巨噬細(xì)胞極化參與正畸牙移動(dòng)的研究進(jìn)展

趙玉潔 管曉燕,2 李小蘭 陳琦君,2 王倩 劉建國(guó),

1.遵義醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院 遵義 563006；

2.遵義醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院正畸科 遵義 563099；

3.貴州省普通高等學(xué)?？谇患膊⊙芯刻厣攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 遵義 563006

巨噬細(xì)胞作為單核-巨噬細(xì)胞系統(tǒng)成員在一定條件下參與了破骨發(fā)生的調(diào)控[1]。根據(jù)活化狀態(tài)和發(fā)揮功能的不同，巨噬細(xì)胞主要分為經(jīng)典活化（classically activated）的M1型和選擇性活化（alternatively activated）的M2型[2]。其中，M1型巨噬細(xì)胞通過(guò)分泌促炎細(xì)胞因子和趨化因子，并專職提呈抗原，參與正向免疫應(yīng)答；而M2型巨噬細(xì)胞僅有較弱抗原提呈能力，并通過(guò)分泌抗炎細(xì)胞因子白細(xì)胞介素-10（interleukin-10，IL-10）、精氨酸酶-1（arginase-1，Arg-1）等下調(diào)免疫應(yīng)答[3]。巨噬細(xì)胞是一種異質(zhì)性細(xì)胞群體，不同組織甚至同一組織的巨噬細(xì)胞在表型和功能方面也存在較大差異?；罨木奘杉?xì)胞產(chǎn)生不同的細(xì)胞因子可以調(diào)控或刺激破骨細(xì)胞介導(dǎo)相關(guān)骨丟失的發(fā)生[2]。正畸治療過(guò)程中，正畸力改變了牙周局部微環(huán)境促進(jìn)了巨噬細(xì)胞向不同表型極化，極化的巨噬細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞因子又進(jìn)一步去影響正畸牙移動(dòng)（orthodontic tooth movement，OTM）過(guò)程中的炎癥反應(yīng)和組織修復(fù)。

1 巨噬細(xì)胞極化參與炎癥反應(yīng)及免疫調(diào)節(jié)

巨噬細(xì)胞的M1和M2型在炎癥反應(yīng)和免疫反應(yīng)中發(fā)揮著不同的調(diào)節(jié)作用。在干擾素-γ（interferon-γ，IFN-γ）或殺菌微生物脂多糖（lipopolysaccharides，LPS）的刺激下，引發(fā)巨噬細(xì)胞向M1型極化[4]。M1型巨噬細(xì)胞可誘導(dǎo)活性氧的產(chǎn)生，促進(jìn)一氧化氮的合成，并釋放各種炎癥因子如腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、IL-6、IL-1、巨噬細(xì)胞炎性蛋白-1（macrophage inflammatory protein-1）和單核細(xì)胞趨化蛋白-1（monocyte chemoattractant protein-1），在炎癥早期啟動(dòng)炎癥反應(yīng)募集單核細(xì)胞清除壞死細(xì)胞和纖維蛋白血栓[5]。在IL-l0、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）、Th-2細(xì)胞因子（如IL-4、IL-13）等作用下，巨噬細(xì)胞向選擇性活化的M2型巨噬細(xì)胞極化，其中，IL-4或IL-13誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞極化為M2a，免疫復(fù)合物誘導(dǎo)其極化為M2b，抗炎細(xì)胞因子IL-10誘導(dǎo)其極化為M2c[6-7]。M2型巨噬細(xì)胞在血管生成、抗炎因子分泌以及促進(jìn)組織修復(fù)和傷口愈合方面起到了重要作用。在炎癥反應(yīng)后期，M2型巨噬細(xì)胞被募集到損傷部位并分泌組織修復(fù)信號(hào)，例如IL-10、TGF-β、骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2（bone morphogenetic protein 2，BMP-2）和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（vascular endothelial growth factor，VEGF），以抗炎及募集間充質(zhì)祖細(xì)胞，誘導(dǎo)骨軟骨分化增強(qiáng)、血管生成[8-9]，清道夫受體A（class A scavenger receptor，SR-A）通過(guò)抑制巨噬細(xì)胞向M1型極化，減少了IL-lβ、IL-6 和TNF-α的分泌，減弱M1型巨噬細(xì)胞誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)[10]。OTM是在正畸力作用下，牙周組織發(fā)生局部可逆性損傷和修復(fù)相結(jié)合的過(guò)程，巨噬細(xì)胞在此過(guò)程中扮演著重要角色。

2 巨噬細(xì)胞極化參與OTM反應(yīng)

正畸治療中，正畸力作用于牙齒并傳遞至牙周組織，牙周膜細(xì)胞釋放炎性介質(zhì)改變牙周局部的生物環(huán)境信號(hào)，而此信號(hào)能夠與免疫系統(tǒng)相互作用促進(jìn)巨噬細(xì)胞極化，極化的巨噬細(xì)胞參與OTM的生物反應(yīng)，最終通過(guò)牙槽骨的重塑為牙齒在牙周修復(fù)過(guò)程中移動(dòng)到一個(gè)新的位置做準(zhǔn)備。研究表明，周期性正畸力刺激使IL-lβ、TNF-α等炎性因子[11]，人牙周膜細(xì)胞中的趨化因子（IL-11、IL-8）[12]和成骨細(xì)胞中的趨化因子受體（IL-8受體）[13]表達(dá)增強(qiáng)，這些內(nèi)源性介質(zhì)參與了適應(yīng)性和先天性免疫，并促使牙周局部微環(huán)境發(fā)生暫時(shí)性、無(wú)菌性炎癥反應(yīng)[14-15]。在這種微環(huán)境的作用下，巨噬細(xì)胞向不同表型分化以促進(jìn)或抑制炎癥反應(yīng)。研究[16]發(fā)現(xiàn)，在小鼠實(shí)驗(yàn)中，正畸力使牙周局部微環(huán)境中TNF-α表達(dá)增加，而TNF-α是M1型巨噬細(xì)胞活化的關(guān)鍵信號(hào)，促使巨噬細(xì)胞向M1型極化并集聚在牙周組織受壓側(cè)，這有助于牙槽骨吸收和隨后的OTM。OTM是一個(gè)牽張側(cè)成骨而壓力側(cè)骨吸收的無(wú)菌性炎癥過(guò)程，正畸力導(dǎo)致牙周膜受壓側(cè)的細(xì)胞死亡和壞死組織發(fā)生退行性變，從而導(dǎo)致牙周膜中成纖維細(xì)胞分泌大量的促炎細(xì)胞因子引起無(wú)菌性炎癥反應(yīng)，促進(jìn)單核細(xì)胞進(jìn)入受損的牙周膜，分化為巨噬細(xì)胞和破骨細(xì)胞，參與清除牙周膜中的壞死成分[15,17]。在此過(guò)程中，不同極化類型的巨噬細(xì)胞在OTM中的表達(dá)存在階段性優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮不同的調(diào)節(jié)作用。

2.1 巨噬細(xì)胞向M1型極化促進(jìn)正畸牙齒移動(dòng)

在OTM過(guò)程中的不同階段，不同極化類型的巨噬細(xì)胞發(fā)揮的作用效果有差異。在早期階段，巨噬細(xì)胞被招募到炎癥部位，各種炎性因子促使其向M1型極化，并聚集在牙周組織受壓側(cè)[16,18]。同時(shí)，M1型巨噬細(xì)胞又通過(guò)高表達(dá)TNF-α和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）促進(jìn)炎癥的發(fā)生來(lái)加速OTM[16]。巨噬細(xì)胞表面抗原-1（macrophage sur-face antigen-1，Mac-1），如CD11b參與了破骨發(fā)生的調(diào)控，TNF-α能夠促進(jìn)骨溶解，被證明是破骨細(xì)胞前體中CD11b的正向調(diào)節(jié)劑[1]。研究[16]發(fā)現(xiàn)，在對(duì)小鼠牙齒加力的早期階段，M1型巨噬細(xì)胞表達(dá)增加，且在一段時(shí)間內(nèi)保持較高水平，而M2型巨噬細(xì)胞幾乎未檢測(cè)到。Wang等[18]也報(bào)道，在加力早期階段，M1型巨噬細(xì)胞和骨吸收的相關(guān)因子IL-1β和TNF-α表達(dá)上調(diào)；然而，促進(jìn)骨形成的Arg-1直到晚期階段才顯著升高。兩者的研究均支持不同表型的巨噬細(xì)胞在OTM中存在的階段性優(yōu)勢(shì)，在OTM早期，M1型巨噬細(xì)胞占優(yōu)勢(shì)，而到晚期階段M2型巨噬細(xì)胞才明顯聚集，這對(duì)于骨吸收的停止和組織修復(fù)的開(kāi)始是至關(guān)重要的。在此基礎(chǔ)上，有研究進(jìn)一步表明，M1型巨噬細(xì)胞加速了OTM，且通過(guò)注射脂質(zhì)體包裹的氯膦酸鹽消耗M1巨噬細(xì)胞并阻斷其集聚和表達(dá)后，OTM的距離和破骨細(xì)胞數(shù)量減少[16,18]。然而，氯膦酸鹽脂質(zhì)體也可以抑制破骨細(xì)胞生成[19]，提示需要進(jìn)一步研究以確定M1型巨噬細(xì)胞對(duì)OTM的直接影響。

2.2 巨噬細(xì)胞極化調(diào)控正畸牙根吸收

正畸治療使牙齒排列在功能和美學(xué)上更有利的位置，正畸牙根吸收是正畸治療的主要病理不良反應(yīng)之一[14]。與生理性牙根吸收不同，正畸牙根吸收是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械生物學(xué)過(guò)程[14]，是在正畸力的誘導(dǎo)下，無(wú)菌性炎癥引起的淺表牙骨質(zhì)的吸收，嚴(yán)重者可導(dǎo)致牙本質(zhì)的吸收，最終使牙根變短[20]。

正畸力作用下，組織液的靜水壓力限制了牙周組織的營(yíng)養(yǎng)傳遞，一系列生物信號(hào)招募單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞進(jìn)入牙周局部微環(huán)境并分化為破骨細(xì)胞，使礦化的牙根表面發(fā)生吸收[14]。有體外研究[21]表明，高壓應(yīng)力通過(guò)招募更多的巨噬細(xì)胞到達(dá)吸收位點(diǎn)，分化成破骨細(xì)胞，導(dǎo)致嚴(yán)重的牙根吸收。而新近研究[14]顯示，機(jī)械刺激主要增強(qiáng)細(xì)胞的吸收活性，而不是募集更多的破骨細(xì)胞，并且在張應(yīng)力區(qū)的吸收強(qiáng)度無(wú)明顯變化，表明破骨細(xì)胞可能對(duì)拉伸機(jī)械刺激無(wú)反應(yīng)。在牙周組織受壓側(cè)，靠近牙槽骨和牙根表面M1型巨噬細(xì)胞和促炎細(xì)胞因子TNF-α表達(dá)增加，同時(shí)伴有輕微的牙根吸收[16]。巨噬細(xì)胞可以調(diào)節(jié)炎癥和組織穩(wěn)態(tài)，在從M1到M2的轉(zhuǎn)換中，巨噬細(xì)胞的極化狀態(tài)取決于細(xì)胞微環(huán)境，M1型與M2型巨噬細(xì)胞的比率增加與牙根吸收有關(guān)[22-23]。進(jìn)一步的研究[23-24]表明，巨噬細(xì)胞介導(dǎo)的炎癥性牙根吸收，可以通過(guò)終止施加正畸力使牙根吸收處于靜止?fàn)顟B(tài)或使吸收的牙根得到部分修復(fù)。在牙槽骨活動(dòng)性吸收過(guò)程中TNF-α高表達(dá)[16,18,24]，當(dāng)正畸力被移除后M1型與M2型巨噬細(xì)胞比率下降，IL-4、IL-10抗炎細(xì)胞因子表達(dá)上調(diào)，根吸收的嚴(yán)重程度部分減弱或吸收的牙根得到部分修復(fù)[23]。牙根的部分修復(fù)與M2型巨噬細(xì)胞產(chǎn)生IL-10和Arg-1抑制炎癥促進(jìn)牙骨質(zhì)細(xì)胞激活密切相關(guān)[22,25]。當(dāng)正畸力被移除后，M1型與M2型巨噬細(xì)胞比率下降，提示正畸力改變的牙周微環(huán)境可能影響巨噬細(xì)胞極化。

3 正畸力改變牙周局部微環(huán)境并影響巨噬細(xì)胞極化

牙周膜細(xì)胞作為牙周組織中的重要細(xì)胞，在正常和炎癥條件下可與巨噬細(xì)胞相互作用[26]。在OTM過(guò)程中，正畸力應(yīng)激介導(dǎo)牙周膜細(xì)胞通過(guò)釋放包括高遷移率族蛋白B1（high mobility group box 1，HMGB1）在內(nèi)的介質(zhì)去改變牙周局部微環(huán)境，該介質(zhì)具有牙周修復(fù)的功能，且能促進(jìn)巨噬細(xì)胞的遷移和分化[27-28]。此外，牙周膜細(xì)胞釋放IL-1、IL-6、IL-8、IL-11和TNF-α等細(xì)胞因子，從而促進(jìn)巨噬細(xì)胞向M1型極化，M1型巨噬細(xì)胞通過(guò)高表達(dá)TNF-α和iNOS等細(xì)胞因子，促進(jìn)炎癥的發(fā)生來(lái)加速OTM[16]（圖1）。有研究[18]發(fā)現(xiàn)，在正畸建模中取經(jīng)正畸力處理的牙周膜細(xì)胞和單核巨噬細(xì)胞共同培養(yǎng)，從加力組細(xì)胞中檢測(cè)到M1型巨噬細(xì)胞；相反，M2型巨噬細(xì)胞的表達(dá)無(wú)變化。據(jù)研究[25,29]報(bào)道，由M1型巨噬細(xì)胞產(chǎn)生的促炎細(xì)胞因子TNF-α和IL-6可抑制成骨細(xì)胞分化，從而抑制成骨細(xì)胞的膠原蛋白生成和礦化；而M2型巨噬細(xì)胞表達(dá)的TGF-β和IL-10可以抑制破骨細(xì)胞的形成，支持骨沉積。正畸力改變了牙周局部微環(huán)境，促進(jìn)巨噬細(xì)胞向M1型極化。然而，正畸力是否直接影響巨噬細(xì)胞極化還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

正畸力引起的生物反應(yīng)并不局限于局部細(xì)胞的補(bǔ)充。在牙周局部微環(huán)境中巨噬細(xì)胞增加的同時(shí)，取而代之的是外周血和脾臟單核細(xì)胞儲(chǔ)存庫(kù)中的單核吞噬細(xì)胞數(shù)量減少[18,30]。有研究[16]發(fā)現(xiàn)，在OTM期間，通過(guò)向大鼠體內(nèi)注入增強(qiáng)綠色熒光蛋白（enhanced green fl uorescent protein，EGFP）標(biāo)記巨噬細(xì)胞，第7d，在牙周組織中發(fā)現(xiàn)了EGFP標(biāo)記的細(xì)胞，表明輸入的部分巨噬細(xì)胞被募集到牙周組織中并可能直接促進(jìn)OTM；向大鼠體內(nèi)輸注的巨噬細(xì)胞也可能誘導(dǎo)全身反應(yīng)，促進(jìn)循環(huán)單核細(xì)胞或巨噬細(xì)胞集聚在牙周組織中并加快骨吸收和OTM。

圖1 巨噬細(xì)胞參與OTM的相關(guān)生物學(xué)機(jī)制Fig 1 The biological mechanism of macrophages involved in OTM

4 巨噬細(xì)胞與骨代謝

巨噬細(xì)胞幾乎存在于所有組織中，對(duì)維持組織內(nèi)穩(wěn)態(tài)起著關(guān)鍵作用。最初有文獻(xiàn)[16,25,29]報(bào)道，M1型巨噬細(xì)胞通過(guò)產(chǎn)生TNF-α促進(jìn)破骨細(xì)胞生成，從而發(fā)揮加速骨代謝的作用。與He等[16]報(bào)道的M1型巨噬細(xì)胞促進(jìn)炎癥的發(fā)生，加速骨代謝相比，Yamaguchi等[31]報(bào)道M1巨噬細(xì)胞可以抑制破骨細(xì)胞的形成。在體外研究中發(fā)現(xiàn)，M1型巨噬細(xì)胞分泌的細(xì)胞因子中存在抗破骨細(xì)胞成分，抑制破骨細(xì)胞的形成和功能活性。例如，IL-12能直接作用于破骨細(xì)胞并誘導(dǎo)其凋亡，導(dǎo)致破骨細(xì)胞數(shù)量減少；敲除IFN-γ基因的小鼠形成的巨噬細(xì)胞喪失了下調(diào)破骨細(xì)胞生成的能力[31]。結(jié)合M1型巨噬細(xì)胞在炎癥早期的促炎和促破骨作用，似乎能夠合理地解釋IFN-γ和IL-12介導(dǎo)的抑制破骨作用弱于TNF-α介導(dǎo)的促破骨活性。綜上所述，可以看出M1型巨噬細(xì)胞通過(guò)各細(xì)胞因子表達(dá)的優(yōu)勢(shì)，抑制或促進(jìn)破骨，從而影響骨代謝。

與此同時(shí)，巨噬細(xì)胞在骨折愈合中也扮演著重要角色。成功的骨折愈合是基于炎癥細(xì)胞與骨形成細(xì)胞之間的相互協(xié)調(diào)作用，特別是在骨再生期間，巨噬細(xì)胞在募集和調(diào)節(jié)間充質(zhì)干細(xì)胞的分化中發(fā)揮關(guān)鍵作用，對(duì)于骨折愈合的膜內(nèi)和軟骨內(nèi)成骨路徑都必不可少[32]。對(duì)于M1和M2型巨噬細(xì)胞在骨折愈合過(guò)程中所起的主導(dǎo)作用，各學(xué)者的觀點(diǎn)并不統(tǒng)一。有文獻(xiàn)[33-34]報(bào)道，M1型巨噬細(xì)胞主要存在于骨愈合的早期，在軟骨內(nèi)骨化期M1型被M2型巨噬細(xì)胞取代；Sinder等[35]報(bào)道，M1型巨噬細(xì)胞是骨修復(fù)的關(guān)鍵，而不是M2型。M1型對(duì)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在促炎期的招募和成骨啟動(dòng)中起重要作用[35]，在骨損傷前耗竭M(jìn)1型巨噬細(xì)胞，會(huì)使新生骨的密度和強(qiáng)度降低一半[36]。然而，也有報(bào)道表明情況并非如此，如Schlundt等[33]發(fā)現(xiàn)，M2型巨噬細(xì)胞在骨折修復(fù)過(guò)程中起著更重要的作用，M1型轉(zhuǎn)化為M2型對(duì)于進(jìn)一步增強(qiáng)巨噬細(xì)胞促進(jìn)體外成骨的能力是必要的[37]。

5 總結(jié)與展望

正畸力使牙周局部微環(huán)境發(fā)生改變促使巨噬細(xì)胞向M1型極化，M1型巨噬細(xì)胞通過(guò)分泌炎性因子加速OTM。牙周局部微環(huán)境中沒(méi)有M1、M2型巨噬細(xì)胞的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，人為無(wú)限加強(qiáng)M1型巨噬細(xì)胞介導(dǎo)的促炎效應(yīng)，會(huì)使M1型與M2型巨噬細(xì)胞的平衡失調(diào)，從而導(dǎo)致牙根吸收等不良反應(yīng)。由于M1、M2型巨噬細(xì)胞在體內(nèi)處于動(dòng)態(tài)平衡且表型可以相互轉(zhuǎn)換，這使通過(guò)調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞向M1型極化加速骨代謝縮短正畸療程成為難點(diǎn)。

目前，關(guān)于巨噬細(xì)胞在OTM中的研究大部分停留在與其極化相關(guān)的因素以及M1、M2型巨噬細(xì)胞分泌的細(xì)胞因子表達(dá)水平上，影響巨噬細(xì)胞極化和其加速OTM的具體信號(hào)通路的研究還較少。因此，深入研究具體信號(hào)通路等問(wèn)題亟待解決。