釉质小管与梭形结构：进入和离开成釉细胞

《Calcified Tissue International》：Enamel Tubules and Spindles: Enter and Exit the Amelocyte

　　

摘要 根据命名法的普遍接受规则，形成硬组织并嵌入其分泌的细胞内外组织团块中的细胞称为“-cytes”：这些细胞所在的空间称为陷窝。因此，成骨细胞成为骨细胞位于骨细胞陷窝中，成软骨细胞成为软骨细胞，成牙骨质细胞成为牙骨质细胞，甚至在一些哺乳动物物种中成牙本质细胞成为牙本质细胞。本文提供证据表明，釉质梭形结构是成釉细胞的细胞体，它们被困并埋藏在由周围细胞产生的釉质基质中，从而形成成釉细胞陷窝：在坚硬、致密且无生命的组织中，细胞无法生存，因此研究人员认为成釉细胞一旦走上这条路径就不再存活。梭形结构通常仅在釉牙本质界（EDJ）处发现，当交界处的釉质无釉柱（即成釉细胞无托姆斯突）时，梭形结构缺失。梭形结构含有有机成分，即可被染色的成釉细胞残余，并可用漂白剂去除，之后梭形空间不再着色。梭形结构是釉质小管的延伸，由细小的成釉细胞突（从主要的托姆斯突延伸而来）与成牙本质细胞突连接形成。在有袋类哺乳动物中，釉质小管的梭形末端通常位于釉质深处。在人类乳牙的新生线处，在严重新生儿应激情况下，梭形结构/成釉细胞可能形成，这些特征仅代表濒死成釉细胞的包裹。当邻牙形成根的生长发育压力严重使牙胚变形时，釉牙本质界处梭形结构的频率更高。

一、 研究背景、问题与动机

牙釉质是人体最坚硬的组织，其复杂的微结构是牙齿行使功能的基础。长期以来，牙釉质中的两种结构——釉质小管和梭形结构——的起源在学术上存在普遍共识，即它们被认为是成牙本质细胞突进入釉质所致，梭形结构则是该细胞突在釉质内的膨大。这一观点在经典口腔组织学教材中广为流传。然而，这种传统解释在逻辑和形态学上存在疑点，例如梭形结构的尺寸、位置及其在特定病理或解剖条件下的出现频率，无法完全用成牙本质细胞突来解释。为了挑战这一经典范式，澄清釉质小管与梭形结构的真正细胞起源，研究人员开展了本研究。这项研究对于理解牙釉质发育生物学、牙体硬组织病理学以及古生物样本中潜在遗传信息的保存均具有重要意义。本论文发表于《Calcified Tissue International》期刊。

二、 主要研究方法简述

本研究采用了多种显微成像与分析技术。样本来源广泛，包括有袋类动物（如袋貂、袋熊、袋鼠等的成熟及发育中牙齿）和人类牙齿（包括来自低出生体重儿童及严重营养不良个体的乳牙、各类恒牙）。关键方法包括：1. 扫描电子显微镜（SEM）分析，用于观察釉质小管、梭形结构的形态、位置及其与釉柱的关系，并制备甲基丙烯酸甲酯（PMMA）树脂铸型来显示其三维结构。2. 光学显微镜（LM）技术，对牙齿磨片进行透射光、偏振光、反射式共聚焦扫描显微镜（TSM）观察，获取釉牙本质界（EDJ）的结构信息。3. 高分辨率成像技术，如背散射电子扫描电镜（BSE-SEM）用于观察抛光块面的矿物密度差异，以及透射电子显微镜（TEM）用于研究发育中牙齿的超微结构。4. 特殊处理技术，如空气喷磨（AirPolishing）去除牙本质以暴露EDJ釉质侧，以及酸蚀、漂白处理以分析梭形结构的有机成分。

三、 研究结果

1. 釉质小管与梭形结构的连续性

通过LM和SEM观察发现，釉质小管和梭形结构与牙本质小管在釉牙本质界（EDJ）处是连续的。梭形结构是釉质小管的膨大部分。这一点在有袋类动物釉质中尤为明显，其釉质小管的球状或梭状末端常位于釉质内部，远离EDJ（如^图1b所示）。梭形结构的走向垂直于发育中的釉质表面，即垂直于成釉细胞的排列方向，而非完全平行于釉柱。在有袋类动物中，釉质小管的开口位于发育釉质表面的托姆斯突凹坑内，即位于釉柱体内，而非釉柱间位置。

2. 人类釉质中的小管与梭形结构

研究证实，短小的釉质小管在人类牙齿中也很常见。通过空气喷磨等技术暴露EDJ釉质侧，可观察到比传统方法更丰富的、被识别为小管和梭形的特征。在抛光块面的BSE-SEM图像中，釉质内可见从圆形到细长椭圆形的深色轮廓，其尺寸与同一标本中确认为牙本质小管的特征相同。更大的深色空间被认为是梭形结构，其直径可达釉柱大小，与成釉细胞尺寸相当。

3. 梭形结构的物理与化学特性

梭形结构是釉质中相对较大的空隙，可被水、染料、溶剂和PMMA单体渗透。经吉姆萨（Giemsa）染色后，梭形结构可被着色，而用次氯酸钠漂白处理后可移除着色物质，且漂白后无法再次被染色，证明其内部存在可被移除的有机残留物。高压汞孔隙度测定显示，汞可渗入并保留在釉质的空隙中，包括梭形结构。

4. 病理与异常条件下的梭形结构形成

在低出生体重和严重新生儿营养不良的乳牙样本中，研究人员在新生线（neonatal line）水平发现了类似梭形的结构。这些特征垂直于新生线排列，类似于梭形结构。在成釉细胞缺失托姆斯突的非釉柱型釉质区域，也未发现釉质梭形结构，表明“无托姆斯突则无梭形结构”。此外，在因邻牙牙根生长压力而严重变形的牙胚中，受压对侧（如远中面）釉质内的梭形结构数量显著增加。

四、 讨论与结论

讨论总结： 本研究系统批驳了“梭形结构起源于成牙本质细胞突”的传统观点。研究人员提出了新的假说：釉质梭形结构是被困并包裹在釉质基质中的、死亡（或濒死）成釉细胞的细胞体所遗留的空间，即它们是“成釉细胞陷窝（amelocytic lacunae）”。支持这一观点的证据包括：梭形结构的尺寸、长度和方向与成釉细胞一致；在无托姆斯突（即无成釉细胞分泌极）的区域无梭形结构形成；在有袋类动物中，釉质小管末端的球状膨大在形态和位置上类似人类梭形结构，但远离牙本质；在严重新生儿应激导致的釉质发育不全中，可在釉质内部（新生线处）发现梭形结构，而这些结构与牙本质小管无连通；在EDJ形状异常或牙胚受挤压的区域，梭形结构频率增加，提示局部应力可能导致成釉细胞死亡和包裹。釉质小管则被认为是成釉细胞细长突（来源于托姆斯突）与成牙本质细胞突末端在发育早期连接后所留下的通道，两者在EDJ处连通。成釉细胞死亡的确切机制（是否为细胞凋亡）尚不明确。尽管梭形结构内细胞残余物极少，但其存在为从化石釉质中提取古DNA等分子信息提供了潜在可能性。

研究结论翻译： 研究人员得出结论，釉质梭形结构是成釉细胞（可称为成釉细胞）死亡后形成的空间，而非传统认为的成牙本质细胞突膨大。同时，研究也对釉质小管完全起源于成牙本质细胞突的传统概念提出了挑战，认为其形成涉及成釉细胞突与成牙本质细胞突在发育早期的连接。