骨保護素的生物學(xué)特性及其在口腔領(lǐng)域的研究進展*

蘇 方 劉世森 劉洪臣

骨保護素(osteoprotegerin,OPG)是 1997年Simonet等[1]發(fā)現(xiàn)的一種能阻止破骨細胞分化，促進骨形成的關(guān)鍵因子。骨保護素及其配體核因子-κB受體活化因子配體(receptor activator of nuclear factor κB ligand,RANKL)，闡明了破骨細胞發(fā)育、分化及骨吸收—重建的分子機制。破骨細胞增殖、分化、成熟的信號傳導(dǎo)途徑有2個：主要途徑是OPG/RANKL/RANK通路；次要途徑是IL-1，TNF-α等炎癥因子的非RANKL/RANK依賴途徑，2個途徑之間有著密切聯(lián)系；OPG在破骨細胞的發(fā)生、分化發(fā)育過程中起核心作用，它可作為誘餌受體與RANKL結(jié)合，從而達到抑制破骨細胞成熟與激活作用[2,3]。

OPG為腫瘤壞死因子受體超家族成員，屬于一種可溶性糖蛋白，是RANKL的天然誘餌受體，主要由成骨細胞-基質(zhì)細胞表達。RANKL則是TNF配體超家族成員，是成骨細胞分泌的膜蛋白，它能與位于破骨細胞表面惟一的受體—核因子κB受體活化因子(receptor activator of nuclear factor-kB,RANK)結(jié)合，通過一系列酶促級聯(lián)反應(yīng)引起破骨細胞的活化。由于OPG能競爭性地與RANKL結(jié)合，阻斷RANK與RANKL間的相互作用，從而抑制破骨細胞的形成和活化，OPG/RANKL/RANK成為破骨細胞活化的分子基礎(chǔ)，OPG/RANKL比例的變化影響著破骨細胞的形成和活化，許多因素正是通過調(diào)節(jié)這一對因子而發(fā)揮作用[4,5]。

骨吸收的研究是口腔醫(yī)學(xué)中的一個重要課題，隨著對破骨細胞調(diào)節(jié)機制研究的突破，研究者開始對OPG和RANKL在口腔骨組織吸收中的作用進行研究。OPG作為骨保護因子在牙周炎、正畸性牙移動、牙萌出中的作用日益引起重視，本文就OPG在口腔領(lǐng)域的研究進展做一綜述。

1.OPG在牙周炎中的研究進展

牙周炎是口腔疾病中的常見病和多發(fā)病，占成人失牙原因的40%，主要表現(xiàn)為牙周支持組織尤其是牙槽骨的吸收破壞。牙槽骨吸收破壞的病理過程與全身其他部位的骨吸收破壞是完全相同的，都是由破骨細胞局部活化，功能亢進引起，仍受到OPG/RANKL/RANK這一重要信號傳導(dǎo)通路的影響。在牙槽骨破壞過程中，OPG/RANKL的表達平衡被打破。

牙周組織中最重要的一種細胞是牙周膜細胞(Periodontal ligament cells,PDLCs)，[6]有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)[7-9]，PDLCs存在OPG和RANKL兩種細胞因子，在沒有受到外界刺激時牙周膜細胞OPG表達較RANKL明顯強，不利于破骨生成，以維持牙周內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。揭示了PDLCs是通過OPG/RANKL系統(tǒng)來調(diào)節(jié)牙槽骨代謝的。由于PDLCs位于牙槽骨和牙骨質(zhì)之間，其分泌的OPG可能在抵御炎癥組織中RANKL介導(dǎo)的骨吸收中發(fā)揮一定的防御功能。Kanzaki等[10]通過建立牙周膜細胞和外周血單核細胞的共同培養(yǎng)體系，發(fā)現(xiàn)共同培養(yǎng)體系中的牙周膜細胞可通過改變OPG和RANKL的表達，從而誘導(dǎo)破骨細胞形成，這表明OPG和RANKL與牙齒和牙槽骨的吸收關(guān)系密切。Hasegawa等[11]研究發(fā)現(xiàn)體外培養(yǎng)PDLCs能夠產(chǎn)生OPG、RANKL，且OPG的量大于RANKL。與骨髓細胞共培養(yǎng)，無TRAP(+)MNC形成。只有當(dāng)同時加入1,25-(OH)2D3/Dex和抗OPG抗體時，能誘導(dǎo)大量的TRAP(+)MNC產(chǎn)生，且這些TRAP(+)MNC具有骨吸收活性。說明PDLCs產(chǎn)生的OPG能夠抑制自身產(chǎn)生的RANKL，只有當(dāng)OPG被抗OPG抗體完全中和后,PDLCs產(chǎn)生的RANKL才能發(fā)揮作用。

研究發(fā)現(xiàn)，在牙槽骨破壞過程中，OPG/RANKL的表達平衡被打破。Cortti等[12]對牙周病患者牙槽骨吸收部位肉芽組織或牙齦中RANKL與OPG表達進行分析，發(fā)現(xiàn)牙周病患者的RANKL表達高于非牙周病患者，而OPG表達則降低，同時發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮細胞OPG表達陽性，胸腺依賴性細胞及巨噬細胞RANKL表達陽性。Liu等[13]對進展期和穩(wěn)定期牙周炎的牙齦與正常牙齦進行比較，發(fā)現(xiàn)進展期牙周炎的牙齦RANKL mRNA表達最強，OPG mRNA在牙周炎進展期和穩(wěn)定期的量比正常牙齦低，證明RANKL和OPG的表達強弱與牙槽骨破壞速度有直接聯(lián)系。Mogi等[14]測量不同程度牙周病患者齦溝液中RANK L和OPG的表達時發(fā)現(xiàn)，RANKL濃度增高，OPG濃度降低。Valverde[15]等在誘發(fā)實驗性牙周炎實驗中，觀察到牙周局部RANKL表達增高，牙槽骨吸收，局部注射OPG后阻斷此效應(yīng)，且RANKL/OPG之比降低90%，表明RANKL/OPG之比的升高是牙槽骨吸收的關(guān)鍵因素。

細菌產(chǎn)生的毒素或組織表達的炎癥介質(zhì)也是通過影響牙周膜細胞增高或者減少OPG的表達而影響組織修復(fù)的。有學(xué)者嘗試通過增加牙周組織中OPG分泌而抑制RANKL表達，阻斷破骨細胞增殖，分化與成熟，從而治療因牙周病而引起的牙槽骨喪失。Shiba等[16]首次發(fā)現(xiàn)OPG的表達、增殖能力與人牙周膜細胞增齡改變之間存在一定聯(lián)系，增加OPG抑制RANKL的表達是治療牙周炎，減少骨損失及牙脫落的有效手段。Jin等[17]將OPG-Fc皮下注射到牙周炎老鼠體內(nèi)后第3～6周鼠的牙槽骨量明顯增多，從而證實OPG治療牙周病有效。Chen等[18]通過在大鼠磨牙腭側(cè)注射脂多糖，誘導(dǎo)大鼠牙周骨喪失模型，以質(zhì)粒轉(zhuǎn)染OPG基因到失活 HVJ(hemagglutinating—virus of Japan，HVJ)中，局部注射到大鼠磨牙的牙周組織，發(fā)現(xiàn)OPG表達增高,RANKL介導(dǎo)的破骨細胞發(fā)生受到抑制，認(rèn)為局部OPG基因轉(zhuǎn)染能有效減少牙槽骨吸收。

在中年人，特別是絕經(jīng)后女性中牙周病的發(fā)病率較高。大量的臨床和動物實驗證實，絕經(jīng)后女性骨質(zhì)疏松癥與牙周病有一定的相關(guān)性，全身骨質(zhì)疏松程度與頜骨的骨礦丟失也有顯著相關(guān)性，雌激素治療可提高牙槽骨密度[19-21]。隨著OPG在防治骨質(zhì)疏松癥的深入研究，一些OPG基因療法和蛋白療法除了能夠有效對抗絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松，同時也能有效緩解患者牙槽骨吸收，為絕經(jīng)后女性牙周病的防治提供了新的思路。

2.OPG在正畸牙移動中的研究進展

機械力作用下引起的牙槽骨改建是口腔正畸的生理基礎(chǔ)。在正畸牙的移動中，牙周組織中的OPG和RANKL在調(diào)整牙槽骨吸收平衡中是重要的決定因素[22]。Shiotani等[23]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)周圍血單核細胞與牙周韌帶細胞共同培養(yǎng)時，對牙本質(zhì)薄片產(chǎn)生更多的破骨陷窩；牙周膜細胞表達了RANKL、OPG的mRNA，它能通過雙向機制刺激RANKL的活性及抑制OPG來調(diào)節(jié)破骨細胞形成，從而影響牙周炎病變及牙移動速度。Nishijima等[24]體外研究表明：在人類牙周韌帶細胞中，壓力顯著增加RANKL的分泌，而減少OPG的分泌，且與時間和作用力的大小呈依賴性。Kanzaki等[24]檢測牙周韌帶細胞在體外周期性牽張力機械地作用下發(fā)現(xiàn)，不僅RANKL mRNA的表達上升，而且OPGmRNA的表達也上升，同樣牽張力也使牙周韌帶細胞中的TGF-β表達上升，給予TGF-β中和抗體能抑制OPG表達上調(diào)，呈劑量大小依賴性，牽張力通過TGF-β的刺激誘導(dǎo)OPG的表達上升，從而抑制牙周韌帶細胞中破骨細胞的產(chǎn)生。李小彤等[25]研究發(fā)現(xiàn)，幼年鼠正畸牙齒移動中加力后3小時張力側(cè)近牙槽骨表面即可見OPG表達陽性細胞排列，而壓力側(cè)牙周膜細胞的OPGmRNA表達在加力前后未見明顯改變。在過大正畸力導(dǎo)致外源性根尖吸收的病人牙周韌帶細胞中，嚴(yán)重的根吸收組與非吸收組相比RANKL增加和OPG下降很明顯，抗酒石酸鹽陽性細胞的數(shù)目和骨吸收陷窩也增加?？梢妵?yán)重外源性根尖吸收的受壓牙周韌帶細胞可以產(chǎn)生大量的RANKL，RANKL/OPG的比值增加，并且促進破骨細胞的產(chǎn)生[27]。Oshiro等[28]研究揭示OPG基因敲除鼠在切牙的移動中可檢測到破骨細胞數(shù)量增多，牙槽骨破壞嚴(yán)重，而RANKL的表達量與正常鼠一致，表明RANKL/OPG的相對濃度決定了牙槽骨的的骨吸收平衡。Kanzaki[29,30]以質(zhì)粒轉(zhuǎn)染OPG基因到失活HVJ中，局部注射到大鼠正畸牙的牙周組織，發(fā)現(xiàn)OPG表達增加，破骨細胞生成受到抑制，顯著降低正畸牙齒的移動速度。反之，局部注射RANKL基因后能誘導(dǎo)牙周組織RANK L的表達，促進破骨細胞生成，加速牙齒移動，縮短正畸治療時間，從而證明OPG/RANKL系統(tǒng)在牙槽骨改建中發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用。Dunn等[31]建立上頜第一磨牙近中移動的鼠正畸模型，同時將OPG-Fc分別以0.5 mg/kg和5.0 mg/kg濃度每周2次注射于上頜第一磨牙近中側(cè)，結(jié)果兩組在7,14,21 d內(nèi)磨牙移動均較對照組減少，且以5.0 mg/kg濃度組更明顯。

3.OPG/在牙萌出的研究進展

牙齒萌出的機制十分復(fù)雜，研究證明牙齒的萌出依賴于牙囊。目前對啟動牙齒萌出的分子調(diào)控機制的研究，主要集中在一些生長因子對牙囊的調(diào)節(jié)作用。這些調(diào)控因子主要包括巨噬細胞集落刺激因子-1(CSF-1)、白細胞介素-1α(IL-1α)及其受體、表皮生長因子(EGF)、轉(zhuǎn)化生長因子-β1(TGF-β1)、單核細胞趨化性蛋白-1(MCP-1)、破骨細胞分化因子／骨保護素(RANKL/OPG)、腫瘤壞死因子(TNF-α)、甲狀旁腺相關(guān)蛋白(PTHrP)、c-fos等。研究表明[32,33]，RANKL基因敲除小鼠表現(xiàn)為嚴(yán)重的骨質(zhì)硬化和牙萌出困難，體內(nèi)破骨細胞數(shù)明顯減少。Wise等[34,35]檢測到鼠下頜磨牙萌出時牙囊中OPG基因表達的減弱伴隨著單核細胞的大量聚集，接近牙囊的牙槽骨基質(zhì)細胞有RANKL表達，提示它可能參與單核細胞的融合，從而改變OPG與RANKL之間的平衡，使破骨細胞形成和激活，伴隨牙槽骨吸收的牙萌出過程得以調(diào)控；認(rèn)為在牙齒發(fā)育的特定時期，OPG受CSF-1和PTHrP等因子的抑制，使組織局部的RANKL發(fā)揮更多的作用來促進破骨細胞分化激活[36]。2004年YAO[37]等人采用激光顯微切割技術(shù)從鼠的牙囊細胞中首次檢測到RANKL mRNA的表達。這一發(fā)現(xiàn)對于研究牙齒萌出具有重大意義，證明了牙齒萌出通道形成必需的RANKL不僅來源于牙槽骨，還存在于牙囊。Liu等[38]研究結(jié)果證明牙囊細胞也存在RANKL的表達。

4.OPG在慢性根尖周炎中的研究進展

慢性根尖周炎的重要病理學(xué)特征之一是炎癥性骨吸收，這與局部破骨細胞的形成和功能關(guān)系密切。RANKL和OPG在介導(dǎo)破骨細胞分化和活化的過程中，分別是重要的正性和負性細胞外調(diào)節(jié)因子。Renato等[39]采用real-time PCR的方法檢測了人根尖肉芽腫OPG和RANKLmRNA的表達，結(jié)果表明與正常人牙周組織相比，OPG和RANKL的mRNA的表達均升高。范容等[40]采用免疫組織化學(xué)方法檢測RANKL和OPG在根尖肉芽腫和根尖囊腫病損組織中的表達，認(rèn)為慢性根尖周病損組織中的RANKL表達明顯增多,RANKL/OPG比率顯著上升，這與牙周炎和類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等骨破壞性疾病的研究結(jié)果相一致[12,41]；分組研究表明，根尖肉芽腫組的RANKL和OPG表達均略強于根尖囊腫組，但差異并無統(tǒng)計學(xué)意義，且RANKL/OPG的比率在兩組間的差異也無統(tǒng)計學(xué)意義。這些與Menezes等[42]2006年的研究結(jié)果基本一致，分析原因可能是根尖囊腫處于根尖病損發(fā)展的相對穩(wěn)定階段，其免疫反應(yīng)和骨代謝的活躍程度可能相應(yīng)降低。

5.OPG在口腔種植學(xué)中的研究進展

種植體周圍炎是種植義齒修復(fù)后最常見的并發(fā)癥，也是種植義齒修復(fù)后失敗的最主要原因。由于種植體缺乏天然牙周的防御屏障，一旦發(fā)生炎癥，擴散速度迅速，骨喪失明顯。該炎癥過程將影響已形成骨整合并行使功能的種植體周圍組織，最終導(dǎo)致支持骨喪失、骨整合失敗。目前臨床的治療方法有局部清創(chuàng)、藥物、手術(shù)治療及調(diào)牙合等，但均不能迅速抑制骨喪失。利用OPG強效抑制骨吸收的能力，將為種植體周圍炎提供一條新的治療途徑。骨質(zhì)疏松癥常常被認(rèn)為是是種植義齒的相對禁忌癥。Motohashi等[43,44]通過動物實驗的研究發(fā)現(xiàn)，骨質(zhì)疏松鼠早期種植體周新骨形成及分布與正常鼠相同，只是形成速度較慢，數(shù)量較少，而后期新骨的吸收速度較快。Becker等[45]認(rèn)為骨質(zhì)疏松患者種植體與骨結(jié)合因骨量減少及骨組織微結(jié)構(gòu)的改變而受影響。以上研究提示我們，骨質(zhì)疏松患者包括絕經(jīng)后的婦女，牙種植體的骨結(jié)合可能較差，將影響種植治療的遠期效果。利用OPG有效抑制骨吸收的特點，使用OPG蛋白或者基因治療增加骨質(zhì)疏松患者頜骨骨密度，可有望提高骨質(zhì)疏松患者的種植成功率。

OPG/RANKL/RANK系統(tǒng)在骨吸收中起關(guān)鍵作用，在口腔科學(xué)中，其與牙周病造成的牙槽骨吸收，正畸牙移動過程中牙槽骨的改建及牙齒萌出等均存在明顯的相關(guān)性。進一步研究OPG/RANKL/RANK系統(tǒng)在口腔骨組織吸收中的作用具有重要意義。

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