骨細(xì)胞與牙周炎相關(guān)研究進(jìn)展

朱軒智， 馬瑞， 謝旭東， 王駿

口腔疾病研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心 四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院牙周病科，四川 成都（610041）

骨細(xì)胞包埋于成熟骨組織骨陷窩中，是構(gòu)成骨骼的主體細(xì)胞，占骨組織中細(xì)胞總數(shù)的90%以上。骨細(xì)胞由成骨細(xì)胞分化而來，形狀為扁橢圓形，其表面伸出多個(gè)星狀突起形成骨小管，連通相鄰的骨陷窩。牙周炎是一種以菌斑生物膜為始動(dòng)因子的慢性炎癥性疾病，主要影響牙周支持組織，其中牙槽骨的吸收破壞是其最具特征性的病理變化之一，隨著病情發(fā)展最終可導(dǎo)致牙齒脫落。牙周致病菌被機(jī)體識(shí)別之后，中性粒細(xì)胞、T 淋巴細(xì)胞、巨噬細(xì)胞以及漿細(xì)胞等先后浸潤牙周組織；免疫細(xì)胞通過分泌白細(xì)胞介素（interleukin，IL）和腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor?α，TNF?α）等多種細(xì)胞因子介導(dǎo)炎癥反應(yīng)，促進(jìn)破骨細(xì)胞生成，造成牙周組織損傷。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，牙槽骨的代謝活動(dòng)主要發(fā)生在成骨和破骨細(xì)胞活躍的骨組織表面，位于骨組織內(nèi)部的骨細(xì)胞僅起到結(jié)構(gòu)性占位作用。但隨著相關(guān)研究的深入，人們對骨細(xì)胞的認(rèn)識(shí)不斷更新，近年來多項(xiàng)研究證實(shí)骨細(xì)胞不僅在維持骨組織穩(wěn)態(tài)中起關(guān)鍵作用，還積極參與了牙周炎的發(fā)生發(fā)展。因此，本文對骨細(xì)胞在骨組織穩(wěn)態(tài)以及全身代謝中的作用及其與牙周炎的相關(guān)性作一綜述。

1 骨細(xì)胞在骨穩(wěn)態(tài)以及全身代謝中的作用

骨穩(wěn)態(tài)是指骨組織通過自身調(diào)節(jié)，在骨生成和骨吸收之間形成動(dòng)態(tài)平衡，從而使機(jī)體能夠?qū)⒏黝惔x指標(biāo)維持在正常區(qū)間，適應(yīng)外界環(huán)境。骨細(xì)胞作為骨骼中數(shù)量最多且壽命最長的細(xì)胞，在骨穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮了重要作用。

1.1 機(jī)械應(yīng)力感受器

機(jī)械應(yīng)力刺激是維持骨組織穩(wěn)態(tài)的重要因素，缺乏應(yīng)力刺激可導(dǎo)致骨代謝紊亂、骨結(jié)構(gòu)退化、骨量丟失，適量作用于骨組織的應(yīng)力有助于刺激骨生成反應(yīng)。研究表明，骨細(xì)胞相互連通形成類似神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)力感受系統(tǒng)，將機(jī)械應(yīng)力轉(zhuǎn)化為生物信號(hào)［1］。相對于骨組織內(nèi)其他細(xì)胞，骨細(xì)胞對機(jī)械應(yīng)力更加敏感。白喉毒素受體（diphtheria toxin receptor）在骨細(xì)胞表面的表達(dá)具有特異性，利用白喉毒素靶向清除小鼠體內(nèi)的骨細(xì)胞后，與野生型小鼠相比，體內(nèi)缺乏骨細(xì)胞的小鼠對應(yīng)力缺失導(dǎo)致的骨量流失更為耐受。骨組織在受到機(jī)械應(yīng)力刺激后激活葡萄糖?6?磷酸脫氫酶，使骨細(xì)胞中編碼非組織特異性堿性磷酸酶的mRNA、轉(zhuǎn)化生長因子?β 和胰島素樣生長因子?1 含量升高，促進(jìn)其牙本質(zhì)基質(zhì)蛋白?1（dentin matrix protein?1，DMP?1）和膜蛋白E11/gp38 表達(dá)。

1.2 參與骨重建

骨細(xì)胞可通過三種途徑參與骨重建：①細(xì)胞間隙連接直接傳遞信號(hào)；②骨細(xì)胞突觸分泌一氧化氮（nitric oxide，NO）、前列腺素E2（prostaglandin E2，PGE2）、三磷酸腺苷等小分子，調(diào)控成骨細(xì)胞增 殖；③激 活Wnt/β?catenin 信 號(hào) 通 路，促 進(jìn) 骨生成。

骨細(xì)胞可以通過分泌相關(guān)因子調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞活性參與骨重建。骨細(xì)胞受到剪切應(yīng)力后，收集含有骨細(xì)胞反應(yīng)生成物的培養(yǎng)液并用其培養(yǎng)破骨細(xì)胞，可以發(fā)現(xiàn)破骨細(xì)胞生成受到抑制［2］。在排除其他骨代謝因子干擾后，MLO?Y4 骨細(xì)胞系可通過突觸表達(dá)核因子κB 受體活化因子配體（receptor activator of nuclear factor κB ligand，RANKL）和巨噬細(xì)胞集落刺激因子，誘導(dǎo)破骨細(xì)胞生成［3］。骨細(xì)胞凋亡也可調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞分化。有研究證實(shí)凋亡小體由骨細(xì)胞釋放，而非成骨細(xì)胞。凋亡中的骨細(xì)胞通過上調(diào)RANKL/骨保護(hù)素（osteoprotegerin，OPG）比例，促進(jìn)破骨細(xì)胞形成［4］。骨組織表面受到微小損傷時(shí)，損傷區(qū)域的骨細(xì)胞發(fā)生凋亡并且細(xì)胞凋亡標(biāo)志物Bax 表達(dá)上調(diào)，而位于損傷周圍的骨細(xì)胞抗細(xì)胞凋亡標(biāo)志物Bcl?2 表達(dá)上調(diào)，說明受到損傷的骨細(xì)胞表達(dá)骨吸收的信號(hào)，而正常的骨細(xì)胞抑制凋亡相關(guān)信號(hào)，防止損傷進(jìn)一步擴(kuò)大。

骨細(xì)胞通過表達(dá)可溶性因子調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞活動(dòng)參與骨重建。骨細(xì)胞受到機(jī)械應(yīng)力刺激之后可釋放NO 等可溶性因子促進(jìn)成骨細(xì)胞分化［5］。骨細(xì)胞與成骨細(xì)胞共培養(yǎng)后對骨細(xì)胞施加剪切力，發(fā)現(xiàn)骨細(xì)胞通過細(xì)胞間隙向成骨細(xì)胞分泌鈣離子以促進(jìn)其堿性磷酸酶的表達(dá)，提示骨細(xì)胞可直接與成骨細(xì)胞交流，調(diào)控骨生成［6］。

骨細(xì)胞還可通過調(diào)節(jié)Wnt/β?catenin 信號(hào)通路參與骨重建。Wnt/β?catenin 信號(hào)通路調(diào)控成骨細(xì)胞的分化成熟，該通路被激活時(shí)促進(jìn)成骨，受到阻斷時(shí)則抑制成骨。而骨細(xì)胞是該信號(hào)通路負(fù)調(diào)節(jié)劑骨硬化蛋白的主要來源。骨硬化蛋白由SOST基因編碼，該基因的表達(dá)在機(jī)械應(yīng)力刺激下受到抑制，而在TNF?α 刺激下上調(diào)。骨硬化蛋白通過兩種途徑產(chǎn)生效應(yīng)：①經(jīng)由伸入骨小管中的骨細(xì)胞表面突觸，離開骨組織深處到達(dá)表面，作用于成骨和破骨細(xì)胞；②直接作用于骨細(xì)胞自身，上調(diào)RANKL/OPG 比例，促進(jìn)破骨細(xì)胞的生成［7］。

1.3 調(diào)節(jié)礦物質(zhì)平衡

骨細(xì)胞通過表達(dá)甲狀旁腺激素1 型受體（para?thyroid hormone type 1 receptor，PTH1R）維持其周圍骨基質(zhì)的鈣離子平衡。骨細(xì)胞PTH1R 基因缺失的小鼠體內(nèi)鈣平衡出現(xiàn)紊亂，而PTH1R 基因在骨細(xì)胞持續(xù)表達(dá)可增強(qiáng)骨組織的合成代謝活性，增加骨量。骨細(xì)胞也可通過表達(dá)DMP?1、X 染色體磷酸調(diào)節(jié)中性內(nèi)肽酶（phosphate regulating neutral endo?peptidase on chromosome X，PHEX）和成纖維細(xì)胞生長因子?23（fibroblast growth factor?23，F(xiàn)GF?23）調(diào)節(jié)體內(nèi)磷酸鹽平衡。當(dāng)DMP?1 和PHEX 表達(dá)升高時(shí)，骨細(xì)胞FGF?23 分泌減少，提高了腎臟對磷酸鹽的重吸收利用率，促進(jìn)骨質(zhì)礦化；反之，當(dāng)DMP?1 和PHEX 低表達(dá)時(shí)，骨細(xì)胞則增加FGF?23 的分泌并降低體內(nèi)的磷酸鹽水平，造成礦化不足和骨質(zhì)疏松［8］。

1.4 參與內(nèi)分泌調(diào)節(jié)

骨細(xì)胞參與全身內(nèi)分泌調(diào)節(jié)［9］。骨組織結(jié)構(gòu)高度血管化，骨細(xì)胞產(chǎn)生的信號(hào)分子可直接進(jìn)入血循環(huán)作用于遠(yuǎn)處靶器官。使用FGF?23 靶向作用于甲狀旁腺可減少甲狀旁腺素的分泌，提示甲狀旁腺是骨細(xì)胞的靶器官之一。在機(jī)械應(yīng)力作用下，骨細(xì)胞分泌的PGE2 和Wnt?3a 作用于全身肌肉組織，促進(jìn)肌纖維生長并穩(wěn)定肌功能［10］。造血組織也是骨細(xì)胞的內(nèi)分泌靶點(diǎn)，骨細(xì)胞缺失的小鼠無法進(jìn)行造血干細(xì)胞動(dòng)員且患有淋巴細(xì)胞減少癥。骨細(xì)胞中缺乏Gsα 蛋白的小鼠體內(nèi)骨髓、脾臟以及外周血中的髓樣細(xì)胞數(shù)量急劇增加，因此骨細(xì)胞可能通過Gsα 信號(hào)通路指導(dǎo)粒細(xì)胞集落刺激因子的表達(dá)從而調(diào)控髓樣細(xì)胞增殖。還有研究表明，骨細(xì)胞分泌的骨硬化蛋白可能是脂肪組織生長的必要條件［11］。目前，是否有更多組織或器官能作為骨細(xì)胞的內(nèi)分泌靶點(diǎn)有待進(jìn)一步研究。

2 骨細(xì)胞參與牙周炎發(fā)展的相關(guān)途徑

2.1 RANKL

核因子κB 受體活化因子（receptor activator of nuclear factor κB，RANK）是破骨前體細(xì)胞的一種表面受體，當(dāng)其與骨細(xì)胞分泌的配體RANKL 結(jié)合時(shí)，可促使破骨前體細(xì)胞向破骨細(xì)胞分化。OPG可與RANKL 結(jié)合，弱化其與RANK 的配對作用，形成RANK?RANKL?OPG 系統(tǒng)，影響骨代謝、免疫等多種生理病理過程。炎癥狀態(tài)下，牙周組織內(nèi)RANKL 表達(dá)水平升高。近年研究表明骨細(xì)胞通過高表達(dá)RANKL 參與牙周炎發(fā)展。Kim 等［12］通過研究大鼠牙周炎模型發(fā)現(xiàn)，成功誘導(dǎo)牙周炎后前10天大鼠的牙槽骨量逐漸減少，破骨細(xì)胞的數(shù)量從第3天開始明顯增加；RANKL 陽性骨細(xì)胞比例變化與破骨細(xì)胞變化吻合，表明牙槽骨吸收由破骨細(xì)胞形成增多、成骨活動(dòng)受到抑制導(dǎo)致，而骨細(xì)胞RANKL 表達(dá)與破骨細(xì)胞高度同步。Graves 等［13］通過牙周致病菌刺激建立小鼠牙周炎模型，發(fā)現(xiàn)RANKL 基因敲除小鼠不會(huì)發(fā)展為牙周炎，其體內(nèi)破骨細(xì)胞數(shù)量也未見增加，而對照組野生型小鼠牙槽骨破壞明顯，且伴隨著體內(nèi)破骨細(xì)胞水平顯著增加。以上研究成果均證明表達(dá)RANKL 的骨細(xì)胞可能通過調(diào)控破骨細(xì)胞分化參與牙周炎牙槽骨破壞的病理過程。

Dickkopf?1（Dkk?1）是一種Wnt 信號(hào)通路抑制劑，具有抑制骨生成的作用。Goes 等［14］發(fā)現(xiàn)，誘導(dǎo)小鼠實(shí)驗(yàn)性牙周炎后，與對照組相比，特異性敲除骨細(xì)胞Dkk?1 的小鼠牙齦組織炎性浸潤減少，骨組織表面破骨細(xì)胞數(shù)量降低，TNF、IL?1 以及上頜骨RANKL 表達(dá)下降，而骨生成因子Runx2 和骨鈣蛋白表達(dá)上升。該實(shí)驗(yàn)表明牙周炎中骨細(xì)胞表達(dá)RANKL 在一定程度依賴Wnt 信號(hào)通路發(fā)揮作用。

此外，Yu 等［15］發(fā)現(xiàn)在MLO?Y4 骨細(xì)胞系中脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）能夠上調(diào)RANKL 的表達(dá)，進(jìn)一步提示牙菌斑生物膜作為牙周炎的始動(dòng)因子可通過影響骨細(xì)胞RANKL 的表達(dá)引發(fā)后期免疫炎癥反應(yīng)。骨細(xì)胞RANKL 的表達(dá)同樣受到機(jī)械應(yīng)力的影響，在適應(yīng)性骨重建中骨細(xì)胞扮演重要角色［16］，這有可能是創(chuàng)傷作為牙周炎局部促進(jìn)因素的原理之一。

2.2 骨硬化蛋白

在牙周組織中，骨硬化蛋白的表達(dá)主要來自牙槽骨骨細(xì)胞以及牙骨質(zhì)細(xì)胞。Tamplen 等［17］發(fā)現(xiàn)，使用骨硬化蛋白抗體治療存在骨喪失的Down綜合征小鼠模型后，實(shí)驗(yàn)組的下頜骨體積增加，牙槽嵴高度升高。Yang 等［18］對已成功構(gòu)建實(shí)驗(yàn)性牙周炎模型的野生型小鼠和骨硬化蛋白基因敲除小鼠進(jìn)行形態(tài)學(xué)以及生物分子檢測，結(jié)果顯示，雖然患牙周炎的小鼠均出現(xiàn)骨質(zhì)流失，但與野生型小鼠相比，骨硬化蛋白基因敲除小鼠骨質(zhì)流失較少，表明骨硬化蛋白的敲除有利于抑制牙周炎的進(jìn)展。Ren 等［19］發(fā)現(xiàn)牙周炎小鼠骨細(xì)胞高表達(dá)SOST基因，骨細(xì)胞形態(tài)從紡錘形轉(zhuǎn)變?yōu)槁褕A形，表面突觸的長度和數(shù)量減少50%以上；敲除SOST 基因或者阻斷骨硬化蛋白后牙周炎小鼠牙槽骨和牙周膜的缺損得到顯著修復(fù)。而在合并1 型糖尿病的牙周炎大鼠模型中，TNF?α 和骨硬化蛋白的表達(dá)均顯著高于單純牙周炎組［20］，使用TNF?α 拮抗劑英夫利昔單抗（IFX）治療1 型糖尿病牙周炎大鼠后RANKL陽性骨細(xì)胞明顯減少，組織中骨硬化蛋白含量同步降低［21］。該研究提示TNF?α 可能通過誘導(dǎo)1 型糖尿病牙周炎大鼠骨細(xì)胞RANKL 和骨硬化蛋白的表達(dá)來介導(dǎo)牙槽骨丟失。Sakamoto 等［22］研究表明使用牙齦卟啉單胞菌LPS刺激后，小鼠MLO?Y4骨細(xì)胞系骨硬化蛋白和IL?6 分泌增多。骨細(xì)胞骨硬化蛋白與RANKL 的表達(dá)也密切相關(guān)。MLO?Y4骨細(xì)胞系在接受骨硬化蛋白刺激后，其RANKL 表達(dá)水平增高，提升破骨細(xì)胞活性，促進(jìn)骨吸收。Koide等［23］發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)破骨細(xì)胞的條件培養(yǎng)基中骨細(xì)胞分泌骨硬化蛋白減少；抑制RANKL 以及破骨細(xì)胞產(chǎn)生的白血病抑制因子可促進(jìn)骨細(xì)胞分泌骨硬化蛋白。

與此同時(shí)，Taut 等［24］和Chen 等［25］的實(shí)驗(yàn)均顯示使用骨硬化蛋白抗體治療患有牙周炎的大鼠后，大鼠牙槽骨開始恢復(fù)，骨生成標(biāo)記物水平上調(diào)。在無牙頜大鼠模型中，Liu 等［26］使用骨硬化蛋白抗體治療后檢測發(fā)現(xiàn)大鼠牙槽突高度增加。以上研究表明，抑制骨硬化蛋白有利于保護(hù)牙周組織，骨硬化蛋白抗體用于治療牙周炎前景廣闊。

2.3 凋亡、自噬以及衰老

凋亡是細(xì)胞在基因調(diào)控下的程序性死亡，研究表明細(xì)胞凋亡參與牙周炎的發(fā)展。骨細(xì)胞的凋亡可導(dǎo)致骨組織受損加速，主要原因是骨組織喪失了感知和限制表面微損傷的功能，造成損傷的進(jìn)一步擴(kuò)大。有研究表明，TNF?α 和IL?6 能誘導(dǎo)骨細(xì)胞凋亡［27］，提示牙周炎中骨細(xì)胞的凋亡可能起到重要作用。老年人的骨細(xì)胞呈現(xiàn)衰老表征，而最新研究顯示在LPS 誘導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)性牙周炎中，年輕的牙槽骨骨細(xì)胞形態(tài)出現(xiàn)扁平化等衰老表現(xiàn)，細(xì)胞內(nèi)衰老標(biāo)記物p16（Ink4a）表達(dá)升高，DNA 損傷標(biāo)記物γ?H2AX 染色增加，且伴隨骨吸收炎癥標(biāo)記物例如IL?6、IL?17、基質(zhì)金屬蛋白酶?13 和TNF?α 含量上升［28］。該研究提示骨細(xì)胞感知牙周炎致病因子后可加速自身衰老，促進(jìn)骨吸收，參與牙周炎的發(fā)展。自噬是細(xì)胞內(nèi)溶酶體將變性或衰老的蛋白質(zhì)、細(xì)胞器和侵入機(jī)體的微生物消化降解的過程。骨細(xì)胞還可通過自噬應(yīng)對環(huán)境因素的變化。敲除大鼠骨細(xì)胞Atg7 基因可以抑制其自噬，降低骨皮質(zhì)密度［29］。根據(jù)上述研究結(jié)果可以推測，牙周炎中骨組織的破壞可能與骨細(xì)胞加速凋亡和衰老以及自噬功能紊亂有關(guān)，其中的相關(guān)性和具體機(jī)制還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

3 檢測骨細(xì)胞相關(guān)產(chǎn)物的臨床意義

目前，臨床上常用探診深度、探診出血和影像學(xué)檢查等評估牙周健康或疾病狀態(tài)，但在明確牙周疾病進(jìn)程、精確評估炎癥狀態(tài)等方面有所欠缺。齦溝液作為一種炎性滲出液，包含大量與炎癥發(fā)展、組織破壞關(guān)系密切的生物標(biāo)志物，且具有部位特異性，對牙周炎局部炎癥狀態(tài)和預(yù)后的評估具有重要參考意義。Balli 等［30］采集27 名健康志愿者初診以及27 名牙周炎患者治療前后的齦溝液，檢測結(jié)果顯示牙周炎組骨硬化蛋白總量和濃度均顯著高于健康個(gè)體，且治療后降低。牙周炎組RANKL/OPG、骨硬化蛋白/OPG、骨硬化蛋白/RANKL 比值較健康個(gè)體升高，但治療后僅后兩者出現(xiàn)明顯降低，提示骨硬化蛋白在牙周炎診斷中更具潛力。Chatzopoulos 等［31］檢測25 名牙周炎患者和25 名健康志愿者不同牙周狀態(tài)位點(diǎn)的齦溝液中骨硬化蛋白、Wnt?5a 以及TNF?α 水平，3 種蛋白水平在兩組之間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。但與健康者相比，牙周炎組中廣泛型中度和重度慢性牙周炎亞組的骨硬化蛋白水平顯著升高，而Wnt?5a 和TNF?α 水平相似；牙周炎患者患病部位Wnt?5a 水平明顯高于其自身健康部位，而骨硬化蛋白和TNF?α 差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。該研究結(jié)果提示，骨硬化蛋白和Wnt?5a 對廣泛型中度和重度慢性牙周炎具有較高的診斷價(jià)值，而對局限型慢性牙周炎的診斷準(zhǔn)確性較低。除齦溝液外，Napimoga 等［32］發(fā)現(xiàn)慢性牙周炎患者牙齦組織與血清內(nèi)骨硬化蛋白水平升高，提示在牙周炎狀態(tài)下，骨硬化蛋白與全身系統(tǒng)關(guān)聯(lián)。

4 小 結(jié)

骨細(xì)胞在骨組織穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用。通過表達(dá)RANKL、分泌骨硬化蛋白、凋亡、衰老以及自噬等途徑，骨細(xì)胞積極參與牙周炎進(jìn)展，針對相關(guān)產(chǎn)物的檢測與治療方法具有臨床應(yīng)用潛力。目前，骨細(xì)胞參與牙周炎的途徑尚未完全闡明，有待于進(jìn)一步研究。