活性氧在牙周炎中病理作用的研究進(jìn)展

鄭燕丹，黃翔

作者單位：惠州市第六人民醫(yī)院口腔科，廣東 惠州 516211

從20世紀(jì)70年代早期的口腔疾病研究開始，活性氧(reactive oxygen species,ROS)與牙周炎之間的密切關(guān)系一直被人們所重視[1-2]，牙周炎是一種口腔炎癥性疾病，它通過(guò)牙周病原體的相互作用和宿主的免疫反應(yīng)，損害牙齒支撐組織的完整性[3]。大多數(shù)牙周組織損傷是由宿主免疫反應(yīng)的破壞引起的，白細(xì)胞、補(bǔ)體分子和ROS都參與其中[4]。ROS作為短暫存在的高活性分子，主要包括過(guò)氧化物、過(guò)氧化氫、羥基和單氧分子[5]。細(xì)胞水平上的ROS對(duì)于真核細(xì)胞牙周炎過(guò)程的生理和自噬至關(guān)重要，包括細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞分化和細(xì)胞凋亡[5]，另外，活性氧在人體內(nèi)有清除病原體的作用。有臨床研究發(fā)現(xiàn)，血清活性氧代謝產(chǎn)物與特定牙周病病原體的免疫球蛋白G抗體呈正相關(guān)[6]。自噬是進(jìn)化上保守的細(xì)胞內(nèi)降解系統(tǒng)，對(duì)維持人體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定起重要作用。細(xì)胞內(nèi)損壞的或多余的細(xì)胞質(zhì)材料(例如受損的細(xì)胞器，變性的蛋白質(zhì)和細(xì)菌)遞送至溶酶體回收降解，產(chǎn)生的產(chǎn)物用于新的物質(zhì)合成，在炎癥反應(yīng)中細(xì)胞自噬的激活是普遍存在的現(xiàn)象。

1 ROS在牙周組織中的生理作用

ROS具有多方面的功能，主要由其所處的氧化還原狀態(tài)決定。在牙周病的進(jìn)程中，ROS是一把雙刃劍。在不同濃度下，ROS有截然不同的作用：在低濃度時(shí)，ROS可以促進(jìn)了人牙周韌帶纖維母細(xì)胞在培養(yǎng)中的增殖和分化；而在高濃度時(shí)，它們可能對(duì)牙周組織產(chǎn)生強(qiáng)烈的細(xì)胞毒性作用，另一方面參與病原體的殺滅[7]。

牙周組織損傷是由宿主免疫反應(yīng)的破壞引起的，與多種微生物菌群失調(diào)和宿主免疫的激活有關(guān),白細(xì)胞、補(bǔ)體和ROS都參與其中[4]。起作用的微生物主要是革蘭陰性厭氧菌或兼性細(xì)菌，對(duì)氧化環(huán)境的變化非常敏感[8]，ROS可以改變細(xì)胞所處的氧化還原環(huán)境，抑制病原體的增值，并參與殺滅病原體。另外，在細(xì)胞水平上，ROS作為第二信使有調(diào)節(jié)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)、細(xì)胞死亡的生理作用。

2 ROS的體內(nèi)平衡

通常來(lái)說(shuō)，ROS包括了多種過(guò)氧化物、羥基和單氧分子[5]。這些活性氧分子大多由過(guò)氧化物酶體(peroxisomes)、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmic reticulum，ER)以及多種酶和線粒體電子傳遞鏈(mitochondrial electron transfer chain)[9]產(chǎn)生。一個(gè)細(xì)胞一天產(chǎn)生的ROS量可達(dá)10億分子，學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)可線粒體電子傳遞鏈?zhǔn)荝OS產(chǎn)生的主要來(lái)源[10]。在線粒體中，可能發(fā)生過(guò)早的電子泄漏到O2，產(chǎn)生O-2·作為電子傳遞鏈的副產(chǎn)物。超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase 1，SOD1)在膜間隙中或通過(guò)基質(zhì)中的超氧化物歧化酶2(superoxide dismutase 2，SOD)對(duì)O-2·歧化產(chǎn)生H2O2，H2O2再通過(guò)谷胱甘肽過(guò)氧化物酶還原成H2O。

在ROS平衡過(guò)程中，包括ROS的產(chǎn)生和清除。酶(例如SOD，GPX和CAT)，小分子(例如維生素C和谷胱甘肽)以及谷氧還蛋白和硫氧還蛋白系統(tǒng)參與其中以維持氧化還原的穩(wěn)態(tài)。ROS的產(chǎn)生和消除之間的平衡對(duì)于人類健康至關(guān)重要。過(guò)量的ROS產(chǎn)生，或者低水平的抗氧化劑、抑制抗導(dǎo)致氧化酶引起氧化應(yīng)激，可能導(dǎo)致體內(nèi)對(duì)生物大分子(脂質(zhì)，蛋白質(zhì)和DNA)的不加區(qū)分的損害。研究表明ROS與各種疾病之間存在關(guān)聯(lián)，包括癌癥，牙周炎，心血管疾病和糖尿病[5]。

3 ROS在牙周炎中病理作用的相關(guān)研究

牙周炎是機(jī)體常見的慢性炎癥性疾病，在人群中及其普遍，炎癥通過(guò)破壞機(jī)體的牙齦、牙槽骨等牙周組織引起牙周感染和損傷，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致牙齒松動(dòng)脫落，其破壞機(jī)制通過(guò)口腔微生物導(dǎo)致宿主體內(nèi)相應(yīng)內(nèi)環(huán)境的改變，特別是ROS水平的改變。升高的ROS作為細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)分子導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生自噬，在牙周炎中起著雙重作用：一方面抑制病原體的增值，另一方面阻止感染細(xì)胞凋亡。另外，自噬反過(guò)來(lái)還可以調(diào)節(jié)ROS生成和清除。研究表明ROS在牙周炎中的致病機(jī)制一是影響組織的氧化還原環(huán)境的失衡，二是激活牙周組織的自噬。

牙周病病灶中普遍存在一種不穩(wěn)定的氧化還原平衡，主要是ROS的失衡。ROS和抗氧化防御系統(tǒng)之間的穩(wěn)態(tài)失衡可能引發(fā)應(yīng)激反應(yīng)，這被認(rèn)為與牙周破壞密切相關(guān)[11]，相關(guān)研究表明，牙周炎病人血清、唾液和齦溝液中的活性氧代謝物和總氧化狀態(tài)水平增加[12]，見表1。進(jìn)一步的證據(jù)來(lái)自于體外和動(dòng)物模型研究，ROS水平的降低導(dǎo)致破骨細(xì)胞分化標(biāo)記基因的表達(dá)下降，減少骨質(zhì)流失[13]。ROS還可以通過(guò)調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄因子，如激活B細(xì)胞的nf-kb因子[14]，喚起免疫反應(yīng)。此外，ROS可通過(guò)JNT激酶激活誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[15]?？偟膩?lái)說(shuō)，口腔環(huán)境中ROS濃度的升高是牙周炎的危險(xiǎn)因素。

表1 牙周炎病人的氧化應(yīng)激導(dǎo)致組織損傷

牙周組織的損傷可能直接由氧化應(yīng)激產(chǎn)生，間接通過(guò)激活與炎癥、細(xì)胞凋亡以及其他因素相關(guān)的細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)途徑來(lái)產(chǎn)生。已經(jīng)有研究證明ROS升高會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞脂質(zhì)過(guò)氧化和細(xì)胞膜破壞，從而引起牙周組織的損傷[16]，這個(gè)過(guò)程進(jìn)而引起蛋白質(zhì)和酶的失活，導(dǎo)致核酸損傷(例如鏈斷裂和堿基對(duì)突變)和染色體破壞，致使線粒體損傷和ROS的大量產(chǎn)生。

ROS參與牙周病發(fā)病機(jī)制的另一個(gè)機(jī)制是激活牙周組織細(xì)胞的自噬。從廣義上講，自噬有四種形式：巨自噬，微自噬，分子伴侶自噬和非典型自噬，在這些形式中，巨自噬(以下稱為自噬)是最廣泛研究的類型[17]。在2016年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予在自噬領(lǐng)域做出重要貢獻(xiàn)的大隅良典教授，自噬成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)[18]。大量的證據(jù)表明ROS和自噬之間有密切的聯(lián)系，表明ROS-自噬之間的相互作用參與牙周炎的疾病進(jìn)程。有研究證明自噬相關(guān)基因(Atg12和LC3)的表達(dá)與牙周炎病人的外周血單核細(xì)胞中的線粒體ROS產(chǎn)生呈正相關(guān)[19]，而且線粒體ROS的減少會(huì)引起細(xì)胞自噬的減少。

線粒體中ROS已經(jīng)被確定為調(diào)節(jié)自噬的重要信號(hào)分子，細(xì)菌感染誘導(dǎo)ROS的產(chǎn)生[20]。自噬是一種溶酶體的自我降解途徑，自噬通路與ROS之間存在著一種復(fù)雜的互惠關(guān)系。有研究表明，ROS會(huì)影響自噬，而自噬也會(huì)反過(guò)來(lái)調(diào)節(jié)ROS[22]。ROS和自噬的相互作用在癌癥中也有體現(xiàn)[23]。這類研究也越來(lái)越多，受到了國(guó)內(nèi)研究者的關(guān)注，如李柄輝等[24]對(duì)牙周病和胃癌發(fā)生相關(guān)性的分析。ROS對(duì)自噬調(diào)控似乎很復(fù)雜，還有很多未知的地方，包括各種自噬信號(hào)通路和自噬相關(guān)基因。但是，相關(guān)研究表明，活性氧對(duì)細(xì)胞自噬的調(diào)控作用在腫瘤的發(fā)展過(guò)程中起著細(xì)胞毒性作用[25]。重要的是，自噬被證明通過(guò)細(xì)菌消除來(lái)參與牙周炎的發(fā)病機(jī)制，促進(jìn)特定牙周病原體的內(nèi)化，抑制免疫反應(yīng)，抑制牙周細(xì)胞凋亡[26-27]。自噬通過(guò)調(diào)節(jié)牙周組織的免疫應(yīng)答，來(lái)調(diào)控炎性體依賴性和炎性體非依賴性炎癥來(lái)影響牙周炎癥。

作為細(xì)胞毒性信號(hào)傳導(dǎo)的一種形式，ROS的過(guò)度生成可加重炎癥反應(yīng)，并導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，誘導(dǎo)牙周功能障礙的自噬活性失調(diào)。相反的，自噬的氧化還原調(diào)節(jié)是抗菌反應(yīng)的有效措施，保護(hù)牙周細(xì)胞免受細(xì)胞凋亡。但是由于目前研究的局限性，沒有足夠的證據(jù)證明ROS與自噬在牙周功能障礙中的相互作用，因此推測(cè)自噬中氧化還原的調(diào)節(jié)作用是非常困難的。然而，以前的研究表明自噬的氧化還原調(diào)控具有雙重作用，這些研究已經(jīng)證明，ROS可能通過(guò)誘導(dǎo)自噬或細(xì)胞凋亡從而決定細(xì)胞命運(yùn)。綜上所述，雖然已有研究表明自噬參與細(xì)胞的氧化還原環(huán)境的調(diào)節(jié)，但背后的具體機(jī)制還有待進(jìn)一步闡明。

4 展望

ROS在牙周炎發(fā)生和發(fā)展中的生理和病理作用已經(jīng)被研究了數(shù)十年，獲得了一系列的研究成果。盡管低水平的ROS可能是有益的，但是ROS的過(guò)量產(chǎn)生以及抗氧化劑缺乏會(huì)導(dǎo)致牙周疾病中的牙周相關(guān)組織破壞，主要是與牙周組織中抗氧化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)失衡和牙周組織細(xì)胞自噬的激活有關(guān)。ROS和自噬是如何共同影響疾病病理進(jìn)程的，現(xiàn)在還沒有一個(gè)明確的共識(shí)，但是它們被證明與其多種疾病的發(fā)生發(fā)展相關(guān)，比如各種癌癥，這些都需要進(jìn)一步的研究探討?？傊?，ROS的研究為牙周病的治療提供了一種新思路，也給其他疾病研究提供了啟發(fā)，具有一定意義。