環(huán)戊烯酮類前列腺素15d-PGJ2在牙周炎微環(huán)境下對成骨/破骨的作用及可能機(jī)制

黃璐 綜述 吳燕岷 審校

牙周炎是指牙菌斑中的微生物所引起的牙周支持組織的慢性感染性疾病，并導(dǎo)致牙周支持組織的破壞，如牙周袋的形成、進(jìn)行性附著喪失和牙槽骨吸收，最后可導(dǎo)致牙齒松動和脫落。牙周病宿主調(diào)節(jié)治療主要是針對宿主防御功能，從以下環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)：宿主的免疫炎癥反應(yīng)、基質(zhì)金屬蛋白酶的產(chǎn)生、花生四烯酸的代謝產(chǎn)物、牙槽骨的吸收。環(huán)戊烯酮類前列腺素(15-deoxy-Δ12,14-prostaglandin J2,15d-PGJ2)是核內(nèi)受體過氧化物酶體增殖物激活受體γ (peroxisome proliferator activated receptors γ，PPAR-γ)的內(nèi)源性激動劑[1]，具有多種生物學(xué)活性。近年來發(fā)現(xiàn)15d-PGJ2能抑制牙槽骨的破壞和吸收[2-4]，其在牙周中的具體作用及機(jī)制日益受到關(guān)注。本文就15d-PGJ2在牙周炎微環(huán)境下對骨代謝的作用及機(jī)制做一綜述，以期為將來15d-PGJ2在牙周炎中的研究與應(yīng)用提供新思路。

1 15d-PGJ2的簡介

15d-PGJ2是花生四烯酸經(jīng)環(huán)氧合酶2(cyclooxygenase，COX-2)代謝的終產(chǎn)物之一，是PPAR-γ的內(nèi)源性配體，能激活PPAR-γ轉(zhuǎn)錄因子，具有促凋亡、抑增殖、抗炎、抗血管生成、抗轉(zhuǎn)移、抗癌、抑制炎癥性骨吸收等多種生理功能[1,5]。從結(jié)構(gòu)上看，15d-PGJ2的環(huán)戊烯酮鏈上有特征性的α，β-不飽和羰基，可以和細(xì)胞內(nèi)蛋白的親核基團(tuán)發(fā)生邁克爾(Michael)加成反應(yīng)。已知一些關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)中有親核基團(tuán)-半胱氨酸硫醇基，比如核轉(zhuǎn)錄因子κB (nuclear factor kappa B, NF-κB, NCBI Reference Sequence: NP_001306155.1)、鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶依賴的胞漿活化T細(xì)胞核因子1 (nuclear factor of activated T-cells, cytoplasmic, calcineurin-dependent 1，NFATc1, PDB: 1NFA_A)、核因子E2相關(guān)因子2(nuclear factor-erythroid 2 p45 related factor, Nrf2, GenBank: AAB32188.1)等，15d-PGJ2可通過與該親核基團(tuán)發(fā)生Michael加成調(diào)控上述因子的活性，影響其生理功能，并且這一過程在PPAR-γ介導(dǎo)和非PPAR-γ介導(dǎo)下均可以完成。

2 15d-PGJ2對骨代謝的作用

15d-PGJ2在骨代謝中發(fā)揮一定的調(diào)節(jié)作用，該過程主要通過調(diào)控破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞的分化及其活性實(shí)現(xiàn)。15d-PGJ2在小鼠成骨樣細(xì)胞系MC3T3-E1中可抑制脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)誘導(dǎo)的絲氨酸/蘇氨酸激酶AKT和NF-κB活化，抑制白細(xì)胞介素6(interleukin 6， IL-6)的產(chǎn)生，抑制成骨細(xì)胞(osteoblast, OB)活性等[6]。Lin等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在大鼠成骨細(xì)胞體外培養(yǎng)中， 15d-PGJ2可呈劑量依賴性降低堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)活性和礦化能力，顯著降低骨鈣素(osteocalcin, OCN)在mRNA水平上的表達(dá)，在幼齡大鼠脛骨局部連續(xù)7 d注射15d-PGJ2可降低新生骨的骨體積。15d-PGJ2還可能通過調(diào)控細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激損傷，誘導(dǎo)成骨細(xì)胞凋亡[8]。然而，用15d-PGJ2治療大鼠雙后肢股骨中段的骨皮質(zhì)缺損，結(jié)果發(fā)現(xiàn)15d-PGJ2可以下調(diào)IL-6、 IL-1β、腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α, TNF-α)的表達(dá)，上調(diào)局部骨缺損區(qū)骨形態(tài)發(fā)生蛋白6(bone morphogenetic protein-6, BMP-6)、血小板源性生長因子B(platelet-derived growth factor-B, PDGF-B)和Eph蛋白家族受體互作蛋白B2(eph family receptor interacting proteins B2, Ephrin-B2)的表達(dá)，促進(jìn)骨缺損修復(fù)[9]。另外，也有人研究表明，15d-PGJ2能增強(qiáng)PPAR-γ和增強(qiáng)子結(jié)合蛋白(CCAAT-enhancer-binding proteins， C/EBPα)表達(dá)刺激小鼠骨髓細(xì)胞分化為脂肪細(xì)胞，但是對骨形成無影響[10]。可見，15d-PGJ2在骨代謝中的作用十分復(fù)雜，受多種因素影響，在不同細(xì)胞種類、不同狀態(tài)、不同作用濃度下都可能發(fā)揮不同的影響。

15d-PGJ2除了影響成骨細(xì)胞的分化和活性之外，還能作用于破骨細(xì)胞。Napimoga等[2]將15d-PGJ2應(yīng)用于小鼠牙周炎模型，發(fā)現(xiàn)15d-PGJ2具有免疫調(diào)節(jié)作用，可減輕免疫炎癥反應(yīng)以及伴隨的牙槽骨喪失。1×10-5mol/L 15d-PGJ2處理小鼠T細(xì)胞3 d后，上清中核轉(zhuǎn)錄因子κB受體活化因子配體(receptor activator of NF2-κB ligand, RANKL)的表達(dá)水平下降，抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate-resistant acid phosphatase, TRAP)染色的陽性細(xì)胞數(shù)減少，提示15d-PGJ2通過下調(diào)RANKL在小鼠體內(nèi)的表達(dá)量，抑制T細(xì)胞誘導(dǎo)的骨吸收，即抑制破骨[3]。15d-PGJ2可以抑制乳腺癌骨轉(zhuǎn)移和雌激素缺乏引起的骨吸收-在乳腺癌細(xì)胞和成骨細(xì)胞的共同培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn)，15d-PGJ2可以降低RANKL/OPG，抑制組織蛋白酶K和基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases, MMPs)的水平，抑制骨吸收[4]。綜上所述，15d-PGJ2能夠抑制破骨細(xì)胞的形成與分化。

3 15d-PGJ2在牙周骨代謝中可能的作用機(jī)制

3.1 依賴于PPAR-γ

PPAR-γ是一個能影響骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化的重要轉(zhuǎn)錄因子，能調(diào)控干細(xì)胞向破骨細(xì)胞分化，影響破骨細(xì)胞的生成和活化[11]。楊芳[12]認(rèn)為PPAR-γ可促進(jìn)人牙周膜細(xì)胞的成骨，但不依賴于β-catenin信號通路，15d-PGJ2作為PPAR-γ的激動劑，很有可能通過PPAR-γ作用于骨代謝。已有研究表明，15d-PGJ2可以通過激活PPAR-γ，進(jìn)而抑制NF-κB相關(guān)的下游COX-2和NOS成骨信號，抑制BMP-2和OCN的表達(dá)，降低了成骨細(xì)胞礦化骨結(jié)節(jié)和ALP活性[7]。15d-PGJ2通過PPAR-γ的激活，可以抑制β-甘油磷酸酯(β-phosphoglyceride)對成骨分化關(guān)鍵性轉(zhuǎn)錄因子Cbfa-1和NF-κB的激活，使Cbfa-1和NF-κB的DNA結(jié)合能力減弱，減少間質(zhì)細(xì)胞分化或成骨細(xì)胞標(biāo)志物的表達(dá)，從而抑制成骨[13]。NF-κB是二聚體轉(zhuǎn)錄因子，受到IκB的抑制，當(dāng)細(xì)胞活化時，IKK將IκB磷酸化，NF-κB釋放并進(jìn)入核內(nèi)。15d-PGJ2可激活PPAR-γ促進(jìn)IκB合成，還可與IKK共價結(jié)合而影響NF-κB進(jìn)入細(xì)胞核[14]，還能使NF-κB的DNA結(jié)合亞基p65的半胱氨酸殘基羥基化，直接抑制NF-κB的DNA[15]。

Gong等[16]研究證明在高糖HG和游離脂肪酸FFA顯著抑制PPAR、NAD依賴性蛋白脫乙酰酶 (NAD-dependent deacetylase sirtuin-1, SIRT1)和成骨分化表達(dá)的情況下，PPAR-γ過表達(dá)可顯著逆轉(zhuǎn)上述效應(yīng)，而且其促進(jìn)成骨分化是依賴于SIRT1的信號通路。

綜上所述，推測15d-PGJ2可能通過PPAR-γ抑制NF-κB的轉(zhuǎn)錄和入核，進(jìn)而抑制成骨分化相關(guān)蛋白的表達(dá)，抑制成骨；也可以依賴于SIRT1促進(jìn)成骨分化15d-PGJ2通過多條信號通路作用于骨代謝，在不同的狀態(tài)下作用于不同的信號通路，發(fā)揮不同的作用。

3.2 依賴于OPG/RANKL/RANK系統(tǒng)

RANKL是TNF配體超家族成員，成骨細(xì)胞或骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞表達(dá)的RANKL或分泌到機(jī)制中的RANKL，與破骨前體細(xì)胞表面唯一受體核因子κB 受體活化因子(receptor activator of nuclear factor κB, RANK)結(jié)合，將信號傳入胞內(nèi)，引起破骨前體細(xì)胞分化、增殖和成熟[17]。骨保護(hù)素(osteoprotegerin, OPG)作為TNF受體超家族成員，能競爭性結(jié)合RANKL，阻斷RANK與RANKL的作用，從而抑制破骨細(xì)胞的分化和成熟[18]。在骨重建的調(diào)節(jié)過程中，許多上游系統(tǒng)和局部激素及因子由于在破骨細(xì)胞表面缺乏相應(yīng)的受體，只能通過影響下游RANKL或者OPG的表達(dá)水平來調(diào)控骨代謝[19-21]。

有學(xué)者以牙槽骨吸收大鼠模型為研究對象，發(fā)現(xiàn)牙槽骨吸收區(qū)RANKL在成骨細(xì)胞及基質(zhì)細(xì)胞中有表達(dá)，RANK在破骨細(xì)胞及破骨前體細(xì)胞表面有表達(dá)，OPG表達(dá)較無骨吸收區(qū)域有所下降，證實(shí)在牙槽骨吸收機(jī)制中OPG/RANKL/RANK系統(tǒng)起著重要作用[18]。15d-PGJ2通過環(huán)戊酮發(fā)生Michael加成反應(yīng)，干擾轉(zhuǎn)錄因子NF-κB、早期生長反應(yīng)因子1(early growth responsive factor-1, Egr-1)、早期生長反應(yīng)因子2(early growth responsive factor-2, Egr-2)的表達(dá)或活性，抑制RANKL的啟動子活性，降低RANKL的轉(zhuǎn)錄和翻譯水平[22]。綜上所述，在一定程度上，15d-PGJ2能夠通過OPG/RANKL/RANK系統(tǒng)影響骨代謝。

成骨細(xì)胞分泌的RANKL、 巨噬細(xì)胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor， M-CSF)等可以協(xié)同誘導(dǎo)有絲分裂原激活蛋白酶(mitogen activated protein kinase, MAPK)、細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular signal regulated kinase,ERK)、c-jun氨基端激酶(c-Jun N-terminal kinas, JNK)和NF-κB活性，從而影響破骨細(xì)胞分化及活性。結(jié)合上述“15d-PGJ2可依賴于OPG/RANKL/RANK通路調(diào)控牙周骨代謝”，因此在破骨細(xì)胞分化過程中15d-PGJ2和MAPK、ERK、JNK等很可能存在相互作用，具體機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

3.3 依賴于組蛋白的乙?；腿ヒ阴；?/h3>

組蛋白乙酰基轉(zhuǎn)移酶(histoneacetylase， HAT)和組蛋白去乙?；D(zhuǎn)移酶(histonedeacetylase, HDAC)是調(diào)節(jié)染色體結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)的關(guān)鍵激酶，HAT促進(jìn)轉(zhuǎn)錄，HDAC抑制轉(zhuǎn)錄，而且蛋白質(zhì)的乙酰化可調(diào)控細(xì)胞活動，提高蛋白穩(wěn)定性。15d-PGJ2可改變HAT的溶解性而影響HAT[包括p300和p300/CREB結(jié)合蛋白相關(guān)因子(p300/CREB-binding protein-associated factor， PCAF)]的功能，還能共價結(jié)合2 個半胱氨酸殘基來抑制HDAC-1[23-24]。有研究表明，15d-PGJ2能通過干擾組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶p300抑制IL-1β介導(dǎo)的COX-2的表達(dá)[25]。但是，Napimoga等[26]研究發(fā)現(xiàn)小劑量(3 μmol/L)的15d-PGJ2可以提高組蛋白去乙?；D(zhuǎn)移酶9(HDAC9)的表達(dá)，以一個不依賴于PPAR-γ的模式誘導(dǎo)成骨相關(guān)蛋白的表達(dá)，提高成骨細(xì)胞活性。另有研究表明，HDAC-9c能依賴于PPAR-γ2減弱間充質(zhì)干細(xì)胞的成脂分化，促進(jìn)成骨分化[27]。目前為止，骨代謝中15d-PGJ2和HAT/HDAC相互作用及機(jī)制的研究很少，需要進(jìn)一步深入研究，可以確定的是15d-PGJ2可以通過HAT或HDAC調(diào)控骨代謝。

3.4 依賴于炎癥因子和Wnt信號通路

Wnt/β-catenin信號通路在人牙周膜干細(xì)胞(human periodontal ligament stem cell, hPDLSCs)成骨分化過程中發(fā)揮著重要作用，但具體作用尚存一定爭議。Chen等[28-29]學(xué)者研究認(rèn)為Wnt/β-catenin信號通路可以促進(jìn)hPDLSCs成骨分化；但伍燕等[30]發(fā)現(xiàn)，下調(diào)DKK-1表達(dá)水平激活Wnt/β-catenin信號通路后，hPDLSCs的成骨分化反而被抑制了。

15d-PGJ2應(yīng)用于骨缺損大鼠模型中，可以降低IL-1α、IL-6和TNF-α的表達(dá)水平[9]。有研究在風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，促炎癥細(xì)胞因子IL-1和TNF-α可作用于Wnt信號通路，抑制成骨細(xì)胞分化和功能。已知TNF-α是一種促進(jìn)炎癥反應(yīng)的免疫調(diào)節(jié)劑，能促進(jìn)炎癥細(xì)胞侵入感染部位，導(dǎo)致MMPs的釋放，降解細(xì)胞外基質(zhì)蛋白，促進(jìn)牙槽骨吸收和膠原纖維的破壞，是促進(jìn)破骨細(xì)胞和破牙骨質(zhì)細(xì)胞分化和激活的重要因子[31]。因此，本文推測15d-PGJ2可能通過炎癥因子及TNF-α介導(dǎo)骨代謝。另一方面，Jayaprakash等[32]在正畸移動牙齒的齦溝液內(nèi)檢測到IL-6、TNF等介質(zhì)；Takahashi等[33]曾在牙周炎患者的牙齦組織和牙根尖囊腫的囊液中檢測到高水平的IL-6和IL-17。綜合以上，本文推測：在牙周炎微環(huán)境中，IL-6等炎癥因子會介導(dǎo)病理性骨吸收，15d-PGJ2可能抑制相關(guān)炎癥因子，進(jìn)而作用于Wnt信號通路，促進(jìn)成骨細(xì)胞分化，抑制破骨細(xì)胞分化。

3.5 其他信號通路

Notch信號通路在細(xì)胞內(nèi)廣泛存在，能促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化[27]。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，Notch信號通路的受體和配體在骨折愈合過程中上調(diào)[34]。將激活Wnt信號通路的小鼠骨細(xì)胞與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞共培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)，骨細(xì)胞調(diào)控成骨分化的作用機(jī)制是通過自身Notch配體的表達(dá)而進(jìn)一步激活骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的Notch信號通路，從而調(diào)控其成骨分化[35]，即“發(fā)育中斷的骨細(xì)胞Wnt微環(huán)境因子反向調(diào)控骨發(fā)育”。目前尚無研究15d-PGJ2是否在Notch信號通路中發(fā)揮作用，需要進(jìn)一步探索。

在肝損傷小鼠中，15d-PGJ2獨(dú)立于PPAR-γ，通過顯著的活性氧ROS的生成和細(xì)胞骨架的重構(gòu)，使骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞歸巢至肝臟[36]。15d-PGJ2顯著提高成骨細(xì)胞中HO-1的mRNA和蛋白水平，HO-1的誘導(dǎo)抑制了成骨細(xì)胞的成熟，包括減少礦化骨結(jié)節(jié)的形成、ALP的活性以及ALP、OCN、RUNX2等多種分化標(biāo)志物mRNA的表達(dá)[37]。

4 總結(jié)與展望

目前15d-PGJ2如何影響骨代謝的研究主要集中在骨髓來源的成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞以及骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，在牙周組織骨代謝方面的研究很少。國內(nèi)外的前期研究表明，15d-PGJ2可以通過Wnt信號通路、RANKL/OPG、MAPK信號通路、PI3-K/AKT信號通路等多途徑作用于骨代謝，在治療牙周炎破壞性骨吸收中存在潛在的應(yīng)用前景，但是其具體作用機(jī)制有待進(jìn)一步深入。綜上所述，在牙周炎性微環(huán)境下，15d-PGJ2可能通過抑制破壞性骨吸收，控制牙周炎導(dǎo)致的進(jìn)行性骨破壞，有望成為牙周病的有效輔助治療。