巨噬細(xì)胞在種植體骨結(jié)合及早期失敗的研究進(jìn)展*

嚴(yán)佳慧 郎欣蕊 章燕珍

作為人類的第三副牙，種植牙因其美觀、舒適等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為缺牙修復(fù)的主流方法。目前種植牙10年的成功率已經(jīng)達(dá)到了89%～96%［1］，然而在臨床上種植失敗仍有發(fā)生。其中，早期失敗發(fā)生的主要原因?yàn)槿狈墙Y(jié)合，而晚期失敗則常由種植體周炎、合力負(fù)載過(guò)大或種植體折斷等引起［2］。研究表明，種植體早期失敗的風(fēng)險(xiǎn)要普遍高于晚期失?。?］。因此臨床上應(yīng)盡可能提高骨結(jié)合以減少早期失敗的發(fā)生。

20 世紀(jì)60年代Branemark 曾提出骨結(jié)合的概念為“在骨界面和種植體之間直接形成的一種結(jié)構(gòu)和功能性的連接，種植體和骨之間不介入任何非骨組織”［4］。而在2017年Albrektsson 等［5］則對(duì)骨結(jié)合進(jìn)行了新的定義，從骨免疫學(xué)理論出發(fā)，他認(rèn)為骨結(jié)合是由異物免疫反應(yīng)驅(qū)動(dòng)的，而非單純的功能性和機(jī)械性變化。種植體植入后將觸發(fā)以纖維包封和慢性炎癥為特征的異物反應(yīng)［6，7］，如果骨組織處于穩(wěn)態(tài)，只有輕度的慢性炎癥，即處于異物平衡狀態(tài)，新生骨將不斷形成于種植體周圍。相反，一旦異物平衡被打破，炎癥反應(yīng)持續(xù)，則會(huì)阻礙骨結(jié)合。因此，調(diào)節(jié)異物反應(yīng)對(duì)于減少早期失敗的發(fā)生具有重要意義。迄今為止已經(jīng)開(kāi)展了許多種植體骨結(jié)合的相關(guān)研究，但是大部分仍集中在成骨細(xì)胞和成纖維細(xì)胞，只有小部分致力于免疫細(xì)胞在骨結(jié)合中的作用［8］。而巨噬細(xì)胞作為植入物周圍環(huán)境的免疫哨兵，也是種植體周圍主要的免疫細(xì)胞［9，10］，在不同的刺激下能夠分化成M1型和M2型介導(dǎo)局部免疫環(huán)境，促進(jìn)異物平衡的建立［11］。因此，本文就巨噬細(xì)胞對(duì)骨結(jié)合、纖維化、異物巨細(xì)胞形成的作用展開(kāi)綜述，從而指導(dǎo)臨床通過(guò)調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞行為減少早期失敗的發(fā)生。

1.種植體植入后的宿主免疫反應(yīng)

當(dāng)種植體植入到牙槽骨中時(shí)，宿主將啟動(dòng)一系列免疫反應(yīng)，中性粒細(xì)胞、單核-巨噬細(xì)胞、成纖維細(xì)胞等將參與到骨結(jié)合的免疫調(diào)控機(jī)制中［7］。由種植窩洞準(zhǔn)備造成的損傷將導(dǎo)致血液和種植體的直接接觸，激活免疫級(jí)聯(lián)系統(tǒng)，從而誘導(dǎo)血凝塊形成和炎癥的發(fā)生。此時(shí)，血液或組織液來(lái)源的蛋白質(zhì)，如白蛋白、補(bǔ)體、纖維連接蛋白、球蛋白、纖維蛋白原等將粘附于種植體表面形成臨時(shí)基質(zhì)層［12］。在臨時(shí)基質(zhì)層中存在的有絲分裂因子、趨化因子、細(xì)胞因子、生長(zhǎng)因子和其他生物活性物質(zhì)［13］將促進(jìn)與炎癥或修復(fù)相關(guān)細(xì)胞的募集及活化。中性粒細(xì)胞首先被招募到植入部位，肥大細(xì)胞釋放組胺和纖維蛋白原［12］，介導(dǎo)急性炎癥反應(yīng)。通常，這種急性炎癥反應(yīng)只持續(xù)數(shù)小時(shí)至幾天［14］。

隨后，血小板和血凝塊釋放的趨化因子將招募單核細(xì)胞到種植體周圍，并在植入后一周分化形成巨噬細(xì)胞。肥大細(xì)胞所釋放的組胺同樣能誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞在種植體表面的募集和黏附。此時(shí)，巨噬細(xì)胞通過(guò)釋放各種細(xì)胞因子，如血小板衍生生長(zhǎng)因子（Platelet derived growth factor， PDGF）、白細(xì)胞介素-6（Interleukin-6， IL-6）、巨噬細(xì)胞集落刺 激 因 子（Macrophage-stimulating factor，M-CSF）將更多巨噬細(xì)胞招募到植入?yún)^(qū)［15］。隨著巨噬細(xì)胞在種植體表面的不斷黏附，巨噬細(xì)胞將成為種植體周圍的主要免疫細(xì)胞，并釋放各種細(xì)胞因子，調(diào)節(jié)成骨和破骨。在IL-4、IL-13 作用下巨噬細(xì)胞還可上調(diào)甘露糖受體，融合形成異物巨細(xì)胞［16］，這些異物巨細(xì)胞也將參與到纖維組織的形成和種植體表面的腐蝕。

隨著成纖維細(xì)胞、巨噬細(xì)胞在種植體周圍的浸潤(rùn)以及新生血管的形成，肉芽組織形成并最終轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維囊［13］，將種植體從周圍環(huán)境中分離出來(lái)。然而，避免早期失敗需要形成穩(wěn)定的骨結(jié)合，即種植體與周圍骨直接接觸，二者之間不存在非骨組織，而過(guò)度的纖維包封阻礙了新骨的形成。鑒于巨噬細(xì)胞是異物反應(yīng)中種植體周圍主要的免疫細(xì)胞，且其作為中間細(xì)胞起著調(diào)節(jié)新骨以及纖維組織形成的作用，通過(guò)對(duì)巨噬細(xì)胞行為的調(diào)節(jié)，我們可以控制免疫系統(tǒng)向有利于骨結(jié)合的方向發(fā)展。

2.巨噬細(xì)胞在骨結(jié)合中的作用

穩(wěn)定的骨結(jié)合需要建立成骨與破骨間的良好平衡，而巨噬細(xì)胞作為中間細(xì)胞能夠調(diào)節(jié)骨平衡的建立。巨噬細(xì)胞直接影響了骨合成代謝。通過(guò)旁分泌產(chǎn)生抑瘤素M、前列腺素E2、和骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2 等信號(hào)分子，巨噬細(xì)胞可以誘導(dǎo)成骨細(xì)胞分化和骨的形成，有利于骨礦化的發(fā)生［17，18］。Wang等［19］通過(guò)氯膦酸鹽脂質(zhì)體靶向消除巨噬細(xì)胞后發(fā)現(xiàn)種植體周圍的成骨細(xì)胞數(shù)量出現(xiàn)了顯著減少。體外研究也發(fā)現(xiàn)在去除巨噬細(xì)胞后成骨礦化將減少23倍［20］。

作為破骨細(xì)胞的前體，巨噬細(xì)胞在M-CSF 和RANKL的刺激下可以分化為破骨細(xì)胞［21］。不同表型的巨噬細(xì)胞也影響了破骨細(xì)胞的產(chǎn)生。在脂多糖或干擾素-γ的作用下，巨噬細(xì)胞可分化為M1型即促炎型巨噬細(xì)胞，產(chǎn)生促炎細(xì)胞因子和趨化因子，如腫瘤壞死因子-α（Tumor necrosis factor-α，TNF-α）、IL-1、IL-6和一氧化氮誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)；而M2型即抗炎型巨噬細(xì)胞則由IL-4誘導(dǎo)，釋放抗炎細(xì)胞因子，包括轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β（Transforming growth factor-β，TGF-β）和IL-10，促進(jìn)組織愈合和再生［9，22］。其中與M1型相關(guān)的細(xì)胞因子如TNF-α，IL-6和IL-1β將促進(jìn)破骨細(xì)胞產(chǎn)生［23］，與M2型相關(guān)的細(xì)胞因子IL-4以及IL-10，則可通過(guò)活化T細(xì)胞核因子-1蛋白抑制破骨細(xì)胞形成［24］。如果種植體周圍不斷有M1型巨噬細(xì)胞的浸潤(rùn)，使得炎癥反應(yīng)持續(xù)存在，將不利于新骨的形成。

因此，骨結(jié)合的實(shí)現(xiàn)需要巨噬細(xì)胞的參與和調(diào)控。通過(guò)減少M(fèi)1型巨噬細(xì)胞并促進(jìn)其向M2型的極化，可以調(diào)節(jié)相關(guān)細(xì)胞因子產(chǎn)生，使最終結(jié)果向有利于新骨形成的方向發(fā)展。

3.巨噬細(xì)胞與成纖維細(xì)胞的相互作用

巨噬細(xì)胞與成纖維細(xì)胞的相互作用一直是人類纖維化疾病的研究熱點(diǎn)［25-27］。作為抵御口腔微生物的生物學(xué)屏障，種植體周圍軟組織愈合對(duì)于實(shí)現(xiàn)牙種植體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性尤為重要［28］。但是過(guò)度的纖維化又導(dǎo)致骨結(jié)合的失敗。因此，需要通過(guò)對(duì)免疫反應(yīng)的調(diào)控誘導(dǎo)適當(dāng)?shù)睦w維組織形成。

成纖維細(xì)胞在種植體植入后的三天開(kāi)始出現(xiàn)在植入部位，并在一周左右被活化成肌成纖維細(xì)胞，此時(shí)細(xì)胞外基質(zhì)開(kāi)始合成［29］。巨噬細(xì)胞則在成纖維細(xì)胞的活性調(diào)控起著重要的作用。M2型巨噬細(xì)胞分泌的TGF-β 可以通過(guò)Smad途徑加快成纖維細(xì)胞的增殖及活化，抑制肌成纖維細(xì)胞的凋亡［30，31］。另一方面，肌成纖維細(xì)胞高表達(dá)組織金屬蛋白酶抑制劑［32］，抑制細(xì)胞外基質(zhì)的降解，促進(jìn)了纖維組織形成。在M2型巨噬細(xì)胞的培養(yǎng)基中發(fā)現(xiàn)了更多的膠原分泌［33，34］。此外，巨噬細(xì)胞和肌成纖維細(xì)胞之間還存在著正反饋回路。M2型巨噬細(xì)胞可以通過(guò)分泌TGF-β 促進(jìn)肌成纖維細(xì)胞的產(chǎn)生，而肌成纖維細(xì)胞則可以通過(guò)SDF-1、CXCR4、PI3K、AKT1等途徑誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞向M2型極化，進(jìn)一步提高TGF-β水平［35］。

為了既保證種植體的軟組織愈合又避免過(guò)度纖維化，需要適度地誘導(dǎo)M2 表型的分化。對(duì)于免疫反應(yīng)的調(diào)節(jié)或許可以更多地集中在促進(jìn)M2型巨噬細(xì)胞的極化并適當(dāng)抑制TGF-β 產(chǎn)生來(lái)減少纖維包封，避免早期失敗。

4.巨噬細(xì)胞與異物巨細(xì)胞的形成

異物巨細(xì)胞作為異物反應(yīng)的標(biāo)志常常出現(xiàn)在種植體與組織的界面上，這些細(xì)胞參與纖維包封［36］，且會(huì)導(dǎo)致生物材料的降解，不利于新骨的形成。該細(xì)胞的表面標(biāo)記物與巨噬細(xì)胞相似，且多數(shù)異物巨細(xì)胞表達(dá)ED1 抗原，而ED2 抗原表現(xiàn)為陰性，這也表明這些異物巨細(xì)胞極有可能來(lái)源于M1型巨噬細(xì)胞的融合［37］。

Xia等［38］總結(jié)了巨噬細(xì)胞吞噬反應(yīng)與生物材料粒徑的關(guān)系：當(dāng)粒徑小于單個(gè)巨噬細(xì)胞（直徑為“10 μm”）時(shí)，材料將被巨噬細(xì)胞吞噬并降解；如果粒徑在10～100 μm，此時(shí)巨噬細(xì)胞將融合形成異物巨細(xì)胞，進(jìn)而吞噬并消化；如果粒徑較大，則融合形成的異物巨細(xì)胞將通過(guò)釋放酶或降低pH 等機(jī)制進(jìn)行細(xì)胞外降解。牙科種植體作為一種不可降解的塊狀材料，當(dāng)巨噬細(xì)胞在其表面不斷浸潤(rùn)時(shí)將融合并形成異物巨細(xì)胞［39］。相較于巨噬細(xì)胞，異物巨細(xì)胞的細(xì)胞外降解能力大大提高，它能釋放多種介質(zhì)如活性氧中間體、酶和酸導(dǎo)致種植體表面的腐蝕，使得金屬顆?；螂x子釋放到周圍組織產(chǎn)生細(xì)胞毒性作用。骨科研究發(fā)現(xiàn)這些磨損顆粒能夠通過(guò)各種分子信號(hào)通路上調(diào)炎癥，促進(jìn)破骨發(fā)生［40］。Wang 等［41］也證實(shí)牙種植體的鈦磨損顆粒可以誘導(dǎo)組織的無(wú)菌性炎癥，在種植體周圍發(fā)現(xiàn)了大量M1型巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)，TNF-α、IL-1β、IL-6 等炎性細(xì)胞因子的水平顯著升高，激活了種植體周圍的溶骨過(guò)程。這些因物理摩擦及化學(xué)腐蝕形成的鈦磨損顆粒的釋放，破壞了骨穩(wěn)態(tài)的維持，是造成種植體無(wú)菌性松動(dòng)的原因之一［42］。

由于異物巨細(xì)胞可通過(guò)釋放降解物質(zhì)導(dǎo)致牙科種植體的腐蝕，進(jìn)一步誘導(dǎo)炎癥的發(fā)生，阻礙新骨的形成，通過(guò)抑制巨噬細(xì)胞尤其是M1型巨噬細(xì)胞的融合可以有效減少異物巨細(xì)胞的形成，從而減少早期失敗發(fā)生。目前研究發(fā)現(xiàn)，阻斷DAP12、DC-STAMP、RAC1 等受體分子是限制巨噬細(xì)胞融合的有效方法［43-45］，而減少M(fèi)1型浸潤(rùn)或促進(jìn)M1型向M2型極化則主要通過(guò)具有免疫調(diào)節(jié)功能的生物材料實(shí)現(xiàn)。

5.小結(jié)和展望

作為一種外源性異物，牙種植體在植入宿主體內(nèi)時(shí)可發(fā)生異物反應(yīng)，從而將種植體與周圍組織分離出來(lái)。然而過(guò)度異物反應(yīng)引起的纖維包封和種植體表面的腐蝕，將不利于骨結(jié)合，引起早期失敗的發(fā)生。作為參與異物反應(yīng)的主要免疫細(xì)胞，巨噬細(xì)胞能夠調(diào)控異物反應(yīng)和新骨的形成。本文總結(jié)了巨噬細(xì)胞在與早期失敗相關(guān)的骨結(jié)合、纖維化以及異物巨細(xì)胞形成中的作用，以指導(dǎo)臨床創(chuàng)造有利于骨結(jié)合的免疫微環(huán)境：通過(guò)減少M(fèi)1型巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)并促進(jìn)其向M2型的極化來(lái)促進(jìn)成骨反應(yīng)，通過(guò)適當(dāng)抑制TGF-β 水平避免過(guò)度纖維化，通過(guò)阻斷相關(guān)受體及M1型巨噬細(xì)胞的浸潤(rùn)限制異物巨細(xì)胞的形成從而減少種植體表面的腐蝕。未來(lái)研究或許可以更多地集中在生物學(xué)材料方面，設(shè)計(jì)和研發(fā)新型種植體來(lái)調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞的上述行為，從而減少種植體早期失敗的發(fā)生。