牙颌面肌肉发育和再生特征的研究进展

程旭 黄艺璇 李精韬 石冰

口腔疾病研究国家重点实验室 国家口腔疾病临床医学研究中心

四川大学华西口腔医院唇腭裂外科 成都610041

牙颌面发育畸形，如唇腭裂和半侧颜面短小等，在我国的发病率近1/500，每年新增患者两万余名，形成庞大的患者群体[1‑2]。这些发育畸形通常表现为骨和肌肉的发育不足，造成患者面型异常、咬合紊乱、发音障碍，甚至引发呼吸道病发症，严重影响患者的生活质量[3]。颌骨发育不足可通过正畸、正颌、牵张成骨及自体骨或人工骨移植的方法得到矫正，而牙颌面肌肉发育不足尚无有效的扩增手段，极大地限制了牙颌面畸形的整复效果。考虑到骨骼肌具有强大的再生能力，它是人体中除肝脏之外再生能力最强的器官[4]，若能实现牙颌面肌肉再生，将会进一步提升牙颌面畸形整复的效果。

牙颌面肌肉是骨骼肌系统的一部分，但它与传统的四肢躯干肌肉不同，是脊椎动物从滤食向捕食进化之后才出现的骨骼肌新形态[5]。牙颌面肌肉的胚胎发育过程、成肌调控机制、肌肉疾病的易感性和再生能力等方面均具有独特的表现，这些特点使牙颌面肌肉具有特殊的研究意义和临床价值。目前骨骼肌研究大都集中在四肢躯干肌肉，本文针对牙颌面肌肉的发育和再生研究作一综述，为探索牙颌面肌肉再生的方法提供理论依据。由于四肢躯干肌肉的发育和再生研究已成理论体系，本文通过与四肢躯干肌肉对比，阐述牙颌面肌肉的独特表现。

1 牙颌面肌肉的胚胎发育来源

牙颌面肌肉则由颅中胚层发育而来，颅中胚层在胚胎发育过程中则没有明确的解剖界限和分节特征，是一个离散的发育单元，其形态和分布随胚胎发育的衍变而发生变化，在神经管和内胚层分别发生背侧和腹侧的融合时，颅中胚层的位置和边界也会随之改变，发生背腹侧的迁移[6]。

1.1 鳃弓肌肉是牙颌面肌肉的主体

发育形成牙颌面肌肉的颅中胚层，从头端至尾端分为3 个部分[5]。1）脊索前中胚层。脊索前中胚层位于神经板的腹侧以及脊索的头端，在发育过程中向两侧以及尾端移动，最终发育形成眼外肌，即上斜肌、下斜肌、上直肌、下直肌、外直肌和内直肌6 组肌肉。2）咽中胚层。咽中胚层围绕发育中的咽，可以进一步分为轴旁中胚层和内脏中胚层，前者位于神经管的两侧，后者在咽底壁的腹侧。咽中胚层的肌前体细胞迁徙进入邻近的鳃弓中，因此又被称为鳃弓肌肉（或咽弓肌肉），它们将形成颌面部肌肉的主体。第一鳃弓将发育形成咀嚼运动相关的肌肉，第二鳃弓将发育形成表情相关的肌肉，而第三至第六鳃弓将发育形成咽喉运动相关的肌肉以及部分颈部肌肉。牙颌面先天畸形波及的肌肉，如口轮匝肌、腭帆提肌和咬肌等，都属于鳃弓肌肉。咽中胚层还参与心肌的发育，这是它区别于四肢肌肉很重要的一点。3）枕骨原节。枕骨原节的成肌前体细胞是由体节细胞迁徙而来，将形成舌肌和喉内肌。由于是由体节细胞发育形成，舌肌和喉内肌虽然位于头部，却遵循四肢躯干肌肉的发育模式[7‑9]。也有研究证实，舌肌不仅来源于体节，也有来源于颅中胚层的成分[10‑11]。除了以上3 个发育区域，颅中胚层还有一部分来自枕侧板中胚层。枕侧板中胚层位于头面部和四肢躯干的交界区域，将形成斜方肌、胸锁乳突肌等颈部肌肉，它们负责控制头部的运动。由于枕侧板中胚层与1～3 体节相邻，颈部肌肉因此同时具有体节来源和非体节来源的特征，被称为“过渡区”[6]。

牙颌面肌肉是由颅中胚层发育而来的离散性的发育单元，它不同于体节的连续发育模式。脊索前中胚层发育形成的眼周肌肉、咽中胚层发育形成的鳃弓肌肉和枕骨原节发育形成的舌肌和喉内肌，二者共同构成牙颌面肌肉，其中鳃弓肌肉是牙颌面肌肉的主体。

1.2 鳃弓肌肉发育与心脏发育密切相关

从进化角度看，脊椎动物鳃弓肌肉的出现和心脏腔室的分化都是进化过程中出现的新模式，鳃弓肌肉的出现与饮食活动从被动滤过向主动摄取的转变有关，而这一增加的能量和代谢需求也在一定程度上促进了心脏腔室的分化[12‑13]。

根据鳃弓肌肉和心脏在胚胎发育中的密切关系，发育学家划定了两者共同的胚胎来源，即心咽区[12]。心咽区包括形成鳃弓肌肉的咽中胚层和形成心脏的第一心区和第二心区。第二心区实际是咽中胚层的一部分[12‑13]，它将发育形成右心室、心脏流出道和心房等部位的心肌，以及心内膜[6]；而第一心区则紧邻咽中胚层，它主要参与左心室的发育[13]。心咽区的细胞可以分为3个谱系，第一谱系形成包括颞肌和咬肌在内的第一鳃弓肌肉和右心室，第二谱系形成第二鳃弓来源的表情肌和心脏流出道，第三谱系形成左、右心房和左心室[6,12,14]。

鳃弓肌肉的这一发育特征决定了牙颌面先天缺陷常伴发心脏先天缺陷，最常见的是迪格奥尔格综合征，其颌面部畸形表现为腭裂、腭咽功能障碍等，心脏畸形则常表现为法洛四联症、室间隔缺损等[15‑16]，这是牙颌面肌肉区别于四肢躯干肌肉的一大特点。

2 牙颌面肌肉的成肌调控机制

四肢躯干肌肉的成肌调控过程几乎全部由中胚层来源的体节承担，神经嵴细胞仅短暂参与[17]。而牙颌面肌肉的成肌调控过程，不仅与颅中胚层有关，还持续受到外胚层来源的神经嵴细胞的影响[18]，这导致牙颌面肌肉成肌调控的特异性和复杂性。

2.1 牙颌面肌肉成肌调控机制与四肢躯干肌肉的差异

四肢躯干肌肉的研究发现，肌肉发育的基因调控网络自下往上可以分为3 个层级。1）肌源性调节因子，包括MyoD、Myf5 等，它们可以决定成肌细胞和部分其它类型的细胞向肌细胞的终末分化；2）配对同源框转录因子，主要包括Pax3和Pax7，它们是肌源性调剂因子的上游调控因子，介导成肌向的分化；3）果蝇相关同源框转录因子，主要包括Six1 和Six4，位于这个基因调控网络的顶端，在胚胎发育的早期诱导生皮肌节向成肌谱系分化[19]。对于牙颌面肌肉发育而言，它并不严格遵从此层级调控规律。最早表达的肌源性调控基因Myf5，和配对同源框转录因子Pax3，在四肢躯干肌肉发育过程中是必需的，而鳃弓肌肉的发育不需要此二者的参与。Pax3和Myf5缺失的小鼠，四肢躯干肌肉不发育而鳃弓肌肉的发育不受影响[20‑21]。此外，Wnt 信号通路在四肢躯干肌肉的发育过程中发挥重要的促进作用，而在鳃弓肌肉发育中则表现为明显的抑制作用，这可能与神经嵴细胞的持续参与有关[17]。

牙颌面肌肉在发育过程中还表达多个完全不同于四肢躯干肌肉的调控因子，包括Tcf21（Cap‑sulin）、Msc（MyoR）、Tbx1等。缺少Tcf21、Msc基因的小鼠不形成第一鳃弓肌肉[22‑23]，Tbx1 缺失的小鼠第二至第六鳃弓的肌肉发育不全，并且Tbx1 在咽部肌肉的形成中发挥必不可少的作用。而Tcf21、Msc、Tbx1 这3 个基因在四肢躯干肌肉的发育中则不表达[24]。此外，Isl1和Nkx2.5是第二心区成肌前体细胞的标志，它们不参与四肢躯干肌肉的发育调控，而在鳃弓肌肉发育中发挥作用：Isl1 在一定程度上抑制鳃弓肌肉分化，Nkx2.5 可以促进鳃弓发育，Nkx2.5 基因异常表达导致颌面部肌肉发育缺陷。

2.2 牙颌面肌肉成肌调控机制的异质性

除了与四肢躯干肌肉发育的调控因子不同，牙颌面肌肉自身的发育调控具有一定的异质性。鳃弓肌肉有2 个来源，颅轴旁中胚层来源和内脏中胚层来源，前者形成第一鳃弓肌肉，后者形成远端鳃弓肌肉[25]。在Capsulin 和MyoR 缺失的小鼠中，来源于第一鳃弓的咬肌、翼肌和颞肌缺失，但二腹肌和下颌舌骨肌等远端鳃弓肌肉不受影响[26]。Pitx2 缺失的小鼠，眼外肌和第一鳃弓肌肉受影响，远端鳃弓肌肉是否受影响尚不确切。

牙颌面肌肉成肌调控机制的特异性和复杂性，与颌面部肌肉发育来源的多样性及其与心肌发育的密切关系有关，这也是它区别于四肢躯干肌肉的重要表现。关于鳃弓肌肉发育的调控机制还有很多谜团未解，需要更多深入的谱系研究、克隆模型研究和基因靶向研究等来进一步阐明这一调控机制[26]。

3 牙颌面肌肉的再生

牙颌面肌肉属于骨骼肌系统，它具有骨骼肌的基本结构和功能特点，遵循骨骼肌再生的一般规律[17]。但由于胚胎发育来源和成肌调控机制的不同，牙颌面肌肉再生又具有独特的表现。明确牙颌面肌肉再生的特异性表现及其机制，是探索牙颌面肌肉再生方法的前提。

3.1 骨骼肌再生过程

骨骼肌是人体除肝脏之外再生能力最强的器官，单根肌纤维移植后能在受植区产生上百根肌纤维[27]，这一强大的再生能力由骨骼肌组织特异性干细胞，即卫星细胞主导完成。卫星细胞可进行肌源性分化，进入肌纤维内部补充因受损减少的细胞核，或形成新的肌纤维；同时卫星细胞进行自我更新，维持肌纤维的干细胞池。骨骼肌再生的顺利进行，与间质细胞的支持和诱导密不可分。这些间质细胞包括巨噬细胞、成纤维脂前体细胞（fibroadipogenic progenitors，FAPs）、内皮细胞等，它们在传导刺激信号触发骨骼肌再生、诱导卫星细胞进行肌源性分化、调节细胞外基质的形成促进再生肌纤维的成熟等方面发挥重要作用。因此，骨骼肌的再生是由卫星细胞和间质细胞密切配合共同协调完成的成肌—成纤维平衡过程[28]。

3.2 牙颌面肌肉的再生特点

牙颌面肌肉的再生研究集中在2 类肌肉：眼外肌和鳃弓肌肉。由于枕骨原节来源的舌肌多是体节来源，这里不列入牙颌面肌肉再生的讨论。

眼外肌是牙颌面肌肉中极为特殊的一群，它的胚胎发育来源、神经支配和肌纤维类型都与其他任何牙颌面肌肉不同：眼外肌由脊索前中胚层发育而来；它受到动眼神经、滑车神经和外展神经这类躯体运动神经的支配，不同于鳃弓肌肉受内脏运动神经支配；并且眼外肌特异性表达肌纤维类型MyHC‑EOM[29]。眼外肌在肌肉再生中表现出极强的成肌能力和自我更新能力，研究表明，眼外肌卫星细胞移植后的再生能力是四肢肌肉卫星细胞的2～5倍[30]。眼外肌的这种特质使它能免受进行性肌营养不良这类广泛影响骨骼肌系统的疾病的影响。

鳃弓肌肉的再生也具有出与四肢躯干肌肉不同的特点，主要表现为成肌能力低下和过度纤维化[31]。在接受同样损伤的条件下，小鼠的胫骨前肌在损伤后12 d 的肌肉组织形态已接近正常，而咬肌组织仍被大量纤维结缔组织占据，在损伤后45 d 再生咬肌的肌纤维明显小于正常对照，并表现出明显的纤维化[32]。离体培养的咬肌卫星细胞与胫骨前肌卫星细胞相比，增殖更快而分化更晚[33]。除咬肌之外，口咽部肌肉的细胞核更替能力较四肢肌肉明显增强；且口咽部肌肉的卫星细胞，对于维持肌纤维直径和肌细胞核数目是必须的，这与四肢躯干肌肉显著不同[34]。另有研究发现，大鼠软腭肌肉损伤后的再生过程，表现出成肌能力不足和过度的成纤维作用[35]。

3.3 牙颌面肌肉的再生机制

由于鳃弓肌肉在牙颌面发育畸形具有重要的临床意义，以下以鳃弓肌肉作为代表，对牙颌面肌肉的再生机制进行阐述。牙颌面肌肉再生中，卫星细胞的数目和增殖分化能力出现异常[36]，提示卫星细胞的功能障碍可能是牙颌面肌肉再生低下和纤维化的原因。最新的研究表明，FAPs 在骨骼肌再生中具有重要的促进成肌的作用，缺少FAPs 的骨骼肌表现出肌肉萎缩且再生迟缓[37]；同时，FAPs 是主导成纤维作用的主要细胞，既保证有效的细胞外基质沉积以促进改建的肌肉组织成熟，又避免过度的成纤维作用导致纤维化。因此，FAPs 极有可能是同时调控牙颌面肌肉再生能力低下和过度纤维化的重要因素。

3.3.1 牙颌面肌肉纤维化可能与FAPs 的特异性基因表达有关 牙颌面肌肉FAPs 的胚胎发育来源是外胚层来源的神经嵴细胞，不同于四肢肌肉FAPs由中胚层的体节发育而来，二者具有不同的基因表达谱[38]。作为间充质来源的干细胞，FAPs 具有多向分化潜能，在不同条件下可以进行成纤维、成脂肪、成骨、成软骨向的分化，在骨骼肌再生中通常表现出成纤维作用。单细胞转录组分析结果发现，FAPs 自身也是一组有异质性的细胞，具有不同程度的成纤维能力，他们除了共同表达PDGFRa，Sca1，还差异性表达Hic1、Vcam1等基因。Hic1是静止FAPs的标志性基因，高表达Hic1的FAPs 处于生长抑制状态，不进入细胞周期，而敲除Hic1 会促使FAPs 增殖分化[39]。与之相反的是，高表达Vcam1的FAPs通常表现出更强的成纤维倾向，在受到损伤刺激的肌肉中高表达Vcam1的FAPs 数目增多，且肌营养不良肌肉组织的中可以检测到大量高表达Vcam1 的FAPs 的存在[40]。由此可以推测，牙颌面肌肉异常增强的成纤维能力，与牙颌面肌肉FAPs 存在Hic1、Vcam1 等基因的异常表达有关。

3.3.2 牙颌面肌肉再生能力低下可能与FAPs 对卫星细胞的支持作用减弱有关 在各类骨骼肌间质细胞中，FAPs 与卫星细胞的关系最为密切：二者的细胞数目均在损伤后第3天达到峰值，在第7天回落[37]。进一步研究发现，FAPs 可通过分泌白细胞介素（interleukin，IL）‑6，Follistatin，WISP1 等多种生长因子和基质蛋白，影响卫星细胞的增殖分化水平[41]。IL‑6 是骨骼肌产生的一种细胞因子，它可以促进卫星细胞增殖和迁徙，敲除IL‑6 的小鼠骨骼肌再生受限，卫星细胞不能有效更新受损的肌细胞核[42]。Follistatin 则作用于卫星细胞的分化过程，促进肌细胞融合形成多核肌管，敲减Follistatin 的骨骼肌再生中的骨骼肌不能形成成熟的肌纤维[43]。FAPs还高表达基质细胞蛋白WISP1，WISP1 作用于卫星细胞促进其扩增并诱导其进行肌源向分化，敲除WISP1 后的小鼠卫星细胞呈现出增龄性改变，卫星细胞增殖分化能力降低并且出现肌肉萎缩[44]。卫星细胞的增殖、分化和迁徙等多种细胞学行为均受到到FAPs 的调控，由此可见，FAPs 是卫星细胞的重要支持细胞，牙颌面肌肉再生低下的原因，可能与FAPs 诱导卫星细胞增殖分化的作用减弱有关。

4 总结与展望

牙颌面肌肉是骨骼肌进化的新形态，它承担咀嚼、呼吸、吞咽、表情形成等重要的颌面部运动功能，也是牙颌面发育畸形经常波及的组织之一。胚胎发育来源的不同赋予牙颌面肌肉诸多不同于四肢肌肉的特征，其中肌肉再生能力低下和过度纤维化是牙颌面肌肉再生的显著特点，而其机制尚不明确。FAPs 因具有诱导成肌和主导成纤维的双重作用而在骨骼肌再生中具有独特的重要地位，它可能是调控牙颌面肌肉再生成肌‑成纤维平衡的关键环节，通过干预FAPs 同时实现增强成肌和减少纤维化的作用或可成为颇具前景的研究方向。明确牙颌面肌肉的再生机制，揭示促进牙颌面肌肉再生的干预靶点，可为临床探索牙颌面肌肉再生的方法提供方向和指导，为开辟牙颌面发育畸形新的整复思路提供参考。

利益冲突声明：作者声明本文无利益冲突。