骨免疫微環(huán)境在種植體骨結(jié)合中的作用

袁 影，黃天宇，王浩辰，宮 蘋(píng)，向 琳

第4次中國(guó)口腔健康流行病學(xué)調(diào)查報(bào)告顯示，我國(guó)中老年人群牙周健康和口腔衛(wèi)生狀況較差，牙周病、牙缺失發(fā)病率高，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量[1]。種植義齒因其美觀、咀嚼效率高，是目前臨床牙缺失修復(fù)的主要方式之一。種植技術(shù)成功的核心在于骨結(jié)合(osseointegration)，即骨組織與種植體的形態(tài)與功能的結(jié)合[2]。傳統(tǒng)的骨結(jié)合研究側(cè)重于觀察成骨、破骨反應(yīng)；近年來(lái)，骨免疫學(xué)的發(fā)展揭示了宿主的免疫響應(yīng)在調(diào)節(jié)骨骼動(dòng)力學(xué)方面的重要作用，中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、樹(shù)突狀細(xì)胞、T細(xì)胞、B細(xì)胞等免疫細(xì)胞及相關(guān)信號(hào)通路參與了骨改建、骨吸收及炎癥反應(yīng)等，并且受到各種因素的影響[3]。研究提出：骨結(jié)合不僅是單純的成骨反應(yīng)，還是由免疫驅(qū)動(dòng)的種植體周的新骨形成反應(yīng)[4]。鈦種植體植入后1～4周，組織定量分析和組織學(xué)研究觀察到許多免疫和炎癥相關(guān)標(biāo)志物表達(dá)變化，表明免疫應(yīng)答密切參與骨結(jié)合的形成[5]。良好的免疫微環(huán)境可以促進(jìn)組織的愈合和再生，從而達(dá)到更理想的骨結(jié)合效果，不良的免疫反應(yīng)可導(dǎo)致慢性炎癥，進(jìn)而導(dǎo)致骨結(jié)合失敗。本文旨在回顧并重點(diǎn)闡述種植體植入后，骨免疫調(diào)節(jié)在骨結(jié)合形成及維持中的作用。

1 種植體植入后的早期免疫應(yīng)答

種植體植入骨組織后，血液和組織液的蛋白質(zhì)黏附于種植體上，隨后因子Ⅻ活化產(chǎn)生凝血酶，凝血反應(yīng)和補(bǔ)體系統(tǒng)被激活，補(bǔ)體C3a和C5a釋放，植入術(shù)后2 h即可形成包含紅細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、單核/巨噬細(xì)胞的血凝塊，多形核白細(xì)胞(polymorphonuclear leukocytes，PMNs)被招募和激活。PMNs與種植體表面的蛋白質(zhì)層相互作用，在與整合素和模式識(shí)別受體結(jié)合后，觸發(fā)PMNs的吞噬反應(yīng)。PMNs通過(guò)釋放蛋白水解酶和活性氧類(lèi)(reactive oxygen species，ROS)吞噬微生物、侵蝕材料表面，并于24～48 h內(nèi)迅速消耗、凋亡[6]?；罨腜MNs可以通過(guò)分泌白細(xì)胞介素(interleukin，IL)-8招募新的PMNs，也可以通過(guò)分泌單核細(xì)胞趨化蛋白-1(monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1)和巨噬細(xì)胞炎癥蛋白-1b(macrophage inflammatory protein-1b，MIP-1b)，抑制自分泌功能，募集單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞，轉(zhuǎn)為慢性免疫應(yīng)答，這一過(guò)程可能持續(xù)數(shù)周[7]。急性免疫應(yīng)答時(shí)間取決于植入的生物材料種類(lèi)及創(chuàng)口大小，通常為幾小時(shí)至幾天，如植入1周后骨-種植體界面仍大量存在PMNs，則提示種植體周存在感染[8]。

2 單核巨噬細(xì)胞介導(dǎo)的慢性免疫應(yīng)答

PMNs招募的單核/巨噬細(xì)胞是慢性免疫反應(yīng)的主要成分，并使免疫應(yīng)答延長(zhǎng)[9]。單核細(xì)胞聚集至種植體周，分化為巨噬細(xì)胞，分泌促炎物質(zhì)，并吸引更多的免疫細(xì)胞。目前多數(shù)研究認(rèn)為，巨噬細(xì)胞作為先天免疫反應(yīng)中的關(guān)鍵細(xì)胞，在創(chuàng)傷位點(diǎn)的微環(huán)境調(diào)控中起到了重要的作用。20世紀(jì)90年代，Stein等[10]提出巨噬細(xì)胞有經(jīng)典(classically)和替代(alternatively)兩種極化方式。經(jīng)典途徑激活的巨噬細(xì)胞稱(chēng)為M1，由干擾素(interferon，IFN)-γ、NK細(xì)胞或抗原提呈細(xì)胞分泌的腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF)-α、Toll樣受體配體如脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)等激活，分泌TNF、IL-1、IL-6等促炎因子，是宿主防御反應(yīng)的重要組成部分；替代途徑激活的巨噬細(xì)胞稱(chēng)為M2，由IL-4和IL-13等激活，高表達(dá)精氨酸酶Ⅰ(arginase 1，Arg1)，分泌IL-4、IL-10等抗炎因子，促進(jìn)炎癥吸收，有利于創(chuàng)傷愈合及組織改建[11]。

巨噬細(xì)胞作為組織中最具多樣性的免疫細(xì)胞之一，已有文獻(xiàn)報(bào)道其具有極化的更多亞型及分類(lèi)模式，細(xì)胞追蹤、單細(xì)胞測(cè)序等檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在體內(nèi)大多數(shù)情況下，巨噬細(xì)胞常在不同瞬間接觸多種信號(hào)，可同時(shí)顯示M1和M2特征表型，并沿巨噬細(xì)胞極化譜以中間狀態(tài)存在[12-13]。不同表型的巨噬細(xì)胞對(duì)種植體周成骨有著不同的作用。M1型巨噬細(xì)胞分泌促炎因子，加劇種植體植入后因炎癥造成的組織損傷，也有研究報(bào)道M1巨噬細(xì)胞可以促進(jìn)骨的愈合，表現(xiàn)出一定的兩重性[14]。M2型巨噬細(xì)胞分泌的IL-4可顯著增加新生骨中礦化結(jié)節(jié)的含量，IL-10也可增強(qiáng)間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cell，MSCs)對(duì)骨形態(tài)發(fā)生蛋白2(bone morphogenetic protein，BMP2)及堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)的表達(dá)，而阻斷IL-10的分泌則會(huì)抑制后續(xù)骨基質(zhì)的礦化[15]。因此，種植體植入后，M1巨噬細(xì)胞如能及時(shí)轉(zhuǎn)換為M2巨噬細(xì)胞，可以促進(jìn)新骨形成，加速骨結(jié)合[16]。

另一方面，巨噬細(xì)胞融合成的多核巨細(xì)胞(multinucleated giant cells，MNGCs)可以吞噬細(xì)胞碎片且與植入物的纖維包裹有關(guān)[17]。MNGCs被認(rèn)為來(lái)源于骨巨噬細(xì)胞(osteomacs)，和破骨細(xì)胞一樣都屬于核因子κB受體活化因子配體(receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL)激活的巨噬細(xì)胞來(lái)源。研究表明MNGCs也可以從M1型極化成M2型，在種植術(shù)后多年仍存在于種植位點(diǎn)的骨組織中，且與周?chē)M織的血管生成有關(guān)[18]。但由于MNGCs的標(biāo)志物等仍存在爭(zhēng)議，其在種植體骨結(jié)合中的作用仍有待進(jìn)一步闡明。巨噬細(xì)胞及其分化細(xì)胞在種植體周的免疫反應(yīng)調(diào)節(jié)中起到重要而復(fù)雜的作用，值得進(jìn)一步深入研究。

口腔環(huán)境較為復(fù)雜，種植體可長(zhǎng)期接觸抗原如食物、細(xì)菌、真菌及其產(chǎn)物，種植體周組織具有較強(qiáng)的免疫反應(yīng)活性。研究發(fā)現(xiàn)，樹(shù)突狀細(xì)胞同樣也是骨免疫中的重要效應(yīng)細(xì)胞，可以通過(guò)RANKL激活破骨，促進(jìn)骨吸收[19]。樹(shù)突狀細(xì)胞作為抗原提呈細(xì)胞，通過(guò)主要組織相容性復(fù)合體(major histocompatibility complex，MHC)識(shí)別抗原，引發(fā)淋巴細(xì)胞的抗原特異性免疫反應(yīng)[20]。研究發(fā)現(xiàn)，金屬離子也可以作為抗原與MHC等相互作用，誘導(dǎo)免疫反應(yīng)。游離的鈦離子可以與血清蛋白結(jié)合，形成半抗原復(fù)合物，激活Th1免疫應(yīng)答[21]。此外，鈷合金顆粒可以誘導(dǎo)核轉(zhuǎn)錄因子-κB(nuclear factor-κB，NF-κB)的活化，通過(guò)toll樣受體4(toll-like receptor 4，TLR4)促進(jìn)腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor，TNF-α)和IL-8的釋放[22]。鈷、ZrO2、TiO2、SiO2的納米顆粒也可以調(diào)節(jié)人巨噬細(xì)胞的炎癥反應(yīng)[23]。此外，在無(wú)菌性松動(dòng)的種植體周檢測(cè)到金屬離子和促炎細(xì)胞因子IL-1β、IL-2、IL-8、IFN-γ和TNF-α的上調(diào)[24]。上述研究表明，樹(shù)突狀細(xì)胞和巨噬細(xì)胞是種植體周免疫應(yīng)答的哨兵，而樹(shù)突狀細(xì)胞誘導(dǎo)的適應(yīng)性免疫應(yīng)答在種植體骨結(jié)合中的作用仍待闡明。

3 宿主免疫應(yīng)答的調(diào)節(jié)因素

種植義齒由骨內(nèi)種植體、基臺(tái)及上部修復(fù)體組成，受口腔環(huán)境、修復(fù)方式及咀嚼功能等多種因素影響，如咬合、牙周微生物、修復(fù)材料等[25]。同時(shí)，IL-1β等細(xì)胞因子的遺傳多態(tài)性、患者吸煙和飲酒的習(xí)慣、肥胖、糖尿病、某些疾病的藥物攝入也會(huì)影響宿主的免疫響應(yīng)。要達(dá)到長(zhǎng)期穩(wěn)定的功能性骨結(jié)合，骨相關(guān)細(xì)胞、免疫細(xì)胞和植入物表面之間的相互作用至關(guān)重要。種植體植入后，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow-derived mesenchymal stem cells，BMSCs)被募集至種植體周，成骨向分化形成新骨；同時(shí)，BMSCs也可以上調(diào)巨噬細(xì)胞的CD206表達(dá)，使IL-10、IL-12的分泌增加，TNF-α、IL-6、IL-12分泌減少，并抑制LPS刺激的巨噬細(xì)胞CD86和MHC-Ⅱ類(lèi)分子的上調(diào)，減弱對(duì)抗原特異性CD4+T細(xì)胞的激活，增強(qiáng)巨噬細(xì)胞的吞噬作用，并使其M2型轉(zhuǎn)化[26]。體內(nèi)研究表明，在種植體植入后，BMSCs可誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞，并通過(guò)分泌前列腺素E2使其從M1型轉(zhuǎn)換為M2型，招募內(nèi)皮細(xì)胞和骨髓中的骨祖細(xì)胞，形成利于骨再生的微環(huán)境[27]。

種植體的表面形貌和表面修飾也可以調(diào)節(jié)宿主的免疫應(yīng)答。研究發(fā)現(xiàn)親水表面的種植體可以調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞，通過(guò)分泌抗炎因子，形成了更好的骨結(jié)合[28]。相較于光滑表面，粗糙親水表面能促進(jìn)轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1、BMP2、IL-1β、IL-6等因子的表達(dá)，并通過(guò)ERK1/2等通路調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞的形態(tài)及極化，促進(jìn)成骨[29-30]。種植體表面的納米形貌不僅可以直接調(diào)節(jié)骨細(xì)胞，還可以調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞[31]。最新研究表明：微納米孔形貌的鈦表面可以刺激Raw264.7細(xì)胞M2極化，形成促修復(fù)的免疫微環(huán)境，并促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖和分化，調(diào)控成骨細(xì)胞的自噬，進(jìn)一步調(diào)節(jié)成骨[32]。鈦經(jīng)陽(yáng)極氧化處理后，表面納米管的管徑會(huì)影響巨噬細(xì)胞的極化，促進(jìn)M1型巨噬細(xì)胞盡早向M2型轉(zhuǎn)化[33]。此外，鈦表面的納米結(jié)構(gòu)也可以負(fù)載治療藥物、促成骨因子、抗炎因子等，有望通過(guò)局部藥物釋放，為炎癥、感染、骨結(jié)合不良提供新的治療方法[34]。在種植體表面修飾氧化石墨烯/IL-4涂層也可以調(diào)節(jié)種植體周組織的M1/M2比例，進(jìn)而促進(jìn)種植體骨結(jié)合[35]。通過(guò)鈦納米管，可實(shí)現(xiàn)地塞米松及抗生素的加載和控釋?zhuān)⒋龠M(jìn)成骨[36]。陽(yáng)極氧化技術(shù)形成的二氧化鈦納米膠囊也可以作為吲哚美辛等藥物傳遞的納米載體，用于各種靶向和局部給藥，對(duì)骨組織的免疫反應(yīng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但納米結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期機(jī)械穩(wěn)定性需進(jìn)一步研究[37-38]。但相關(guān)研究均以巨噬細(xì)胞為主，對(duì)其他免疫細(xì)胞的調(diào)節(jié)報(bào)道較少。不同的骨誘導(dǎo)技術(shù)對(duì)調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞反應(yīng)的影響及可能的潛在機(jī)制是目前的研究熱點(diǎn)之一。

4 小 結(jié)

本文回顧了種植體植入后的免疫響應(yīng)過(guò)程。關(guān)于種植體骨結(jié)合的研究，過(guò)去多聚焦于如何促進(jìn)BMSCs及成骨細(xì)胞的增殖、分化以及成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞的平衡。骨免疫研究的不斷深入，揭示了種植體和骨生物材料與免疫系統(tǒng)相互作用，但骨巨噬細(xì)胞、MNGCs、樹(shù)突狀細(xì)胞在骨結(jié)合中的作用及機(jī)制仍有待進(jìn)一步闡明。如能確定對(duì)于骨再生和骨結(jié)合有利的免疫環(huán)境及其關(guān)鍵調(diào)節(jié)靶點(diǎn)，進(jìn)而通過(guò)種植體表面改性或藥物干預(yù)調(diào)控免疫微環(huán)境，促進(jìn)種植體植入后骨結(jié)合的形成和維持，將有望為臨床實(shí)現(xiàn)更好的種植治療提供新思路。