科学发现:牙齿如何感受寒冷?
来源:环球科学
发布时间:2021-04-15
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科学发现:牙齿如何感受寒冷?

图片展示了牙虫难以捉摸的本体——成牙质细胞。 (图片来源:Nicholas Spinelli)

对有龋齿的人来说,喝点冷饮也可能是痛苦。

霍华德·休斯医学研究所(Howard Hughes Medical Institute ,HHMI)的首席科学家兼副主席David Clapham说:“牙疼非常独特,并且很难忍受。”

如今,他与一个国际科学家研究团队找出牙齿感受寒冷的方式,并找出了参与其中的分子和细胞。研究团队近日在《科学·进展》(Science Advances)报告,对于小鼠和人类来说,名为成牙质细胞的细胞包含能够检测温度下降的冷敏感蛋白。来自成牙质细胞的信号最终能在大脑中激起尖锐的阵痛。

研究阐明了为何一种祖传秘方能够缓解牙痛。领导该研究的德国Friedrich-Alexander Erlangen-Nürnberg大学电生理学家Katharina Zimmermann说,丁香油在牙科已经用了好几个世纪,其中的某个主要组分包含一种能阻断“冷传感”蛋白的化合物。

Zimmermann表示,研制更特异地靶向冷感蛋白的药物可能缓解牙齿冷敏感的状况,“一旦你有了可靶向的分子,那么就有机会发明疗法。”

小鼠磨牙中,包含TRPC5通道(绿色)的成牙质细胞紧密包裹了牙髓和牙本质之间的区域。细胞长发状延伸的突起填满牙本质的纤细通道,并延伸到牙釉质。 (图片来源:L. Bernal et al./《科学·进展》2021)

神秘莫测的通道

细菌生物膜和分泌的酸腐蚀牙釉质(牙齿表面坚硬且发白的覆盖物)造成龋齿。大约24亿人(大概世界三分之一的人口)的恒牙有未经治疗的龋洞,这会产生剧烈的疼痛,包括对低温极度敏感。

尽管科学家已经提出一个主要的理论,但是该研究之前,没人确切地知晓牙齿如何感受寒冷。该理论认为,牙齿内纤细的孔道富含随温度改变而移动的液体。一些研究人员猜测,由于未知的原因,神经能够感受液体运动的方向并根据牙齿的冷热产生信号。

“我们还不能排除这个理论,”不过也还没有任何直接的支持证据,HHMI Janelia 研究院的神经生物学家Clapham说道。”研究牙齿内部液体运动和牙齿整体的生理行为还很困难。科学家需要先切穿牙釉质(人体最坚硬的成分),再切开一层名为牙本质的坚硬物质,同时,不能碾碎牙齿柔软的牙髓,保留其中的血管和神经。Zimmermann说,有时候整个牙齿会“粉身碎骨”。

Zimmerman、Clapham和同事们并不是直接研究牙齿。他们主要关注的是离子通道,即细胞膜表面如同分子门控的孔道。一旦检测到信号,比如化学信息或温度改变,那么离子通道要么紧紧关闭,要么大量开放并允许离子涌入细胞。这产生了可在细胞间快速传递的电信号脉冲。这是一种快速传递信号的方法,对大脑、心脏还有其他组织都十分重要。

大约十五年前,Zimmermann在Clapham的实验室从事博士后工作,他们的团队发现一个名为TRPC5的离子通道对寒冷高度敏感。但是研究团队并不知道TRPC5在身体哪一个部位发挥寒冷感觉的作用。他们发现TRPC5并不位于皮肤。他们在2011年的《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)报道称缺乏TRPC5的小鼠仍旧能感受寒冷。

那之后,Zimmermann说:“我们遇到死胡同了。”有一天,研究团队在吃饭时讨论这个问题,突然间灵感就来了。Zimmermann回忆道:“David说‘好吧,身体上还有什么组织能感受到寒冷?’”答案就在牙齿中。

成牙质细胞层嵌在血管间,与神经轴突、其他的牙胚细胞相互联系。寒冷接触激活成牙质细胞及其周围网络的电活动。

(图片来源:Nicholas Spinelli)

牙齿的庐山真面目

研究的共同作者马萨诸塞总医院(Massachusetts General Hospital)生理学家Lennerz检测了来自成人的牙齿标本后,发现TRPC5的确在牙齿内,尤其是有龋洞的牙。

一个全新建立的小鼠模型使得研究人员确信TRPC5确实具有寒冷感觉功能。Zimmermann没有直接敲开牙齿并独立检测培养皿中的牙细胞,他们注意到了整个系统:颚骨、牙齿和牙神经。研究团队记录了冰冷溶液触碰牙齿时的神经活动。在正常小鼠中,冰冷刺骨的液体激活了神经,提示牙齿感受到了寒冷。Zimmermann说,这是一个关键的证据,表明离子通道能感受寒冷。研究团队研究的另外一个通道TRPA1似乎也有作用。

研究团队追踪TRPC5的位置并找到一种特殊类型的细胞:坐落于牙髓和牙本质之间的成牙质细胞。比如,当一个牙本质直接暴露的人咬了口冰棍,那么TRPC5包裹的细胞立即产生寒冷的感觉并向大脑迅速发出“啊!牙!”的信号。

Clapham说,那种尖锐的酸痛还没有作为一个科学领域被广泛研究。牙痛可能并不是研究的热门,他说:“但它很重要,它也影响了很多人。”

Ziemmann指出,整个团队从开始到这一发现花费超过十年的时间。找出特定分子的功能和细胞是很困难的,她说:“而且,好的研究需要很长的时间。”

翻译:陈振翀

审校:张哲

引进来源:霍华德·休斯医学研究所

本文来自:环球科学


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