甲狀旁腺激素相關蛋白調控下頜髁突軟骨的研究進展

許琳 王如意 勾薪瑞 王曉莉 李宇

口腔疾病研究國家重點實驗室 國家口腔疾病臨床醫(yī)學研究中心四川大學華西口腔醫(yī)院正畸科 成都 610041

下頜髁突作為顳下頜關節(jié)（temporomandibular joint，TMJ）的重要組成部分，在下頜運動中起著關鍵作用，對于哺乳動物頜骨功能的正常發(fā)揮，如咀嚼、吞咽和說話至關重要[1]。覆蓋髁突表面的下頜髁突軟骨（mandibular condylar cartilage，MCC）是繼發(fā)性纖維軟骨，其起源、出現(xiàn)時間以及部分基質成分的表達模式與原發(fā)性軟骨不同，具有特征性的發(fā)育和生長過程，包括對生物力學刺激特別強的適應性重塑能力。這些特性決定MCC既可以作為關節(jié)軟骨又可以作為生長區(qū)。

甲狀旁腺激素相關蛋白（parathyroid hormonerelated protein，PTHrP），最早在惡性高鈣血癥中被發(fā)現(xiàn)，與甲狀旁腺激素（parathyroid hormone，PTH）的氨基末端有顯著同源性，且二者均作用于甲狀旁腺激素1型受體（parathyroid hormone 1 receptor，PTH1R）。研究[2]顯示，PTHrP在軟骨、骨骼以及血管平滑肌等許多組織中，是一種重要的旁分泌/自分泌調節(jié)因子，是軟骨內成骨和骨重建的關鍵調節(jié)因子，影響軟骨和骨的發(fā)育和成熟。本文重點關注PTHrP在MCC中的作用，就PTHrP在MCC的生長發(fā)育、改建以及退行性變的研究進展展開綜述。

1 PTHrP與MCC的發(fā)育

1.1 MCC的組織結構

MCC根據(jù)細胞的形狀和特性不同，由表及里分為4層[3]。1）面向關節(jié)盤、產生Ⅰ型膠原和滑液的關節(jié)層；2）主要表達Ⅰ型膠原的增殖層；3）表達Ⅱ型膠原、蛋白聚糖、殼聚糖等的成軟骨層；4）與骨鈣化區(qū)相鄰、主要表達X型膠原的肥大層（圖1）。在哺乳動物胚胎中，下頜髁突起源于單獨的間充質組織凝結，凝結分化為MCC，后者以軟骨內成骨方式形成下頜骨主要的升支部分[4]。小鼠胚胎第15.5天時，肥大軟骨細胞開始表達X型膠原，下頜骨髁突體積立即明顯增大，隨后迅速開始鈣化[5]。MCC是下頜骨在胚胎期和出生后發(fā)育的重要生長區(qū)[6]，髁突的縱向生長主要來自于其頂端的外加生長，增殖層細胞不斷增殖并分化為軟骨細胞，進而成熟肥大，最終肥大的軟骨細胞和基質降解并被骨替代，下頜髁突逐漸伸長[7]。

圖1 下頜髁突軟骨結構示意圖Fig 1 Schematic diagram of mandibular condylar cartilage

1.2 PTHrP在MCC中生長發(fā)育的必要性

MCC成骨方式屬于軟骨內成骨，軟骨內成骨過程需要嚴格協(xié)調軟骨細胞在時間和空間上的特異性分化，并且受全身及局部多種因子調控[8]。其中，PTHrP對MCC的發(fā)育和成熟至關重要。在野生型小鼠第17.5天胚胎中，即可于MCC近關節(jié)面的軟骨祖細胞中檢測到PTHrP的表達[9]。PTHrP早期定位在扁平層及肥大層，之后變?yōu)橐员馄綄訛橹鱗10]。

部分軟骨細胞缺少PTH1R的嵌合小鼠可存活，以突變的軟骨細胞過肥大為特征[11]。人類中功能性PTH1R缺失會造成軟骨發(fā)育不良，其特征同樣為軟骨內骨成熟延遲[12]。PTH1R基因完全敲除的小鼠，也表現(xiàn)出髁突體積的減小，甚至嚴重的軟骨發(fā)育不良，軟骨內成骨發(fā)育不良在整個軟骨內骨架（軸向和四肢）中都很明顯，導致難以存活[13]。相反，外源性激活小鼠PTH1R會導致出生后不正常的髁突發(fā)育，此時的髁突軟骨主要由不成熟的軟骨細胞以及成纖維細胞構成，而肥大軟骨細胞很少見[14]。類似的，MCC中PTHrP過表達會導致軟骨發(fā)育不良和軟骨內骨形成延遲[15]。

1.3 印第安刺猬蛋白（Indian hedgehog，Ihh） -PTHrP信號軸

PTHrP在長骨和下頜骨的發(fā)育中都具有重要作用。如圖2所示，PTHrP與Ihh構成經典的“Ihh-PTHrP負反饋軸”，在依賴軟骨內成骨的骨發(fā)育過程中具有重要的的作用[16]。

圖2 Ihh-PTHrP 信號軸調控下頜髁突軟骨細胞增殖和肥大的作用示意圖Fig 2 Illustration of mechanism of Ihh-PTHrP axis on the proliferation and hypertrophy of mandibular condylar cartilage cells

早期肥大軟骨細胞表達Ihh，信號傳遞至MCC頂部的關節(jié)周圍區(qū)域和早期增生的軟骨細胞，誘導PTHrP表達，PTHrP一方面作用于表達PTH1R的軟骨細胞，以使它們保持在增殖且分化程度較小的狀態(tài)，另一方面作用于肥大層細胞，抑制其生成Ihh。而PTHrP信號不能到達的部位的軟骨細胞得以脫離PTHrP的調控作用，進而繼續(xù)分化成早期肥大軟骨細胞，并且表達Ihh來促進軟骨細胞的肥大和相鄰骨細胞的礦化[17]。研究[18]證實，PI3K/Akt信號通路作為PTHrP信號的下游，通過激活Wnt/β-catenin信號通路來發(fā)揮對軟骨肥大分化的調節(jié)作用。

Ihh-PTHrP信號軸在髁突軟骨生長和代謝中同樣發(fā)揮了重要的作用。該反饋系統(tǒng)用于調節(jié)軟骨細胞分化的速度，確定軟骨細胞增殖層的厚度以及軟骨膜細胞首次分化為成骨細胞的位置。在Ihh基因敲除胚胎的MCC的相應細胞群中，PTHrP表達急劇降低或缺失，增殖的軟骨細胞數(shù)量急劇減少（約50%），軟骨細胞肥大，提示由Ihh信號誘導的PTHrP可能：1）調節(jié)軟骨細胞的增殖；2）維持新分化的軟骨細胞在低分化階段[9]。野生型小鼠MCC頂端PTHrP的表達僅在胚胎期和出生后早期較高，在幼年髁突中幾乎無法檢測到，需注意的是，成年小鼠的MCC大小，即前后軸和后外側軸的長度，比產前小鼠大3倍，即軟骨祖細胞仍在不斷增殖和分化；而在青少年和成年MCC中，Ihh信號以不依賴PTHrP的方式調節(jié)軟骨細胞的增殖和成熟[19]。目前，大多數(shù)研究以PTHrP 作為Ihh-PTHrP信號軸的下游信號分子的觀點來論述其在出生前調節(jié)MCC發(fā)育方面的重要性。PTHrP在出生后期不同階段的作用，以及與多種信號通路之間的聯(lián)系需要更多的探究。

2 PTHrP與MCC的改建

MCC是生長改建活躍的部位，其形態(tài)發(fā)生、發(fā)育、再生、維持和退化與受到的機械載荷息息相關[20]。動態(tài)機械載荷（發(fā)生在牙齒磨耗、說話和咀嚼期間）是下頜骨生長和維持TMJ軟骨穩(wěn)態(tài)的重要刺激因素，適度的動態(tài)負荷可以在MCC生長和改建過程中維持組織的完整性，而過度負荷會導致軟骨退化[21]。MCC由多層結構組成，每層細胞群種類和細胞外基質走行方向不同，軟骨組織對生化和機械信號刺激的聯(lián)合反應來維持MCC的正常形態(tài)功能和適應性改建[22]，從而塑造負荷運動解剖生理的復雜表面形狀。

2.1 機械刺激對MCC的改建效果

MCC局部產生的PTHrP可使關節(jié)層和增殖層的細胞維持在一個低分化的狀態(tài)，并且介導MCC的適應性改建，被認為是機械傳感器[23]。體外靜態(tài)液壓力作用下，MCC細胞中PTHrP的表達增加[24]。適當?shù)臋C械刺激（150 kPa）可通過機械敏感基因如PTHrP的作用促進軟骨細胞增殖，促進軟骨形成和軟骨細胞肥大[25]。

胚胎期和出生后下頜骨運動、TMJ組織間相互作用或咬合等機械刺激均可引起MCC中PTHrP表達的改變，從而影響髁突的形態(tài)改變。小鼠胚胎期的頜骨運動會促進在動態(tài)負荷區(qū)域內MCC的形成，而限制下頜運動會導致MCC體積減小，同時伴有PTHrP表達的降低[26]；在出生后對髁突適當加載則會促進MCC的增厚和細胞增殖[27]。Li等[28]發(fā)現(xiàn)，TMJ關節(jié)囊先天缺失的胚胎期小鼠MCC的發(fā)生和分化受到影響，PTHrP的表達增強。此外，適當?shù)木捉镭摵煽赡芡ㄟ^PTHrP來維持MCC的正常發(fā)育。Shi等[29]通過提供軟飲食或咬肌內注射肉毒桿菌毒素使大鼠咬合負荷降低，4周后觀察到大鼠咀嚼肌萎縮，MCC輪廓縮小且其中PTHrP表達受到抑制，提示機械載荷不足可能通過下調MCC中PTHrP的表達抑制軟骨生長，使軟骨逐步降解從而影響TMJ的形態(tài)。然而，目前大多數(shù)研究缺乏在基因和分子平面的研究，PTHrP在MCC改建中介導機械刺激信號的具體機制尚不明確。

2.2 力學刺激促進MCC改建的臨床意義

力學刺激在TMJ中的作用一直是臨床研究的重點。對于下頜后縮的青少年患者，可通過正畸功能矯形治療前導下頜。其作用機制是通過功能矯治器讓下頜處于前伸位，力學刺激誘導MCC生長[30]。動物實驗[31-32]表明，功能矯治前導下頜后，髁突軟骨中PTHrP的表達明顯上調，下頜前導可能通過觸發(fā)PTHrP來上調性別決定區(qū)Y框蛋白9（sex-determining region Y-box 9，Sox9）及Ⅱ型膠原的表達，進而促進MCC中間充質細胞的成軟骨向分化及軟骨基質的形成，從而獲得更多的下頜骨生長。然而，單純使用功能矯治器的臨床療效尚不足夠，亟需研發(fā)輔助手段進一步促進其作用。PTHrP可能是功能矯形力學刺激誘導MCC生長中的重要調控分子和潛在干預靶點。

3 PTHrP與髁突退行性變

退行性骨關節(jié)病又稱骨關節(jié)炎，是一種由于外傷、增齡、肥胖、關節(jié)畸形等因素引起的關節(jié)軟骨慢性炎癥和退化性變。發(fā)生在TMJ的骨關節(jié)病稱為顳下頜關節(jié)骨關節(jié)炎（temporomandibular joint-osteoarthritis，TMJ-OA）。臨床表現(xiàn)為關節(jié)區(qū)疼痛、壓痛、關節(jié)畸形、咀嚼困難以及張口受限等。其病理表現(xiàn)為髁突軟骨關節(jié)面破壞，同時伴有下段骨增厚、囊腫和骨贅的形成。值得注意的是，對于骨關節(jié)病的早期，常會發(fā)生顳下頜關節(jié)紊亂綜合癥。但是多數(shù)TMJ紊亂綜合癥系關節(jié)功能性失調，一般預后良好；只有少數(shù)病例也會發(fā)生器質性改變而進展為TMJ-OA。

MCC新生與凋亡的失衡是TMJ-OA的重要特征，其再生和破壞的機制與多種信號通路有關，包括Ihh/PTHrP通路、Wnt/β-catenin通路、轉化生長因子-β/Smad信號通路、Notch通路、STAT通路以及PI3K/Akt通路等[33-34]。其中，Ihh和其相關信號分子——跨膜受體Smo和Gli鋅指轉錄因子-1被發(fā)現(xiàn)可能通過介導軟骨細胞肥大來激活TMJ-OA的發(fā)生[35]。MCC中軸抑制蛋白缺失可能會激活βcatenin和成纖維細胞生長因子（fibroblast growth factor，F(xiàn)GF）信號傳導，從而共同促進軟骨退化，影響產后和成年后軟骨的生長和發(fā)育[36]。

正常情況下，PTHrP與細胞表面受體PTH1R結合，啟動下游cAMP/PKC和PLC/PKC/MAPK通路，促進Ⅱ型原和軟骨基質合成，進行軟骨下成骨的生理過程。在病理狀態(tài)（例如異常咬合刺激）下，PTHrP表達減少，進而Sox9、Ⅱ型膠原、蛋白聚糖的表達降低，Runt相關轉錄因子2（Runtrelated transcription factor 2，Runx2）、X型膠原、基質金屬蛋白酶13（matrix metalloproteinase-13，MMP-13）的表達增加，導致軟骨肥大化、軟骨基質降解以及骨降解，最終導致TMJ-OA的形成（圖3）[37-39]。

圖3 正常關節(jié)和TMJ-OA中PTHrP變化示意圖Fig 3 Illustration of changes of PTHrP in normal TMJ and TMJ-OA

3.1 PTHrP在TMJ-OA中的表達

不同的TMJ-OA模型中PTHrP呈現(xiàn)出特定的表達模式。在單側前牙反誘導的TMJ-OA中，PTHrP在MCC淺層細胞層（包括關節(jié)層和增殖層）中陽性率明顯增加，同時PTH1R在深層細胞層（包括成軟骨層和肥大層）表達減少，從而促進了深層軟骨細胞的終末分化而導致TMJ-OA的發(fā)生[40]。此外，不同大小的咬合負荷會引發(fā)PTHrP不同的表達模式。在軟食或咀嚼肌內肉毒桿菌毒素處理下的小鼠中MCC輪廓縮小，PTHrP、Ihh以及Ⅱ型膠原的表達受抑制[29]；而在強制張口增加負荷的小鼠中PTHrP、Ⅱ型膠原的表達增加[41]。

大鼠通過關節(jié)內手術誘導TMJ-OA后的4周及8周，僅出現(xiàn)結構形態(tài)的輕度病變，此時PTHrP表現(xiàn)出高表達；而在12周時，已經形成軟骨病理性改變，此時PTHrP的表達減小[42]。Chen等[43]在雙鏈蛋白聚糖和纖維調控蛋白雙缺陷小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，PTHrP的表達顯著降低，并且MCC中膠原纖維的直徑增加，進而導致明顯的TMJ-OA和軟骨下骨的微結構改變。這表明，PTHrP的變化可能是OA發(fā)展的潛在標志物。TMJ-OA不同建模方式中PTHrP具有不同的改變，目前原因尚不清楚，但郭敏等[44]認為，晚期增殖軟骨細胞減少、成熟軟骨細胞增加可能導致PTHrP早期表達的下降，而后期高表達的出現(xiàn)則是機體的一種代償性反應。

3.2 PTHrP對TMJ-OA的治療意義

髁突軟骨退化是TMJ-OA的主要表現(xiàn)，促進軟骨再生的組織工程技術成為TMJ-OA的治療方向之一。但是，軟骨細胞的定向分化和肥大限制了其應用[45]。PTHrP在MCC退行性變中有重要的作用，能夠促進軟骨內軟骨細胞增殖、抑制軟骨細胞肥大和抑制細胞凋亡的作用，能夠彌補軟骨細胞過早肥大化的缺陷。PTHrP可促進骨髓來源和脂肪來源的間充質干細胞成軟骨向分化，促進軟骨形成并抑制肥大[46]。此外，通過蛋白處理技術，可以有效地避免對細胞產生毒性和致瘤性[47]。10~100 pmol·L-1PTHrP（1-40）的間歇性應用可作為軟骨組織工程中抑制肥大的潛在治療范圍[48]。隨著PTHrP調控TMJ-OA的機制的研究不斷深入，著眼于調控Ihh/PTHrP/PTH1R的研究為組織工程提供了新思路。

4 總結

PTHrP是Ihh-PTHrP負反饋信號軸的下游因子，其在胚胎期TMJ的發(fā)生以及出生后髁突的生長改建過程中，可以通過控制軟骨細胞分化和成熟來調節(jié)軟骨內成骨的過程。生化因素和機械環(huán)境對TMJ的形態(tài)發(fā)生和改建至關重要，PTHrP作為機械轉導介質，在MCC的發(fā)育、維持、改建中具有重要作用，未來可考慮應用于下頜后縮青少年患者的功能矯形治療。

PTHrP可能通過細胞外基質的降解和軟骨細胞的肥大誘發(fā)TMJ-OA，并且在不同TMJ-OA模型中，呈現(xiàn)出不同的表達模式。這提示PTHrP可能是TMJ-OA形成的關鍵因素。PTHrP對于軟骨組織工程的軟骨再生具有重要的潛在應用價值，可通過促進軟骨細胞形成，抑制其肥大化而應用于治療TMJ-OA的組織工程，彌補了間充質干細胞骨再生工程中軟骨細胞肥大的缺陷。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。