Ⅱ型糖尿病與牙種植體骨結(jié)合相關(guān)生物標(biāo)記物的研究進(jìn)展*

王 惠 李風(fēng)蘭

糖尿病是一種慢性代謝紊亂性疾病，對人類的健康構(gòu)成威脅。預(yù)計(jì)至2040年全球糖尿病人將增長至6.42億［1］。糖尿病患者常因代謝紊亂而引發(fā)牙周病導(dǎo)致多顆牙齒缺失，為改善患者的咀嚼、心理和美觀等問題，牙種植術(shù)是最常見的選擇之一。牙種植術(shù)的成功取決于骨-種植體直接接觸（BIC）定義的骨結(jié)合與種植體周圍的骨組織生長［2］，其過程涉及內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定、肉芽組織形成、骨形成和骨重塑。骨結(jié)合實(shí)際上是由機(jī)體對植入物表面免疫驅(qū)動的異物反應(yīng)引起的，界面的長期維持依賴于局部炎癥反應(yīng)的平衡［3］。Ⅱ型糖尿病患者的持續(xù)高血糖或血糖波動狀態(tài)可顯著提高機(jī)體氧化應(yīng)激水平，加劇環(huán)境中炎癥反應(yīng)［4］從而延遲骨結(jié)合，使骨-種植體接觸減少等［5］。

目前，臨床指標(biāo)（如探診出血指數(shù)［BOP］、牙周探診深度［PD］、臨床附著喪失［CAL］等）和影像學(xué)技術(shù)主要運(yùn)用于檢測種植體及種植體周健康狀況，但Duarte等［6］認(rèn)為這些參數(shù)中的一些不易被評估和解釋，可能對區(qū)分疾病的發(fā)病、活動和風(fēng)險(xiǎn)率具有不敏感或不特定性，同時(shí)在組織有不可逆的損傷時(shí)進(jìn)行診斷或人為主觀因素的干預(yù)也可能導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)偏差。關(guān)于生物標(biāo)記物的檢測逐漸成為一種輔助診斷的新形式，唾液、齦溝液及種植體周圍裂隙液中的生物標(biāo)記物在區(qū)分種植體周圍疾病狀態(tài)和健康方面顯示出良好的效果，現(xiàn)對于Ⅱ糖尿病患者種植體骨結(jié)合狀態(tài)的評價(jià)尚缺乏特異性的標(biāo)記物，不同研究數(shù)據(jù)針對不同生物標(biāo)記物的作用機(jī)制說法不一。本文旨在總結(jié)不同生物標(biāo)記物在評估Ⅱ型糖尿病患者種植體骨結(jié)合狀態(tài)方面的作用。

1.基因生物標(biāo)記物

1.1 IL-1β IL-1β是一種參與炎癥反應(yīng)、破骨細(xì)胞的形成與成熟、骨吸收和抑制骨形成等多種生物學(xué)過程的促炎細(xì)胞因子，不僅誘導(dǎo)破骨細(xì)胞的形成并刺激骨吸收［7］，還使高糖通過caspase-1/GSDMD/IL-1β途徑抑制成骨細(xì)胞的增殖和分化［8］。齦溝液中IL-1β的水平與牙周炎癥和種植體周圍炎成顯著正相關(guān)，其濃度可作為種植體周圍炎的生物學(xué)指標(biāo)［9,10］。但也有Dǒgan等［11］發(fā)現(xiàn)血糖控制良好的Ⅱ型糖尿病患者齦溝液中IL-1β的含量與健康人相比較無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，也并不影響糖尿病患者種植體的療效，甚至能夠與其余炎性因子協(xié)同實(shí)現(xiàn)骨重建。因此IL-1β的含量是否與Ⅱ型糖尿病患者血糖控制水平相關(guān)以及其在影響種植體骨結(jié)合方面的作用機(jī)制仍需要更多研究。

1.2 白細(xì)胞介素IL-6 IL-6是兼具促炎與抗炎功能的多效性細(xì)胞因子，在復(fù)雜的骨折愈合級聯(lián)反應(yīng)中發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用［12］。急性血糖波動使機(jī)體氧化應(yīng)激水平明顯升高，啟動NF—KB信號通路使炎癥因子IL-6表達(dá)增加，不僅損傷動脈，還增加了血管緊張素受體的表達(dá)以加強(qiáng)縮血管效應(yīng)［13］。此外IL-6是糖尿病骨代謝的有效調(diào)節(jié)因子，IL-6并不直接作用于破骨細(xì)胞，而是通過促進(jìn)支持破骨細(xì)胞生成的破骨細(xì)胞生成因子RANKL的表達(dá)間接刺激骨吸收；在骨重建過程中，IL-6又通過成骨細(xì)胞系促進(jìn)RANKL的表達(dá)以促進(jìn)成骨細(xì)胞增值［14］。Yang等［12］的實(shí)驗(yàn)表明，在敲除IL-6基因小鼠的早期修復(fù)階段，骨痂礦化不良，破骨細(xì)胞數(shù)量減少，即IL-6的高水平表達(dá)與骨痂形成及骨痂愈合有關(guān)，薛鵬飛等［15］在經(jīng)過陽極氧化（AD）法處理的種植體表面檢測到IL-6的表達(dá)下調(diào)，并通過促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖，在種植早期獲得了更佳的骨結(jié)合, 這使IL-6在糖尿病等炎性疾病骨愈合受損的病理機(jī)制中發(fā)揮著重要作用。

1.3 IL-8 IL-8可由多種細(xì)胞產(chǎn)生，如巨噬細(xì)胞、上皮細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞, 在多形核白細(xì)胞（PML）的募集和功能激活中發(fā)揮至關(guān)重要的作用［16］。骨結(jié)合即動態(tài)的骨改建過程，成骨細(xì)胞必不可少，成骨細(xì)胞多起源于擁有多分化潛能與自我更新能力的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（bone mesenchymal stem cells，BMSCs)，BMSCs 向成骨細(xì)胞分化的這一過程在骨結(jié)合中起重要作用。研究顯示IL-8 可能通過CXCR2 介導(dǎo)的PI3k/Akt信號通路觸發(fā)BMSCs的體外遷移，從而增強(qiáng)組織工程化植入體小鼠骨缺損的成骨作用［17］。Gauthami S等［18］發(fā)現(xiàn)盡管在控制良好的糖尿病和健康個(gè)體之間，植入物的穩(wěn)定性和骨生物標(biāo)記物沒有明顯的差異，IL-8仍表現(xiàn)出明顯的反應(yīng)模式，破骨細(xì)胞的狀態(tài)也呈擴(kuò)增狀態(tài)，但其在促進(jìn)破骨細(xì)胞生成的機(jī)制尚不清楚。由于高血糖引起的結(jié)構(gòu)改變可損害側(cè)支循環(huán)，上調(diào)的IL-8水平可能在破壞細(xì)胞增殖和延遲傷口愈合的炎癥反應(yīng)中起作用［19］。

1.4 腫瘤壞死因子（TNF-α）TNF-α在過去被描述為一種短暫的細(xì)胞因子，僅在愈合的前3d在種植體周圍的微環(huán)境中發(fā)現(xiàn)［20］，現(xiàn)已證實(shí)TNF-α通過刺激炎癥過程激活并參與種植體骨重塑中的代謝活動，從而控制成骨與破骨細(xì)胞的分化并誘導(dǎo)骨吸收［21］。TNF-α水平的升高與血糖控制較差有關(guān)，急性波動性高血糖患者中TNF-α水平顯著升高［22］。Alex Martins等人［23］觀察到種植體周臨床條件差和種植體周圍發(fā)病率高者的唾液中TNF-α濃度升高。在糖尿病小鼠模型中，高水平的TNF-α有助于加速糖尿病骨愈合過程中軟骨的丟失［24］，還可以增加骨保護(hù)素（OPG）的秩比，從而增強(qiáng)骨吸收［25］。Nina L等［26］在糖尿病急性Charcot骨關(guān)節(jié)病患者外周血中添加抗TNF-A-巨噬細(xì)胞集落刺激因子（M-CSF）+RANKL處理的培養(yǎng)物可以顯著降低破骨細(xì)胞的功能。由于TNF-α和高糖可協(xié)同降低成骨樣MG-63細(xì)胞的存活率并誘導(dǎo)其凋亡，提示TNF-α在Ⅱ型糖尿病骨延遲愈合中的重要調(diào)節(jié)作用［27］。此外，TNF-α不但參與骨愈合的初期形成, 還參與了骨痂的塑形過程, 從而影響著骨塑形［28］。TNF-α水平與種植骨結(jié)合的效果關(guān)系密切，并對骨結(jié)合狀態(tài)不良有一定的預(yù)測價(jià)值［29］。

1.5 骨保護(hù)素（OPG）和破骨細(xì)胞核因子κB受體活化因子配體（RANKL）血糖控制不良狀態(tài)對移植骨愈合過程中的骨因子如骨保護(hù)素（OPG）有負(fù)性調(diào)節(jié)作用，OPG作為腫瘤壞死因子受體家族的一員可干擾破骨細(xì)胞的功能與骨重塑過程，其通過抑制RANKL基因的表達(dá)阻礙破骨細(xì)胞的分化成熟、誘導(dǎo)破骨細(xì)胞凋亡［30］。劉一鳴等人［31］的實(shí)驗(yàn)觀察到每周皮下注射OPG組的去卵巢大鼠與對照組相比，骨體積百分比增加了124%，骨結(jié)合百分比增加了167%、平均結(jié)締組織密度增加了95%、平均骨小梁數(shù)增加了111%等結(jié)果，證實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用OPG可改善去卵巢大鼠種植體的骨結(jié)合和固定，其原因是種植體周圍骨量的增加和小梁微結(jié)構(gòu)的改善。因此OPG作為抗破骨細(xì)胞生成因子可以有效保護(hù)骨量。Ⅱ型糖尿病氧化應(yīng)激過激引起的炎癥反應(yīng)可導(dǎo)致破骨細(xì)胞及免疫細(xì)胞中RANKL的上調(diào)與成骨細(xì)胞中OPG的下調(diào)［32］，由于糖尿病患者種植體的骨重建需要在骨吸收與骨形成之間維持精準(zhǔn)的平衡，OPG作為RANKL的內(nèi)源性抑制劑，OPG/RANKL的比值成為了調(diào)節(jié)骨吸收與形成平衡的關(guān)鍵。OPG/RANKL比值降低是骨溶解增加的表現(xiàn)［33，34］，Kapasa等［35］認(rèn)為，增加種植體周圍OPG的含量或提高OPG/RANKL的比率可以增加牙種植術(shù)的成功率并減少術(shù)后并發(fā)癥。Ⅱ型糖尿病患者受全身因素作用，升高了RANKL和TNF-α水平并下降OPG的表達(dá)，最終使得OPG/RANKL的比例失調(diào)，從而加劇牙槽骨吸收［36］。藥物如二甲雙胍可通過增加OPG的表達(dá)升高延髓區(qū)OPG/RANKL比例，使種植體在高血糖狀態(tài)下更有利于形成骨結(jié)合［37］。OPG/RANKL/RANK系統(tǒng)在調(diào)節(jié)Ⅱ型糖尿病骨代謝方面有重要意義［38］，可能成為預(yù)防糖尿病患者種植體失敗和延長種植體壽命的臨床治療新靶點(diǎn)。

1.6 轉(zhuǎn)化生長因子β1（TGF-β1）TGF-β1被認(rèn)為是纖維化反應(yīng)的中樞介質(zhì)，在骨組織中含量較多，對骨組織的改建和形成具有重要意義。血糖控制不良患者的種植周液在12個(gè)月的重新評估中，TGF-β1水平較低［39］。體外實(shí)驗(yàn)證明TGF-β1可抑制骨髓細(xì)胞的成骨分化，并參與創(chuàng)傷愈合的細(xì)胞與炎癥調(diào)節(jié)過程［40］。鐘惠蘭等人［41］應(yīng)用復(fù)方丹參片提高了種植體周圍骨組織的TGF-β1 水平，進(jìn)而促進(jìn)了種植體的骨結(jié)合；童爽等［39］的研究數(shù)據(jù)表明，含TGF-β1的絲素蛋白-殼聚糖三維支架對BMSCs的增殖、分化及基質(zhì)生成均有積極作用，TGF-β1具有加速種植體骨重建的潛在生理效益。將含TGF-β1的復(fù)合涂層種植體植入糖尿病實(shí)驗(yàn)兔進(jìn)行術(shù)后觀察，成骨狀況和骨結(jié)合情況均優(yōu)化［42］，分析其原因可能是AGEs與TGF-β1的表達(dá)呈明顯負(fù)相關(guān),復(fù)合涂層種植體通過提高TGF-β1水平使AGEs表達(dá)減少，從而起到骨保護(hù)的作用。眾所周知，由于Ⅱ型糖尿病患者的胰島素相對缺乏，長期的糖代謝紊亂造成血小板功能障礙［43］，導(dǎo)致血小板衍生生長因子和TGF-β的缺乏，進(jìn)而影響骨結(jié)合過程中成骨細(xì)胞通過纖維蛋白基質(zhì)向種植體骨結(jié)合表面的遷移［44］。未來則需要更深入、更充足的數(shù)據(jù)對TGF-β1在糖尿病患者種植體骨結(jié)合過程中對成骨細(xì)胞遷移、骨組織新生和骨重建中所起到的作用進(jìn)行探討。

2.蛋白質(zhì)組學(xué)生物標(biāo)記物

高遷移率族蛋白B1(HMGB1):20世紀(jì)90年代末，HMGB1作為內(nèi)源性危險(xiǎn)信號分子被重新發(fā)現(xiàn)。作為一種非組蛋白DNA結(jié)合核蛋白，它可在細(xì)胞外與關(guān)鍵的跨膜受體如晚期糖基化終末產(chǎn)物受體（RAGE）和toll樣受體-4 (TLR-4）導(dǎo)致高血糖狀態(tài)下的氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)所造成的細(xì)胞損傷［45］。李明靜等［46］發(fā)現(xiàn)，HMGBl可能通過Toll樣受體及NF-kB通路發(fā)揮類似OPG及RANKL的作用從而參與骨平衡的調(diào)節(jié)。最近的研究表明，HMGB1和RAGE是動物模型中鈦骨結(jié)合的重要標(biāo)記物［47］，HMGB1可通過增加IL-1、IL-6、TNF-α等促炎細(xì)胞因子的表達(dá)延長炎癥過程［48,49］。Liu等人［50］證明HMGB1不僅在糖尿病大鼠鈦種植體模型的血漿中升高，還在BMSCs和種植周圍骨組織中顯著過表達(dá)。用甘草甜素抑制HMGB1的上調(diào)可削弱氧化應(yīng)激反應(yīng)和脂過氧化物生成，逆轉(zhuǎn)成骨標(biāo)志物的下調(diào)并改善受損的小梁結(jié)構(gòu)從而改善骨結(jié)合。同時(shí)HMGB1作為促炎中介在種植體周圍溝液（PICF）及唾液中廣泛存在［49］，濾紙條法、酶聯(lián)免疫吸附法（ELISA)、Luminex等技術(shù)為相關(guān)蛋白標(biāo)記物的提取與檢測提供了便捷方式［6］。綜上，抑制HMGB1是緩解糖尿病環(huán)境下骨髓基質(zhì)細(xì)胞功能障礙、增強(qiáng)種植體成骨分化與骨結(jié)合的有效途徑，HMGB1可視為一種與糖尿病骨結(jié)合障礙相關(guān)的重要病理細(xì)胞因子［45，50］。

3.其它生物標(biāo)記物

晚期糖基化終產(chǎn)物（AGEs):Ⅱ型糖尿病患者細(xì)胞外血糖水平持續(xù)存在，血液蛋白質(zhì)經(jīng)歷非糖基化轉(zhuǎn)化為晚期糖基化終產(chǎn)物（AGEs）從而與不同類型細(xì)胞上的AGEs 受體（RAGE）結(jié)合促進(jìn)局部炎癥狀態(tài)。Ohara等人［51］證明血糖波動的改善可能減輕Ⅱ型糖尿病患者的氧化應(yīng)激，從而降低AGEs水平。AGEs可在血清和種植體裂隙液中升高，AGEs與RAGE的相互作用不僅可以產(chǎn)生刺激骨吸收的炎性細(xì)胞因子，從而觸發(fā)破骨細(xì)胞的誘導(dǎo)，還能抑制成骨細(xì)胞的增殖與分化，并使一些蛋白質(zhì)非酶糖基化，導(dǎo)致膠原結(jié)構(gòu)改變，使Ⅱ型糖尿病患者種植體形成的有機(jī)骨基質(zhì)質(zhì)量受損［52］。這些機(jī)制可能是Ⅱ型糖尿病患者種植體周圍參數(shù)惡化的原因，因此AGEs可被視為評估糖尿病患者骨結(jié)合狀態(tài)的潛在標(biāo)記物。

4.小結(jié)

Ⅱ型糖尿病患者種植環(huán)境的氧化應(yīng)激水平顯著升高，可能會影響骨結(jié)合過程中的血供、炎癥反應(yīng)、膠原合成與礦化以及骨再吸收和沉積間的平衡，進(jìn)而延遲骨愈合，損害新骨質(zhì)量。由于Ⅱ型糖尿病種植體骨結(jié)合的主要標(biāo)記物參與了炎癥和骨破壞過程，這些活性成分和相關(guān)機(jī)制即成為了這一領(lǐng)域的重要研究方向。影像學(xué)及和臨床參數(shù)等只能提供過去疾病的歷史記錄，并不提示當(dāng)前疾病活動狀態(tài)，而生物標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展提供了實(shí)時(shí)診斷疾病的可能性。理想的生物標(biāo)記物應(yīng)易于獲取檢測并具有高度穩(wěn)定性和特異性。當(dāng)前對于單一生物標(biāo)記物的研究較多，尚缺乏多個(gè)生物標(biāo)記物對糖尿病骨結(jié)合狀態(tài)的研究。現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)由于多缺乏敏感性和特異性的生物標(biāo)記物數(shù)據(jù)，出現(xiàn)了假陽性或假陰性的概率，因此單獨(dú)分析密切標(biāo)志物可能表現(xiàn)低敏感性或混合結(jié)果，進(jìn)而削弱疾病預(yù)測價(jià)值。且由于不同標(biāo)記物在骨結(jié)合的不同階段出現(xiàn)、消失并發(fā)生著濃度變化，多種生物標(biāo)記物聯(lián)合應(yīng)用預(yù)測骨結(jié)合狀態(tài)可能更加敏感高效，但如何界定標(biāo)記物的參考值范圍及不同標(biāo)記物間是否存在干擾等問題仍需更多充分的隨機(jī)臨床試驗(yàn)。據(jù)此，Ⅱ型糖尿病種植體骨結(jié)合相關(guān)生物標(biāo)記物的研究在幫助醫(yī)生監(jiān)測骨結(jié)合狀態(tài)、降低種植失敗率，闡明復(fù)雜的生物學(xué)機(jī)理以及開發(fā)宿主調(diào)節(jié)療法等方面具有重要意義，同時(shí)未來在其他有前景的研究領(lǐng)域如遺傳學(xué)、非靶向代謝組學(xué)和介入性縱向試驗(yàn)等可能出現(xiàn)更多獨(dú)特的易感性指標(biāo)來加深我們對這一課題的認(rèn)識。