HAMPAIDEN MUOTOUTUMINEN JA LUKUMÄÄRÄMUUTOKSET YKSILÖNKEHITYKSEN AIKANA

Transkriptio

1 HAMPAIDEN MUOTOUTUMINEN JA LUKUMÄÄRÄMUUTOKSET YKSILÖNKEHITYKSEN AIKANA Heidi Saari Kirjallisuuskatsaus Hammaslääketieteen koulutusohjelma Itä-Suomen yliopisto Terveystieteiden tiedekunta Hammaslääketieteen laitos/ Biolääketiede Joulukuu 2018

2 TIIVISTELMÄ ITÄ-SUOMEN YLIOPISTO, Terveystieteiden tiedekunta Hammaslääketieteen laitos Hammaslääketieteen koulutusohjelma Saari, Heidi: Hampaiden muotoutuminen ja lukumäärämuutokset yksilönkehityksen aikana Kirjallisuuskatsaus, 38 sivua Tutkielman ohjaajat, apulaisprofessori Petteri Nieminen, yliopisto-opettaja Sanna Oikari Joulukuu 2018 Asiasanat: odontogeneesi, morfogeneesi, kiillekyhmy Tässä kirjallisuuskatsauksessa perehdytään hampaiden kehityksen vaiheisiin sekä hampaiden muotoutumiseen, lukumäärän kehittymiseen ja lukumäärämuutoksiin yksilönkehityksen aikana. Tavoitteena oli koota kattava kokonaiskuva aiheesta käyttäen lähdemateriaaleina aiempaa kirjallisuutta, tutkimustuloksia ja vertaisarvioituja artikkeleita. Hampaiden kehitys kattaa hampaiden kehityksen vaiheet ja juuren kehittymisen. Hampaiden muotoutumisen yhteydessä käsitellään erityisesti erilaisten signaalimolekyylien vaikutusta hampaiden kehitykseen ja muotoutumiseen sekä kiillekyhmyjen merkitystä signaalikeskuksina ja kruunun muotoutumisen säätelijöinä. Lisäksi kirjallisuuskatsauksessa käsitellään hampaiden lukumäärän kehittymiseen vaikuttavia tekijöitä sekä lukumäärämuutoksia aiheuttavia geenimutaatioita ja syndroomia. Hampaiden kehitys on monimutkainen tapahtumasarja, joka voidaan jakaa silmuvaiheeseen, lakkivaiheeseen ja kellovaiheeseen. Hampaiden kehitystä ohjaavat ektodermin ja mesenkyymin väliset vuorovaikutukset, joita välittävät esimerkiksi BMP-, FGH-, SHH- ja WNT-viestiperheiden jäsenet. Samat viestimolekyylit ilmenevät kaikissa tärkeissä hampaiden kehityksen vaiheissa ja ne osallistuvat sekä hampaiden morfologian kehittymiseen että hampaiston lukumäärän säätelyyn. Kiillekyhmyt ovat tärkeitä signaalikeskuksia, joilla on tärkeä merkitys hampaiden kruunun muotoutumisessa. Lukumäärämuutosten taustalla ovat geneettiset- tai ympäristötekijät. Lisäksi lukumäärämuutoksia esiintyy monien syndroomien sekä huuli- ja suulakihalkioiden yhteydessä.

3 ABSTRACT UNIVERSITY OF EASTERN FINLAND, Faculty of Health Sciences School of Dentistry Dentistry Saari, Heidi: Morphogenesis and Changes in a Count of Teeth During Ontogenesis in Humans Thesis, 38 pages Tutors: assistant professor Petteri Nieminen, university lecturer Sanna Oikari December 2018 Keywords: odontogenesis, morphogenesis, enamel knot This thesis discusses the morphogenesis of teeth and alterations in the dental formula during ontogenesis in humans. Especially, the effects of different signaling molecules and enamel knots on the morphogenesis of teeth are discussed. The content of this thesis is based on a critical review of previously written scientific literature, research findings and peer reviewed articles. Inherited conditions leading to dental anomalies are assessed. Odontogenesis is a complicated process that can be divided into three stages: the bud stage, cap stage and bell stage. Odontogenesis is driven by interactions between ectodermal and mesenchymal cells. These interactions include, for instance, signaling molecules, such as BMPs, FGFs, SHHs and WNTs. The same molecules are expressed in all pivotal phases of odontogenesis. Enamel knots have an important role as signaling centers instructing the formation of dental crowns. Both genetic and environmental factors can cause mutations in the dental formula. Changes in the number of teeth can occur with several congenital syndromes as well as in cleft lip and palate.

4 Sisällysluettelo TIIVISTELMÄ... 1 ABSTRACT JOHDANTO HAMPAIDEN KEHITYS HAMPAIDEN MUOTOUTUMINEN Hammasplakodi SHH-signaloinnin vaikutus hampaiden muotoutumiseen Kiillekyhmy Kuspien kehitys ja muotoutuminen Odontogeeninen homeobox-koodi HAMPAIDEN LUKUMÄÄRÄN SÄÄTELY JA LUKUMÄÄRÄMUUTOKSET Hampaiden fuusioituminen Hiirten poskihampaiden lukumäärän säätely Viestimolekyyliperheiden vaikutus hampaiden lukumäärän säätelyyn SHH-signalointi BMP-signalointi WNT-signalointi Hampaiden lukumäärämuutokset SYNDROOMAT Downin syndrooma Kleidokraniaalinen dysplasia Holoprosenkefalia Ektodermaalinen dysplasia Riegerin syndrooma Van der Wouden syndroma Pohdinta LÄHTEET... 30

5 5 1 JOHDANTO Hampaiden kehitys on pitkäaikainen tapahtumasarja, joka voidaan jakaa dentaalilaminan muodostumiseen, silmuvaiheeseen, lakkivaiheeseen ja kellovaiheeseen (Klein ym. 2006, Sadler 2015, Young ym. 2014). Kehityksen alussa tulevien hammaskaarten alueelle kehittyvät dentaalilaminat epiteelin paksuuntumisen seurauksena (Sadler 2015, Thesleff 2015). Dentaalilaminoihin kehittyvät hammasplakodit, ensimmäiset hampaiden kehitystä ohjaavat viestikeskukset, jotka ohjaavat hammassilmujen kehittymistä (Pispa ja Thesleff 2003, Thesleff 2006, Mikkola 2007). Silmuvaiheessa kiille-elin on mesenkyymin ympäröimä pallomainen tiivistymä, jonka kärkeen muodostuva primäärinen kiillekyhmy ohjaa epiteelin laskostumista ja saa aikaan silmuvaiheen kehittymisen lakkivaiheeksi (Matalova ym. 2005, Vaahtokari ym. 1996, Berkovitz ym.2009, Sadler 2015, Cho ym. 2007). Kiillekyhmy on tärkeä signaalikeskus, joka osallistuu hampaan kruunun muodon kehittymiseen (Vaahtokari ym. 1996, Jernvall ym. 1998). Kiille-elimen ympärillä oleva mesenkyymi tiivistyy ja se muodostaa kiille-elimen ympärille dentaalifollikkelin ja alapuolelle dentaalipapillan (Berkovitz ym. 2009). Dentaalipapillasta kehittyy myöhemmin hampaan pulpa ja dentaalifollikkelista periodontaaliligamentit, sementti ja hammasluu (Åberg ym. 2004, Berkovitz ym. 2009). Kellovaiheessa hampaan kovakudokset, kiille ja dentiini, tuotetaan ja hampaan kruunuosa muotoutuu valmiiksi (Berkovitz ym. 2009, Thesleff 2015). Sekundaariset ja tertiääriset kiillekyhmyt kehittyvät tulevien kuspien kärkiin. Ne ohjaavat kuspien kehittymistä ja määräävät niiden paikat (Matalova ym. 2005, Vaahtokari ym. 1996, Cho ym. 2007). Hampaiden kehitystä ja muotoutumista ohjaavat ektodermin ja mesenkyymin väliset vuorovaikutukset, joita välittävät esimerkiksi BMP (luun morfogeneettinen proteiini), FGF (fibroblastikasvutekijä), SHH (sonic hedgehog) ja WNT (Wingless-related integration site) - viestiperheiden jäsenet. Samat viestimolekyylit ilmenevät kaikissa tärkeissä hampaiden kehityksen vaiheissa ja ne osallistuvat myös hampaiden muotoutumisen lisäksi hampaiden lukumäärän säätelyyn (Klein ym. 2006, Thesleff 2006, Berkovitz ym. 2009, Catón ja Tucker 2009, Sadler 2015). Lisäksi hampaiden lukumäärää voidaan säädellä esimerkiksi fuusioitumisen seurauksena (Kriangkrai ym. 2006, Hovorakova ym. 2006).

6 6 Ihmisen yleisimpiä kehityshäiriöitä ovat yhden tai useamman hampaan puutokset (Arte ym. 2005, Niemine ja Arte 2006). Hammaspuutosten taustalla voivat olla geneettiset- ja ympäristötekijät. Lisäksi hammaspuutoksia esiintyy monien syndroomien sekä huuli- ja suulakihalkioiden yhteydessä (Arte 2001, Ranta 1986, Arten 2001 mukaan, Laatikainen ja Ranta 1994, Arten 2001 mukaan). Geeneillä on merkittävä rooli synnynnäisten hammaspuutosten etiologiassa (Arte 2001). Mutaatiot Msx1-, Pax9- ja Axin2- geeneissä aiheuttavat ihmisellä oligodontiaa ainoana kehityshäiriönä (Vastardis ym. 1996, Arte ym. 2005). Hammaspuutoksia aiheuttavia syndroomia ovat esimerkiksi Downin syndrooma, ektodermaaliset dysplasiat ja Riegerin syndrooma (Arte 2001). Lisäksi ihmisillä esiintyy hyperdontiaa eli ylimääräisiä hampaita esimerkiksi kleidokraniaalisen dysplasian yhteydessä (Arte 2001, Thesleff 2006). 2 HAMPAIDEN KEHITYS Hampaiden kehitys eli odontogeneesi on pitkäaikainen ja monimutkainen tapahtumasarja, joka alkaa jo alkion kuudennella kehitysviikolla (Sadler 2015, Young ym. 2014). Hampaiden kehitystä ohjaavat ektodermistä peräisin olevan epiteliaalisen kudoksen ja hermostopienasta peräisin olevan mesenkymaalisen kudoksen väliset vuorovaikutukset (Klein ym. 2006, Berkovitz ym. 2009, Sadler 2015). Kehitys voidaan jakaa dentaalilaminan muodostumiseen, silmuvaiheeseen, lakkivaiheeseen ja kellovaiheeseen (Klein ym. 2006). Hampaiden kehitys käynnistyy initiaatiossa, jossa ilmestyvät dentaalilamina ja hampaan aiheet. Lisäksi hampaiden kehitykseen kuuluvat morfogeneesi, jossa hampaan muoto määräytyy solujen proliferaation ja liikkumisen seurauksena sekä histogeneesi, jossa solujen erilaistumisen tuloksena kehittyvät hampaalle tyypilliset mineralisoituneet ja mineralisoitumattomat kudokset (Berkovitz ym. 2009). Kiille kehittyy epiteliaalisesta kudoksesta, kun taas dentiini, sementti, pulpa ja periodontaaliligamentit kehittyvät mesenkymaalisesta kudoksesta (Young ym.2014). Odontogeneesin alussa stomodeumia eli alkusuuta verhoavan epiteelin basaalikerros paksuuntuu ja se muodostaa tulevan hammaskaaren alueelle c-kirjaimen muotoisen rakenteen sekä ylä- että alaleukaan. Tätä rakennetta kutsutaan dentaalilaminaksi. (Sadler 2015, Thesleff 2015). Dentaalilaminasta kehittyvät hampaiden aiheet, pallomaiset pullistumat, jotka työntyvät epiteelin alla olevaan mesenkyymiin. Tulevan suun jokaiseen neljännekseen muodostuu neljä pullistumaa, joista kehittyvät tulevan maitohampaiston etuhampaiden, kulmahampaiden ja

7 7 ensimmäisten poskihampaiden kiille-elimet. Myöhemmin dentaalilamina pitenee ja siitä muodostuvat maitohampaiston toisten poskihampaiden sekä pysyvien hampaiden poskihampaiden kiille-elimet (Young ym. 2014). Ensimmäisen pysyvän hampaan silmu on havaittavissa neljän kuukauden ikäisellä sikiöllä, toisen pysyvän hampaan silmu kuuden kuukauden ikäisellä lapsella ja kolmannen pysyvän hampaan silmu vasta neljän - viiden vuoden ikäisellä lapsella (Berkovitz ym.2009, Sadler 2015). Silmuvaiheessa noin 8. kehitysviikolla kiille-elin on mesenkyymin ympäröimä pallomainen epiteliaalisesta kudoksesta muodostuva tiivistymä. Tässä vaiheessa kiille-elimessä ei ole vielä juurikaan havaittavissa morfologista tai histologista erilaistumista. Vähitellen solunjakautumisten seurauksena epiteeli taipuu ja n kehitysviikolla silmuvaihe on vaihtunut lakkivaiheeksi, jossa kiille-elimen muoto muistuttaa lakkimaista rakennetta. Lakkivaiheessa tapahtuu solujen histologista erilaistumista, kun kiille-elimen perifeeriset solut lähtevät muodostamaan ulompaa ja sisempää kiille-epiteeliä ja kiille-elimen keskiosiin muodostuu löyhästä kudoksesta koostuva kiilleretikkeli (Berkovitz ym.2009, Sadler 2015). Ulomman kiille-epiteelin solut ovat kuutiomaisia, kun taas sisemmän kiille-epiteelin solut ovat muodoltaan ennemminkin pylväsmäisiä ja niissä on lisääntynyt RNA-pitoisuus sekä hydrolyyttinen että oksidatiivinen entsyymiaktiivisuus. Ulompi kiille-epiteeli osallistuu luultavasti kiille-elimen muodon ylläpitoon sekä aineiden vaihtoon kiille-elimen ja ympäristön välillä. Kiille-elimen ympärillä oleva mesenkyymi tiivistyy ja muodostaa kiille-elimen sisemmän kiille-epiteelin alapuolelle dentaalipapillan sekä kiille-elimen ympärille dentaalifollikkelin (Berkovitz ym. 2009). Dentaalipapillasta kehittyy myöhemmin hampaan pulpa ja dentaalifollikkelista periodontaaliligamentit, sementti ja hammasluu (Åberg ym. 2004, Berkovitz ym. 2009). Kellovaihe voidaan jakaa varhaiseen ja myöhäiseen vaiheeseen. Noin 14. kehitysviikon aikana lakkivaihe vaihtuu varhaiseen kellovaiheeseen, jonka aikana solujen proliferaation seurauksena sisempi kiille-epiteeli laskostuu ja saavuttaa vähitellen tulevan kruunuosan muotoa (Berkovitz ym. 2009, Young ym. 2014). Varhaisessa kellovaiheessa tapahtuu paljon solujen histologista erilaistumista. Kiilleretikkeli kehittyy valmiiksi ja sen tähtimäiset solut muistuttavat sikiön mesenkymaalista kudosta. Kiilleretikkelin tehtävänä on suojata hammaskudoksia fysikaalisia häiriötekijöitä vastaan ja ylläpitää hampaan muotoa. Lisäksi se tuottaa MCSF:ää (macrophage colony-stimulating factor),tgfb1:tä (transforming growth factor) sekä PTHrP:tä (parathyroid hormone-related protein), joilla on merkitystä alveoliluun

8 8 resorption käynnistymisessä silloin, kun kehittyvä ja kasvava hammas tarvitsee lisää tilaa tai kehittyvä hammas puhkeaa suuonteloon. Kiille-elimeen kehittyy myös kaksikolmesolukerroksinen stratum intermedium, joka sijaitsee sisemmän kiille-epiteelin päällä. Stratum intermediumilla on mahdollisesti osuutta ameloblastien aineenvaihduntaan. Kellovaiheen aikana dentaalilamina hajoaa ja sekä kiille-elimen ja oraaliepiteelin että hammasaiheiden välinen yhteys katkeaa (Berkovitz ym 2009). Noin 18. kehitysviikolla varhainen kellovaihe vaihtuu myöhäiseen kellovaiheeseen, jossa hampaan kovakudokset, kiille ja dentiini, tuotetaan ja hampaan kruunuosa muotoutuu valmiiksi (Berkovitz ym. 2009, Thesleff 2015). Ameloblastit kehittyvät sisemmästä kiille-epiteelistä ja odontoblastit sisemmän kiille-epiteelin viereisistä dentaalipapillan mesenkymaalisista soluista (Berkovitz ym. 2009). Ameloblastien ja odontoblastien kehittymistä ohjaavat epiteelin ja mesenkyymin väliset vuorovaikutukset (Thesleff 2015). Sekä kiilteen että dentiinin muodostus käynnistyy kuspien kärjistä (Wang ym. 2004, Sadler 2015). Kellovaiheen aikana ulompi kiilleepiteeli kasvattaa kiille-elimen linguaaliselle puolelle ulokkeen, josta vähitellen kehittyy pysyvän hampaan aihe. Ensimmäisen pysyvän hampaan aihe on havaittavissa inkisiivien alueella noin viiden kuukauden ikäisellä sikiöllä (Berkovitz ym. 2009). Pysyvien hampaiden kehitys on pysähtyneenä noin kuuden vuoden ikään asti (Sadler 2015). Juuren kehitys alkaa, kun hampaan kruunun kehitys on valmis ja se jatkuu vielä hampaan puhkeamisen jälkeen (Berkovitz ym. 2009, Thesleff 2015). Juuren kehitykseen osallistuvat dentaalifollikkeli, epiteliaalinen juurituppi sekä dentaalipapilla. Epiteliaalinen juurituppi on sisemmän ja uloimman kiille-epiteelin muodostama kaksikerroksinen rakenne, joka sijaitsee kiille-elimen kervikaalisen silmukan alueella. Sen solut proliferoituvat apikaalisesti, jolloin vähitellen muodostuu tulevan juuren muoto. Monijuurisissa hampaissa juuritupen reunoilta kasvaa epiteliaalisia kielekkeitä, jotka yhtyvät primaarisen foramen apicalen keskustassa jakaen sen osiin ja käynnistäen näin useamman juuren kehityksen. Epiteliaalinen juurituppi ympäröi vähitellen dentaalipapillan ja sen sisemmän kerroksen solut indusoivat dentaalipapillan perifeeriset solut erilaistumaan odontoblasteiksi, jotka valmistavat juuren dentiinin. Kun dentiiniä muodostuu, pulpaontelo pikkuhiljaa kapenee ja hampaaseen muodostuu juurikanavat, joissa kulkevat hampaan verisuonet ja hermot (Sadler 2015). Dentaalifollikkelin solut erilaistuvat sementtiä muodostaviksi soluiksi, sementoblasteiksi, ja sementoblasteiksi erikoistuvien solujen viereiset dentaalifollikkelin solut muodostavat periodontaaliligamentit (Berkovitz ym. 2009, Sadler 2015). Maitohampaat puhkeavat

9 9 suuonteloon noin 6-24 kuukauden iässä. Kun pysyvät hampaat alkavat kasvaa ja kehittyä, ne työntävät maitohampaita alapuolelta ja samalla osteoklastit resorboivat maitohampaiden juuret (Sadler 2015). 3 HAMPAIDEN MUOTOUTUMINEN Hiirillä tehtyjen tutkimusten perusteella on saatu paljon tietoa hampaiden kehityksestä ja muotoutumisesta. Nämä ilmiöt perustuvat epiteelin ja mesenkyymin väliseen kommunikaatioon, jossa viestinvälittäjinä toimivat esimerkiksi seuraavat tärkeät viestimolekyyliperheet: BMP (luun morfogeneettinen proteiini), FGF (fibroblastikasvutekijä), SHH (sonic hedgehog) ja WNT (Wingless-related integration site). Samat viestimolekyylit ilmenevät kaikissa tärkeissä hampaiden kehityksen vaiheissa (Thesleff 2006). Esimerkiksi BMP4 on mukana hampaiden kehityksen initiaatiossa, kiillekyhmyn kehittymisessä ja ameloblastien erilaistumisessa (Jernvall ym. 1998, Bei M ym. 2000, Wang X-P ym. 2004, Thesleff 2006). Lisäksi nämä viestimolekyylit osallistuvat monien muiden elinten kehityksen säätelyyn. Viestimolekyylit ohjaavat tärkeiden kehitysgeenien, esimerkiksi Msx1:n, Pax9:n, Pitx2:n ja edar-geenin, ilmenemistä (Thesleff 2006). 3.1 Hammasplakodi Ensimmäinen hampaiden kehityksen morfologinen merkki on dentaalilaminan kehittyminen tulevien hammaskaarten alueelle. Hammasplakodit muodostuvat dentaalilaminaan (Pispa ja Thesleff 2003). Hammasplakodi on kiillekyhmyn tapaan ensimmäinen hampaan kehitystä ohjaava viestikeskus, joka säätelee hammassilmujen kehittymistä (Thesleff 2006, Mikkola 2007).

10 SHH-signaloinnin vaikutus hampaiden muotoutumiseen SHH, Ptc (patched), Smo (smoothened), Gli1, Gli2 ja Gli3 muodostavat SHH-signalointireitin, jolla on tärkeä osuus hampaiden kehityksen säätelyssä. SHH toimii ligandina, joka sitoutuu Ptc-reseptoriinsa. Reseptorin aktivoitumisen seurauksena Smo-transmembraaniproteiinin inhibitio päättyy ja se pystyy aktivoimaan transkriptiotekijät, jotka ohjaavat geenien luentaa. Gli1, Gli2 ja Gli3 ovat kyseiset transkriptiotekijät (Nusse 1996, Stone ym. 1996, Kalderon 1997). SHH saa aikaan solujen proliferaatiota. Hampaiden kehityksen alkuvaiheessa se välittää sekä epiteelin ja mesenkyymin välistä että epiteelin sisäistä kommunikaatiota. Epiteliaaliset solut proliferoituvat, jolloin epiteeli tiivistyy ja muodostuu silmumaiset pullistumat. Nämä hampaiden aiheen työntyvät alla olevaan mesenkyymiin. SHH ilmentyy myös kiillekyhmyssä, jossa se vaikuttaa kehittyvän kruunun muotoutumiseen. Se saa aikaan kiillekyhmyn ulkopuolella olevien solujen proliferaatiota, jolloin epiteeli laskostuu. Koska kiillekyhmyn solut eivät proliferoidu, epiteelin laskostuminen johtaa hampaan kruunun kuspirakenteiden syntymiseen (Jernvall ym. 1994, Hardcastle ym. 1998). 3.3 Kiillekyhmy Kiillekyhmy on tärkeä signaalikeskus, joka osallistuu hampaan kruunun muodon kehittymiseen (Vaahtokari ym. 1996, Jernvall ym. 1998). Epiteelin ilmentämä BMP4 käynnistää mesenkyymin Bmp4-tuotannon aktivoimalla Msx1-homeobox-geenin (Vainio ym. 1993, Chen ym. 1996). Mesenkyymin tuottama BMP4 indusoi kiillekyhmyn kehittymisen silmuvaiheessa olevan hampaan aiheen kärkeen. Kiillekyhmyn solut eivät proliferoidu, joten BMP4 lisää solujen proliferaatiota estävän p21:n (sykliinistä riippuvainen kinaasi-inhibiittori) ilmentymistä kehittyvän kiillekyhmyn alueella (Jernvall ym. 1998). Kiillekyhmy ilmentää monia signaalimolekyylejä, kuten SHH-, FGF-, WNT- ja BMP- viestiperheiden jäseniä (Vaahtokari ym. 1996, Pispa ym. 1999). FGF4 ja SHH saavat aikaan kiillekyhmyn ulkopuolisten solujen jakautumista ja osallistuvat näin hampaan kuspirakenteiden muotoutumiseen. FGF4 stimuloi sekä epiteliaalisten että mesenkymaalisten solujen proliferaatiota (Jernvall ym. 1994). Lisäksi SHH ja FGF4 tehostavat kiillekyhmyn ilmentämien BMP-viestimolekyylien toimintaa estämällä BMP:n stimuloimaa ektodiinin ekspressiota. Ektodiini on BMP-antagonisti eli se

11 11 inhiboi BMP-viestimolekyylien aktiivisuutta. BMP-viestimolekyylit vähentävät itse omaa aktiivisuuttaan lisäämällä ektodiinin ilmentymistä. Kiillekyhmyssä ilmenevät BMP2, 4 ja 7 stimuloivat ektodiinin ilmentymistä kiillekyhmyn ympärillä. SHH ja FGF4 estävät BMPmolekyylien ektodiinin ilmentymistä stimuloivaa vaikutusta. Näin ollen kiillekyhmyn ympärille syntyy ektodiinista vapaa alue, jossa BMP-viestimolekyylien toiminta on tehostunutta (Laurikkala ym. 2003). Lakkivaiheen loppupuolella kiillekyhmyn tuottama BMP4 käynnistää kiillekyhmyn apoptoosin, jolloin kiillekyhmy häviää (Vaahtokari ym. 1996, Jernvall ym. 1998). Runx2 on tärkeä transkriptiotekijä, joka osallistuu FGF-signalointiin ja hampaan muotoutumiseen silmuvaiheesta lakkivaiheeseen. Runx2 lisää FGF3:n ilmentymistä mesenkyymissä, joka puolestaan lisää SHH:n ilmentymistä primäärisessä kiillekyhmyssä (Åberg ym. 2004). Epiteelissä ilmentyvä Lef1 kuuluu WNT-signalointireittiin, joka indusoi epiteelin FGF-tuotannon. FGF puolestaan indusoi Msx1:n ilmentymisen kautta mesenkyymin Runx2:n ilmentymistä (Åberg ym. 2004). Msx1:n ilmentymistä mesenkyymissä indusoi myös epiteliaalinen Bmp4, joka indusoi Msx1:n kautta mesenkyymin BMP4-tuotantoa (Vainio ym. 1993, Chen ym. 1996). BMP4 ei kuitenkaan pysty indusoimaan FGF3:n ilmetymistä Msx1:n kautta, sillä signaalireitit ovat toisistaan erilliset (Bei ja Maas 1998). Tutkimustulokset antavat viitteitä myös siitä, että Runx2 säätelee muitakin vielä tuntemattomia signaalireittejä, jotka osallistuvat hampaan muotoutumiseen (Åberg ym. 2004). Hiirillä tehdyn tutkimuksen mukaan Runx2- mutaatio johtaa useiden geenien ilmentymisen vähentymiseen. Lisäksi kiillekyhmyn kehitys häiriintyy enemmän alaleuan poskihampaissa kuin yläleuan poskihampaissa. Kiillekyhmyssä ilmentyviä signaalimolekyylejä ovat WNT10b, Lef1, FGF4 ja BMP2. Lisäksi kiillekyhmyssä ilmentyvät esimerkiksi Eda:n reseptori Edar, transkriptiotekijä Msx2 ja sykliinistä riippuvainen kinaasi-inhibiittori p21. Hiirillä, joilla Runx2:n toiminta on normaalia, näiden molekyylien ilmentyminen on samanlaista niin yläkuin alaposkihampaissa. Runx2-mutaatiossa yläposkihampaissa näiden molekyylien ilmentyminen on myös lähes normaalia. Poikkeuksellisesti SHH:n ilmentyminen on heikkoa. Alaposkihampaissa ainoastaan WNT10b, Lef1 ja Msx2 ilmentyvät normaalisti. Muut joko puuttuvat kokonaan tai niiden ilmentyminen on heikentynyt. BMP4:n ilmentyminen puuttuu kokonaan sekä ylä- että alaposkihampaista. Erot molekyylien ilmentymisessä johtuvat mahdollisesti siitä, että Runx3:n ilmentyminen yläposkihampaiden mesenkyymissä on huomattavasti lisääntynyt. Normaalisti Runx3 ilmentyy heikosti vain muutamissa

12 12 mesenkymaalisissa solukerroksissa hammassilmun alla ylä- ja alaposkihampaissa. Tutkimuksen löydökset viittaavat siihen, että Runx2 estää Runx3 ilmentymistä normaalisti ja että mutaation seurauksena Runx3 korvaa osittain Runx2:n toimintaa yläposkihampaissa. FGF3:n ja ActivinbA:n ilmentyminen on myös heikentynyt Runx2-mutaatiossa (Åberg ym. 2004). 3.4 Kuspien kehitys ja muotoutuminen Etu- ja kulmahampaissa on vain yksi kuspirakenne, kun taas väli- ja poskihampaissa kuspeja on useampi. Näin ollen monikuspisiin hampaisiin kehittyvät sekundaariset ja tertiääriset kiillekyhmyt sen mukaan, kuinka monta kuspia hampaaseen kehittyy (Vaahtokari ym. 1996). Primäärinen kiillekyhmy ohjaa hampaan kehityksen silmuvaiheesta lakkivaiheeseen, joten se ilmenee kaikissa kehittyvissä hampaissa. Sekundaariset ja tertiääriset kiillekyhmyt kehittyvät tulevien kuspien kärkiin kellovaiheen aikana. Kiillekyhmyt ohjaavat sekä kuspien kehittymistä että määräävät niiden paikat. Sekundaarisen kiillekyhmyn solut eivät ole peräisin primäärisen kiillekyhmyn soluista, mutta primäärinen kiillekyhmy kuitenkin indusoi sekundaaristen kiillekyhmyjen kehityksen (Matalova ym. 2005, Vaahtokari ym. 1996, Cho ym. 2007). Sekundaariset kiillekyhmyt ilmentävät myös FGF4:ta, joka saa aikaan solujen proliferaatiota kiillekyhmyn ulkopuolella (Jernvall ym. 1994). Poskihampaisiin kehittyvät tertiääriset kiillekyhmyt. Ne ilmenevät syntymän jälkeen poskihampaiden kruunun kehityksen loppuvaiheilla, jolloin myös hampaan kovakudokset ovat kehittymässä. Kiillekyhmyjen alueella kiillettä ei ole vielä muodostunut. Tertiääriset kiillekyhmyt kehittyvät mahdollisesti sekundaaristen kiillekyhmyjen soluista. Sekä primäärinen että sekundaarinen kiillekyhmy ilmentävät Slit1:tä. Sen ilmentyminen sekundaarisessa kiillekyhmyssä alkaa FGF4:n ilmentymisen loputtua. Ilmentyminen jatkuu sekundaaristen kiillekyhmyjen häviämisen jälkeen muutamissa epiteliaalisissa soluissa, jotka sijaitsevat sisemmän kiille-epiteelin vieressä kuspien kärkien mesiaalipuolella. Näistä soluista kehittyvät tertiääriset kiillekyhmyt (Luukko ym. 2003, Matalova ym. 2005). Tutkimusten mukaan vaikuttaa myös siltä, että Slit1 säätelee poskihampaiden muotoutumista estämällä epiteliaalisten solujen proliferaatiota ja kiilteen muodostumista. Inhiboimalla solujen proliferaatiota, differentaatiota ja /tai toimintaa, Slit1 säätelee kuspien etäisyyttä ja korkeutta sekä kuspeja yhdistävien poikittaisten reunaharjujen korkeutta (Luukko ym. 2003).

13 13 Primaarisen kiillekyhmyn muodolla ja koolla on suuri merkitys, jotta epiteeli taipuu oikealla tavalla. Hiirillä Tabby-geenin mutaatio johtaa ektodermaalisten rakenteiden, karvojen, hampaiden ja rauhasten, kehityshäiriöihin. Ne puuttuvat kokonaan, ovat pienempi kokoisia tai niiden rakenne on poikkeava. Usein etuhampaat ja kolmannet poskihampaat puuttuvat kokonaan, kun taas ensimmäiset ja toiset poskihampaat ovat kooltaan pienempiä ja niiden kuspiluku on puutteellinen. Primaarinen kiillekyhmy on pienempi verrattuna normaalisti kehittyviin hampaisiin ja se ilmentää samoja viestimolekyylejä pienemmällä intensiteetillä (Pispa ym. 1999). Primaarinen kiillekyhmy ohjaa sekundaaristen kiillekyhmyjen kehittymistä, jotka puolestaan määräävät kruunun kuspien paikat (Thesleff ja Jernvall 1997). Näin ollen primaarisen kiillekyhmyn vähentynyt signalointi johtaa epiteelin vääränlaiseen taipumiseen lakkivaiheessa ja varhaisessa kellovaiheessa, jolloin se vaikuttaa myös sekundaaristen kiillekyhmyjen kehitykseen. Sekundaariset kiillekyhmyt voivat sulautua yhteen, mikä johtaa hiirillä bukkaalisen ja linguaalisen kuspin yhteensulautumiseen (Pispa ym. 1999). Tabby-geeni ilmentää ektodysplasiinia, joka on downless-geenin ilmentämän Edar-reseptorin ligandi. Edarreseptori kuuluu tuumorinekroosifaktori-reseptoreihin (TNF-reseptori). Mesenkyymin ekspressoima aktiviini-beta-a indusoi Edar:n ilmentymisen kiillekyhmyissä, kun taas oraalija dentaaliepiteelin ilmentämä WNT6 indusoi tabby-geenin ilmentymistä ja siten ektodysplasiinin ilmentymistä ektodermissä yhdessä Lef1:n kanssa. Aktiviini-beta-A tarvitaan myös silmuvaiheen käynnistymiseen ja sen ilmentymisen mesenkyymissä indusoi epiteliaalinen FGF8. Aktiviini-beta-A-mutaatio hiirillä johtaa alaleuan etuhampaiden ja poskihampaiden kehityksen pysähtymiseen silmuvaiheessa, kun taas yläleuan poskihampaat kehittyvät normaalisti (Ferguson ym. 1998). Ektodysplasiini säätelee siis kiillekyhmyjen toimintaa, joten tabby-geenin mutaatio johtaa pienentyneen kiillekyhmyn kehittymiseen ja sitä kautta kruunun muotoutumisen häiriintymiseen (Laurikkala ym. 2001). Ihmisillä mutaatiot EDA, EDAR ja EDARADD geeneissä johtavat hypohidroottiseen ektodermaaliseen dysplasiaan, jossa potilailla tavataan tappimaisia hampaita ja kuspien muotoutumishäiriöitä poskihampaissa (Headon ym. 2001). WNT/beta-kateniini-signalointi on aktiivinen kaikissa hampaan kehityksen vaiheissa. Tutkimustulokset osoittavat, että se on välttämätön kiillekyhmyn ylläpidossa ja siten sillä on tärkeä rooli hampaiden muotoutumisessa. WNT/beta-kateniini-signalointi vaimentaa ektodiinin ekspressiota, joka inhiboi BMP4:n välittämää p21-ekspressiota ja siten vaikuttaa kiillekyhmyn syntymiseen. Näin ollen, jos WNT/beta-kateniini-signalointi estyy, ektodiinin

14 14 ekspression lisääntyminen johtaa kuspien muotoutumisen häiriintymiseen (Liu ym. 2008). Toisaalta riittämätön ektodiinin ekspressio johtaa suurentuneiden kiillekyhmyjen kehitykseen ja siten vaikuttaa myös poikkeavaan kruunun muotoutumiseen (Kassai ym. 2005). Lisäksi WNT-signalointi vaikuttaa ektodysplasiinin ilmentymiseen vaikuttamalla hiirillä Tabbygeeniin ja ihmisillä EDA-geeniin, joten WNT/beta-kateniini-signaloinnin häiriintyminen varhaisessa kellovaiheessa johtaa kuspien muotoutumisen häiriintymiseen (Liu ym. 2008). 3.5 Odontogeeninen homeobox-koodi Odontogeeninen homeobox-koodi sisältää geenejä, joiden tuotteet säätelevät muiden hampaiden kehitykseen osallistuvien geenien transkriptiota (Nieminen ja Arte 2006, Berkovitz ym. 2009). Ensimmäinen nielukaari, josta kehittyvät ylä- ja alaleuka, sisältää hermostopienasta peräisin olevia soluja. Soluissa ilmenevät seuraavat homeobox-geenit: Msx1, Msx2, Dlx1, Dlx2, Barx1 ja Alx3. Hampaiden kehityksessä mukana oleva hermostopianasta peräisin oleva mesenkyymi voidaan jakaa alueisiin, joissa ilmenee hieman eri joukko kyseisiä homeoboxgeenejä. Ne ohjaavat hampaan aiheen morfogeneesiä tiettyyn suuntaan. Tulevalla etuhampaiden alueella ilmenevät Msx1, Msx2 ja Alx3, tulevalla kulmahampaiden ja välihampaiden alueella ilmenevät Msx1 ja Msx2 ja tulevalla poskihampaiden alueella ilmenee Barx1. Epiteeli ilmentää kasvutekijöitä, FGF-8 ja -9 sekä BMP-4, joiden läsnäolo vaikuttaa siihen, mitkä homeobox-geenit ilmenevät tietyillä mesenkyymin alueilla. FGF-8 stimuloi yhdessä FGF-9 kanssa Barx1 ilmentymistä poskihampaiden alueella, kun taas BMP-4 vaikuttaa Msx1 ja Msx2 ilmentymiseen etuhampaiden alueella. Samalla se inhiboi Barx1 ilmentymistä (Berkovitz ym. 2009).

15 15 Kuva 1. Hampaiden kehitys ja sitä säätelevät geenit. Viestimolekyyliperheiden jäsenet osallistuvat hampaiden kehityksen säätelyyn. Samat viestimolekyylit ilmenevät kaikissa tärkeissä hampaiden kehityksen vaiheissa (Thesleff 2006).

16 Viestimolekyyliperheet SHH FGF WNT/beetakateniini BMP4 16 Tehtävät Saa aikaan solujen proliferaatiota, jonka seurauksena muodostuvat esimerkiksi hammassilmut silmuvaiheessa sekä hampaan kruunun kuspirakenteet (Jernvall ym.1994, Hardcastle ym. 1998). Tehostaa kiillekyhmyssä ilmentyvien BMP-viestimolekyylien toimintaa (Laurikkala ym. 2003). FGF4 saa aikaan solujen proliferaatiota ja se osallistuu näin hampaiden kuspirakenteiden syntymiseen (Jernvall ym. 1994). FGF4 tehostaa kiillekyhmyssä ilmentyvien BMP-viestimolekyylien toimintaa (Laurikkala ym. 2003). Osallistuu kiillekyhmyn ylläpitoon ja siten hampaan kruunun muotoutumiseen (Liu ym. 2008). Vaikuttaa EDA-geenin kautta ektodysplasiinin ilmentymiseen, jolla on myös vaikutusta kruunun muotoutumiseen (Liu ym. 2008). Osallistuu hampaan kehityksen initiaatioon (Liu ym. 2008). On mukana muun muassa hampaiden kehityksen initiaatiossa, kiillekyhmyn kehityksessä, ameloblastien erilaistumisessa sekä käynnistää kiillekyhmyn apoptoosin (Vaahtokari ym. 1996, Jernvall ym. 1998, Bei M ym. 2000, Wang X-P ym. 2004, Thesleff 2006). Taulukko 1. Viestimolekyylien tehtäviä.

17 17 4 HAMPAIDEN LUKUMÄÄRÄN SÄÄTELY JA LUKUMÄÄRÄMUUTOKSET 4.1 Hampaiden fuusioituminen Normaalisti ihmisellä on 20 maitohammasta ja 32 pysyvää hammasta, kun viisaudenhampaat lasketaan mukaan (Arte 2001). Fuusioituminen on yksi tapa säädellä hampaiden lukumäärän kehittymistä. Rotilla yläleuan etuhammas alkaa kehittyä, kun mediaalisen nasaalilisäkkeen ja maksillaarisen lisäkkeen primaariset dentaaliplakodit fuusioituvat yhdeksi yhtenäiseksi dentaaliplakodiksi. Pax6-mutaatio rotilla johtaa ylimääräisten etuhampaiden kehittymiseen, koska mediaalisen nasaalilisäkkeen ja maksillaarisen lisäkkeen fuusioitumista ei tapahdu, ja niiden väliin jää rako. Primaariset dentaaliplakodit kehittyvät kuitenkin normaalisti, jolloin lopulta voi kehittyä kaksi etuhampaan aihetta (Kriangkrai ym. 2006). Myös ihmisillä yläleuan lateraaliset etuhampaat kehittyvät fuusioitumisen seurauksena samaan tapaan kuin rotilla. Dentaalilamina kehittyy ensin sekä mediaaliseen nasaalilisäkkeeseen että maksillaariseen lisäkkeeseen. Kun lisäkkeet kasvavat yhteen, dentaalilaminoita erottaa vielä kapea uurre, joka katoaa myöhemmin dentaalilaminoiden fuusioitumisen seurauksena. Fuusiokohdasta alkaa lateraalisen yläetuhampaan kehitys. Yläleuan maitoetuhampaiden kehitystavan vuoksi niissä esiintyy paljon kehityshäiriöitä (Hovorakova ym. 2006). Yhden tutkimuksen mukaan 3 3,5-vuotiaiden lasten ylimääräisistä maitohampaista puolet oli yläleuan lateraalisia etuhampaita (Ravn 1971). Samaan tapaan kuin rotilla lisäkkeiden fuusioitumisen estyminen voi johtaa ylimääräisten hampaiden kehittymiseen. Myös tilanteissa, joissa mediaalinen nasaalilisäke ja maksillaarinen lisäke fuusioituvat yhteen mutta dentaalilaminat eivät fuusioidu, voi kehittyä kaksi lateraalista yläetuhammasta (Hovorakova ym. 2006). Joillakin tabby-hiirillä esiintyy ylimääräinen poskihammas etuhampaan ja ensimmäisen poskihampaan välissä. Normaalisti kehittyvillä hiiren alkioilla on havaittavissa hetkellisesti kaksi hampaanaiheen jäännettä kehittyvän ensimmäisen poskihampaan edessä. Näistä distaalisempi jäänne osallistuu ensimmäisen poskihampaan kehittymiseen sulautumalla siihen ja muodostamalla kruunun mesiaalisen osan. Kyseinen hampaanaihe on jäänne hiirten esi-isillä esiintyvästä neljännestä välihampaasta. Tabby-hiirillä hampaan jäänne ei sulaudu normaalisti ensimmäiseen poskihampaaseen, jolloin voi kehittyä ylimääräinen poskihammas ja normaalisti

18 18 esiintyvän ensimmäisen poskihampaan kruunu jää tavallista pienemmäksi (Peterkova ym. 2005). 4.2 Hiirten poskihampaiden lukumäärän säätely Hiirillä tehdyn tutkimuksen mukaan kehittyvien poskihampaiden koon ja määrän säätelyyn osallistuvat sekä mesenkyymistä peräisin olevat positiiviset signaalit että kehittyvien poskihampaiden toisiinsa kohdistamat negatiiviset signaalit. Negatiivisilla signaaleilla tarkoitetaan aiemmin kehittyvän poskihampaan vaikutusta seuraavan poskihampaan kehitykseen (Kavanagh ym. 2007). Normaalisti hiirille kehittyy yksi etuhammas ja kolme poskihammasta jokaiseen leuan neljännekseen (Jernvall J ja Thesleff I 1999, Klein ym. 2006). Poskihampaat kehittyvät järjestyksessä ensimmäisestä poskihampaasta alkaen. Tutkimuksessa tutkittiin poskihampaiden aiheiden kehittymistä in vivo ja in vitro. Koska toinen poskihammas kehittyy ensimmäisen poskihampaan dentaalilaminan taaksepäin pidentyneestä jatkeesta, haluttiin myös selvittää miten jatkeen katkaiseminen vaikuttaa toisen poskihampaan kehittymiseen. Ensimmäisen poskihampaan kehityksessä ei huomattu eroa in vivo ja in vitro välillä. Sen sijaan toisen poskihampaan kehityksen initiaatio on viivästynyt, mikä voi olla seurausta vähentyneestä mesenkymaalisesta positiivisesta signaloinnista. In vitro -olosuhteissa poskihampaiden aiheet dissekoitiin hiirten alkioista, jolloin ne ovat menettäneet kosketuksensa mesenkyymiin ja sen seurauksena kehitystä säätelevien negatiivisten ja positiivisten signaalien tasapaino on häiriintynyt (Kavanagh ym. 2007). Jos dentaalilaminan jatke katkaistiin, 98 %:ssa tapauksista jatkeesta kehittyi toinen poskihammas ja niistä 68 % kehittyi yhtä nopeasti kuin in vivo. Jatkeen katkaisemisen seurauksena ensimmäisen poskihampaan inhiboiva vaikutus toisen poskihampaan kehittymiseen estyi, jolloin myös positiivisten ja negatiivisten signaalien tasapaino palautui. Kyseisessä tilanteessa dentaalilaminan jatke katkaistiin 14. kehityspäivänä, jolloin hiiren ensimmäisen poskihampaan aihe on lakkivaiheessa ja primaarinen kiillekyhmy kehittynyt. Tällöin hampaan aiheessa ilmentyy myös useita signaalimolekyylejä, kuten inhibiittoreina toimivia ektodiinia, BMP3:sta ja follistatiinia. Nämä inhibiittorit vaikuttavat myös toisen poskihampaan kehittymiseen, joten tutkimuksessa haluttiin selvittää mitä tapahtuu toisen ja kolmannen poskihampaan kehitykselle, jos ensimmäisen poskihampaan inhiboiva vaikutus poistetaan aikaisemmassa vaiheessa. Dentaalilaminan jatke katkaistiin 13. kehityspäivänä, kun

19 19 ensimmäisen poskihampaan primaarinen kiillekyhmy oli vasta alkanut kehittyä ja siten kyseisiä inhibitorisia signaalimolekyylejä ei vielä ilmentynyt. Tämän seurauksena toisen ja kolmannen poskihampaan kehitys kiihtyi entisestään ja 90 % toisista poskihampaista lähti kehittymään päivää aikaisemmin verrattuna in vivo -tilanteeseen. Toinen ja kolmas poskihammas eivät koskaan lähteneet kehittymään samanaikaisesti, mikä myös puoltaa ajatusta siitä, että ensimmäisellä poskihampaalla on inhiboiva vaikutus toisen poskihampaan kehittymiseen ja toisella poskihampaalla kolmannen poskihampaan kehittymiseen (Kavanagh ym. 2007). Kyseisen tutkimuksen perusteella näyttäisi myös siltä, että kehittyvien hampaiden koolla olisi vaikutusta hampaiden lukumäärän kehittymiseen. Esimerkiksi, jos toisen poskihampaan koko jää alle puoleen ensimmäisen poskihampaan koosta, kolmas poskihammas ei kehity ollenkaan. Jos taas kolmas poskihammas saavuttaa toisen poskihampaan koon, voi kehittyä myös neljäs poskihammas. Lisäksi tutkimuksessa huomattiin, että inhiboivan vaikutuksen poistaminen vaikutti hampaiden kokoon. Kun ensimmäisen poskihampaan inhiboiva vaikutus toisen poskihampaan kehitykseen estettiin katkaisemalla dentaalilaminan jatke, toinen poskihammas kehittyi kaksi kertaa suuremaksi. Näin ollen hampaiden kokoon ja hampaiden lukumäärään vaikuttaa positiivisten ja negatiivisten signaalien keskinäinen suhde (Kavanagh ym. 2007). Cai:n ym. (2007) tutkimuksen mukaan taas kehittyvien poskihampaiden lukumäärään vaikuttaa mesenkymaalisten solujen määrä. Solujen määrän lisääntymisen seurauksena poskihammasalue kasvaa, mutta hampaan koko pysyy samana, jolloin alueelle mahtuu kehittymään myös neljäs poskihammas. Samaisessa tutkimuksessa selvitettiin myös hampaiden koon, kuspien koon ja kuspien lukumäärän määräytymistä hiirillä ja rotilla. Tulosten perusteella dentaalimesenkyymi osallistuu hampaan ja dentaaliepiteeli kuspien koon säätelyyn. Kun hiiren epiteeli ja rotan mesenkyymi yhdistettiin, hampaan leveys kasvoi, mutta kuspien koko pysyi samana verrattuna hiiren poskihampaaseen, jolloin hampaaseen kehittyi useampi kuspi kuin normaalisti. Jos taas rotan epiteeli ja hiiren mesenkyymi yhdistettiin, hampaan leveys pysyi samana, mutta kuspin koko kasvoi verrattuna hiiren poskihampaaseen. Tällöin hampaaseen kehittyi vähemmän kuspeja kuin normaalisti. Epiteeli ja mesenkyymi vaikuttavat siis yhdessä kuspien lukumäärän kehittymiseen (Cai ym. 2007).

20 Viestimolekyyliperheiden vaikutus hampaiden lukumäärän säätelyyn SHH-signalointi Viestimolekyyliperheiden jäseniä on mukana myös hampaiden lukumäärän säätelyssä (Catón ja Tucker 2009). Hiirillä tehtyjen tutkimusten perusteella näyttäisi siltä, että hampaiden lukumäärän kehittymistä säädellään inhiboimalla monia hampaiden kehitykseen osallistuvia viestimolekyylejä. Hiirten alkioilta on löydetty lukuisia hampaan aiheen jäänteitä esimerkiksi yläleuan diasteeman alueelta (Cobourne ja Sharpe 2010). Hiirillä diasteemalla tarkoitetaan etuhampaan ja ensimmäisen poskihampaan välistä hampaatonta aluetta (Klein ym. 2006). Normaalisti nämä aiheet häviävät apoptoosivälitteisesti tai kuten aiemmin todettiin, aihe voi sulautua kehittyvään poskihampaaseen. SHH-signalointireitillä on tärkeä osuus hampaiden lukumäärän säätelyssä, koska rajoittamalla sen aktiivisuutta estetään kyseisten hampaanjäänteiden kehityksen jatkuminen. Vastaavasti SHH:n liiallinen ekspressio johtaa ylimääräisten hampaiden kehittymiseen (Cobourne ja Sharpe 2010). Mesenkyymistä peräisin oleva FGF-signalointi osallistuu SHH:n ilmentymisen säätelyyn. Tämä saatiin selville, kun tutkittiin hiiriä, joilta puuttuu Spry2-geeni. Spry2-geeni kuuluu Spry (Sprouty)- geeniperheeseen, jonka tuotteet vaimentavat FGF-signalointireitin aktiivisuutta. Normaalisti mesenkyymistä peräisin oleva FGF-signalointi indusoi ja ylläpitää SHH:n ekpressiota kehittyvissä hampaissa. Diasteeman alueella Spry2-geenin tuotteet inhiboivat FGFsignaloinnin vaikutusta, jolloin jäännehampaiden kehitys pysähtyy. Spry2-geenin toiminnan puuttuminen johtaa ylimääräisten hampaiden kehittymiseen alaleuassa, mutta sen sijaan sillä ei ole merkittävää vaikutusta yläleuan hampaiden kehitykseen. Spry2-geenin normaalin toiminnan puuttumisen vuoksi mesenkyymistä peräisin olevat FGF-signaalit, erityisesti FGF3:n ja FGF10:n välittämät signaalit, lisäävät SHH:n ilmentymistä jäännehampaiden kiillekyhmyissä, jolloin niiden kehitys jatkuu ja niistä kehittyy ylimääräisiä hampaita (Klein ym. 2006). Myös mesenkyymissä ilmentyvän Spry4-geenin toiminnan puute johtaa ylimääräisten hampaiden kehittymiseen diasteeman alueella. Normaalisti Spry4-geenin tuotteet estävät diasteeman alueella kiillekyhmyn ilmentämän FGF4:n vaikutusta mesenkyymin FGF3:n tuotantoon, jolloin jäännehampaiden kehitys pysähtyy. Puutoksen seurauksena mesenkyymin

21 21 FGF3:n ilmentyminen lisääntyy, jolloin Spry2-geenituotteet eivät pysty täysin estämään FGFsignaloinnin vaikutusta SHH:n ilmentymiseen kiillekyhmyssä. Tekijää, joka indusoi ja ylläpitää FGF4:n ilmentymistä kiillekyhmyssä, ei vielä tiedetä. Verrattuna Spry2-geenin puutokseen, Spry4-geenin puutos johti ylimääräisten hampaiden kehitykseen unilateraalisesti (Klein ym. 2006) BMP-signalointi BMP-signaloinnilla näyttäisi olevan osuutta poskihampaiden lukumäärän kehittymisessä. Aiemmin todettiin, että BMP-inhibiittorina toimivan ektodiinin toiminnan häiriintyminen johtaa kruunun kuspien poikkeavaan kehittymiseen. Sen lisäksi puutteellinen ektodiinin toiminta voi johtaa ensimmäisen ja toisen poskihampaan fuusioitumiseen sekä ylimääräisen poskihampaan kehittymiseen (Kassai ym. 2005) WNT-signalointi WNT/beetakateniini-signalointi on aktiivisena koko hampaan kehityksen ajan. Se osallistuu kiillekyhmyjen ylläpitoon ja hampaan kruunun kuspien muotoutumiseen, mutta sillä on myös tärkeä rooli hampaiden kehityksen alkuvaiheessa. WNT/beetakateniini-signalointi on mukana hampaan kehityksen initiaatiossa ja toisaalta signaloinnin puuttuminen johtaa hampaan kehityksen pysähtymiseen varhaisessa silmuvaiheessa (Liu ym. 2008). Lisääntynyt WNT/beetakateniini-signalointi johtaa ylimääräisten hampaiden kehittymiseen. Verrattuna lisääntyneen SHH-signaloinnin vaikutukseen ylimääräisten hampaiden kehittymiseen, lisääntynyt WNT/beetakateniinisignalointi käynnistää uusien hammasaiheiden kehittymisen suoraan vestibulaarisesta epiteelistä ja oraaliepiteelistä silmikoitumalla (Cobourne ja Sharpe 2010). Muuntogeenisillä hiirillä tehdyssä tutkimuksessa selvitettiin WNT-signalointireitin yhteyttä hampaiden uusiutumiseen. WNT-signalointia lisättiin suun epiteelissä muuttamalla beetakateniini, eli WNT-signalointia välittävä tekijä, jatkuvasti aktiiviseen muotoon. Koska muuntogeeniset hiiret eivät selviytyneet syntymään asti, varhainen poskihampaan aihe siirrettiin kasvamaan vastaanottajahiiren munuaiskapselin alle. Tästä aiheesta kehittyi kolmessa viikossa munuaisen puolikkaan kokoinen kasvain, joka sisälsi 42 normaalisti

22 22 erilaistunutta hammasta, joista suurin osa oli yksikuspisia. Kruunut olivat mineralisoituneet hyvin. Kun sama tehtiin normaalin hiiren hampaan aiheelle, yhdestä aiheesta oli kolmen viikon kuluttua kehittynyt kolme normaalin muotoista, kokoista ja normaalisti mineralisoitunutta poskihammasta. Tutkimuksen perusteella voidaan sanoa, että beetakateniinin jatkuva aktivaatio johtaa uusien hampaiden jatkuvaan kehityymiseen dentaaliepiteelistä (Jarvinen ym. 2006). 4.4 Hampaiden lukumäärämuutokset Ihmisen yleisimpiä kehityshäiriöitä ovat yhden tai useamman hampaan puutokset (Arte ym. 2005, Niemine ja Arte 2006). Hypodontialla tarkoitetaan alle kuuden pysyvän hampaan puutosta, kun viisaudenhampaita ei oteta huomioon laskuissa (Arte 2001). Verrattuna muuhun väestöön, hypodontia on yleisempää henkilöillä, joiden ensimmäisen asteen sukulaisilla esiintyy myös hypodontiaa. Puuttuvien hampaiden lukumäärä ja sijainti voivat kuitenkin poiketa suvun sisällä. Tämä viittaa siihen, että geneettisten tekijöiden lisäksi myös epigeneettisillä tekijöillä ja ympäristötekijöillä on vaikutusta hypodontian synnyssä (Parkin ym. 2009). Suomessa hypodontiaa esiintyy noin 8 % väestöstä, kun viisaudenhampaiden puutoksia ei oteta huomioon (Arte ym. 2005). Oligodontiassa pysyviä hampaita puuttuu vähintään kuusi. Se on harvinaisempi hammaspuutosten muoto, jota esiintyy noin promillella väestöstä (Arte 2012). Anodontiassa suusta puuttuvat kaikki hampaat. Synnynnäinen anodontia on yksinään erittäin harvinaista, mutta sitä esiintyy esimerkiksi ektodermaalisen dysplasian yhteydessä (Arte 2001). Hammas luokitellaan synnynnäisesti puuttuvaksi, kun se ei puhkea suuonteloon eikä näy röntgenkuvassa (Arte 2001). Yleisimmin puuttuvia hampaita ovat toiset alaleuan välihampaat, lateraaliset yläetuhampaat ja toiset yläleuan välihampaat (Arte 2001, Polder ym. 2004). Maitohampaiden puuttuminen on harvinaisempaa kuin pysyvien hampaiden puuttuminen, mutta lähes aina maitohampaan puutoksesta seuraa myös vastaavan pysyvän hampaan puuttuminen (Arte 2001). Hammaspuutokset esiintyvät yleisimmin muuten terveillä henkilöillä erillisenä oireena. Noin 8 %:lta suomalaisista puuttuu jokin pysyvistä hampaista ja kun laskuissa huomioidaan viisaudenhampaat, pysyviä hampaita puuttuu jo yli 20 %:lta (Arte 2012).

23 23 Oligodontian ja hypodontian taustalla voivat olla geneettiset tekijät tai ympäristötekijät. Ympäristötekijöitä ovat esimerkiksi trauma tai sädehoito (Arte 2001, Arte 2012). Lisäksi hammaspuutoksia esiintyy monien syndroomien yhteydessä. Geneettisesti hammaspuutos periytyy tavallisimmin autosomissa vallitsevasti. Hypodontian yhteydessä tavataan myös muita hampaiden rakennepoikkeavuuksia, joista esimerkkinä ovat pienet, tappimaiset lateraaliset yläetuhampaat, ektooppiset yläkulmahampaat, hampaiden kiertyminen ja taurodontismi (Arte 2001). Hypodontia on myös tavallista henkilöillä, joilla on huuli- ja suulakihalkioita. Suomessa hypodontian prevalenssi vaihtelee riippuen halkion tyypistä. Huulihalkiossa prevalenssi on 10 %, suulakihalkiossa 33 %, unilateraalisessa suulakihalkiossa 49 % ja bilateraalisessa suulakihalkiossa 68 %. Tavallisimmin puuttuva hammas on yläleuan lateraalinen etuhammas (Ranta 1986, Arten 2001 mukaan, Laatikainen ja Ranta 1994, Arten 2001 mukaan). Hammaspuutosten lisäksi ihmisillä esiintyy hyperdontiaa eli ylimääräisiä hampaita (Arte 2001). Sitä tavataan esimerkiksi kleidokraniaalisen dysplasian yhteydessä, jonka taustalla on mutaatio Runx2-geenissä (Thesleff 2006). Geeneillä on merkittävä rooli synnynnäisten hammaspuutosten etiologiassa (Arte 2001). Suurin osa tunnetuista kehityshäiriöitä aiheuttavista geeneistä kuuluu signaaliverkostoihin, jotka ohjaavat solujen välistä viestintää. Signaaliverkostot säätelevät solujen jakautumista ja erilaistumista ja vaikuttavat sitä kautta kudosten ja elinten muodostumiseen (Thesleff 2001). Kiilleproteiinin lisäksi ei ole toistaiseksi löydetty muita geenejä, jotka olisivat spesifisiä vain hampaille. Siksi hampaiden kehityshäiriöiden lisäksi myös muiden rakenteiden kehitys voi usein olla häiriintynyt (Thesleff 2006). Mutaatiot Msx1-, Pax9- ja Axin2-geeneissä aiheuttavat ihmisellä oligodontiaa ainoana kehityshäiriönä (Vastardis ym. 1996, Arte ym. 2005). Axin2 osallistuu WNT-signaloinnin välitykseen ja oligodontian lisäksi se altistaa paksusuolensyövälle (Arte ym. 2005, Thesleff 2006). Axin2 on osa solulimassa toimivaa proteiinikompleksia, jonka tehtävänä on säädellä solun sisäisen beeta-kateniinin määrää. Normaalisti solun ulkoinen WNT-kasvutekijä sitoutuu solukalvolla olevaan reseptoriin, jonka seurauksena kyseinen proteiinikompleksi inaktivoituu ja beeta-kateniinin määrä solun sisällä lisääntyy. Beeta-kateniini säätelee tumassa WNT-signaloinnin kohdegeenin toimintaa. Suomesta on löytynyt suku, jossa Axin2-mutaatio periytyy autosomissa vallitsevasti.

24 24 Yhdeltätoista suvun jäseneltä puuttui vähintään kahdeksan pysyvää hammasta ja kahdelle heistä kehittyi vain 3 pysyvää hammasta. Suurimmalla osalla puuttuivat suurin osa poskihampaista, välihampaista sekä alaetuhampaista ja lisäksi monelta puuttui yläleuan lateraalisia etuhampaita. Kolmelta henkilöltä puuttuivat kaikki kulmahampaat. Tavallisimmin suuhun kehittyivät keskimmäiset etuhampaat, yläkulmahampaat, ensimmäiset välihampaat ja ensimmäiset poskihampaat. Vain yhdellä henkilöllä yhdestätoista oligodontia-henkilöistä puuttui neljä maitoetuhammasta. Kolorektaalikarsinoomaa tai syövän esiasteita löytyi kahdeksalta henkilöltä, joilla oli lisäksi oligodontia. Niiltä suvun jäseniltä, joille oli kehittynyt normaali hampaisto, ei löytynyt merkkejä neoplastisista muutoksista (Lammi ym. 2004). Edellä mainittuun proteiinikompleksiin kuuluu myös APC-proteiini (Lammi ym. 2004), jonka mutaatioiden on osoitettu aiheuttavan familiaalisen adenomatoottisen polypoosin (FAP) (Aula ym. 2002). Mutaatio johtaa WNT-signaloinnin aktivoitumiseen (Järvinen ym. 2006). Osalla potilaista tavataan myös ylimääräisiä hampaita, kiilautuneita hampaita ja odontoomia, jotka ovat harvinaisia useista hampaista koostuvia kasvaimia (Wolf ym. 1986, Järvinen ym. 2006, Fang y 2017). Tautia kutsutaan Gardnerin syndroomaksi, kun siihen liittyy taipumus leukaluun osteoomiin, odontoomiin ja ylilukuisiin hampaisiin (Aula ym. 2002). Msx1 on homeobox-transkriptiotekijä, jolla on merkittävä rooli hampaan kehityksen säätelyssä (Satokata ja Maas 1994). Homeobox-transkriptiotekijät osallistuvat elinten kehityksen kaavoitukseen ja ne säätelevät solujen varhaista erilaistumista (Arte ym. 2005). Msx1-geenin puutos johtaa hiirillä hampaiden kehityksen pysähtymiseen silmuvaiheessa (Satokata ja Maas 1994). Lisäksi Msx1-geenin toiminnan estyminen johtaa suulakihalkion kehittymiseen (Satokata ja Maas 1994, Vastardis ym. 1996, Van den Boogaard ym. 2000). Ihmisellä hammaspuutoksia aiheuttavia Msx1-geenin mutaatioita on todettu viisi ja ne periytyvät autosomissa vallitsevasti. Kaikissa mutaatiotyypeissä puuttuvat ainakin toiset välihampaat ja viisaudenhampaat (Arte ym. 2005). Pax9 on myös transkriptiotekijä, jonka puutos hiirillä johtaa hampaan kehityksen pysähtymiseen silmuvaiheessa (Peters ym. 1998). Ihmisillä on löydetty useita Pax9-geenin mutaatioita ja ne aiheuttavat erityisesti poskihammaspuutoksia. Hammaspuutoksia voi esiintyä kuitenkin kaikissa hammasryhmissä (Arte ym. 2005).

25 25 5 SYNDROOMAT Samat kehitystä ohjaavat signaaliverkot osallistuvat kaikkien ruumiinosien kehitykseen. Siksi geenivirheet aiheuttavat usein oireyhtymiä, joissa useamman eri elimen tai kudoksen kehitys on häiriintynyt (Thesleff 2001). 5.1 Downin syndrooma Downin syndrooma on yleisin kromosomaalinen anomalia, jonka esiintyvyys vastasyntyneillä on arviolta 1/2000 alle 25 vuoden ikäisillä äideillä (Arte 2001, Sadler 2015). Esiintyvyys lisääntyy äidin vanhentuessa (Sadler 2015). Downin syndrooman aiheuttaa kromosomin 21 ylimäärä, translokaatio kromosomin 21 ja 13,14,15 tai 21 välillä tai trisomiamosaikismi (Arte 2001, Sadler 2015). Sen tyypillisiä piirteitä ovat kasvun hidastuminen, epikantuspoimut, litteät kasvot, pienet korvat, sydämen kehityshäiriöt, hypotonia, alttius leukemiaan ja hypertyreoosiin sekä infektioherkkyys. De Moraes ym. (2007) osoittavat brasilialaisessa tutkimuksessaan, että hammasanomaliat, erityisesti taurodontismi ja hammaspuutokset, ovat yleisiä Downin syndroomaa sairastavilla henkilöillä. Kumasaka ym. (1997) tutkivat tutkimuksessaan 98 Downin syndroomaa sairastavan henkilön panoraamaröntgenkuvat ja potilastiedot noin viiden vuoden iästä lähtien ja vertasivat löytämiään tietoja 150 hengen muodostamaan kontrolliryhmään. Tutkimuksessa havaittiin, että oligodontiaa esiintyi pysyvissä hampaissa 63 % ja kaksi tai useampi hammas puuttui 53 % Downin syndroomaa sairastavista henkilöistä. Kontrolliryhmässä oligodontiaa esiintyi vain 17 % ja kaksi tai useampi hammas puuttui 2,6 % henkilöistä. Rautahampaita ei tutkittu tässä tutkimuksessa. Yleisimmin puuttuva hammas oli alaleuan lateraalinen etuhammas (23,3 %). Muita useammin puuttuvia hampaita olivat yläleuan toinen välihammas (18,2 %), yläleuan lateraalinen etuhammas (16,5 %), alaleuan toinen välihammas (15,3 %), yläleuan toinen poskihammas (7,4 %) ja alaleuan ensimmäinen etuhammas (6,8 %). Muutamaa poikkeusta lukuun ottamatta puuttuvat hampaat olivat samoja kuin kontrolliryhmässä. Usein puuttui hammasryhmän distaalisin hammas. Tutkimuksessa huomattiin myös, että ainoastaan tiettyjen hampaiden puuttumisen yleisyydessä oli eroja ylä- ja alaleuan välillä. Yläleuasta puuttui