張華菁,張 丁
1煙臺(tái)市口腔醫(yī)院正畸科,山東煙臺(tái) 2640032中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院口腔科,北京 100730
?
·綜 述·
力與炎癥因子作用下牙周膜細(xì)胞對(duì)牙槽骨代謝的影響及其分子機(jī)制
張華菁1,2,張 丁2
1煙臺(tái)市口腔醫(yī)院正畸科,山東煙臺(tái) 2640032中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院口腔科,北京 100730
牙周膜具備獨(dú)立應(yīng)答正畸力刺激,啟動(dòng)牙槽骨成骨和破骨的可能。正畸力引起的牙槽骨改建沒有骨量丟失,而炎癥可導(dǎo)致牙槽骨進(jìn)行性骨量丟失,提示力信號(hào)和炎癥因子可能通過不同途徑誘導(dǎo)牙周膜中未分化細(xì)胞的分化。力值強(qiáng)度和力的性質(zhì)(基底牽張力、流體剪切力)可影響牙周膜細(xì)胞分化,并通過復(fù)雜的自分泌和旁分泌調(diào)節(jié),與炎癥因子的作用產(chǎn)生拮抗或協(xié)同效果,導(dǎo)致局部骨改建表現(xiàn)出骨沉積和骨吸收。研究顯示,Wnt信號(hào)是成骨細(xì)胞分化的重要調(diào)節(jié)通路,炎癥因子可阻斷干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化,Wnt通路與力和炎癥因子影響牙周膜細(xì)胞的分化密切相關(guān)。
力信號(hào);炎癥因子;牙周膜;骨代謝
ActaAcadMedSin,2017,39(3):432-437
牙槽骨是人體最活躍的骨組織,一生都在進(jìn)行改建。與其他部位的骨組織相比,牙槽骨具有獨(dú)特的牙周膜結(jié)構(gòu)。牙周膜是由大量膠原纖維構(gòu)成的致密結(jié)締組織,一端連接牙根部的牙骨質(zhì),另一端連接牙槽骨,牙齒通過牙周膜的纖維束懸吊于牙槽窩中。生理狀態(tài)下,牙周膜承擔(dān)并緩沖咬合力,保持牙槽骨骨吸收和骨沉積的動(dòng)態(tài)平衡,在全身結(jié)締組織中代謝最活躍。研究顯示,力可以影響牙周膜的代謝,牙齒承受過大的咬合力時(shí)牙周膜會(huì)增寬,相反咬合力不足時(shí)牙周膜會(huì)萎縮變窄。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí),正畸力可引起牙周膜中與成骨和破骨有關(guān)的多種生物因子表達(dá)的變化[1- 8]。此外,牙周膜的存在對(duì)牙槽骨的改建至關(guān)重要。正畸力引起牙齒移動(dòng)的組織學(xué)基礎(chǔ)是牙周膜和牙槽骨的改建,表現(xiàn)為壓力側(cè)牙槽骨吸收,張力側(cè)成骨細(xì)胞活躍,類骨質(zhì)沉積鈣化[9]。有研究認(rèn)為,牙槽骨改建中的成骨細(xì)胞來源于牙周膜中未分化的間充質(zhì)細(xì)胞[10]。臨床上也觀察到,牙周膜消失的骨黏連牙齒在正畸力作用下不能移動(dòng);種植體與牙槽骨之間沒有牙周膜,種植體受力后也不會(huì)在牙槽骨中移動(dòng)。上述現(xiàn)象提示在沒有牙周膜存在的情況下,單純機(jī)械力作用無法引起牙槽骨的改建。但是,種植體周圍炎卻可以引起牙槽骨的喪失,導(dǎo)致種植體脫落。正畸力引起的牙槽骨改建保持了骨吸收和骨沉積的平衡,力去除后牙周膜可恢復(fù)正常的寬度。而當(dāng)牙周炎使牙周膜受到炎癥因子侵襲時(shí),骨代謝平衡則被打破,可發(fā)生不可控制的進(jìn)行性牙槽骨吸收[4],導(dǎo)致骨量丟失,最終牙齒脫落。可見,力引起牙槽骨改建必須有牙周膜的存在,正常范圍內(nèi)正畸力所引起的牙槽骨改建不會(huì)引起牙槽嵴頂高度降低,炎癥則可導(dǎo)致牙槽骨骨量丟失,且其導(dǎo)致的骨吸收不需要牙周膜存在。
力信號(hào)影響牙周膜細(xì)胞的生物學(xué)行為進(jìn)而影響骨代謝 本課題組以往研究發(fā)現(xiàn),分離培養(yǎng)的人原代牙周膜細(xì)胞主要表現(xiàn)成纖維細(xì)胞的特征,對(duì)其施加間歇性基底牽張力可使人牙周膜細(xì)胞的cbfa1表達(dá)增強(qiáng)[11],而cbfa1是成骨細(xì)胞分化的啟動(dòng)子,提示單純力的作用可以引起牙周膜細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化。此外,本課題組還發(fā)現(xiàn),成骨細(xì)胞的特征性蛋白,如堿性磷酸酶、osteopontin和osteocalcin等的表達(dá)隨施力時(shí)間增加而加強(qiáng)[12],與力的作用時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系;同時(shí)間歇性基底牽張力可使人牙周膜細(xì)胞中與破骨細(xì)胞生成相關(guān)的蛋白細(xì)胞因子κB受體激動(dòng)劑配體(receptor activated nuclear factor κB ligand,RANKL)和骨保護(hù)素(osteoprotegerin,OPG)的表達(dá)也產(chǎn)生變化,有利于誘導(dǎo)破骨細(xì)胞生成[2,4,5- 6,13- 14];正畸患者的齦溝液中RANKL/OPG的比率也明顯高于對(duì)照側(cè)[15],證明力可以使牙周膜成纖維細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化,并具備誘導(dǎo)破骨細(xì)胞生成的能力。
許多骨改建的調(diào)節(jié)因子都不直接作用于破骨細(xì)胞,而是通過影響骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞、成纖維細(xì)胞的RANKL和OPG表達(dá),來調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的生成和功能。RANKL、細(xì)胞因子κB受體激動(dòng)劑(receptor activated nuclear factor κB,RANK)和OPG為骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞和成纖維細(xì)胞調(diào)控破骨細(xì)胞的重要蛋白,動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明力可以引起牙周膜中RANKL和OPG表達(dá)的改變[16- 18],并且與力的大小和作用時(shí)間呈相關(guān)關(guān)系,與破骨細(xì)胞的數(shù)目也呈相關(guān)關(guān)系[1- 2,4]。
本課題組在進(jìn)一步研究骨代謝相關(guān)細(xì)胞的功能中發(fā)現(xiàn)成骨細(xì)胞產(chǎn)生的功能蛋白與成骨細(xì)胞自身的分化狀態(tài)有關(guān),分化早期的成骨細(xì)胞主要分泌RANKL,促進(jìn)破骨細(xì)胞生產(chǎn),成熟的成骨細(xì)胞分泌OPG,競(jìng)爭(zhēng)性地結(jié)合破骨細(xì)胞前體上的RANK配體,抑制破骨細(xì)胞的生成,并促進(jìn)多潛能的干細(xì)胞向成骨細(xì)胞的分化[14- 15]??梢?,在干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化的過程中存在著復(fù)雜的自分泌旁分泌調(diào)節(jié)機(jī)制,而成骨細(xì)胞的成熟狀態(tài)影響骨吸收和骨沉積的平衡。
力的作用方式和力值大小影響骨代謝結(jié)果 在組織水平上,機(jī)械力作用主要表現(xiàn)兩種不同形式:一種是基質(zhì)微小形變對(duì)細(xì)胞所施加的牽張或皺縮力,另一種是骨內(nèi)細(xì)胞間液流動(dòng)引起的流體剪切力。
研究發(fā)現(xiàn),流體剪切力可促進(jìn)成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞發(fā)生鈣響應(yīng)及下游代謝,并與這些細(xì)胞的增殖、分化、遷移和凋亡等生物活動(dòng)過程密切相關(guān)[19- 22]?;桌煲苍诓煌潭壬嫌绊懼?xì)胞的生物學(xué)行為,近年研究表明,不同基底硬度產(chǎn)生的不同基底拉伸作用可直接調(diào)控干細(xì)胞分化。例如,骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在較硬基底上會(huì)向骨細(xì)胞方向分化,而在較軟基底上會(huì)向脂肪細(xì)胞分化[23],但具體機(jī)制尚不清楚。Mullender等[24]研究發(fā)現(xiàn),動(dòng)態(tài)施壓活塞周圍的骨發(fā)生了骨吸收,他們推測(cè)流體剪切力可激活破骨細(xì)胞,并進(jìn)而建立了流體剪切力控制骨吸收的理論模型[25]。該結(jié)論也被一項(xiàng)細(xì)胞水平的實(shí)驗(yàn)所支持,研究者直接對(duì)破骨細(xì)胞施加大小為6~20 dyne/cm2的流體剪切力30 min,其抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate resistant acid phosphatase,TRAP)活性和吸收窩的數(shù)目和大小都增加[26]?;桌炝?duì)破骨細(xì)胞骨吸收能力的影響似乎與力的大小有關(guān)。當(dāng)破骨細(xì)胞受到大小為1730 me、頻率為1 Hz的基底拉伸應(yīng)變作用24 h后,其活性和吸收窩大小都明顯增加[27],而當(dāng)增加拉伸應(yīng)變到50 000 me(頻率0.17 Hz)時(shí),作用2~4 d后破骨細(xì)胞形成率比不加力的實(shí)驗(yàn)組減少61%,說明較高的拉伸應(yīng)變可抑制破骨細(xì)胞形成[28]。
比較不同形式的機(jī)械負(fù)荷對(duì)骨形成的影響發(fā)現(xiàn),一定頻率和振幅的流動(dòng)刺激比靜止作用力對(duì)骨的形成更有效。流體剪切力與基底拉伸相比,前者刺激骨細(xì)胞釋放一氧化氮(nitric oxide,NO)和前列腺素E2(prostaglandin E2,PGE2)增加2~9倍,后者刺激NO釋放增加 2 倍,對(duì) PGE2的釋放無明顯影響[29]。實(shí)驗(yàn)證實(shí),低振幅(<1pa)、高頻率(10~100 Hz)的負(fù)荷能有效刺激骨形成,防治骨質(zhì)疏松。上述研究結(jié)果說明,有必要定量化力學(xué)刺激的大小和方式,并進(jìn)一步深入研究力學(xué)刺激影響骨改建的機(jī)制。
牙周膜為致密結(jié)締組織,由粗大膠原纖維和黏彈性的基質(zhì)組成,富含血管、淋巴管,從解剖結(jié)構(gòu)分析正畸力作用于牙齒應(yīng)首先使牙周膜發(fā)生形變,部分牙周膜纖維受到牽拉后緊張,部分牙周膜纖維受壓松弛;而牙周纖維的形變導(dǎo)致同一正畸力對(duì)不同部位牙周膜細(xì)胞產(chǎn)生分差力的作用;同時(shí),作用于牙齒的機(jī)械牽拉也會(huì)引起牙周組織中液體流動(dòng)的變化,牽拉力值的差異和流體剪切力的改變導(dǎo)致不同的生物學(xué)信號(hào)傳遞,引起牙周膜纖維松弛區(qū)和牽張區(qū)截然不同的骨改建反應(yīng)。
牙周膜在力引起的牙槽骨改建過程中扮演著至關(guān)重要的角色。目前認(rèn)為骨改建發(fā)生在骨單位(microscopic basic multicellullar units,BMU),包括成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞和骨細(xì)胞,在骨改建局部細(xì)胞間存在復(fù)雜的相互作用關(guān)系。有理由推測(cè)力信號(hào)使牙周膜中未分化間充質(zhì)細(xì)胞分化,這可能是啟動(dòng)局部牙槽骨改建的關(guān)鍵,并通過牙周膜細(xì)胞的分化,誘導(dǎo)牙槽骨中破骨細(xì)胞生成,當(dāng)力刺激去除后,牙周膜細(xì)胞的分化終止,相關(guān)的牙槽骨改建也停止;而力信號(hào)根據(jù)力值和力的作用方式不同,在牙周膜細(xì)胞的分化方向上產(chǎn)生分差,導(dǎo)致不同的骨改建結(jié)果。因此,力對(duì)牙周膜細(xì)胞分化程度的影響以及與其他骨代謝相關(guān)細(xì)胞之間的信號(hào)交流,可直接影響牙槽骨改建的結(jié)果。
本課題組在生物力學(xué)方面的研究顯示,在發(fā)生炎癥的牙周膜中,機(jī)械力可以起到類似抗炎的作用,低強(qiáng)度的牽張力可以消除白細(xì)胞介素- 1β(interleukin- 1β,IL- 1β)引起的炎性因子,而高強(qiáng)度的牽張力會(huì)加強(qiáng)IL- 1β誘導(dǎo)的炎性因子表達(dá)[30- 32]。
在炎性因子存在的情況下,力值大小可以改變炎性因子對(duì)局部骨改建的調(diào)節(jié)方向。有研究顯示,2%~8%的機(jī)械牽張力作用于牙周膜細(xì)胞可以明顯抑制IL- 1β引起的環(huán)氧化酶- 2(cyclooxygenase- 2,COX- 2) mRNA表達(dá),抑制PGE2產(chǎn)生,并抑制IL- 1β引起的核因子-κB(nuclear factor-κB,NF-κB)與NF-κB抑制劑β(NF-κB inhibitor-β,IκBβ)復(fù)合體分解,阻止NF-κB核轉(zhuǎn)錄。相反,12.5%~18.0%的牽引力本身就上調(diào)COX- 2 mRNA表達(dá),并與IL- 1β產(chǎn)生協(xié)同作用,加強(qiáng)NF-κB的核轉(zhuǎn)錄[19]。
力信號(hào)和炎癥因子都可影響牙周膜細(xì)胞的分化。在牙周膜存在炎癥時(shí),力與炎癥因子對(duì)牙周膜細(xì)胞的分化產(chǎn)生協(xié)同或拮抗作用,通過影響成骨細(xì)胞的分化成熟程度,影響其自身的表型蛋白和功能蛋白的表達(dá),并調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的分化和功能。
Wnt信號(hào)通路是干細(xì)胞分化的一條重要通路,WNT信號(hào)分子是重要的調(diào)節(jié)多潛能干細(xì)胞分化的因子。WNT分子包括19個(gè)分泌性的富含半胱氨酸的糖肽成員,以自分泌和旁分泌的方式發(fā)揮作用,作用的方式有經(jīng)典和非經(jīng)典通路兩種,對(duì)于非經(jīng)典的Wnt通路目前了解還不十分清楚[28,33]。
Wnt信號(hào)與骨代謝關(guān)系密切,F(xiàn)ABP4-WNT10B轉(zhuǎn)基因小鼠的骨密度增高,Wnt10b-/-小鼠的骨小梁減少,血清中骨鈣素水平降低[33])。WNT信號(hào)也存在多種拮抗劑。WNT拮抗劑可使WNT信號(hào)處于不活躍狀態(tài),如分泌型卷曲相關(guān)蛋白1(secreted frizzled-related protein 1,SFRP1)、Wnt信號(hào)通路抑制因子1(dickkopf1,DKK1),炎癥細(xì)胞也可以通過WNT信號(hào)影響干細(xì)胞的分化。
成骨細(xì)胞和脂肪細(xì)胞來源于共同的干細(xì)胞,干細(xì)胞的分化方向取決于Runt相關(guān)因子2(runt-related gene 2,Runx2)和過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferator-activated receptorγ,PPARγ)的表達(dá)。研究表明,成熟的成骨細(xì)胞直接促進(jìn)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞方向分化,這種調(diào)節(jié)作用是通過激活經(jīng)典的Wnt信號(hào)通路實(shí)現(xiàn)的。成熟的成骨細(xì)胞又是Wnt7b和Wnt10b的重要來源,Wnt7b和Wnt10b可促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化成熟??梢姵晒羌?xì)胞通過正反饋方式促進(jìn)自身分化成熟,阻斷成骨細(xì)胞成熟路徑,會(huì)降低局部骨生成。WNT拮抗劑如SFRP1、DDK1可以阻斷干細(xì)胞向成骨細(xì)胞的分化。內(nèi)源性的糖皮質(zhì)激素信號(hào)是Wnt通路的上游信號(hào),炎癥因子可以減少內(nèi)源性的糖皮質(zhì)激素信號(hào),通過干擾Wnt信號(hào)通路來影響成骨細(xì)胞的分化和功能。
本課題組最新實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,流體剪切力可以抑制骨細(xì)胞分泌硬骨素sclerostin。sclerostin是Wnt的拮抗劑,可競(jìng)爭(zhēng)性抑制Wnt蛋白與細(xì)胞膜上LRP5/6受體結(jié)合,阻斷Wnt/β-catenin 通路,抑制成骨細(xì)胞的分化,16 dyne/cm2流體剪切力(生理范圍)作用于離體培養(yǎng)的骨細(xì)胞可降低sclerostin分泌,有利于成骨細(xì)胞分化。這一結(jié)果間接證明流體剪切力可以影響Wnt信號(hào)的傳遞[34- 35]。
對(duì)于風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎小鼠模型的活體研究證實(shí),炎癥因子IL- 1和腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α,TNFα)可通過影響Wnt信號(hào)通路,抑制成骨細(xì)胞分化及功能,導(dǎo)致成骨功能降低,如果抑制炎癥因子產(chǎn)生,可使已破壞的骨表面修復(fù)。而成骨細(xì)胞的成熟狀態(tài)又與破骨細(xì)胞的形成密切相關(guān)。分化早期的成骨細(xì)胞分泌RANKL,促進(jìn)破骨細(xì)胞形成。成熟的成骨細(xì)胞產(chǎn)生OPG上調(diào),導(dǎo)致RANKL/OPG比例發(fā)生改變,抑制破骨細(xì)胞形成。所以,炎癥因子通過Wnt系統(tǒng)阻止成骨細(xì)胞分化,抑制成骨,促進(jìn)破骨。有學(xué)者認(rèn)為,WNT通路是連接炎癥與骨破壞的關(guān)鍵[36]。
近年來有人發(fā)現(xiàn),Piezo蛋白是一種新型的機(jī)械敏感離子通道亞基[37- 38]。Piezo家族是一種具有超過2500個(gè)殘端并且不與任何已知蛋白具有同源性的大型蛋白[39],它包括了24~32個(gè)跨膜單位。目前發(fā)現(xiàn)這一家族有Piezo1和Piezo2兩種哺乳動(dòng)物異構(gòu)體,其廣泛存在于多種細(xì)胞中,并且在包括血管形成、紅細(xì)胞容積調(diào)節(jié)、神經(jīng)干細(xì)胞的干系選擇等在內(nèi)的很多生理過程中發(fā)揮關(guān)鍵性作用[40- 45]。鼠體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明,敲除任意一個(gè)亞基都是致命性的[44],在敲除了Piezo的鼠背根神經(jīng)細(xì)胞中,快反應(yīng)機(jī)械敏感電流受到明顯抑制,可見Piezos離子通道在細(xì)胞的機(jī)械力感受方面具有不可替代的作用,這就進(jìn)一步證實(shí)該蛋白的重要性。許多學(xué)者已經(jīng)證實(shí)Piezo通道在不同器官內(nèi)對(duì)于機(jī)械刺激的細(xì)胞內(nèi)響應(yīng)都是一個(gè)關(guān)鍵的要素[46- 49]。
牙周膜細(xì)胞是機(jī)械敏感性細(xì)胞,康婷等[50]研究發(fā)現(xiàn),固有牙槽骨中的成熟骨細(xì)胞未見Piezos表達(dá),而在牙周膜成纖維細(xì)胞中有大量表達(dá)。由此可以推測(cè),在非外力移動(dòng)牙齒的狀態(tài)下,牙周膜中的成纖維細(xì)胞伴隨牙周膜主纖維生長(zhǎng),處在感受咀嚼力前沿,連同位于固有牙槽骨表面的成骨細(xì)胞一起,可能都是活躍的Piezos離子通道表達(dá)細(xì)胞。2015年,有研究發(fā)現(xiàn),在人牙周膜細(xì)胞中,Piezo1能夠?qū)C(jī)械應(yīng)力誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞形成起傳導(dǎo)作用。機(jī)械刺激可誘導(dǎo)破骨細(xì)胞形成標(biāo)記基因和Piezo1上調(diào),而Piezo1抑制劑機(jī)械敏感性離子通道和肽抑制劑GsMTx4既能抑制NF-κB的活性,又能抑制破骨細(xì)胞形成。以此推斷Piezo1是NF-κB通路上調(diào)控破骨細(xì)胞形成的重要離子通道[51]。
綜上,力可以引起牙周膜細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化,在分化過程中存在細(xì)胞自身的正反饋,以及對(duì)破骨細(xì)胞的誘導(dǎo)。但是,力信號(hào)的強(qiáng)度和力的作用方式對(duì)成骨細(xì)胞分化中的信號(hào)通路產(chǎn)生的影響是否影響成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞之間的信號(hào)傳導(dǎo)?炎癥因子與力信號(hào)在牙周膜細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化過程中是否存在協(xié)同或拮抗作用?具體分子機(jī)制是什么?對(duì)于這些問題尚未見報(bào)道,而闡明上述問題對(duì)于我們理解正畸牙齒移動(dòng)的生物學(xué)機(jī)制,理解牙槽骨組織改建、修復(fù)和再生,控制牙周炎導(dǎo)致的進(jìn)行性骨破壞有重要意義。
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Effects of Periodontal Ligament Cells on Alveolar Bone Metabolism under the Action ofForce and Inflammatory Factors and Its Molecular Mechanisms
ZHANG Huajing1,2,ZHANG Ding2
1Department of Orthodontics,Yantai Stomatological Hospital,Yantai,Shandong 264003,China2Department of Stomatology,PUMC Hospital,CAMS and PUMC,Beijing 100730,ChinaCorresponding author:ZHANG Ding Tel:010- 69151740,E-mail:dingz77@sina.com
Periodontal ligament may have independent response to orthodontic stimulation and thus initiate alveolar bone osteogenesis and osteoclasts. Orthodontic-induced alveolar bone remodeling has no bone loss,while inflammation can lead to alveolar bone loss,suggesting that force signal and inflammatory factors may induce the differentiation of undifferentiated cells in the periodontal ligament via different pathways. The strength of the force and the nature of the force (basal tension and fluid shear force) may affect the differentiation of periodontal ligament cells,and may produce antagonistic or synergistic effect with the inflammatory factors through complex autocrine and paracrine regulation,resulting in local bone reconstruction,which is manifested as bone deposition and bone absorption. Studies have shown that Wnt signaling is an important regulatory pathway for osteoblast differentiation. Inflammatory factors can block the differentiation of stem cells into osteoblasts. The Wnt pathway is closely related to the effects of force and inflammatory factors on the differentiation of periodontal ligament cells.
force signal; inflammatory factor; periodontal ligament; bone metabolism
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張 丁 電話:010- 69151740,電子郵件:dingz77@sina.com
R781.4
A
1000- 503X(2017)03- 0432- 06
10.3881/j.issn.1000- 503X.2017.03.023
2016- 03- 04)