Ien-hammasliitos – epiteelisolujen tartunta ja soluväliaineen komponenttien tuotto

Tutkimuksen taustaa

Ikenen pehmytkudokset hampaaseen kiinnittävä tartuntaepiteeli toimii parodontiumin kudosten ensipuolustuksena suun mikrobeja vastaan. Tartuntaepiteeli on ohut, tyvisolukerrosta muistuttava keratinisoitumaton epiteeli, joka muodostuu redusoituneen kiille-epiteelin sekä suun epiteelisoluista hampaan kehityksen aikana. Tartuntaepiteelin solut tarttuvat hampaan pintaan niin kutsutun sisäisen tyvikalvon sekä hemidesmosomien välityksellä. Tämä epiteelisolutartunta kovan elottoman hammaspinnan kanssa on olennainen terveelle parodontaaliselle epiteelikiinnitykselle.

Tyvikalvot ohjaavat monia solutoimintoja kuten tartuntaa, liikkumista, jakautumista sekä proteiinien tuotantoa. Laminiinit (Lm), tyypin IV kollageeni, nidogeeni ja perlekaani ovat tyvikalvojen pääproteiineja. Laminiineilla on lukuisia biologisia tehtäviä ja niiden ilmeneminen vaihtelee sikiönkehityksen eri vaiheissa ja eri kudosalueilla. Nykytietämyksen mukaan Lm-511 on yleisin laminiini epiteelien tyvikalvoissa. Lm-332 on hemidesmosomialueille paikantuvien niin sanottujen ankkuroivien filamenttien rakenneosa. Lm-332 on hammasta vasten olevan sisäisen tyvikalvon pääkomponentti.

Solupinnan reseptoreina toimivilla integriineillä on keskeinen merkitys solujen kiinnitymisessä laminiineihin sekä muihin tyvikalvon komponentteihin. Integriinien α3β1, α6β1 ja α6β4 tiedetään olevan vuorovaikutuksessa Lm-332:n kanssa. Lutheraani-veriryhmä glykoproteiini toimii solupinnan reseptorina laminiini Lm-511/ Lm-521:lle. Lutheraanin esiintymistä ienkudoksen alueella ei ole aikaisemmin tutkittu.

Epiteelin kehittyminen ja uusiutuminen perustuu solujakautumisen ja solukuoleman väliseen tasapainoon. Tartuntaepiteelille on ajateltu olevan ominaista poikkeuksellisen nopea solujen uusiutuvuus. Kuitenkin eräissä eläinkokeissa on osoitettu varsin vähäistä proliferaatioaktiviteettia tartuntaepiteelin alueella. Kudosten kehityksessä ja kudosparanemisessa ohjatulla solukuolemalla eli apoptoosilla on keskeinen merkitys. Ien-hammasliitoksen alueella apoptoottisen solukuoleman esiintymistä ja merkitystä ei tarkkaan tunneta.

Parodontiitti on aikuisväestön yleisin suusairaus. Selvittämällä ien-hammasliitosalueen molekyylirakennetta, morfologiaa ja toimintaa voidaan edesauttaa parodontaalisairauksien patogeneesin ymmärtämistä ja täten myös niiden ehkäisyä ja diagnostiikkaa.

Tutkimuksen tavoite

Tämän väitöskirjatyön tarkoituksena oli selvittää ien-hammasliitosalueen epiteelisolujen tartuntamekanismeja sekä soluväliaineen komponenttien tuottoa. Tutkimuksen pääpaino oli tyvikalvoille keskeisten laminiinien sekä niiden solupinnan reseptorien, integriinien ja Lutheraanin, esiintymisen ja merkityksen selvittämisessä. Lisäksi ien-hammasliitosalueen epiteelisolujen uusiutumista tutkittiin rotan kehittyvässä hampaassa ja sitä ympäröivissä rakenteissa. Kehitimme myös laboratoriotutkimuksiin soveltuvaa kudosviljelymallia, joka simuloi ien-hammasliitosta. Tutkimuksemme pyrki myös antamaan tietoa epiteelin ja sidekudoksen välisistä interaktioista sekä epiteelin polariteetista.

Tutkimusmenetelmät

Tutkimusmateriaalina käytettiin sekä rotan, hiiren että ihmisen ien-hammasliitosalueen kudosnäytteitä sekä ihmisen ja rotan ikeneltä eristettyjä soluja ja solulinjoja. Tutkimusmenetelminä käytettiin pääosin immunohistokemiallisia menetelmiä, erityisesti immunofluoresenssimikroskopiaa ja immunopresipitaatiota. Viljellyillä ikenen keratinosyyteillä tehtiin kvantitatiivisia ja morfologisia soluadheesiokokeita. Kolmiulotteisen kudosviljelymallin kehityksessä käytettiin lisäksi elektronimikroskopiaa.

Tulokset

Työssä havaittiin, että ien-hammasliitosalueen tyvikalvorakenteet poikkeavat molekyylikoostumukseltaan toisistaan. Hammasta vasten olevan sisäisen tyvikalvon alueelta löydettiin ainoastaan laminiini-332:sta. Myös tartuntaepiteelin ja sidekudoksen välissä oleva niin kutsuttu ulkoinen tyvikalvo poikkesi laminiinikoostumukseltaan ulkoista ienepiteeliä vasten olevasta tyvikalvosta. Ikenen epiteelisolujen osoitettiin tarttuvan laminiini-332:n sekä laminiini-511:n a3ß1- ja a6ß1-integriinien välityksellä. Lutheraani-veriryhmäglykoproteiinin osoitettiin esiintyvän ienepiteelin alueella ja in vitro -kokeissa se toimi yhdessä a3ß1-integriinin kanssa ikenen epiteelisolujen kiinnittyessä Lm-511:een. Tutkimuksessa osoitettiin myös rotan tartuntaepiteelin solujen jakautuvan hitaasti. Ien-hammasliitosaluetta jäljittelevässä kolmiulotteisessa kudosviljelymallissa käytettiin rotan ja ihmisen ikenestä eristettyjä soluja sekä kiille-dentiinikudoskappaleita. Mallilla rekonstruoidun epiteelin ilmiasu ja tartunta hampaaseen vastasivat varsin pitkälle hampaan tartuntaepiteeliä.

Johtopäätökset

Ien-hammasliitosalueella epiteelisolut pystyvät tuottamaan kahta erilaista tyvikalvorakennetta. Tartuntaepiteelin ja hampaan välissä oleva sisäinen tyvikalvo näyttää koostuvan ainoastaan Lm-332:sta ja sitä voidaankin pitää lähinnä yksinkertaisena soluväliaineen rakenteena. Rotan tartuntaepiteeli vaikutti hitaasti uusiutuvalta epiteelirakenteelta. Tartuntaepiteeli saattaakin muistuttaa hidasta haavan paranemismallia, jossa Lm-332 tarjoaa pysyvän matriksin solujen tartunnalle ja edelleen myös solumigraatiolle, kun tarvitaan kudosparanemista. Tartuntaepiteeli saattaa uusiutua kauempaa ienepiteelin alueelta vaeltavien solujen avulla. Solut vaeltavat tartuntaepiteelin alueella koronaalisesti ja lopulta hilseilevät ientaskun pohjan alueella. Lisäksi kehittämämme kolmiulotteinen kudosviljelymalli osoittautui soveltuvan ien-hammasliitoksen fysiologisten ja patologisten tilanteiden solu- ja molekyylitason in vitro -tutkimuksiin. Mallia voidaan soveltaa myös ien-implanttiliitoksen tutkimiseen.

The dento-epithelial junction – Epithelial cell adhesion and production of extracellular matrix molecules

Gingival soft tissues attach to a hard nonrenewable tooth surface by junctional epithelium (JE). JE forms the first line of periodontal defense against oral microbes. It is a thin, basal cell layer like non-keratinized epithelium derived from the cells of the reduced enamel epithelium and oral epithelium during tooth development. Dento-epithelial attachment is mediated by the internal basal lamina and hemidesmosomes.

In this study, epithelial cell adhesion and production of extracellular matrix molecules in the dento-epithelial junction were characterized in in vivo and in vitro studies. The expression of laminins (Lm) was studied at the murine and human dento-epithelial junction. The study showed that the internal and external basal laminae and the outer gingival basement membrane differed from each other in their laminin content. Only Lm-332 was detected in the internal basal lamina. The expressions of laminin-binding integrins and Lutheran glycoproteins were also studied in human gingival epithelia. Lutheran glycoproteins co-expressed with the laminin a5 chain in gingival epithelia. The expression and production of laminins, laminin-binding integrins and Lu glycoproteins, and adhesion to laminin isoforms were also studied in cultured spontaneously immortalized human gingival keratinocytes. The cells adhered to Lm-332 and Lm-511 using integrins a3ß1 and a6ß1. Lutheran glycoproteins seemed to have a role in gingival epithelial cell adhesion to Lm-511 in collaboration with integrin a3ß1. Additionally, cell proliferation and expression of cysteine protease caspase 3 were studied in the developing dento-epihelial junction of the rat. Gingival basal cells were actively dividing but JE cells showed rather slow renewal. Caspase 3 was expressed in specific areas of reduced enamel epithelium. An organotypic cell culture model mimicking the dento-epithelial junction was also developed. Rat and human gingival epithelial cells and a nondemineralized dental tissue component were used in the model. The model expressed the characteristic structural and molecular features of the dento-epithelial junction and can thus be applied to in vitro studies of cellular mechanisms of the physiology and pathology of the tooth-epithelium attachment.

Osajulkaisut

I Oksanen J (Willberg), Sorokin LM, Virtanen I, Hormia M. The junctional epithelium around murine teeth differs from gingival epithelium in its basement membrane composition. J Dent Res 2001; 80: 2093–7.

II Pakkala T, Virtanen I, Oksanen J (Willberg), Jones JCR, Hormia M. Function of laminins and laminin-binding integrins in gingival epithelial cell adhesion. J Periodontol 2002; 73: 709–19.

III Willberg J, Hormia M, Takkunen M, Kikkawa Y, Sekiguchi K, Virtanen I. Lutheran blood group antigen as a receptor for alfa 5-laminins in gingival epithelia. J Periodontol 2007 (in press).

IV Willberg J, Syrjänen S, Hormia M. Junctional epithelium in rats is characterized by slow cell proliferation. J Periodontol 2006; 77: 840–6.

V Oksanen J (Willberg), Hormia M. An organotypic in vitro model that mimics the dento-epithelial junction. J Periodontol 2002; 73: 86–93.