Odontogenic differentiation of human dental pulp stem cells induced by preameloblast-derived factors

Abstract

The differentiation of odontoblasts is initiated by the organization of differentiating ameloblasts during tooth formation. However, the exact roles of ameloblast-derived factors in odontoblast differentiation have not yet been characterized. We investigated the effects of preameloblast-conditioned medium (PA-CM) on the odontogenic differentiation of human dental pulp stem cells (hDPSCs) in vitro and in vivo. Furthermore, we analyzed the PA-CM by liquid chromatography-mass spectrometry to identify novel factors that facilitate odontoblast differentiation. In the co-culture of MDPC-23 cells or hDPSCs with mouse apical bud cells (ABCs), ABCs promoted differentiation of odontoblastic MDPC-23 cells and facilitated odontoblast differentiation of hDPSCs. PA-CM, CM from ABCs after 3 days culture, was most effective in increasing the dentin sialophosphoprotein promoter activity of odontoblastic MDPC-23 cells. When PA-CM-treated hDPSCs were transplanted into immunocompromised mice, they generated pulp-like structures lined with human odontoblast-like cells showing typical odontoblast processes. However, during recombinant human bone morphogenetic protein 2-treated hDPSCs transplantation, some of the cells were entrapped in mineralized matrix possessing osteocyte characteristics. After proteomic analyses, we identified 113 types of proteins in PA-CM, of which we characterized 23 proteins. The results show that preameloblast-derived factors induce the odontogenic differentiation of hDPSCs and promote dentin formation.

치아 발생 동안의 상아모세포의 분화는 전구법랑모세포에 의해 개시된다. 그러나, 상아모세포 분화에 법랑모세포 유래 물질이 미치는 영향은 아직까지 알려진 바가 없다. 본 실험에서는 법랑모세포 전구세포 조건배지 (PA-CM)가 치수줄기세포의 상아모세포로의 분화에 미치는 영향을 확인하고자 하였다. 또한 법랑모세포 전구세포 조건배지를 liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS/MS)로 분석하여 상아모세포 분화에 관여하는 유전자를 찾고자 하였다. 상아모세포 또는 치수줄기세포를 생쥐의 애피컬 버드세포와 동시배양 하였을때, 애피컬 버드세포는 상아모세포와 치수줄기세포의 상아모세포로의 분화를 촉진시켰다. 애피컬 버드를 3일간 분화시켜 얻은 조건배지는 dentin sialophosphoprotein (DSPP) promoter의 활성을 가장 효과적으로 증가시켰다. 법랑모세포 전구세포 조건배지를 처리한 치수줄기세포를 면억억제된 쥐에 이식하였을 때, 전형적인 상아모세포 돌기의 특징을 나타내는 상아모세포와 유사한 세포들이 존재하는 치수와 유사한 구조를 형성하는 것을 확인하였다. 그러나 치수줄기세포에 bone morphogenetic protein 2 (BMP-2)를 처리하였을 때, 뼈세포의 특성을 보이는 세포가 석회화된 기질에 묻혀있는 것이 관찰되었다. 단백분석결과, 0일과 3일의 법랑모세포 전구세포 조건배지에서 총 113개의 단백질을 확인하였고, 0일과 3일의 법랑모세포 전구세포 조건배지에서 23개의 공통된 단백질을 확인하였다. 이러한 결과는 법랑모세포 전구세포 조건배지가 치수줄기세포를 상아모세포로 분화 유도하고, 상아질의 형성을 촉진함을 나타낸다.