Kehitysbiologian läpimurtoja hammaslääketieteessä

Hampaiden kehityksen geenisäätely

Geeneihin on koodattuna alkion kehityksen koko ohjelma, ja geenit säätelevät kaikkia solujen toimintoja, kuten solujen jakaantumista, erilaistumista, liikkumista, ja myös niiden kuolemaa. Koska geenit kahdentuvat solujen jakautumisen aikana, kaikissa soluissa on samat geenit. Solujen erilaisuus johtuu siitä, että niissä luetaan eli ilmennetään eri geenejä. Esimerkiksi hampaan kiillettä tuottavissa ameloblasteissa ilmennetään kiilleproteiineja koodaavia geenejä, kuten amelogeniiniä. Muut solut eivät koskaan käytä näitä geenejä, vaikka ne niiden tumassa ovatkin.

Kehitysbiologinen tutkimus pyrkii selvittämään, miten soluista tulee erilaisia, millaiset geenit säätelevät eri kudosten ja elinten kehitystä ja miten geenien luentaa eli ilmenemistä säädellään «Sariola H, Frilander M, Heino T, Jernvall J, Partanen J, Sainio K, Salminen M, Thesleff I (toim.). Solusta yksilöksi. Kehitysbiologia. Duodecim. Helsinki 2003; 311. »1.

Hampaiden kehityksen tutkimus geenitasolla alkoi 1980- ja 1990-lukujen vaihteessa, kun oli tullut mahdolliseksi kartoittaa geenien ilmenemistä kehittyvissä kudoksissa. Ns. in situ -hybridisaatiomenetelmällä voitiin paikantaa hammasaiheista lähetti-RNA, joka osoittaa geenien aktiivisuuden solutasolla. Tutkimusryhmämme sovelsi tätä menetelmää ensimmäisten joukossa ja onnistuimme paikantamaan ensimmäisen hampaan initiaatiolle tärkeän viestin suun epiteelistä kohdasta, josta hampaan kehitys alkaa «Vainio S, Karavanova I, Jowett A, Thesleff I. Identification of BMP-4 as signal mediating secondary induction between epithelial and mesenchymal tissues during early tooth development. Cell 1993; 75: »2. Tämä viestimolekyyli oli BMP4 (bone morphogenetic protein), joka oli alun perin löydetty luusolujen erilaistumista edistävänä proteiinina jo 1960-luvulla.

Viestimolekyylejä voitiin valmistaa geeniteknologisin menetelmin ns. rekombinanttiproteiineina, ja käytimme niitä kokeissa, joissa kasvatimme kehittyviä hampaita elinviljelmissä. Osoitimme, että BMP4-proteiini indusoi mesenkyymissä Msx1-transkriptiotekijän, joka myöhemmin osoitettiin välttämättömäksi geeniksi niin hiiren kuin ihmisenkin hampaan kehitykselle «»1. Se, että solujen välinen viestintä säätelee hampaan kehitystä, oli tiedetty jo kauan ennen geeniteknologian vallankumousta. Kokeellisten embryologien jo 1950-luvulla aloittamat tutkimukset osoittivat, että hampaan kehitystä säätelevät vuorovaikutukset suun ektodermistä peräisin olevan hammas-epiteelin ja sen alaisen strooman eli mesenkyymin välillä. Tutkimusryhmämme oli identifioinut ensimmäisen signaalin, joka välittää epiteelin ja mesenkyymin kommunikaatiota.

Monet laboratoriot paikansivat in situ -hybridisaatiolla 1990-luvun alusta lähtien lukuisia hampaan kehitykselle tärkeitä geenejä. Valtaosa näistä oli viestintää välittäviä signaaleja, niiden reseptoreita sekä transkriptiotekijöitä, joita signaalit säätelevät kohdesoluissa. Pekka Nieminen ryhmässämme aloitti hampaan kehitykseen liittyvien geenien keräämisen tietopankkiin, jota hän edelleen ylläpitää ja päivittää Internetissä (www.bite-it.helsinki.fi). Tietokannassa on tällä hetkellä kerättynä yli 300 geenin ilmenemiskuviot, ja se on osoittautunut arvokkaaksi ja suosituksi tietolähteeksi hammastutkijoille ympäri maailmaa.

Tärkeä johtopäätös hampaiden kehityksen geenisäätelyä valottaneista tutkimuksista on se, että samoja viestimolekyylejä käytetään kaikissa tärkeissä hampaan kehityksen vaiheissa. BMP4 on siitä hyvä esimerkki, sillä sen lisäksi, että se käynnistää epiteelistä käsin hampaan kehityksen, mesenkyymin tuottama BMP4 indusoi silmuvaiheessa kiillekyhmyn syntymisen epiteeliin «Jernvall J, Åberg T, Kettunen P, Keränen S, Thesleff I. The life history of an embryonic signaling center: BMP-4 induces p21 and is associated with apoptosis in the mouse tooth enamel knot. Developmen»3, «Bei M, Kratochwil K, Maas L. BMP4 rescues a non-cell-autonomous function of Msx1 in tooth development. Development 2000; 127, 4711-4718. »4. Ja kun epiteelisolut erilaistuvat kellovaiheessa tuottamaan kiillettä, odontoblastien erittämä BMP4 käynnistää ameloblastien erilaistumisen «»1 «Wang X-P, Suomalainen M, Jorgez CJ, Matzuk MM,Werner S, Thesleff I. Follistatin regulates enamel patterning in mouse incisors by asymmetrically inhibiting BMP signaling and ameloblast differentiation.»5. BMPt indusoivat myös hammasluuta muodostavien odontoblastien, sementtiä tuottavien sementoblastien ja luun osteoblastien erilaistumisen.

Kehitystä säätelevä geenien työkalupakki on kaikille eläimille yhteinen

Hampaan kehityksen tutkijat saivat elää jännittäviä ja antoisia aikoja, kun he yhdessä muiden kehitysbiologien kanssa rakensivat uudenlaista kokonaiskuvaa kehityksen säätelystä. Alettiin nimittäin oivaltaa, että kehityksen geenisäätely on hämmästyttävässä määrin konservoitunut. Kehittyvistä hampaista löytyi 1990-luvun ensimmäisellä puoliskolla kaikkien tärkeimpien kehitystä säätelevien viestiperheiden jäseniä. Tärkeimmät perheet ovat BMPn lisäksi FGF (fibroblastikasvutekijä), Hedgehog ja Wnt «»2. Samana aikana selvisi lukuisten kehitysbiologian laboratorioiden työn tuloksena, että samat viestit ilmentyivät myös monissa muissa elimissä.

Osoittautui, että samat geenit säätelevät kehitystä paitsi eri elimissä myös kaikissa tutkituissa eläinlajeissa, ja ne ovat siis olleet käytössä evoluution aikana jo satoja miljoonia vuosia. Esimerkiksi ihmisen ja banaanikärpäsen kehitysgeenit ovat pääpiirteissään samoja. Vaikka kärpäsellä ja madoilla ei ole hampaita, suurin osa geeneistä, jotka tarvitaan hampaiden kehitykseen, on myös välttämättömiä kärpäsen ja madon kehitykselle. Mainio esimerkki on yllä mainittu BMP4, joka on yksi tärkeimmistä kärpäsen siiven kehitystä ohjaavista molekyyleistä.

Nyt tiedetään, että kehitysgeenit muodostavat eräänlaisen työkalupakin. Sitä käytetään kehityksen säätelyyn kaikissa eri kudoksissa ja elimissä ja sen tärkein käyttötarkoitus on solujen kommunikaation välittäminen. Pakkiin kuuluu suuri määrä viestimolekyylejä, joita solut lähettävät toisilleen, sekä reseptoreita, joilla viestit vastaanotetaan. Lisäksi pakissa on molekyylejä, jotka kuljettavat viestin solun pinnalta tumaan, ja transkriptiotekijöitä, jotka ohjaavat tumassa geenien ilmenemistä «Sariola H, Frilander M, Heino T, Jernvall J, Partanen J, Sainio K, Salminen M, Thesleff I (toim.). Solusta yksilöksi. Kehitysbiologia. Duodecim. Helsinki 2003; 311. »1.

On merkillepantavaa, että kiilleproteiinien lisäksi ei ole toistaiseksi löytynyt ainuttakaan geeniä, joka olisi spesifinen hampaille. Pääsääntöisesti siis hampaan kehitystä säätelevät samat geenit kuin muitakin kudoksia ja elimiä. Tämä on kliinisesti tärkeää hampaiden kehityshäiriöiden kannalta siksi, että niiden taustalla olevien geenivirheiden voi odottaa häiritsevän muidenkin rakenteiden kehitystä.

Geenimuokatut hiiret

Kehitystä säätelevien mekanismien ja geenien säilyminen läpi eläinkunnan tarkoittaa myös sitä, että tutkimukseen voi käyttää eri koe-eläimiä sen mukaan, mikä kuhunkin tarkoitukseen parhaiten soveltuu. Hampaan kehityksen tutkimiseen on yleisimmin käytetty hiiriä. Niillä on varsin samankaltaiset hampaat kuin ihmisillä, ja niiden suuri etu on mahdollisuus geenien muokkaukseen.

Poistogeenisten hiirten käyttö yleistyi 1990-luvun puolivälissä. Vuonna 1994 raportoitiin ensimmäiset poistogeeniset hiiret, joiden hampaiden kehitys oli estynyt. Msx1-geenin toiminnan esto pysäytti kaikkien hampaiden kehityksen silmuvaiheeseen, ja poistogeenisellä hiirellä oli lisäksi suulakihalkio «Satokata I, Maas R. Msx1 deficient mice exhibit cleft palate and abnormalities of craniofacial and tooth development. Nat Genet 1994; 6, 348-356. »6. Myös Lef1-poistogeenisen hiiren hampaat pysähtyivät samaan vaiheeseen «van Genderen C, Okamura RM, Farinas I, Quo RG, Parslow TG, Bruhn L, Grosschedl R. Development of several organs that require inductive epithelial-mesenchymal interactions is impaired in LEF-1-deficien»7. Nämä hiiret olivat myös suora osoitus viestipolkujen merkityksestä hampaan muodostumiselle, sillä Msx1 osallistuu BMP-viestin välitykseen, ja Lef1 välittää Wnt-viestin tumassa. Myöhemmin todistettiin niin ikään poistogeenisten hiirten avulla sekä FGF- että Hedgehog-signaalireittien välttämättömyys hampaan kehitykselle «Celli G, Larochelle WJ, Mackem S, Sharp R, Merlino G. Soluble dominant-negative receptor uncovers essential roles for fibroblast growth factors in multi-organ induction and patterning. Embo Journal 19»8, «Hardcastle Z, Mo R, Hui CC, Sharpe PT. The shh signaling pathway in tooth development - defects in gli2 and gli3 mutants. Development 1998; 125, 2803-2811. »9. Tähän mennessä on raportoitu toistakymmentä poistogeenistä hiirilinjaa, joilta puuttuu hampaita; yleensä puuttuvat kaikki hampaat «»2. Kaikissa tapauksissa geenit ovat viestiverkostojen komponentteja.

Transgeenisiä hiiriä käytetään hampaan kehityksen tutkimuksessa nykyisin rutiinisti, ja hiirten geenimuokkauksen teknologia kehittyy kovaa vauhtia. Nykyisin voidaan sofistikoiduilla menetelmillä esimerkiksi sammuttaa geenin toiminta haluttuna aikana tai vain tietyssä kudoksessa. Tämä on mainio menetelmä erityisesti silloin, kun tutkittava geeni on välttämätön jo alkion varhaiskehitykselle, ja poistogeenisen hiiren poikaset kuolevat ennen kuin hampaat alkavat kehittyä.

Ensimmäinen tutkimus, jossa kudosspesifiä geenin toiminnan sammutusta käytettiin hampaan kehityksen tutkimiseen, raportoitiin vuonna 2002 «Dassule HR, Lewis P, Bei M, Maas R, McMahon AP. Sonic hedgehog regulates growth and morphogenesis of the tooth. Development 2000; 127, 4775-4785. »10. Kohteena oli Sonic hedgehog (Shh), joka on yksi tärkeistä alkion kehitystä säätelevistä signaalimolekyyleistä. Poistogeeniset hiiret kuolevat varhain, mutta kun geenin toiminta inaktivoitiin vain alkion ihossa, jolloin se ei toiminut myöskään hampaissa, hiiret pärjäsivät syntymään saakka. Selvisi, että Shh tarvitaan hampaan kruunun muotoutumiseen ja erityisesti solujen jakaantumiseen.

Viestikeskukset

Käänteentekevän löydön hampaan geenisäätelyn ymmärtämisen kannalta teki Jukka Jernvall laboratoriossamme vuonna 1994. Hän huomasi, että kehittyvissä hampaissa on viestikeskus lakkivaiheisen hampaan keskellä ns. kiillekyhmyssä (enamel knot). Kellovaiheessa löytyi samankaltaisia viestikeskuksia muodostuvien kuspien kohdalta, ja ne nimettiin sekundaarisiksi kiillekyhmyiksi «»1, «»2, «»3 «Jernvall, J, Kettunen P, Karavanova I, Martin LB, Thesleff I. Evidence for the role of the enamel knot as a control center in mammalian tooth cusp formation: non-dividing cells express growth stimulat»11. Kiillekyhmyistä on vuosien mittaan löytynyt toistakymmentä eri signaalia, jotka kaikki kuuluvat edellä mainittuihin neljään viestiperheeseen. Kiillekyhmyjen lisäksi löytyi myöhemmin vielä varhaisempi viestikeskus ns. hammasplakodista hampaan kehityksen initiaatiovaiheessa «»1.

Kaikki viestikeskukset ovat epiteelisolujen rykelmiä, jotka tuottavat useita signaaleja yhtä aikaa. Ne ilmestyvät epiteeliin juuri ennen kriittisiä kehitysvaiheita, ensin hampaiden initiaatiovaiheessa, seuraavaksi kruunun kehityksen alkaessa ja lopuksi yksittäisten kuspien syntyvaiheessa «»1, «»2, «»3. Initiaation aikana plakodit tunkeutuvat signaloinnin seurauksena mesenkyymiin ja muodostavat hammassilmun. Ensimmäisten kiillekyhmyjen signaalit ovat välttämättömiä silmun muovautumiselle lakiksi, jolloin hampaan kruunun koko ja muoto määräytyvät. Nämä viestit määräävät myös paikat sekundaarisille kiillekyhmyille, jotka puolestaan säätelevät kuspien kehitystä.

Kiillekyhmyjen keskeinen merkitys hampaiden muodon kehitykselle on varmistunut sellaisten transgeenisten hiirten avulla, joiden viestimolekyylien tai niiden inhibiittorien geenejä on muokattu. BMP:n antagonistin, ektodiinin, sammuttaminen aiheutti poskihampaiden fuusion ja niiden kuspirakenteen rajun muutoksen, joka sai hiiren poskihampaat muistuttamaan sarvikuonon hampaita «Kassai Y, Munne P, Hotta Y, Penttilä E, Kavanagh K, Ohbayashi N, Takada S, Thesleff I, Jernvall J, Itoh N. Checks and balances of BMP signaling: Ectodin plays an essential role in mammalian tooth patt»12. Jukka Jernvall kollegoineen on esittänyt matemaattisen mallin, jonka avulla voidaan ennustaa hampaiden kuspirakennetta. Se perustuu viestien ja niitä estävien molekyylien pitoisuuksien ja leviämisnopeuksien eroihin «Salazar-Ciudad I, Jernvall J. A gene network model predicts pattern formation and morphogenesis in mammalian teeth. In press 2001. »13. Mallilla on mahdollista tuottaa lukemattomia hampaiden kruunumuotoja, ja on todennäköistä, että hampaiden muodon evoluutio on seurausta juuri signaloinnin hienosäädöstä, joka määrää kuspien ja harjanteiden paikat ja korkeudet.

Ektodermaalinen dysplasia

Joitakin hampaiden kehitykselle tärkeitä geenejä on löydetty myös ihmisgenetiikan avulla, kun on identifioitu syn-droomien taustalla olevia geenivirheitä. Ensimmäinen tällainen geenilöytö oli anhidroottisen (hypohidroottisen) ektodermaalisen dysplasian (HED) geeni, ektodysplasiini (Eda), jonka identifioi kansainvälinen tutkijaryhmä professori Juha Kereen johdolla vuonna 1996 «Kere J, Srivastava AK, Montonen O, Zonana J, Thomas N, Ferguson B, Munoz F, Morgan D, Clarke A, Baybayan P, Chen EY, Ezer S, Saarialho-Kere U, de la Chapelle A, Schlessinger D. X-linked anhidrotic (hy»14 «»4A. Löytö on osoittautunut erittäin merkittäväksi, koska sen avulla tunnistettiin uusi kehitystä säätelevä signaalipolku (ektodysplasiini kuuluu tuumorinekroosi-kasvutekijöihin). Sen avulla on myös opittu ymmärtämään signaalikeskusten toimintaa hampaan ja muiden ektodermin elinten, kuten hiusten ja rauhasten, kehityksessä.

Ryhmämme on selvittänyt ektodysplasiinin vaikutusmekanismia useita vuosia hiirimutantteja hyödyntäen. Osoitimme, että sen vaikutus kohdistuu nimenomaan viestikeskuksiin eli plakodehin ja kiillekyhmyihin ja että se kiihdyttää niiden kasvua «Mustonen T, Ilmonen M, Pummila M, Kangas A, Jaatinen R, Laurikkala J, Pispa J, Gaide O, Schneider P, Thesleff I, Mikkola ML. Ectodysplasin-A1 promotes placodal cell fate during early morphogenesis of »15. HED:n hiirimallilla, Tabby-hiirellä, Eda-geeni ei toimi, eikä signaalia siis muodostu lainkaan. Siltä puuttuu usein kolmas poskihammas (normaaleilla hiirillä on kolme molaaria kuten ihmiselläkin), ja ensimmäinen poskihmmas on pieni ja siitä puuttuu kuspeja. Transgeeniselle hiirelle, jolla on ylimääräisiä toimivia ektodysplasiinigeenejä, kehittyy ylimääräinen poskihammas ja muiden poskihampaiden kuspirakenne on poikkeava ja muistuttaa kengurun hampaita (!) «»5. Havaintojemme perusteella esitimme äskettäin, että ektodysplasiinilla, samoin kuin edellä mainitulla ektodiinilla, on saattanut olla tärkeä merkitys myös hampaiden monimuotoisuuden evoluutiossa «Kangas AT, Evans AR, Thesleff I, Jernvall J. Nonindependence of mammalian dental characters. Nature 2004; 432: 211-214. »16.

Sangen merkittävä oli sveitsiläisten tutkijoiden vuonna 2003 julkaisema havainto, että ektodysplasiinin injektio Tabby-emoon parantaa poikasten ektodermaalisen dysplasian «Gaide O, Schneider P. Permanent correction of an inherited ectodermal dysplasia with recombinant EDA. Nat Med 2003; 9: 614-618. »17. HED on siten ensimmäinen synnynnäinen kehityshäiriö, joka on onnistuttu parantamaan lyhyellä rekombinanttiproteiinihoidolla.

Muita hampaiden määrään vaikuttavia geenejä

EDA-geenin lisäksi on useiden muiden geenien mutaatioita löydetty suvuista, joilla on periytyviä hammaspuutoksia. Toistaiseksi kaikki tapaukset ovat suhteellisen harvinaisia, monen hampaan puutoksia eli oligodontioita «Nieminen P, Arte S. Geenit hammaspuutosten taustalla. Suom Hammaslääkäril 2006; 4: xx-xxx. »18. Ensimmäisenä löytyivät mutaatiot MSX1-geenistä ja seuraavaksi PAX9-geenistä, joista kummankin oli aiemmin osoitettu poistogeenisissä hiirissä olevan välttämättömiä hampaan kehitykselle. Useimmiten oligodontiaan liittyy muidenkin kudosten kehityshäiriöitä «Lammi L, Halonen K, Pirinen S, Thesleff I, Arte S, Nieminen P. A missence mutation in PAX9 in a family with distinct phenotype of oligodontia. Am J Hum Genet 2003; 11: 866-871. »19. Tavallisimmin, kuten HED:ssä, muut kehityshäiriöt ovat ektodermin elimissä, kuten karvoissa ja rauhasissa. Tämän tekee ymmärrettäväksi se, että myös hampaat kehittyvät ektodermista ja niiden varhaiskehitys muistuttaa muiden ektodermin elinten kehitystä. Siksi niitä säätelevät paljolti samat geenit.

Viimeisin ihmisten hammaspuutoksiin liittyvä geenilöytö on AXIN2, jonka tiedetään osallistuvan Wnt-signaloinnin välitykseen. Löytö on sikäli ainutlaatuinen, että kyseessä on ensimmäinen geenimutaatio, joka hypodontian ohella altistaa syövän syntymiselle. Tässä tapauksessa potilailta löytyi paksusuolen syöpä «Nieminen P, Arte S. Geenit hammaspuutosten taustalla. Suom Hammaslääkäril 2006; 4: xx-xxx. »18, «Lammi L, Halonen K, Pirinen S, Thesleff I, Arte S, Nieminen P. A missence mutation in PAX9 in a family with distinct phenotype of oligodontia. Am J Hum Genet 2003; 11: 866-871. »19. Havainto alleviivaa kehitysgeenien yhteyttä syöpiin, asia josta ilmestyy jatkuvasti lisää esimerkkejä.

Kleidokraniaalisen dysplasian aiheuttavan geenimutaation löytyminen vuonna 1997 oli läpimurto luun kehityksen tutkimiselle, mutta geeni on tärkeä myös hampaan kehitykselle «Mundlos S, Otto F, Mundlos C, Mulliken JB, Aylsworth AS, Albright S, Lindhout D, Cole WG, Henn W, Knoll JH, Owen MJ, Merterlsmann R, Zabel BU, Olsen BR. Mutations involving the transcription factor CB»20. Kleidokraniaalista dysplasiaa sairastaville on tyypillistä luun vajaa kehitys ja hampaiden ylilukuisuus «»4B. Sen aiheuttavat mutaatiot Runx2-geenissä, joka koodaa luusoluille välttämätöntä transkripitiotekijää. Runx2-poistogeenisille hiirille ei siksi kehity lainkaan luuta. Ylimääräiset hampaat eivät kuitenkaan näytä liittyvän luun kehityshäiriöön. Sen sijaan hampaissa Runx2:ta tarvitaan epiteelin ja mesenkyymin välisen vuoropuhelun välitykseen, erityisesti FGF-signaalin vaikutukseen «Åberg T, Wang X-P, Kim J-H, Yamashiro T, Bei M, Rice R, Ryoo H-M, Thesleff I. Runx2 mediates FGF signalling from epithelium to mesenchyme during tooth morphogenesis. Dev Biol 2004; 270: 76-93. »21.

Erityisen mielenkiintoiseksi Runx2-geenin tekee se, että potilaiden ylilukuiset hampaat kehittyvät pysyvästä hampaistosta ikään kuin kolmantena hammaskertana. Toisin sanoen, Runx2-geenin funktio näyttäisi olevan hampaiden jatkuvan uusiutumisen estäminen. Se tarkoittaa myös sitä, että meillä kaikilla on potentiaali kolmansien hampaiden kehittämiseen, mutta Runx2-geenin vaikutuksesta se on estynyt. Voisiko siis Runx2-geenin tutkiminen avata mahdollisuuksia uusien hampaiden kasvattamiseen? Ehkä joskus kaukana tulevaisuudessa, mutta joka tapauksessa geenin tutkiminen edistää hampaiden uudistumisen ymmärtämistä. Mekanismi, joka aloittaa pysyvien hampaiden kehityksen maitohampaista, on toistaiseksi täysin tuntematon. Tutkimusryhmässäni käytämme Runx2-poistogeenisiä hiiriä tämän tutkimiseen. Osoituksemme, että Runx2 estää Shh-signaalin ilmenemistä, joka tarvitaan uusien hampaiden initiaatioon, on ensimmäinen askel hampaiden uusiutumisen ymmärtämisessä geenitasolla «Wang X-P, Åberg T, James M.J, Levanon D, Groner Y, Thesleff I. Runx2 (Cbfa1) affects Shh signalling and prevents the budding of putative successional teeth in mouse embryos. J Dent Res 2005; 84: 138-1»22.

Kantasolut ja kudosten rakentaminen

Kantasolut ja niiden mahdollisuudet kudosten rakentamisessa nousivat muutama vuosi sitten valokeilaan, kun ihmisen alkion kantasoluja opittiin kasvattamaan solulinjoina ja kun aikuisen kudoksista löytyi monikykyisiä kantasoluja. Sinänsä kantasolut eivät ole uusi keksintö. Päinvastoin, niiden tutkimus on ollut aktiivista jo vuosikymmeniä, ja tutkimuksen tavoitteena on jo kauan ollut niiden käyttö kudosten korjaamiseen.

Hiiren varhaisalkion kantasoluja on kasvatettu solulinjoina jo parikymmentä vuotta, ja on tiedetty, että solut ovat totipotentteja eli että ne kykenevät rakentamaan kaikki hiiren kudokset. Itse asiassa poistogeenisten hiirten tekeminen perustuu juuri kantasolulinjojen käyttöön. Mutaatio tehdään kantasoluihin, jotka yhdistetään hiiren varhaisalkion soluihin. Näin sammutettu geeni saadaan siirtymään normaalin geenin tilalle alkion kaikissa kudoksissa. Hiiren alkion kantasolulinjoja on käytetty paljon myös solujen erilaistumisen tutkimiseen. Paljon on opittu siitä, miten niiden altistaminen eri viestimolekyyleille säätelee solujen erilaistumista eri suuntiin, kuten hermo- tai lihassoluiksi. Kuitenkin niiden erilaistaminen hallitusti on toistaiseksi vaikeaa. Ihmisten kantasolujen osalta tutkimus kohdistuu vielä enimmäkseen parempien kasvatusolosuhteiden etsimiseen. Varsinaisia läpimurtoja ei toistaiseksi ole kuitenkaan tehty alkion kantasolujen käytössä kudosten regeneraatiossa.

Kantasolut määritellään soluiksi, jotka ovat säilyttäneet kyvyn sekä jakautumiseen että erilaistumiseen «»6. Se, että aikuisen uudistuvat kudokset, kuten veri, iho ja hiukset, sisältävät kantasoluja, on siten itsestään selvää. Veren kantasoluja lukuun ottamatta aikuisen kantasolut tunnetaan kuitenkin huonosti.

Viime vuosina on löydetty kantasoluja useista aikuisen kudoksista mukaan lukien esimerkiksi aivot, joilla ei ole uskottu olevan uudistumiskykyä. Joidenkin elinten, kuten karvojen ja suolen epiteelin, kantasolut on paikannettu ja niiden erilaistumista ja ylläpitoa sääteleviä geenejä on identifioitu. Mielenkiintoista, vaikka ei yllättävää, on se, että nämä signaalit kuuluvat kehityksen työkalupakin viestivarastoon. Olisi itse asiassa omituista, jos solujen erilaistumista säätelisi aikuisessa eri järjestelmä kuin kehittyvässä sikiössä.

Aikuisen kantasolujen plastisuus eli kyky erilaistua useisiin eri suuntiin on nykyisin kuuma tutkimusaihe. Useissa tutkimuksissa on saatu viitteitä siitä, että kudosten kantasolut, esimerkiksi aivoissa ja ihossa, voivat uudessa ympäristössä erilaistua muiden kudosten soluiksi. Jos näin on, on käsillä mahdollisuus käyttää aikuisesta eristettyjä kantasoluja monen eri kudoksen korjaamiseen. Hurjimmissa visioissa voitaisiin esimerkiksi helposti kerättäviä ihon kantasoluja erilaistaa aivosoluiksi ja korjata vaikkapa Parkinsonin tauti. Entä voitaisiinko niistä rakentaa uusia hampaita?

Hampaiden rakentaminen kantasoluista?

Hampaiden kantasolututkimuksen alueella ei ole toistaiseksi tehty varsinaisia läpimurtoja. Ylipäätään kokonaisten elinten rakentaminen kantasoluista on haasteellista, koska ne koostuvat aina useasta eri solutyypistä ja muodostuvat niiden vuorovaikutusten tuloksena. Vaikka hampaan kehityksen geenisäätelystä tiedetään jo aika paljon «»2, «»6, on vaikea kuvitella, miten tällainen prosessi saataisiin aikaiseksi esimerkiksi lisäämällä viestimolekyylejä kantasoluviljelmään.

Ainoa realistiselta tuntuva mahdollisuus olisi löytää hampaan initiaatioon kykenevä(t) solupopulaatio(t) ja antaa hampaan rakentua itsestään. Kokeellisen embryologian tutkimukset 50 viime vuoden ajalta ovat osoittaneet, että hampaassa on kaikki tieto sen kehityksestä jo initiaatiovaiheessa. Transplantoituna esimerkiksi munuaiskapselin alle varhainen hampaan aihe kehittyy täydelliseksi hampaaksi juurineen kaikkineen, eikä se siis tarvitse leuan ympäristöstä ohjeita kehitykseensä. Vanhat tutkimukset osoittivat myös, että ohjeet kehityksestä ovat ensin suun epiteelissä initiaation aikana ja että silmuvaiheessa tieto on siirtynyt alla olevaan mesenkyymiin.

Mistä sitten tarvittavat solut hampaan regeneroimiseen voisivat löytyä? Vastausta ei valitettavasti ole vielä olemassa, vaikka muutamia aiheeseen liittyviä tutkimuksia on viime vuosina julkaistu varsin suuren julkisuuden saattelemana. Ensimmäisessä osoitettiin, että kun sian sikiön poskihampaan aihe hajotettiin soluiksi, ruiskutettiin huokoiseen materiaaliin ja transplantoitiin rottaan, niistä kehittyi pieniä poskihampaita «Duailibi MT, Duailibi SE, Young CS, Bartlett JD, Vacanti JP, Yelick PC. Bioengineered teeth from cultured rat tooth bud cells. J Dent Res 2004; 83: 523-528. »23. Toisessa osoitettiin, että hiiren alkion varhainen hammasepiteeli muodosti hammasrakenteita, kun se trans-plantoitiin yhdessä luuytimen mesenkymaalisten kantasolujen kanssa «Modino SA, Sharpe PT. Tissue engineering of teeth using adult stem cells. Arch Oral Biol 2005; 50: 255-258. »24. Kummassakin tapauksessa "hammastiedon" sisältävä kudos oli siis peräisin sikiön kehittyvistä hampaista, ja kokeet toistivat siten pääosin vanhojen kehitysbiologisten tutkimusten tulokset.

Kantasolut pitäisi löytää aikuisen kudoksista ja mieluiten hampaasta, jolloin niissä saattaisi olla jäljellä ohjeet hampaan rakentamisesta. Ongelma, verrattuna esimerkiksi ihoon ja karvoihin, on se, että ihmisen hammas ei luonnostaan uusiudu, eikä valmiissa hampaassa siksi ehkä ole säilynyt regeneraatiokykyisiä kantasoluja.

Ihmisen hampaan ytimestä identifioitiin vuonna 2000 mesenkymaalisia kantasoluja, jotka lihakseen transplantoituina erilaistuivat odontoblasteiksi ja tuottivat dentiiniä «Gronthos S, Mankani M, Brahim J, Robey PG, Shi S. Postnatal human dental pulp stem cells (DPSCs) in vitro and in vivo. Proc Natl Acad Sci USA 2000; 97: 13625-13630. »25. Sitä, kykenevätkö nämä kantasolut myös ohjelmoimaan hampaan muotoutumisen, ei ole tutkittu. Joka tapauksessa pitäisi löytää epiteelikudos, joka olisi kompetentti osallistumaan hampaan muodostamiseen mesenkymaalisten kantasolujen kanssa. Ainoaa ihmisen hampaissa jäljellä olevaa hammasperäistä epiteeliä ovat ns. Malassez´n epiteelisolut juuren pinnassa. Ne ovat potentiaalinen lähde, jonka ominaisuuksia ei ole selvitetty.

Ainoat tähän mennessä identifioidut hampaan epiteeliperäiset kantasolut löysi japanilainen tutkija Hidemitsu Harada työskennellessään laboratoriossamme «Harada H, Kettunen P, Jung H-S, Mustonen T, Wang YA, Thesleff I. Localization of putative stem cells in dental epithelium and their association with Notch and FGF signaling. J Cell Biol 1999; 147: 105»26. Solut löytyivät hiiren etuhampaasta, joka kasvaa jatkuvasti, ja siksi siinä on välttämättä oltava kantasoluja, jotka erilaistuvat ameloblasteiksi ja vastaavat kiilteen uusiutumisesta. Kantasolut sijaitsevat juuren kärjessä epiteelisilmukassa, jossa ne jakautuvat hitaasti ja tuottavat sekä uusia kantasoluja että ameloblasteiksi erilaistuvia soluja. Näitä soluja ei tietenkään voi ajatella käytettävän ihmisen hampaan regeneraatioon, mutta niiden ominaisuuksien tutkiminen ja erilaistumisen kartoittaminen saattaa tuoda uutta tietoa hammasepiteelin regeneraatiosta ja edesauttaa siten samantyyppisen epiteelin tunnistamista muualta.

Kaiken edellä kirjoitetun jälkeen on kuitenkin esitettävä kriittinen kysymys: onko hampaan rakentaminen kantasoluista ylipäätään järkevä tavoite? Ainakin hammaslääkärille herää kysymys, onko edes teoriassa mahdollista rakentaa sellaista hammasta, jonka potilas haluaa. Sen pitäisi olla sekä kooltaan, muodoltaan, väriltään että rakenteeltaan tyydyttävä. On vaikea kuvitella, miten täydellinen yksilöllinen kruunu edes kaukana tulevaisuudessa voitaisiin rakentaa kantasoluista. Sitä paitsi proteetikot ja hammasteknikot osaavat hommansa erinomaisesti.

Hammaskruunuja siis tuskin kannattaa pyrkiä kehittämään kantasoluista, mutta sen sijaan tarvetta olisi juurille. Vaikka hammasimplantit toimivat useimmiten mainiosti, luu kasvaa niihin kiinni ja niiltä puuttuu hampaan kiinnityskudos, siis parodontaaliligamentti ja sen mukana kyky mm. alveoliluun muotoutumisen ja kasvun säätelyyn. Esimerkiksi kasvavalle lapselle, jolta puuttuu hampaita, implantit ovat huono vaihtoehto. Periaatteessa olisi mahdollista joko rakentaa kantasoluista kokonaan uusi juuri ja sen päälle proteettinen kruunu tai kehittää kantasoluista implantin pinnalle parodontaaliligamentti. Juuren kehityksen mekanismit tunnetaan toistaiseksi huonosti pääasiassa siksi, että juuret kehittyvät myöhään ja niihin on vaikea päästä käsiksi leukaluun sisällä. Juuren rakentaminen kantasoluista edellyttäisi melko varmasti ensin kruunun kehittämistä, sillä juurten kehitys alkaa normaalisti jo lähes valmiin kruunun soluista. Toisaalta käänteentekeväksi saattaa osoittautua vastikään raportoitu kantasolujen löytyminen parodontiumista «Seo BM, Miura M, Gronthos S, Bartold PM, Batouli S, Brahim J, Young M, Robey PG, Wang CY, Shi S. Investigation of multipotent postnatal stem cells from human periodontal ligament. Lancet 2004; 364: 14»27. Näillä soluilla oli kyky erilaistua useiksi parodontiumin solutyypeiksi, joten niiden avulla saattaa parodontiumin regeneraatio implantin pinnalle tulla mahdolliseksi.

Breakthroughs in the developmental biology of teeth

Developmental biology is one of the biomedical fields where the progress of research has been extremely rapid during the last twenty years. In addition, tooth development starts to be understood at the level of genes and molecules. Significant breakthroughs in this area include the elucidation of molecules in conserved signalling networks regulating the morphogenesis of teeth and the formation of dental hard tissues. The discovery of signalling centres in tooth germs has led to an understanding how tooth crowns acquire their shapes. Mouse models generated for human dental aberrations now help in the elucidation of the pathogenesis and in designing new treatments and ways for prevention of dental defects in the future

Fakta: