腺苷酸活化蛋白激酶在牙周病發(fā)生發(fā)展中的研究進展

李歸平 秦旭 朱光勛

華中科技大學同濟醫(yī)學院附屬同濟醫(yī)院口腔科 武漢 430030

腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK）是一種廣泛存在于真核細胞中的蛋白激酶，通過調(diào)控脂肪酸和葡萄糖的代謝維持細胞能量的穩(wěn)態(tài)，被稱為“細胞能量調(diào)節(jié)器”[1]。在慢性代謝性疾病，如2型糖尿病、高血脂以及炎癥疾病如動脈粥樣硬化中，AMPK已經(jīng)得到廣泛研究。

牙周病是由特殊致病菌和破壞性免疫反應相互作用導致的牙周支持組織發(fā)生病理性吸收所致[2]。牙周炎的多種刺激因素通過打破成骨和破骨過程的平衡以抑制牙槽骨的修復性改建[3]，通過促進細胞基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）的分泌降解細胞外基質(zhì)[4]，通過調(diào)控牙周組織細胞的自噬[5]促進牙周病的發(fā)生以及發(fā)展。多種效應分子可以通過AMPK信號通路調(diào)節(jié)牙周組織的骨代謝、MMPs分泌、免疫反應以及自噬，進而揭示出AMPK與牙周病存在相關性。本文對AMPK及其在牙周病發(fā)病機制中的研究進展作一綜述。

1 AMPK的來源及其結(jié)構(gòu)特點

AMPK在真核細胞中廣泛存在。1979年Beg等[6]在大鼠肝臟細胞中發(fā)現(xiàn)了AMPK，隨后Munday等[7]將其從大鼠肝臟中分離純化并命名。AMPK是一種三聚體蛋白復合物，包含激活中心α亞基（α1、α2）及2個調(diào)控亞基β（β1、β2）和γ（γ1、γ2、γ3）[8]。α亞基（α1、α2亞基在人體內(nèi)分別由PRKAA1、PRKAA2基因編碼）中存在絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶活化結(jié)構(gòu)域和自我抑制結(jié)構(gòu)域，其上游的蛋白激酶可以通過磷酸化α亞基中的蘇氨酸172位點（threonine 172，Thr172）激活AMPK，同樣AMPK結(jié)構(gòu)中的調(diào)節(jié)亞基β、γ也可以作用于α亞基的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域，調(diào)控AMPK的活性。β亞基（β1亞基在人體內(nèi)由PARAB1基因編碼）中含有糖原、碳水化合物結(jié)合結(jié)構(gòu)域，可以通過感受細胞中的糖原和碳水化合物的含量調(diào)節(jié)AMPK的活性。γ亞基中的AMP/ATP/ADP結(jié)合位點也可以通過感受細胞中腺苷酸的含量調(diào)控AMPK活性。有研究[9-10]發(fā)現(xiàn)一些中藥及其相關成分如白蘆藜醇、黃連解毒顆粒等可以通過調(diào)控AMPK信號通路參與牙周病的調(diào)控。

2 AMPK參與調(diào)節(jié)牙周骨代謝

2.1 參與調(diào)節(jié)破骨細胞的分化

牙槽骨喪失是牙周病進展的標志，破骨細胞是牙槽骨喪失過程中重要的骨吸收細胞[11]，因此抑制牙槽骨破骨細胞的分化是預防牙槽骨喪失的關鍵。有研究[12]表明：AMPK的表達及活性的提高可以抑制核因子κB受體活化因子配體（receptor activator of nuclear factor kappa B ligand，RANKL）及其下游基因核因子κB（nuclear factor kappa B，NF-κB）的表達，從而抑制牙周破骨細胞的分化。在體內(nèi)實驗中[9,12-13]，白蘆藜醇、低濃度二甲雙胍（50 mg·kg-1）、聚乳酸-羥基乙酸共聚物[poly(lactic-co-glycolic acid)n，PLGA]為載體的鹽酸二甲雙胍粒子均可以通過提高小鼠牙齦組織內(nèi)p-AMPK和AMPK的含量，增強AMPK的活化及其基因的表達，下調(diào)RANKL以及其下游NF-κB基因的表達，進而抑制糖尿病模型小鼠牙槽骨的破骨吸收。相反，脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）、高濃度二甲雙胍（100、200 mg·kg-1）則可以降低小鼠牙周組織p-AMPK的含量，抑制AMPK的活性，促進RANKL基因表達，進而促進小鼠牙槽骨吸收[12,14-15]。

在體外實驗中，高糖環(huán)境（5.5～35μmol·L-1）和乙醇均可以降低細胞p-AMPK含量，抑制AMPK的活性，進而促進RANKL及其下游NF-κB基因的表達，誘導人牙周膜成纖維細胞向破骨細胞分化。相反褪黑素和二甲雙胍（200、500μmol·L-1）則可以通過提高細胞內(nèi)p-AMPK和AMPK的含量，促進AMPK的活化及AMPK基因的表達，改變乙醇和高糖環(huán)境（5.5～35μmol·L-1）對AMPK活性的抑制作用，抑制后者對RANKL基因表達的促進作用，從而抑制人牙周膜成纖維細胞向破骨細胞分化[16-17]。同樣，β-拉帕醌（β-lapachone）、尿激酶型纖溶酶原激活物（urokinase-type plasminogen activator，uPA）及其衍生多肽A6也可以通過提高細胞中p-AMPK含量，活化AMPK，抑制RANKL基因的表達，抑制小鼠骨髓細胞向破骨細胞分化[14-15,18]。

2.2 參與調(diào)節(jié)成骨細胞和成牙骨質(zhì)細胞的分化

牙槽骨及牙骨質(zhì)的再生是牙周病治療和預后的關鍵[19]。相關研究[20-28]表明：上調(diào)AMPK的表達和蛋白活性均可以上調(diào)Runt相關轉(zhuǎn)錄因子2（runtrelated transcription factor 2，RUNX2）基因的表達，促進成骨細胞分化。在體內(nèi)實驗[20]中，激光治療（450 nm藍光）可以通過提高細胞中p-AMPK的含量促進AMPK活化，上調(diào)RUNX2基因的表達，促進比格犬牙槽骨的成骨分化。

在體外實驗[21]中，二甲雙胍也可以通過肝臟激酶B1（liver kinase B1，LKB1）/AMPK信號通路提高細胞中p-AMPK的含量，激活AMPK，促進RUNX2基因的表達，使人多功能干細胞誘導分化的骨髓間充質(zhì)細胞向成骨細胞分化。白蘆藜醇、沉默信息調(diào)節(jié)因子2同源蛋白1（silent mating type information regulation 2 homolog 1，SIRT1/sirtuin 1）、三磷酸鈉和六磷酸鈉，可以上調(diào)人牙周膜成纖維細胞中AMPK、p-AMPKα的表達量，增強AMPK的表達及活化，提高RUNX2基因的表達，進而促進人牙周膜成纖維細胞向成骨細胞分化[22-24]。筆者所在課題組也證實：辛伐他汀可以通過提高AMPK在人牙周膜成纖維細胞中的表達，促進人牙周膜成纖維細胞向成骨細胞分化[25]。相反，肽基脯氨酰順/異構(gòu)酶NIMA互作蛋白1（peptidyl-prolyl cis-trans isomerases,NIMA-interacting1，PIN1）、小窩蛋白1（caveolin 1，CAV1）均可以通過減少小鼠牙周膜成纖維細胞p-AMPK、AMPK的含量，降低AMPK的活性以及基因的表達，進而抑制小鼠牙周膜成纖維細胞向成骨細胞分化[22,26]。經(jīng)成骨誘導的人牙周膜成纖維細胞分泌的外泌體也可以通過提高細胞中p-AMPK的含量，活化AMPK，上調(diào)RUNX2基因的表達，促進鼠骨髓干細胞向成骨細胞分化[27]。除此之外，激活AMPK還可以抑制細胞向成牙骨質(zhì)細胞分化。Huang等[28]報道：SIRT6通過提高小鼠永生化成牙骨質(zhì)細胞系OCCM-30細胞內(nèi)p-AMPKα的含量，促進AMPK的活化，抑制葡萄糖轉(zhuǎn)運體1（glucose transporters 1，GLUT1)基因的表達，抑制牙骨質(zhì)形成。

3 AMPK參與調(diào)節(jié)MMPs的分泌

MMPs的過度分泌是牙周組織的細胞外基質(zhì)和基底膜病理性破壞的主要原因[29]。據(jù)報道[30-31]：在體外上調(diào)AMPK基因的表達和活性可以抑制細胞MMPs的分泌。研究[30]表明：京尼平（genipin）可以通過細胞外信號調(diào)節(jié)激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）/AMPK信號通路上調(diào)細胞中p-AMPK的含量，提高AMPK的活性，抑制人牙周膜成纖維細胞MMP-1、MMP-3的分泌。相反，Compound C和腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor-alpha，TNF-α）則可以通過降低細胞p-AMPK的含量，減弱AMPK的活性，改變京尼平對細胞MMP-1、MMP-3分泌的抑制作用[30]。同樣，Yu等[31]也證明了Compound C和牙髓卟啉單胞菌（Porphyromonas endodontalis，P.endodontalis）的LPS可以通過下調(diào)細胞p-AMPK的含量，減弱AMPK的活性，進而促進小鼠成骨細胞MMP-2的分泌。隨后其團隊又在另一項研究[31]中證明：白蘆藜醇可以通過提高小鼠成骨細胞MC3T3-E1中p-AMPKα的含量，激活AMPK，抑制Compound C和P.endodontalisLPS對小鼠成骨細胞MMP-2分泌的促進作用[31]。

4 AMPK參與調(diào)節(jié)牙周的免疫反應

牙周病的致病因素通過調(diào)控宿主保護性或破壞性的免疫反應，進而促進牙周病的發(fā)生和發(fā)展[32]。體內(nèi)研究[9-10,33-34]報道：AMPK的表達及活性的改變可以調(diào)控牙周組織的炎癥反應。臨床研究[33]證明：在牙周炎患者的外周血液中，p-AMPK和促炎因子白細胞介素（interleukin，IL）-1β含量均升高，即AMPK活性與牙周組織的炎癥反應存在相關性。同樣也有在動物體內(nèi)的相關研究[9]報道，如白蘆藜醇可以通過上調(diào)小鼠牙齦組織中p-AMPK的含量，提高AMPK的活性；但Zhang等[10]卻認為，黃連解毒顆粒可以通過減少牙周組織內(nèi)p-AMPK的含量，降低AMPK的活性，二者均可以抑制小鼠牙周組織細胞中活性氧（reactive oxygen species，ROS）的含量，減少牙周細胞的氧化應激以及炎癥介質(zhì)的分泌。除此之外，筆者所在課題組也通過敲除小鼠AMPK-α基因的研究[34]發(fā)現(xiàn)：AMPK基因的表達可以促進固有淋巴細胞，尤其是第二亞類的固有淋巴細胞在小鼠牙周組織的浸潤，減少炎癥細胞因子IL-33的分泌，調(diào)節(jié)牙周組織的免疫反應[34]。

在體外實驗[25,35-37]中，上調(diào)AMPK的表達和活性可以抑制細胞炎癥反應。據(jù)報道[35-36]：何首烏提取物2,3,5,4’-四羥基二苯乙烯-2-O-β-葡萄糖苷（2,3,5,4’-tetrahydroxystilbene-2-O-beta-glucoside，THGS）、CD73依賴的腺苷酸均可以上調(diào)人牙齦成纖維細胞中AMPK、p-AMPK的含量，促進AMPK的表達和活化，減少細胞炎癥介質(zhì)的分泌，抑制細胞的炎癥反應。乙酸烏藥脂同樣也可以提高細胞p-AMPK、AMPK的含量，促進AMPK的活化并延長其活化時間，減少人牙周膜成纖維細胞炎癥介質(zhì)的分泌。筆者所在課題組也證明：辛伐他汀也可以提高人牙周膜成纖維細胞AMPK的表達及活化，通過AMPK/MAPK/NF-κB信號通路，抑制細胞炎癥介質(zhì)IL-1和TNF-α的分泌[25,37]。相反，牙齦卟啉單胞菌（Porphyromonas gingivalis，P.gingivalis）LPS通過降低人牙齦成纖維細胞和牙周膜成纖維細胞中p-AMPK的含量，減弱AMPK活性，增強細胞炎癥反應[35,37]。

5 AMPK參與調(diào)節(jié)細胞自噬

自噬可以通過調(diào)控細胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激，影響細菌在細胞內(nèi)的定植、存活，并與牙周炎癥反應相互作用，從而參與牙周組織的破壞和改建，對于牙周病的發(fā)展進程有重要作用[5]。有研究[38-41]證實：上調(diào)AMPK的表達及活性可以提高微管相關蛋白1輕鏈3（microtubule-associated protein 1 light chain 3，LC3）的含量，進而促進細胞自噬。例如白蘆藜醇和成骨誘導因子（地塞米松、β-甘油磷酸酯、抗壞血酸）協(xié)同作用、P.endodontalisLPS可以分別使人牙齦間充質(zhì)干細胞和齦溝上皮細胞中p-AMPK以及AMPK的含量上升，提高AMPK的活性和基因表達以及LC3的含量，促進細胞自噬[38-39]。在饑餓狀態(tài)下，丁酸鹽可以通過提高人牙齦上皮細胞中p-AMPK的含量，激活本應被抑制的AMPK，提高LC3蛋白的含量，使細胞由于過度自噬而凋亡[40]。相反，Yang等[41]證明：在多巴胺羥磷灰石培育的牙周膜成纖維干細胞中，二甲雙胍可以通過提高p-AMPK的含量活化AMPK，提高細胞LC3的含量促，進細胞自噬，進而提高細胞的活性。

6 小結(jié)與展望

綜上所述，AMPK在體內(nèi)或體外均已證明可以參與牙周病的進程?？偨Y(jié)來說，AMPK可以通過以下4點參與牙周病進程的調(diào)控：1）參與牙周骨代謝的調(diào)節(jié)，即成骨和破骨細胞的分化；2）參與MMPs分泌的調(diào)節(jié)；3）參與牙周免疫的調(diào)節(jié)；4）參與細胞自噬的調(diào)節(jié)。這也揭示了AMPK在牙周病的治療中具有潛在作用，為牙周病的治療提供了新的治療策略。一些中藥可以通過調(diào)節(jié)AMPK的表達及活性參與其他疾病的治療，如小檗堿可以抑制巨細胞激活導致的治療后動脈粥樣硬化再狹窄[42]，姜黃素可以治療骨質(zhì)疏松癥[43]，白蘆藜醇可以治療急性脊髓損傷導致的神經(jīng)炎[44]等。由此筆者推測：中藥的天然化合物也可能通過調(diào)節(jié)AMPK的表達及活性來預防和控制牙周病的發(fā)生和發(fā)展；但目前為止AMPK在牙周組織細胞中的分子作用機制仍不明確，相關藥物的開發(fā)也需進一步的基礎和臨床研究。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。