбора стволовых клеток дентальной пульпы для последующей дифференцировки нового поколения одонтобластов. При этом факторы роста семейства TGF-β оказывают хемотаксическое аттрактивное действие на миграцию камбиальных адвентициальных клеток или мезенхимальных стромальных клеток в очаг повреждения [33]. Пути их дальнейшей специализации в одонтобластоподобные клетки зависят от позиционной информации, специфика которой определяется выработкой конкретной формы ростовых молекул. Аппликация TGF, BMP и инсулиноподобного фактора роста (IGF) в культуре стволовых клеток пульпы обращает их дифференцировку в направлении одонтобластов [16][20]. Однако для поддержания этого процесса в мезенхиме зубного сосочка достаточно присутствие только TGF [17].

У крыс подведение ростовых факторов непосредственно в пульпу зуба стимулирует репаративные ответы, однако восстановление дентинового матрикса здесь происходит по атубулярному или остеодентинному типу [9]. Аналогичные вариации структуры дентина встречаются и при физиологической регенерации [2][4]. Можно полагать, что пути дифференцировки одонтобластов зависят от фенотипа клеток-предшественников и регулируются определенным сигнальным каскадом под управлением специфического типа ростовых молекул. К другим регуляторным факторам репаративного дентиногенеза относятся бактериальная экспансия и медиаторы воспаления. По этой причине в экспериментах после имплантации часто отсутствует экспрессия BMP-7 в участках репаративного дентина [34].

Анализ механизмов репарации дентина показывает некоторое сходство с процессами межклеточной сигнализации при гистогенезе зуба. Разница заключается лишь в том, что в первом случае ростовой фактор секретируют одонтобласты, а в период развития факторы поступают из эпителиоцитов эмалевого органа [10][29][35]. В любом случае стимуляция секреторной активности одонтобластов – важное звено в осаждении репаративного матрикса дентина. Это событие также характерно для реакционного дентиногенеза, где выработка TGF и BMP является ключевым событием в усилении секреторной активности одонтобластов [20][34]. Есть основания полагать, что эта регуляция определяет динамику дентиногенеза, обеспечивая пропорциональное развитие коронки и корня соответствующих размеров и формы. Так, по завершении формирования корня всегда наблюдается резкое снижение деятельности одонтобластов и переход их в состояние физиологического покоя. Не ясно, что регулирует этот резкий переход в секреции дентина. Ростовые молекулы являются естественным кандидатом на роль главного регулятора жизненного цикла одонтобласта, который формируется по аутокринному механизму [16][17].

Факторы роста играют решающую роль в реорганизации клеток при репарации периодонта. Этот процесс поддерживают мезенхимальные стволовые клетки периодонтальной связки или периваскулярной области кости. Они пролиферируют и колонизируют поверхность корня зуба. Активированные тромбоциты и клетки, прилегающие к поврежденному участку периодонта, вырабатывают инсулиноподобный фактор роста-1, тромбоцитарный фактор роста (PDGF), эпидермальные факторы роста (EGF) и TGF в течение нескольких часов после травмы. В дальнейшем они стимулируют коллагеногенез в фибробластах периодонта, усиливая каркасное натяжение матрикса цемента и поддерживающей альвеолярной кости [16].

Таким образом, секреция ростовых молекул в дентине и выработка этих факторов в пульпарных и провоспалительных клетках имеет радикальное значение для разработки методов клинического контроля репаративных процессов в тканях поврежденного зуба и зубодесневого соединения.

Хотя зубы могут выдерживать значительные механические нагрузки, они неизменно повреждаются при травме, воздействии кислот и бактерий. Традиционное лечение кариеса основано на использовании синтетических материалов для заполнения дефектов и замены целых зубов, однако они не в состоянии восстановить структуру и функцию тканей. Понимание сигнальных механизмов развития и функционирования ДПК позволяет совместить эти подходы с применением стволовых клеток [35]. Использование ростовых факторов для индукции репаративного дентиногенеза открывает перспективу новых терапевтических подходов в восстановительной стоматологии и ортодонтии.

В регенерации отдельных компонентов зуба используется классическая триада тканевой инженерии: мезенхимальные стволовые клетки, каркасные материалы, молекулярные факторы роста и дифференцировки [11]. В большинстве этих исследований применяются композиционные материалы-носители (скаффолды), которые колонизируются прогениторными клетками и затем имплантируются в альвеолярную кость экспериментальных животных [9][28][36]. Развитие зуба можно стимулировать без использования искусственных каркасов на основе действия морфогенетических молекул. Их аппликация вряд ли позволит «выращивать» зубы in situ, однако предоставляет эффективный клинический инструмент для стимуляции дентиногенеза, особенно при лечении пульпита и пульпотомии. Так, при лечении кариеса источником факторов роста является остаточный дентин, что в сочетании с применением гидроксида кальция может оптимизировать естественные восстановительные процессы пульпы зуба [37]. Хотя в настоящее время отсутствуют препараты морфогенетических факторов, пригодные для этих целей, их разработка представляет важный аспект трансляционных исследований.

Стимуляция физиологического восстановления структуры дентина может найти применение в восстановлении поражений коронки, а воздействие на его матрикс может представлять альтернативный способ в терапии корневых каналов, где требуется восстановление непроницаемого тканевого барьера. Очевидное преимущество этих репаративных технологий можно реализовать с помощью инъекции факторов роста или разработки специальной пасты, содержащей смесь морфогенетических молекул [26][27]. Некоторые существующие материалы, например гидроксид кальция и минеральный триоксидный агрегат, могут стимулировать репаративный дентиногенез и формирование дентинного «мостика» [38].

Остеогенерирующие свойства ростовых молекул могут быть востребованы в дентальной имплантологии, особенно при остеопорозе и рецессии кости альвеолярного отростка. Представляют несомненный интерес технологии имплантации в сочетании с экзогенным подведением BMP и TGF [13][29]. В других случаях применяется аппликация свободного десневого трансплантата, который может быть источником морфогенетических и ростовых факторов [39]. Эти комбинации позволяют значительно стимулировать неоостеогенез и дают полезный инструмент в остеоинтеграции имплантата [19].

Трофические и ростовые молекулы (BMP, VEGF, TGF-β, FGF, IGF, PDGF) – эндогенные пептиды, формирующие паракринные сигнальные взаимосвязи между клетками дентино-пульпарного комплекса (ДПК) и зубодесневого соединения. Они регулируют развитие тканей зуба и альвеолярного отростка в онтогенезе, контролируют пролиферацию и дифференцировку стволовых клеток, иммуноцитов, и провоспалительных клеток на всех этапах репарации. Морфогенетические молекулы влияют на состояние остеогенного пула, повышают синтез коллагена и остеокальцина, ускоряют минерализацию внеклеточного матрикса, а также оказывают остеоиндуктивные эффекты при интеграции дентальных имплантатов. Стратегии тканевой инженерии, использующих сигнальные свойства факторов роста, имеют значительный клинический потенциал для разработки индуктивных и кондуктивных систем управляемой регенерации костной ткани при аугментации альвеолярного отростка и для восстановления ДПК при травме и воспалении.

Конфликт интересов: авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования: авторы заявляют о финансировании проведенного исследования из собственных средств.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования – ССЕ, СГК, НЮМ

Сбор и обработка материала – ССЕ, СГК, НЮМ, ИВК

Написание текста – ССЕ, СГК, НЮМ

Редактирование – СГК, НЮМ, ИВК