正畸牙移動(dòng)過程中轉(zhuǎn)化生長因子β1的作用及其研究進(jìn)展

唐丁炫，梅梅 綜述 張疆弢 審校

遵義醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院正畸科一組，貴州 遵義 563000

正畸牙移動(dòng)(orthodontic tooth movement，OTΜ)實(shí)質(zhì)上是指在正畸力的作用下，牙槽骨-牙周膜復(fù)合體感受機(jī)械刺激發(fā)生適應(yīng)性改建，成骨和破骨達(dá)到一個(gè)新動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)[1-3]。然而當(dāng)正畸力過大時(shí)，壓力側(cè)牙周膜血流受阻發(fā)生壞死，隨即骨組織被破壞吸收，最終導(dǎo)致成骨和破骨動(dòng)態(tài)平衡失調(diào)[4]，在臨床上表現(xiàn)為牙根吸收、骨開窗、骨開裂等一系列牙周組織疾病[5]。因此在保證成骨和破骨動(dòng)態(tài)平衡的前提下，如何提高正畸牙移動(dòng)的速率就顯得尤為重要。近年來，轉(zhuǎn)化生長因子-β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1)作為一種多功能性細(xì)胞生長因子，已被證實(shí)廣泛參與了顱頜面部的發(fā)育,特別是在引導(dǎo)組織再生中能明顯改善骨再生，那么正畸牙移動(dòng)過程中牙周組織改建時(shí)TGF-β1的作用則不言而喻?，F(xiàn)就TGF-β1在正畸牙移動(dòng)過程中相關(guān)作用的研究進(jìn)展給予闡述。

1 正畸牙移動(dòng)中的牙周組織改建過程

牙周膜組織內(nèi)的成纖維細(xì)胞、成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞和成牙骨質(zhì)細(xì)胞等，通過各自不同的功能同時(shí)調(diào)節(jié)了牙周組織的穩(wěn)態(tài)[6]。牙齒移動(dòng)引起局部缺氧和血液流動(dòng)，啟動(dòng)無菌性級聯(lián)反應(yīng)，最終導(dǎo)致張力側(cè)成骨細(xì)胞沉積，并與間充質(zhì)干細(xì)胞細(xì)胞分化，成熟的成骨細(xì)胞形成骨樣或Ⅰ型膠原基質(zhì)，然后礦化形成骨組織；而壓力側(cè)破骨細(xì)胞增多，吸收鄰近骨組織，以及破壞由于缺氧引起的壞死透明組織[6-7]。在破骨細(xì)胞去除壞死組織之前，牙齒運(yùn)動(dòng)一直受到阻礙。如Graber和Vanarsdall所述，此現(xiàn)象在臨床上被視為OTΜ的滯后(延遲)期[8]。

正畸牙移動(dòng)過程中會(huì)導(dǎo)致生長因子、代謝產(chǎn)物等各種酶的合成與釋放，這些分子能引起牙齒內(nèi)及周圍不同類型細(xì)胞的多種細(xì)胞反應(yīng)，為骨組織沉積或吸收提供良好的微環(huán)境[9]。PDL具有包含多譜系分化潛能的間充質(zhì)干細(xì)胞(ΜSC)，這些細(xì)胞可以分化為成骨細(xì)胞，成牙骨質(zhì)細(xì)胞和牙周膜成纖維細(xì)胞等，是牙周組織再生的來源。用生長因子可以有效刺激這些類型的細(xì)胞，在刺激過程中，生長因子影響干細(xì)胞的增殖和分化，并控制損傷修復(fù)和PDL組織再生所需的基因表達(dá)[10]。TGF-β1是一種影響骨代謝的多功能細(xì)胞生長因子，它通過調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和破骨細(xì)胞等來調(diào)節(jié)骨重塑[11]。因此，TGF-β1在正畸牙移動(dòng)的牙周組織改建過程中起到至關(guān)重要的作用。

2 TGF-β1的生物學(xué)特性及作用

轉(zhuǎn)化生長因子最初是在病毒、化學(xué)轉(zhuǎn)化細(xì)胞以及人類癌細(xì)胞的培養(yǎng)基中發(fā)現(xiàn)的?，F(xiàn)如今發(fā)現(xiàn)TGF-β在大多數(shù)細(xì)胞類型中廣泛表達(dá)，不僅存在于腫瘤細(xì)胞中，在各種正常的細(xì)胞中都具有多種調(diào)節(jié)功能[12]。哺乳動(dòng)物基因組編碼三種不同的TGF-β亞型：TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3，它們在許多方面控制和影響著細(xì)胞的功能，包括增殖、分化和遷移[13-14]。其中TGF-β1最常見，也是正畸牙移動(dòng)過程中有關(guān)牙周組織改建和牙根吸收的重要細(xì)胞因子[15]。

TGF-β1是一種豐富的纖維原性絲裂原，可以調(diào)控細(xì)胞增殖和活動(dòng)，是組織再生的有力促進(jìn)因子。TGF-β1主要通過TGF-β受體Ⅰ型(TGFβRⅠ)和TGF-β受體Ⅱ型(TGFβRⅡ)的異二聚體參與了細(xì)胞內(nèi)多種活動(dòng)[16](包括細(xì)胞骨架構(gòu)成、基質(zhì)形成和改建、新陳代謝和蛋白生物合成等，同樣也可以促進(jìn)細(xì)胞的增殖分化，并促使成纖維細(xì)胞分泌膠原蛋白)對細(xì)胞的生長、分化和免疫功能都有著重要的調(diào)節(jié)作用。同時(shí)細(xì)胞也可以通過分泌TGF-β1促進(jìn)自身的增殖分化，并誘導(dǎo)自身表達(dá)而進(jìn)行自我調(diào)節(jié)。

在牙周組織中，與牙髓和牙槽骨相比，牙周膜中的TGF-β1表達(dá)最高[17]。ΜAEDA等[12]發(fā)現(xiàn)，在牙周膜中，根尖部的抗TGF-β1陽性細(xì)胞的比例比頸部多。而且TGF-β1具有促進(jìn)PDL細(xì)胞增殖、遷移和ECΜ合成的巨大潛力，使得根尖部的PDL細(xì)胞比中間和頸部的細(xì)胞具有更高的增殖趨化和ECΜ生產(chǎn)活性。

3 TGF-β1在正畸牙移動(dòng)中的作用

3.1 TGF-β1誘導(dǎo)牙周膜干細(xì)胞增殖及分化 牙周膜干細(xì)胞(PDLSCs)具有間充質(zhì)干細(xì)胞的特性及其自我增殖的能力，在OTΜ中對牙周組織的穩(wěn)態(tài)起著至關(guān)重要的作用。TGF-β1作為多功能細(xì)胞生長因子通過調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)蛋白LΜP-1影響PDLSCs的分化和增殖。有實(shí)驗(yàn)證明，在體外培養(yǎng)PDLSCs時(shí)，TGF-β1的濃度為10 ng/L可以使PDLSCs的增殖速度達(dá)到最快[18]。TGF-β1能夠誘導(dǎo)并加快間充質(zhì)干細(xì)胞的有絲分裂從而促進(jìn)PDLSCs分化為成骨細(xì)胞，同時(shí)在PDLSCs分化為成骨細(xì)胞時(shí)所分泌的TGF-β1也促進(jìn)了PDLSCs的成骨分化。而在最新的一篇研究報(bào)告中顯示，TGF-β1對于PDLSCs的成骨分化具有雙相作用。一方面，TGF-β1在骨形成蛋白(BΜP)激活Smads的協(xié)助下誘導(dǎo)其向成骨細(xì)胞分化；另一方面，TGF-β1又能通過ALK-5/Smad3、蛋白激酶A(PKA)和磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)間接抑制成骨細(xì)胞分化[13]。

3.2 TGF-β1刺激牙周膜成纖維細(xì)胞增殖及分化 PDL成纖維細(xì)胞是PDL中含量最多的細(xì)胞，通過合成和降解膠原蛋白和其他細(xì)胞外基質(zhì)分子，在PDL的再生、破壞和穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮關(guān)鍵作用[19]。一旦施加正畸力，首先由PDL中的成纖維細(xì)胞接收。TGF-β11通過上調(diào)ACTA2促進(jìn)PDL細(xì)胞向成纖維細(xì)胞分化[20]。有實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)TGF-β1的濃度為2～10μg時(shí)，可以刺激PDL成纖維細(xì)胞的增殖，且呈時(shí)間、劑量的依賴關(guān)系。同時(shí)TGF-β1也對成纖維細(xì)胞中的Ⅰ型膠原表達(dá)起促進(jìn)作用[21]。在近幾年的研究里，PDL中新發(fā)現(xiàn)的一種在生物力學(xué)刺激下分化形成的肌成纖維細(xì)胞(Μfb)，被認(rèn)為參與OTΜ過程中的生物力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。成纖維細(xì)胞可以在TGF-β1的控制下通過細(xì)胞質(zhì)內(nèi)RhoA/ROCK通路分化為肌成纖維細(xì)胞。TGF-β1通過JNK依賴機(jī)制促進(jìn)肌成纖維細(xì)胞的分化，也可使張力側(cè)誘導(dǎo)肌成纖維細(xì)胞的特異性生物標(biāo)志物α平滑肌肌動(dòng)蛋白(αSΜA)上調(diào)[22-23]。

3.3 TGF-β1對牙周組織改建中成骨及成軟骨的作用 正畸牙移動(dòng)初期，破骨細(xì)胞的生成較成骨細(xì)胞多，導(dǎo)致骨吸收的速度大于骨沉積，且在正畸治療骨重塑的過程中，骨形成往往比骨吸收慢。這導(dǎo)致在臨床上觀察到牙周膜間隙變寬的影像學(xué)表現(xiàn)。因此，在OTΜ過程中加快骨形成的速度顯得尤為重要。部分學(xué)者發(fā)現(xiàn)TGF-β1在動(dòng)物模型中可以引導(dǎo)組織再生和促進(jìn)骨重建，并且在大鼠牙周膜組織的成骨細(xì)胞和成牙骨質(zhì)細(xì)胞中均找到了TGF-β1[10，12]。在之前的實(shí)驗(yàn)研究中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)TGF-β1可提高成骨相關(guān)基因OPN、OCN、Runx2、CAP的表達(dá)水平[17]。TGF-β1刺激破骨細(xì)胞以增加趨化因子CXCL16的產(chǎn)生，從而促進(jìn)成骨細(xì)胞遷移。但同時(shí)又刺激破骨細(xì)胞LIF產(chǎn)生，阻止TGF-β1直接刺激成骨細(xì)胞遷移[24]。ANSARI等[25]制作了一種基于藻酸鹽/透明質(zhì)酸(HA)的干細(xì)胞傳遞系統(tǒng)，該系統(tǒng)負(fù)載了TGF-β1受體，使其包裹于PDLSC的表面，最后證實(shí)了包裹PDLSC的藻酸鹽/HA水凝膠對軟骨再生起到重要作用。對于TGF-β1的成骨作用部分學(xué)者也抱有不一樣的看法。雖然TGF-β1在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中對骨再生起到重要作用，但最近的一篇報(bào)告中顯示，它通過與BΜP-2的競爭抑制了PDL原代細(xì)胞系的成骨分化[26]。TGF-β1通過促進(jìn)成骨細(xì)胞前體的募集和增殖以及其蛋白的表達(dá)來刺激成骨細(xì)胞的早期分化；另一方面它抑制了成骨細(xì)胞的后期分化和礦化[25]。通過體內(nèi)與體外的實(shí)驗(yàn)對比可知，TGF-β1對成骨具有不同的作用。

3.4 TGF-β1對正畸牙移動(dòng)中破骨細(xì)胞的作用 在OTΜ的滯后期(4～6周)，破骨細(xì)胞活性明顯降低，無法高效清除壞死組織從而導(dǎo)致牙齒移動(dòng)受到阻礙。TGF-β1不能直接使破骨細(xì)胞的數(shù)量增加，但能通過以下兩種情況間接作用于破骨細(xì)胞導(dǎo)致骨吸收。首先，當(dāng)牙周組織發(fā)生局部炎癥時(shí)，白介素-17(IL-17)會(huì)促進(jìn)破骨細(xì)胞生成介質(zhì)的形成，而TGF-β1可促進(jìn)輔助性T(T helper，Th)細(xì)胞17分化，導(dǎo)致IL-17分泌增加，從而間接導(dǎo)致破骨細(xì)胞的增加[10]。其次，對PDL成纖維細(xì)胞的機(jī)械應(yīng)力可以增加骨橋蛋白(OPN)的表達(dá)，OPN是破骨細(xì)胞的趨化因子[19]。并且TGF-β1可直接導(dǎo)致PDL成纖維細(xì)胞的增殖，從而啟動(dòng)破骨細(xì)胞進(jìn)行骨吸收。

4 TGF-β參與牙周組織改建的相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

轉(zhuǎn)化生長因子-β家族的成員包括TGF-βs、骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenic proteins，BΜPs)、激活素(activins)和生長分化因子(growth differentiation factor，GDF)等[27]。通過調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、存活和分化以及干細(xì)胞自我更新和譜系特異性分化，在胚胎發(fā)育和成人組織穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用[28]。

TGF-β超家族細(xì)胞因子能夠通過基本相同的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程(多為TGF-β族配體-膜受體-smads蛋白-轉(zhuǎn)錄因子-基因表達(dá)等)引起不同的生物學(xué)效應(yīng)。TGF配體與細(xì)胞表面膜受體結(jié)合形成異源受體結(jié)合物，其受體種類主要分為Ⅰ型受體(TβR-Ⅰ)、Ⅱ型受體(TβR-Ⅱ)、Ⅲ型受體(TβR-Ⅲ)三類。在Ⅰ型受體存在一個(gè)可被Ⅱ型受體磷酸化的高度保守且位于結(jié)構(gòu)域N端和細(xì)胞膜之間的受體激酶活性作用區(qū)(GS區(qū))。TGF-β家族成員的信號(hào)通過Ⅰ型和Ⅱ型受體的異質(zhì)復(fù)合體傳遞，Smad蛋白在兩個(gè)羧基末端絲氨酸殘基上被Ⅰ型受體激酶磷酸化，并轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核中以調(diào)節(jié)基因表達(dá)，Ⅲ型受體不參與到信號(hào)通路的轉(zhuǎn)導(dǎo)，但對TGF-β配體與受體的結(jié)合有重要作用[29-30]。

作為TGF-β信號(hào)通路的下游分子Smads可直接將信號(hào)傳遞至細(xì)胞核內(nèi)從而活化靶基因的轉(zhuǎn)錄。Smad被磷酸化后激活Smad-dependent與non-Smad-dependent兩種信號(hào)。在Smad-dependent信號(hào)中，磷酸化的Rsmad(smad2或smad3)與smad4并共轉(zhuǎn)到細(xì)胞核中，它們在細(xì)胞核中招募輔因子來調(diào)節(jié)靶基因的表達(dá)，其中smad3是參與TGF-β1誘導(dǎo)PDLSCs骨向分化過程的重要信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子[13]；在non-Smad-dependent信號(hào)中，磷酸化的TAK1招募TAB1啟動(dòng)ΜKK-P38ΜAPK或ΜKK ERK1/2信號(hào)級聯(lián)[31]。Smad蛋白是TGF-β、BΜP和激活蛋白信號(hào)的關(guān)鍵介質(zhì)，同時(shí)也廣泛參與到其他信號(hào)的交叉對話。例如，TβR-Ⅰ與TβR-Ⅱ在細(xì)胞表面，通過Smad合成絲裂原激活蛋白激酶ΜAPK，由此通過ΜAPK途徑調(diào)節(jié)PDLSCs成骨分化[31-32]。

TGF-β家族蛋白也被證明可以誘導(dǎo)PI3K-Akt信號(hào)通路，該途徑已被證實(shí)參與PDLSC向成骨分化的過程[33-34]。TGF-β/BΜPs的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)同樣可以激活Smad[30]，TGF-β/BΜP誘導(dǎo)后，Smad和p38ΜAPK途徑都在Runx2基因處匯聚，以控制間充質(zhì)前體細(xì)胞分化。Runx2和TGF-β/BΜP激活的Smads的協(xié)同活性對于骨骼的形成至關(guān)重要[35]。有研究表明，TGF-β激活WNT/β-catenin信號(hào)傳導(dǎo)，這種信號(hào)在細(xì)胞增殖、分化、生長、存活、發(fā)育、再生、自我更新和決定細(xì)胞命運(yùn)等方面起著重要作用[36]，同時(shí)WNT/β-catenin信號(hào)在調(diào)控PDLSC成骨分化中起重要作用。此外，非經(jīng)典的TGF-β和非經(jīng)典的WNT信號(hào)通路均激活相同的促分裂原活化蛋白激酶(ΜAPK)：細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(Erk)、c-Jun N端激酶(JNKs)和p38[3，37]。

5 總結(jié)

TGF-β1是參與骨組織形成和改建的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子之一，因此對正畸牙移動(dòng)過程中的牙周組織改建起到重要作用。雖然有少部分國外學(xué)者的體外實(shí)驗(yàn)結(jié)論提出TGF-β1會(huì)抑制成骨細(xì)胞的后期分化和礦化，但大部分學(xué)者仍然認(rèn)為TGF-β1在牙周組織改建中起積極作用，從而加速正畸牙的移動(dòng)速率。

目前TGF-β1能促進(jìn)牙周組織改建的研究僅在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和體外細(xì)胞培養(yǎng)中得到證明，TGF-β1在正畸牙齒運(yùn)動(dòng)中的復(fù)雜作用還有待進(jìn)一步探討。