ODONTOGÉNESIS Lina Quintero, Erika Simanca, Desirée Champsaur, Liliana Otero. Pontificia Universidad Javeriana.

Transcripción

1 ODONTOGÉNESIS Lina Quintero, Erika Simanca, Desirée Champsaur, Liliana Otero. Pontificia Universidad Javeriana. La señalización reciproca epitelio-mesénquima actúa para controlar el desarrollo del diente desde la iniciación hasta la mineralización del germen dental 1. Las primeras señales que inician este proceso, provienen del epitelio oral y de células derivadas de la cresta neural 2. Señales epiteliales específicas inducen la expresión regional de diversos genes en las células ectomesenquimatosas del primer arco branquial 3. El patrón del diente está determinado por la expresión regional de genes ectomesenquimales, pero esta expresión es producida en repuesta a las señales epiteliales. Además, las recombinaciones regionales reciprocas de incisivos/molares llevadas a cabo antes de E10.5 demuestran que el epitelio determina el tipo del diente, pero después de E10.5, el ectomesénquima es el responsable de esta función 4. Usando la expresión de Barx1, Dlx2 y Dlx5 como marcadores proximales (molar presuntivo) y Msx1 como marcador distal (incisivo presuntivo) y como marcador de células ectomesenquimales mandibulares, se ha demostrado que antes de E11.5, la expresión de estos genes es dependiente de las señales provenientes del epitelio, pero a partir de E11.5, la expresión es independiente del epitelio. Entre E9.5- E10.25, la respuesta de células del ectomesénquima a las señales del epitelio no tienen restricción, y todas las células expresan Msx1, Dlx2, Dlx5 y Barx1 5. Todas las células ectomesenquimales del arco mandibular son igualmente competentes para responder a Fgf8 y activar la expresión de Msx1, Barx1, Dlx2 o Dlx5, antes de E10.5, sin importar la posición, esto sugiere que las células de la cresta neural, que pueblan el arco mandibular, no son preespecíficas con respecto a la posición proximodistal y el destino odontogénico. Sin embargo, el factor Fgf8 parece tener propiedades de señalización que cambian entre E10 y E La aparente falta de especificación odontogénica de células de la cresta neural, coincide con los resultados de experimentos que muestran que la identificación de un diente, puede ser cambiada por medio de la inhibición de las señales de Bmp y de Barx1, en el mesénquima presuntivo del incisivo en el estadío E10 7. Este hecho también se ve reflejado con los experimentos que muestran que los dientes pueden desarrollarse cuando se recombina el epitelio oral con el ectomesénquima no oral del arco mandibular, o con las células de la cresta neural no pertenecientes al primer arco branquial. Las células de la cresta neural no son preespecíficas con respecto a su potencial odontogénico. Es probable que todas las células de la cresta neural sean odontogénicas cuando son presentadas con la apropiada

2 señalización instructiva, mas específicamente por aquellas producidas por el epitelio oral. Por otra parte las células de la cresta neural de la zona del rostro, tienen la capacidad de formar estructuras del maxilar inferior cuando son provistas de un ambiente permisivo en el arco branquial 8. En ratones, el desarrollo del diente en el primordio maxilar está restringido a la formación de molares (los incisivos se forman de los procesos nasales), los cuales deben ocluir con los correspondientes molares de la mandíbula proximal. Los genes Dlx son diferencialmente expresados en el primordio ectomesenquimal maxilar y mandibular. Dlx1 y Dlx2 son expresados en el ectomesénquima proximal de ambos primordios mientras otros genes Dlx, como el Dlx3, Dlx5, y Dlx6 son predominantemente expresados en el primordio mandibular 9. Las anormalidades craneofaciales de Dlx5 en ratones mutados, no incluyen ninguna estructura esquelética derivada del ectomesénquima del arco maxilar consistente con la ausencia de la expresión de Dlx5 en el arco maxilar. A pesar de la coexpresion de las células ectomesenquimales tanto en el primordio maxilar como en el mandibular, la doble mutación de Dlx1 y Dlx2 resulta en la ausencia del proceso de iniciación de los molares maxilares, ya que los molares mandibulares se desarrollan normalmente. Similarmente, la mutación del gen activin A, el cual es inicialmente expresado en partes del ectomesénquima que marcan la iniciación de todos los dientes, resulta en el desarrollo normal de los molares maxilares, pero el desarrollo del resto de dientes es detenido en la etapa de casquete. Estos resultados indican algunas diferencias fundamentales entre el desarrollo temprano de los primordios molares maxilares y mandibulares, sin embargo estos hallazgos requieren más investigación 10. Se ha encontrado que la expresión de Dlx2 y Dlx5 es regulada por señales epiteliales en el estadío E Fgf8 es una de las moléculas responsables de la expresión de estos genes. El epitelio maxilar y mandibular y Fgf8 exógeno pueden inducir la expresión de Dlx2 en el ectomesénquima maxilar y mandibular, pero no pueden inducir la expresión de Dlx5 en el ectomesénquima maxilar. Las células ectomesenquimales del maxilar superior son capaces de responder a las señales epiteliales y de expresar Dlx2, pero son incapaces de expresar Dlx5 en respuesta a las mismas señales. En E10.25, el epitelio maxilar es capaz de inducir la expresión de Dlx5 en el ectomesénquima mandibular, pero no puede hacerlo en el epitelio maxilar. Estos resultados implican que las células ectomesenquimales del primer arco branquial tienen propiedades intrínsecas relacionadas a su posición rostro caudal. Además las células ectomesenquimales maxilares se comportan de forma diferente a las células ectomesenquimales mandibulares, en su respuesta a las señales epiteliales.

3 Experimentos por recombinación, muestran que el epitelio del primer arco branquial es único ya que contiene señales instructivas para la odontogenesis, y que estas señales son capaces de llevar cualquier patrón informativo presente en las células de la cresta neural 11. Las interacciones reciprocas entre el epitelio y el mesénquima controlan todos los pasos de la odontogénesis. La morfogénesis coronal, es decir, el número de cúspides, su tamaño y posición, es específico para cada molar. Los experimentos de reasociación de tejidos, han mostrado que la morfogénesis coronal esta controlada por el mesénquima dental. La histogénesis epitelial inicia en el estadio de brote o botón dado que ya se pueden identificar morfológicamente 2 tipos celulares. Las que están en contacto con la membrana de base son elongadas, mientras que las células epiteliales internas son pequeñas y redondas. En el estadio de casquete, esta histogénesis epitelial se vuelve más compleja: se diferencia el epitelio dental interno, el externo, el retículo estrellado y los nódulos primarios del esmalte. Los mecanismos moleculares que controlan esta histogénesis epitelial implican interacciones célula a célula, célula a matriz celular así como moléculas de señalización. En el estadío de botón se adquiere nueva información posicional. Las células epiteliales adaptan su morfología para estar con o sin contacto con una membrana basal, y cambian nuevamente en el estadio de casquete, cuando se localizan en las regiones del epitelio dental interno o externo. Este cambio tardío es controlado por el mesénquima, sugiriendo que las especificidades regionales pueden existir en el mesénquima. El mesénquima dental, así como las células mesenquimales en la semana 14 inducen la formación de los nódulos primarios del esmalte, indicando que no se requiere una organización específica en el mesénquima para esta formación. Sin embargo, la proporción de piezas multicúspides es mucho mayor cuando las células epiteliales son reasociadas con mesénquimas intactos en lugar de reasociarlas con células mesenquimales solamente, lo que sugiere que la disociación del mesénquima tiene consecuencias en la funcionalidad de los nódulos primarios del esmalte 12. La posición dental y la morfogénesis dental son procesos que están determinados genéticamente. La morfogénesis es el proceso por el cual la lámina dental genera un diente con características morfológicas. La morfogénesis dental envuelve diferentes etapas: 1. lamina dental, 2. brote, 3. casquete, 4. campana temprana, 5. campana tardía, 6. Folículo dentario 13.

4 Alrededor de las seis semanas se produce la diferenciación de la lámina dental, e inicia la odontogénesis. La lámina epitelial o engrosamiento epitelial de la mucosa del estomodeo se invagina dentro del mesenquima subyacente, formando una cinta epitelial o lámina vestibular o bucal. En el extremo de la lámina dental se van formando engrosamientos esféricos o botones dentarios en respuesta a una condensación del mesénquima adyacente 14. Al finalizar la sexta semana los rebordes de los futuros maxilares superior e inferior son formaciones macizas, que no muestran subdivisiones en labios y encías. El maxilar inferior tiene osificación mixta, yuxtaparacondral (cuerpo mandibular), el cual; aparece entre la sexta y la séptima semana, y la rama es endocondral (con aparición entre la 12 y 13 semana). El maxilar superior comienza su osificación al terminar la sexta semana, a partir de los puntos de osificación situados por fuera de cartílago nasal, uno a nivel anterior denominado premaxilar y otro posterior denominado postmaxilar, el tipo de osificación es intramembranosa 15. El gen homeobox Msx-1 ha demostrado ser necesario para el desarrollo dental 16. La expresión de Msx1 inicia en las células mesenquimales de la papila y del folículo dental. El gen Msx-1 también es necesario para el desarrollo del paladar 17. En ratones transgénicos en los cuales se produce la mutación de Msx-1, los descendientes nacen con paladar fisurado y anodoncia completa. El gen Msx-1 es expresado en células mesenquimales derivadas de la cresta neural, en el proceso facial, en el mesénquima alrededor de la morfogénesis dental y en las extremidades 18. Se expresan Msx1 y Msx2 ampliamente en muchos órganos; particularmente en los sitios dónde hay interacciones epitelial-mesenquimales. Se expresan Msx1 y Msx2 fuertemente en las regiones craniofaciales en vías de desarrollo. La expresión de Msx2 es perceptible en la semana 7.5 del desarrollo embrionario humano. En la fase de desarrollo el germen del diente, Msx2 es perceptible en la lámina vestibular, el epitelio dental y el mesénquima 19. Se ha demostrado la distribución temprana de colágeno, fibronectina y tesnacina durante la morfogénesis dental 20. Al parecer la tesnacina juega un papel importante en las interacciones de tejido que maneja el desarrollo temprano de órganos embriónicos y de los folículos dentales 21. Esta glicoproteina esta asociada con la capacidad de diferenciación de células formadoras de tejidos duros 22. YY1 activa endógenamente la expresión del gen Msx2. BMP4 regula la expresión de Msx2 en el tejido embriónico y YY1 es el mediador de la actividad de BMP4. Las funciones de YY1 como un activador para el Msx2, y su regulación independiente de la vía BMP4, puede ser requerida durante la morfogénesis temprana craneofacial y de las extremidades 23.

5 Otros factores que están involucrados en la diferenciación celular esquelética son el Cbfa1 (factor unido al núcleo), un gen maestro para el hueso. Cbfa1, Msx2 y Dlx5 funcionan también como controladores de la expresión de osteocalcina. 24 En contraste la expresión de Dlx1 y Dlx2 en el mesénquima del arco maxilar y mandibular, está restringida a las regiones donde se desarrollará el futuro molar. En la morfogénesis dental, la expresión de Lhx 6 y Lhx7 es única y está restringida al mesénquima de la cresta neural y al medio oral. Fgf8 induce la expresión de Lhx 6 y Lhx7, e induce la cascada de la iniciación dental. BMP4 y Shh, están relacionados con la posición del germen dental. La expresión de Pax 9 es inducida por Fgf8 y represada por Bmp 4, Bmp4 es capaz de inducir Msx1. Msx1 está relacionado con la región de incisivos, mientras Barx 1 con la de molares. Por otro lado mutaciones a nivel de Lef-1, Msx-1 y Pax-9 resultan en el bloqueo a nivel del estadio de campana. Muchos factores de transcripción son expresados en el epitelio oral, entre estos se encuentran: Otlx2, Dlx2, Msx1, Msx2, Shh, Bmps, y Fgfs. La transición entre la etapa de brote y la etapa de campana parece ser un paso critico en la morfogénesis dental (E15-16) 25, y marca la aparición del desarrollo de la corona de los dientes. El sitio de la punta del diente donde se produce el comienzo del doblamiento del epitelio un centro de señalización que marca la formación de los nudos del esmalte. La expresión restringida de las señales pertenecientes a las familias de las BMP, FGF, Hh, y Wnt han sido reportadas por jugar un papel importante en la formación del nudo del esmalte. El nudo del esmalte tiene un papel regulador en la forma del diente y su inducción es un prerrequisito para que el diente avance a la etapa de campana. El nudo del esmalte es una estructura que desaparece por apoptosis, luego de su apoptosis en dientes con varias cúspides, se forman nuevos nudos en el lugar donde van a aparecer las cúspides, por lo cual podemos llamarlos primeros y segundos nudos del esmalte respectivamente 26. Estos nudos secundarios expresan Fhf4 y son removidos por apoptosis como los primeros. La apoptosis de estos nudos está asociada con la expresión de BMP4 en la célula del nudo. Los nudos secundarios son la primera señal para los patrones cuspídeos. Fgf4 puede ser utilizado como un marcador cuspídeo, y expresión indica la aparición de las cúspides, que en ratones se observa hacia la etapa 15. Además las señales moleculares que regulan la relativa posición de las cúspides se activan inmediatamente después de la apoptosis de los nudos primarios. Mientras la Fgf1 y la p21 son moléculas que se activan cuando comienza el desarrollo de las cúspides, la expresión de Fgf4 se ve restringida en las puntas de las cúspides. La expresión de p21 comienza su función alrededor del nudo del esmalte y se encuentra asociada al cese de la proliferación celular y en compañía

6 de otras señales como la Fgf9 y la Shh, producen la diferenciación de los ameloblastos. Se ha reportado, que el desarrollo del diente se ve afectado en la etapa de casquete si se produce la anulación de los genes Left1, Msx1 y Pax9, mientras que los factores de trascripción BMP, FGF y Wnt, son dependientes de las vías de señalización durante la formación de la campana del diente. La proteína BMP-4 es una buena candidata para la señal mesenquimal induciendo la transformación desde la etapa de casquete a campana 27. Particularmente, Las BMPs parecen jugar un mayor papel en la formación periódica de patrones por medio de la inhibición de señalización de de las FGFs 28, por lo cual se ha llegado a la conclusión que Fgf4 funciona como un activador cuspídeo, mientras que las BMPs y posiblemente la Shh funcionan como inhibidoras, regulando la distancia entre las cúspides en formación. El mesénquima dental, así como las células mesenquimales de la semana 14 inducen la formación de los nódulos primarios del esmalte, indicando que no se requiere organización específica en el mesénquima para esto. Sin embargo, la proporción de piezas multicúspides es mayor cuando las células epiteliales son reasociadas con mesénquimas intactos en lugar de células mesenquimales solas, lo que sugiere que la disasociación del mesénquima tiene consecuencias en la funcionalidad de los nódulos primarios del esmalte. Es una característica del desarrollo dental humano que al principio se presente un tejido blando bien definido el cual va a guiar la forma primaria del primordio dental. La proliferación de éste primordio guía a alteraciones en su forma. En el estadio de campana, el primordio de tejido blando sirve de patrón para la posterior deposición de matriz y la formación de tejido duro. Durante el desarrollo, este patrón altera la forma y secreción de la matriz determinando la forma del diente en formación, así como la proliferación de los tejidos blandos 29. La identidad dental en la zona de incisivos es regulada por la expresión de Msx1 y Msx 2 en el ectomesénquima. En la zona de molares los genes Dlx1, 2, 3 y 5; y el gen Barx1 se encuentran presentes en el ectomesénquima. Los ratones que presentan alteraciones en Dlx 1 y Msx 2 presentan alteraciones en la formación de los molares, pero los incisivos se encuentran normales. Si el gen Barx1 no se expresa en el ectomesénquima distal, los incisivos se desarrollan como molares. Bmp2, 4 y 7; Shh y Fgf4 contribuyen a la formación del esmalte y actúan como un centro de señalización; Bmp4 y Runx2, se encuentran en el mesénquima condensado y se presentan en unión con el activin beta A en coexpresión con el Pax9. Cuando no se presenta el gen Msx2 no se forman los dientes. Estos hallazgos explican porque la actividad genética y la señalización guían los patrones

7 diferenciales de crecimiento, y sugieren que genes podrían estar asociados en las alteraciones que ocurren en la forma durante la transición del estadio de botón al de campana. Por otra parte, en el primordio dental de los incisivos humanos se observa un mayor diámetro meso-distal que vestibular. Cuando un incisivo alcanza el borde incisal, deben existir regiones de crecimiento específico y otras áreas donde ocurre un crecimiento sobrenatural a nivel del epitelio interno del esmalte. Posteriormente, la forma del primordio dental se encuentra largamente determinada por la proliferación de tejido blando; la proliferación y secreción de matriz para la formación de los tejidos duros contribuye a la formación final de los dientes. La formación de los tejidos duros inicia con la deposición de dentina después de un proceso de inducción recíproco para las células formativas. Los genes Fgf1 y TgfB se encuentran implicados en la diferenciación de los odontoblastos. Los genes Bmp2, 4 y 7; Shh, Fgf4, Fgf9 y Wnt10b, se encuentran en el esmalte secundario y actúan como centros de señalización para la proliferación diferencial y apoptosis en las regiones de los bordes las cúspides durante el desarrollo dental en los ratones. En humanos, la mineralización inicial de la matriz de los dientes comienza a nivel específico de las cúspides; por lo tanto, la actividad secretoria de los ameloblastos es regulado diferencialmente y esto se asocia a los diferentes tamaños que pueden presentar dichas cúspides. En el epitelio interno del esmalte, se desarrolla un patrón cambiante de proliferación y apoptosis controlado por el esmalte secundario. Estos eventos determinan directamente la forma final del manto del esmalte y las superficies de oclusión funcional de cada diente 30, 31. Después de la formación completa del esmalte, el epitelio de Hertwig sirve como patrón para la deposición de dentina sobre las raíces de los dientes. Sin embargo en que forma actúa la vaina epitelial de Hertwig para desarrollar una, dos y hasta cinco raíces, es un hecho que aún no ha podido ser establecido 32. La odontogénesis es un proceso complejo que involucra la participación e interacción de muchos genes, en diferentes etapas del desarrollo. La investigación en esta área avanza vertiginosamente, sin embargo todavía permanecen sin aclarar algunos procesos que ocurren durante la morfodiferenciación dental. BIBLIOGRAFÍA 1 Thesleff I. Epithelial mesenchymal signalling regulating tooth morphogenesis. J Cell Sci 2003;116: Jernvall J, Thesleff I. Reiterative signaling and patterning during mammalian tooth morphogenesis. Mech Dev 2000;92: Thesleff I, Sharpe P. Signalling networks regulating dental development. Mech Dev 1997;67:

8 4. Kollar EJ, Baird GR. Tissue interactions in embryonic mouse tooth germs. II. The inductive role of the dental papilla. J Embryol Exp Morphol 1970;24: Hu B, Nadiri A, Bopp-Kuchler S, Perrin-Schmitt F, Wang S, Lesot H. Dental epithelial histomorphogenesis in the mouse: positional information versus cell history. Archives of Oral Biology : , Ogi H, Tabata MJ, Yamanaka A, Yasui K, Uemura M. Comparison of expression patterns of fibroblast growth factor 8, bone morphogenetic protein 4 and sonic hedgehog in jaw development of the house shrew, Suncus murinus. Cell Mol Biol (Noisy-le-grand). 2002;48, Tucker AS, Sharpe PT. Molecular genetics of tooth morphogenesis and patterning: the right shape in the right place. J Dent Res 1999;78: Thesleff I, Vaahtokari A, Kattunen P, Aberg T. Epithelial mesenchymal signaling during tooth development. Connect Tissue Res 1995;32: Qiu, M., Bufone, A., Ghattas, I., Menses, J. J., Sharpe, P. T., Presley, R., Pedersen, R. A. & Rubenstein, J. L. R.. Role of the Dlx homeobox genes in proximodistal patterning of the branchial arches: mutations of Dlx- 1, Dlx-2, and Dlx-1 and -2 alter morphogenesis of proximal skeletal and soft tissue structures derived from the first and second arches. Dev. Biol. 1997: 185, Thomas BL, Sharpe PT. Patterning of the murine dentition by homeobox genes. Eur J Oral Sci 1998;106: Lamsden AGS. Spatial organization of the epithelium and the role of neural crest cell in the initiation of mammalian tooth germ. Development 1988;103: Yamashiro T, Tummers M, Thesleff I. Expression of bone morphogenetic proteins and Msx genes during root formation. J Dent Res Mar;82(3): Gómez de Ferraris, María Elsa. Histología y embriología bucodental. 2a ed. Editorial Médica Panamericana, Madrid, España. 14 Campos L. Desarrollo Embriologico Y Fetal Del Sistema Maticatorio. Univers Odont, 1994;13 (26): Ferraris M. Histologia Y Embriologia Bucodental. 2ª Edicion Panamericana Theleff I. Homeobox Genes And Growth Factors In Regulation Of Craniofacial And Tooth Morphogenesis. Acta Odontol Scand. 1995; 53: Wilkins. A.S. Genetic Analysis Of Animal Development. 2 nd Edition New York:Wiley-Liss. 1993:415-25; Theleff I. Homeobox Genes And Growth Factors In Regulation Of Craniofacial And Tooth Morphogenesis. Acta Odontol Scand. 1995; 53: Alappat, S. Zhang S, Chen P. Msx Homeobox Gene Family And Craneofacial Development. Cell Research (2003); 13(6): Thesleff I et al. Changes in the distribution of tenascina during tooth development. Development 101, Garbauch C. Immunochemestry of the intercellular matrix components and the ephithelial mesenchimal juntion of the human tooth germen. Histochen J. 26, 1994: Vakura M et al. Comparasion of the distribution petterns of tenascina and alkaline phosphatase in development of teeth, cartilage and bone of rats and mice. Anat Rec, 1990, 228: Tan DP, Nonaka K, Nuckolls GH, Liu YH, Maxson RE, Slavkin HC, Shum L. YY1 activates Msx2 gene independent of bone morphogenetic protein signaling.nucleic Acids Res ;30(5): Wakkach, C. et al. Endogenous antisense transcrip: in vivo and in vitro evidence, estructure and potencial involvement in skeleton development in mammals. Pnas June Vol 98 No 13. Pag Jernvall J, Kera nen S, Thesleff I. Evolutionary modification of development in mammalian teeth: Quantifying gene expression patterns and topography. Proc Natl Acad Sci U S A. 2000; 97(26): Jenvall J, Kettunen P, y col. Evidence for the role of the enamel knot as a control center in mammalian tooth cusp formation: non-dividing cell express growth stimulating Fgf4 gene. Int J Dev Biol. 1994; 38: Cobourne MT, Sharpe PT. Tooth anf jaw: molecular mechanism of patterning in the first branchial arch. Arch oral biol. 2003; 48: Jung HS, West F. Widelitz RB. Local inhibitory action of BMPs and their relation with activators in feather formation: implications for periodic patterning. Dev Biol. 1998; 196: Schmitt R, Lesot H, Vonesch JL, Ruch JV. Mouse odontogenesis in vitro: the cap-stage mesenchyme control individual molar crown morphogenesis. Int J Dev Biol 1999;43:

9 30 KimJY, Mochizuki T, Akita K, Jung HS. Morphological evidence of the importance of epithelial tissue during mouse tongue development. Exp Cell Res 2003;290: Matulova P, Witter K, Misek I. Proliferating cell nuclear antigen (PCNA) expression in tooth primordial in the field vole (Microtus agrestis Rodentia). Connect Tissue Res 2002;43: Radlanski R, Renz H. Explainable and critical periods during human dental morphogenesis and their control. Archives of Oral Biology: ,