血管は生命の維持のために必須の構造物である。すなわち、肺で取り入れた酸素、腸管で吸収した栄養素を効率よく運ぶためのパイプラインとして、血管は全身の臓器の恒常性維持を支えている。ごく最近、この教科書的な血管の役割に加え、重要な生理的機能が示唆されている。それは血管内皮細胞由来のパラクライン因子が、血流にのって運ばれてくる酸素と独立して、何らかの形で組織の発生・再生に貢献するというものである。本研究では、硬組織、特に歯の発生におけるアンジオクラインシグナルの関与、詳細について解析が行われた。まず、これまで不可能とされてきた歯髄の血管構造について、従来の脱灰、免疫組織学的手法を改良し、その立体構造を単一細胞レベルで可視化に成功した。この可視化技術とシングルセルRNAシーケンシングにより、象牙芽細胞の成熟を促すとともに、リンなどの硬化に必要な成分を供給しているユニークな血管細胞集団である、periodontal tip-like endothelial cell (POTC)を見出した。実際、遺伝子改変マウスやメタボローム解析によりこのPOTCを欠失させると、象牙芽細胞の分化やリンの供給が正常に行われず、歯の発生・硬化に異常をきたすことをつきとめた。さらには、organ cultureの系を駆使し、POTCと歯の象牙芽細胞との相互作用においては、TGFbやPtnなどの分泌因子のやりとりが関与していること、つまり酸素供給とは別にアンジオクラインシグナルが関与することを見出した。将来的には、本研究で見出された細胞メカニズム、網羅的に同定された血管由来の象牙芽細胞成熟因子などの解析をさらに進めることによって、虫歯・歯周病により失われた歯の再生への応用が期待される。
In vertebrates, the vascular network develops throughout the body to meet tissue demands for oxygen and nutrients, and to secrete organotypic paracrine molecules, known as angiocrine factors, which drive cell differentiation and tissue morphogenesis (Potente et al 2011; Augustin and Koh 2017; Rafii et al 2016). The skeletal system consists of bones and teeth, both of which are hardened via mineralization to support daily physical activity and mastication. However, the precise mechanism for this process, especially how blood vessels contribute to tissue mineralization, remains incompletely understood. Here, we established an imaging technique to visualize the 3-D structure of the tooth vasculature at a single-cell level. Using this technique combined with single-cell RNA sequencing, we identified a unique endothelial subtype specialized to dentinogenesis, a process of tooth mineralization, termed periodontal tip-like endothelial cells. These capillaries exhibit high angiogenic activity and plasticity under the control of odontoblasts. In turn, these capillaries trigger odontoblast maturation. Moreover, metabolomic analysis demonstrated that these capillaries perform phosphate delivery required for dentinogenesis. Taken together, our data identified the fundamental cell-to-cell communications that orchestrate tooth formation, angiogenic–odontogenic coupling, a distinct mechanism compared to the angiogenic–osteogenic coupling in bones. This mechanism contributes to our understanding concerning the functional diversity of organotypic vasculature.
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