Irma Thesleff Hampaan kehitys ja sen säätely Hampaan kehitys Hammasjuoste (dental lamina) Rieger in syndrooma ( PITX 2 +/- ) Pitx2 Pitx2 plakodi 1
Hiiren sikiöstä eristetty hampaan aihe Kudosten erottaminen epiteeli mesenkyymi Kudosten yhdistäminen ja kasvatus in vitro Epiteelin ja mesenkyymin väliset vuorovaikutukset ohjaavat myös juuren kehitystä Solujen välinen viestintä on tärkein kehitystä säätelevä mekanismi hampaan kehitys kudosviljelmässä Hampaan kehitystä sääteleviä viestimolekyylejä Transformoiva kasvutekijä β (TGFβ) -Luun morfogeneettinen proteiini (BMP) -Aktiviini Fibroblastikasvutekijä (FGF) Wnt Sonic hedgehog (Shh) Ektodysplasiini (EDA) 2
Gene Expression in Tooth - graafinen tietopankki Hampaan kehitys alkaa kun epiteeli lähettää viereisille mesenkyymisoluille viestin http://bite-it.helsinki.fi viestimolekyylit: BMP, FGF, Wnt, Shh transkriptiotekijät: msx1, pax9 ym. Tietokannassa yli 300 geenin ilmenemiskuviot. Suurin osa näistä osallistuu solujen väliseen viestintään! vastavuoroiset viestit: Aktiviini; Fgf-3; Bmp-4 Kiillekyhmyt (enamel knot) ovat hampaiden kokoa ja muotoa sääteleviä viestikeskuksia Lakkivaihe E14 E14 Kiillekyhmyn signaaleja: Shh Fgf-3, 4, 9, 20 BMP 2,4,7 Wnt-3, 10a, 10b Kellovaihe Fgf-4 E17 Fgf-4 E19 Inducers Inducers FGFs FGFs Inhibitors BMPs Occlusal view at E17 An activator-inhibitor loop of signalling molecules determines the exact patterns enamel knots and tooth cusps (Salazar-Ciudad and Jernvall PNAS 99:8116,2002) Kiillekyhmyt määrittävät kuspien paikan ja korkeuden 3
Hampaan kehitystä säätelevät signaaliverkostot Oligodontiaa aiheuttavia geenejä Hiiri Ihminen Mutaatiot vihreissä geeneissä johtavat hampaiden puuttumiseen. Oligodontia = laaja hammaspuutos (yli 6 hammasta puuttuu) msx1 pax9 pitx2 eda edar edaradd p63 lef1 activin β A runx2 MSX1 PAX9 PITX2 EDA EDAR EDARADD P63 AXIN2 WNT10 Hypodontia Miksi tietyt hampaat puuttuvat useammin kuin muut? Inkisiivi premolaari hypodontia (IPH) Oligodontia ( > 6 puuttuvaa hammasta ) ei-syndroominen syndroominen (kehityshäiriöt lisäksi ektodermin elimissä, huuli-suulakihalkiot, raajadefektit ym) Useimmin puuttuvat hampaat: 3. molaarit 2. premolaarit yläkakkoset Plakodin koosta riippuu kuinka paljon kudosta siitä muodostuville hampaille riittää. Eri hammasryhmät kehittyvät omista plakodeistaan: etuhampaat, kulmahammas, premolaarit ja molaarit PAX9 geenin mutaatiot aiheuttavat oligodontian 4
Hampaat ovat ektodermin elimiä. Hypohidroottinen ektodermaalinen dysplasia (HED) Ne kehittyvät samanlaisten mekanismien ohjaamina kuin esim. karvat ja sylkirauhaset plakodi Hammas Karva Rauhanen Höyhen Mutaatio ektodysplasiini viestimolekyylissä (EDA) (tuumorinekroositekijä,tnf) Ektodysplasiini säätelee plakodien muodostusta Ectodysplasin (Eda) Edar E12 E13 E14 Ektodysplasiini säätelee Edar-reseptorin välityksellä hampaan viestikeskuksia, plakodeja ja kiillekyhmyjä. Ektodysplasiini kiihdyttää kaikkien ektodermaalisten elinten kehitystä kieli karvaplakodit hammasplakodit Ihmisen ektodermaalisen dysplasian malli. Sen ektodysplasiinigeeni ei toimi ja karva- ja hammasplakodit ovat pieniä. Eda -/- Siirtogeenisellä hiirellä, joka tuottaa ylimäärin ektodysplasiinia, plakodit ovat suuria. K14-Eda Villityyppi K14-Eda 5
Tavallisesti hiirillä on 3 poskihammasta Ektodysplasiini pelastaa hampaiden kehityksen syntymän jälkeen koirassa, jolla on Ektodermaalinen dysplasia (HED) HED HED + Eda Terve koira Eda -/- hiiren ektodysplasiinin geeni ei toimi, ja sillä on vain 2 poskihammasta Siirtogeeniselle hiirelle, jolla on ylimääräisiä ektodysplasiinin geenejä, (K14-Eda) kehittyy ylimääräinen hammas, premolaari? Ektodysplasiini injektiot 2-11 vrk syntymän jälkeen Casal et al., Am J Hum Genet, 2007 Voisiko ihmisille rakentaa uusia hampaita? Hampaiden uusiutumiskyky on vähentynyt evoluution aikana RUNX 2 geenin mutaatio aiheuttaa kleidokraniaalisen dysplasian Mutaatio Axin2 geenissä aiheuttaa laajan oligodontian * 24 pysyvää hammasta puuttuu Axin2 tarvitaan soluissa Wnt signaalin välitykseen Wnt on yksi tärkeimmistä kehitystä säätelevistä viestimolekyyleistä luun hypoplasia vaikeutunut puhkeaminen ylilukuisia hampaita, jotka kehittyvät pysyvistä hampaista. Siis: RUNX2 estää kolmannen hampaiston kehityksen -ja ihmisilläkin on kyky muodostaa uusi hammaskerta Lammi et al., Am.J.Hum.Genet. 2004 Yhteistyö HY Hammaslääketieteen laitoksen kanssa: Pekka Nieminen Sinikka Pirinen Sirpa Arte 6
Wnt viestinnän aktivoiminen suun epiteelissä herättää henkiin hiiren hampaiden menetetyn uusitumiskyvyn Mutantista hampaan aiheesta syntyy uusia hampaita peräjälkeen ß-cat ex3k14/+ transgeenisen hiiren yhdestä hampaasta kehittyi 42 hammasta Järvinen et al., PNAS, 2006 0 Voisiko uusia hampaita rakentaa suuhun signaalimolekyylien avulla?? Kehittyvässä hampaassa on hyvin varhain tieto kehityksen ohjaamiseen Wnt Ektodysplasiini Ongelma: Aikuisen suussa ei luultavasti ole potentiaalia hampaan kehitykseen. Tarvitaan: 1. Kantasoluja, jotka voidaan ohjelmoida hammaslinjalle - ips solut 2. Resepti, jolla solut ohjelmoidaan 3. Menetelmä, miten soluista kasvatetaan hammas epiteeli Kehitykseen tarvitaan 2 eri kudosta: epiteeli ja mesenkyymi. Ne voidaan erottaa toisistaan, yhdistää, ja kasvattaa hampaaksi. (Kollar ja Baird, 1969) e m transplantaatio HAMMAS mesenkyymi Hampaan kasvattaminen onnistuu myös kehittyvistä hampaista eristetyistä soluista Hiiren sikiön poskihampaan aihe Lakkivaihe Kantasolubuumi alkoi 1998 kun ihmisalkion kantasoluja onnistuttiin kasvattamaan solulinjoina. Kantasoluja osataan jo erilaistaa moniksi solutyypeiksi. Lakkivaihe TakashiTsuji, Nature Methods, 2007 PNAS 2009 Scientific American, 1998 Löytyisikö resepti, joka käynnistäisi kantasoluissa hampaan kehityksen ohjelman? 7
Hampaiden uudisrakentaminen kantasoluista? resepti X Hampaan epiteelisolut resepti Y Potilaan ikenestä/ihosta eristetyt solut tai ips kantasolut Hampaan mesenkyymisolut Kasvatus maljalla lakkivaiheiseksi Transplantaatio leukaan HAMMAS Tutkimusryhmä : Elinten kehityksen säätely Kehitysbiologian tutkimusohjelma Biotekniikan instituutti Viikin Biokeskus Helsingin yliopisto 8