牙周炎氧化應(yīng)激水平與鐵代謝的研究進(jìn)展

田士霖,陳曉濤

牙周炎是世界范圍內(nèi)高發(fā)的口腔疾病之一[1]。由于機(jī)體免疫防御系統(tǒng)受牙齦卟啉單胞菌等牙周病原菌長期影響,牙齦、牙周膜、牙槽骨及牙骨質(zhì)等牙齒支持組織逐漸遭受破壞,最終導(dǎo)致牙列缺損甚至缺失[2]。在炎癥發(fā)生時(shí),機(jī)體持續(xù)產(chǎn)生活性氧(reactive oxygen species,ROS)致使氧化與抗氧化防御系統(tǒng)失衡,過量的ROS導(dǎo)致氧化應(yīng)激和組織損傷[3]。而鐵在不同程度上與氧代謝的控制有關(guān),可能是因?yàn)殍F的毒性完全依賴于有氧環(huán)境。因此,了解鐵代謝在牙周炎中的作用機(jī)制,對(duì)預(yù)防及治療牙周炎具有重要意義。

1 牙周炎與ROS

2 ROS與氧化應(yīng)激

ROS主要來源于細(xì)胞內(nèi)線粒體的呼吸鏈代謝途徑,即細(xì)胞呼吸,也可通過細(xì)胞器及細(xì)胞質(zhì)的代謝活動(dòng)產(chǎn)生,甚至可能來源于輻射[12]。它被認(rèn)為是一把“雙刃劍”。在正常生理狀態(tài)下,線粒體通過氧化磷酸化反應(yīng)產(chǎn)生ROS,機(jī)體抗氧化防御系統(tǒng)受刺激后,釋放抗氧化劑降低ROS水平并修復(fù)ROS造成的損傷,維持體內(nèi)ROS水平的動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)這種平衡轉(zhuǎn)向有利于ROS時(shí),如抗氧化防御系統(tǒng)能力減弱或機(jī)體遭受炎癥等因素刺激時(shí),ROS含量或活性增強(qiáng)導(dǎo)致平衡被打破,破壞線粒體的結(jié)構(gòu)和功能,將會(huì)導(dǎo)致氧化應(yīng)激[15]。從而促進(jìn)caspase-3的cleaved表達(dá),激活線粒體凋亡通路,造成氧化應(yīng)激和組織損傷。雖然ROS在高濃度下對(duì)機(jī)體有害,但在低濃度下具有復(fù)雜的信號(hào)傳導(dǎo)功能。在細(xì)胞水平上,ROS可以作為第二信使參與細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo),基因調(diào)控,調(diào)節(jié)細(xì)胞生長、凋亡和其他信號(hào)傳導(dǎo)等;在系統(tǒng)水平上,可以參與機(jī)體認(rèn)知、免疫以及血壓調(diào)節(jié)等部分生理功能。研究表明[16],ROS主要通過兩方面對(duì)牙周組織造成損害:第一,ROS可以直接引起組織損傷,涉及DNA損傷、蛋白質(zhì)損傷、脂質(zhì)過氧化、重要酶的氧化及促炎因子的釋放;第二,它們可以作為信號(hào)分子引發(fā)炎性反應(yīng)并激活相關(guān)信號(hào)通路導(dǎo)致組織損傷。

3 鐵穩(wěn)態(tài)與氧化應(yīng)激

3.1 鐵、鐵蛋白與轉(zhuǎn)鐵蛋白

鐵是大多數(shù)生命形式的必需微量元素之一[17]。機(jī)體之所以處于鐵穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài),主要是因?yàn)殍F的運(yùn)輸、儲(chǔ)存和調(diào)控在細(xì)胞和系統(tǒng)水平上受到嚴(yán)格的機(jī)制調(diào)控[18-19]。而維持鐵穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵是維持體內(nèi)一定的游離鐵水平。細(xì)胞保持正常的生理生化功能,離不開鐵穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)作用。其具有參與機(jī)體的ATP生成、呼吸、DNA 合成及修復(fù)、維持細(xì)胞生長分裂增殖等生命代謝活動(dòng)。

鐵以離子形式存在于肝、脾、骨髓及胃腸黏膜上皮等組織中,在血清、血細(xì)胞等中也有發(fā)現(xiàn)。在機(jī)體內(nèi)主要儲(chǔ)存形式是鐵蛋白(serum ferritin,SF),鐵含量與血清鐵蛋白濃度成正比。在鐵代謝過程中,為避免鐵超載產(chǎn)生的毒性作用,所有使用鐵的生命形式都將鐵儲(chǔ)存在一個(gè)與鐵結(jié)合蛋白(如鐵蛋白)結(jié)合的無害復(fù)合物中。鐵穩(wěn)態(tài)的平衡取決于鐵蛋白、轉(zhuǎn)鐵蛋白(transferrin,Tf)等的表達(dá)水平和活性,鐵在細(xì)胞系統(tǒng)中的毒性在很大程度上被鐵蛋白所否定。鐵蛋白通過維持體內(nèi)鐵代謝平衡,進(jìn)而保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激損傷。在鐵介導(dǎo)的細(xì)胞鐵穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)經(jīng)典模型中,細(xì)胞內(nèi)鐵含量過高通常誘導(dǎo)鐵蛋白翻譯,以此降低細(xì)胞內(nèi)鐵含量。相反,則會(huì)阻止TrfR mRNA的降解,同時(shí)阻斷鐵蛋白翻譯,從而試圖增加細(xì)胞內(nèi)鐵的濃度。體內(nèi)鐵蛋白過高則表明鐵含量增高。因此,鐵蛋白可用作檢測(cè)細(xì)胞中鐵水平的標(biāo)志物[20-21]。

一方面,鐵蛋白可儲(chǔ)存機(jī)體中過量鐵以免受鐵超載所產(chǎn)生的毒性作用,使鐵保持在安全的狀態(tài);另一方面,鐵蛋白還可釋放鐵用于合成體內(nèi)含鐵蛋白質(zhì),滿足細(xì)胞的正常生理功能,對(duì)維持鐵穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。因此,它是氧化還原中活性鐵的直接防御分子[22]。Torti等[23]發(fā)現(xiàn),它不僅在蛋白質(zhì)籠中維持鐵氧化還原活性狀態(tài),而且還能被包裹在CD63陽性囊泡的充滿鐵的細(xì)胞分泌到細(xì)胞外空間。然而,如果細(xì)胞缺鐵,則由鐵蛋白供給轉(zhuǎn)運(yùn)鐵池(transfer iron pool,TIP)。在這種條件下,鐵蛋白可能是一個(gè)炸彈,并作為氧化還原活性鐵的供應(yīng)商[24]。

鐵在體內(nèi)運(yùn)輸?shù)闹饕d體是轉(zhuǎn)鐵蛋白,通過血液循環(huán)將鐵運(yùn)輸?shù)礁鱾€(gè)靶器官、靶細(xì)胞及靶組織中。在靶細(xì)胞中,轉(zhuǎn)鐵蛋白與細(xì)胞膜上的轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1 (transferrin receptor 1,TfR1)結(jié)合,然后TfR1-Tf-Fe復(fù)合物被內(nèi)吞到細(xì)胞中釋放鐵[25]。游離鐵一部分進(jìn)入線粒體,在代謝過程中被利用,如合成血紅蛋白和鐵-硫(Fe-S)團(tuán)簇;一部分被納入胞質(zhì)鐵儲(chǔ)存蛋白中,作為鐵的細(xì)胞儲(chǔ)存。過多的鐵可以通過位于細(xì)胞膜上的膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(ferroportin 1,FPN1)運(yùn)輸出細(xì)胞[26]。在炎癥期間,轉(zhuǎn)鐵蛋白水平降低,導(dǎo)致鐵運(yùn)輸?shù)焦撬璐偌t細(xì)胞生成減少。從而導(dǎo)致炎癥性貧血。因此,并不是絕對(duì)缺鐵,而是鐵含量低造成的[27]。Boyer等[28]認(rèn)為,轉(zhuǎn)鐵蛋白與牙周炎嚴(yán)重程度有關(guān),當(dāng)轉(zhuǎn)鐵蛋白飽和度升高時(shí),鐵的生物利用度增加,從而加重牙周炎,并促進(jìn)周圍致病菌如密螺旋體進(jìn)一步破壞牙周組織。

3.2 鐵代謝與ROS

鐵是ROS形成所必需的元素[29],是“呼吸爆發(fā)”發(fā)生過程中關(guān)鍵酶的關(guān)鍵組成部分[30]。然而,過量的游離鐵可以參與氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生ROS,對(duì)機(jī)體存在潛在危害。在鐵代謝過程中,細(xì)胞內(nèi)的二價(jià)鐵離子作為助氧化劑,通過Fenton反應(yīng)產(chǎn)生過量ROS,增強(qiáng)組織中不穩(wěn)定鐵的氧化應(yīng)激性,導(dǎo)致生物大分子損傷[31]。Fenton化學(xué)反應(yīng)表明,鐵可以直接催化高活性自由基的形成,而依賴鐵的ROS可以通過破壞多種生物分子發(fā)揮細(xì)胞毒性。

在體內(nèi),鐵代謝可以通過上調(diào)p38和p53的表達(dá),下調(diào)細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)激活的表達(dá),誘導(dǎo)ROS生成,促進(jìn)腫瘤壞死因子相關(guān)的凋亡誘導(dǎo)配體(tumor necrosis factor-relatedapoptosis-inducing ligand,TRAIL)敏感性[32]。Sp等[33]發(fā)現(xiàn),在NCCIT和NTERA-2細(xì)胞上添加甲基磺酰甲烷(methyl sulfonyl methane, MSM)后,細(xì)胞中Fe2+的數(shù)量減少,總鐵從細(xì)胞內(nèi)釋放到培養(yǎng)基中,表明MSM抑制了NCCIT和NTERA-2細(xì)胞中鐵的運(yùn)輸。因此,ROS的生成和鐵代謝的抑制可能參與了MSM誘導(dǎo)TRAIL的過程。鐵代謝還可以通過生成ROS誘導(dǎo)TRAIL表達(dá),從而調(diào)控p38/p53/ERK信號(hào)通路,調(diào)控miR-130a、miR-221和miR-222的表達(dá)。

鐵還是酶活性的重要微量元素,存在于多種酶和氧載體蛋白的活性中心[19]。一些含鐵蛋白能夠通過生物過程產(chǎn)生大量ROS。例如,黃嘌呤氧化酶(xanthine oxidase,XOD)、細(xì)胞色素P450酶(cytochromeP450 ,CYP450)、NADPH氧化酶(NADPH Oxidase,NOX)、一氧化氮合酶(nitricoxide synthase,NOS)、脂氧合酶(lipoxidase,LOX)和線粒體電子傳遞鏈的亞基等,這些均是產(chǎn)生ROS重要的酶[34]。正常情況下,這些ROS被許多抗氧化酶分解,如谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase, GPX)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、過氧化氫酶(catalase,CAT)和硫氧還蛋白(thioredoxin,Trx)等[35]。因?yàn)檫@些酶的相互調(diào)節(jié),從而使機(jī)體內(nèi)ROS水平維持動(dòng)態(tài)平衡。

4 鐵超載

4.1 鐵超載與牙周炎

牙周炎的發(fā)生發(fā)展與鐵之間存在一定的關(guān)系,主要集中在鐵和牙周致病菌種類之間的關(guān)系以及對(duì)牙槽骨等牙周組織造成的損害。它不僅是牙齦卟啉單胞菌等牙周病原菌的重要生長因子和毒力調(diào)節(jié)因子[36],還可促進(jìn)人類牙周膜干細(xì)胞正常分化[20]。相關(guān)研究表明,在牙周炎患者中,由于牙齦卟啉單胞菌等牙周致病菌引起的溶血,可能會(huì)增加牙周組織中鐵離子水平,導(dǎo)致高鐵水平的毒性作用抑制成骨細(xì)胞的增殖分化[37-38]。鐵超載也可促進(jìn)牙周組織中自由基的氧化,增加齦下菌斑中微生物的生長和毒力,導(dǎo)致牙周組織特別是牙槽骨環(huán)境的惡化,對(duì)牙槽骨重塑有負(fù)面影響。牙周炎患者中,牙周鐵超載狀態(tài)可能會(huì)抑制牙槽骨中成骨細(xì)胞的生長。因此,骨生成率低于吸收率,對(duì)正畸治療有不良影響[39]。并且在牙齦炎或牙周炎部位采集的齦溝液和血清中發(fā)現(xiàn)鐵的濃度明顯高于健康部位[40]。因此,鐵可能在牙周膜干細(xì)胞和牙槽骨穩(wěn)態(tài)和功能中發(fā)揮重要作用。

4.2 鐵超載與骨吸收

研究表明,鐵對(duì)成骨積極或消極的影響,取決于鐵離子的濃度。鐵離子在濃度低時(shí)可促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化增殖能力。而鐵超載則會(huì)導(dǎo)致骨代謝紊亂。它可以通過增加ROS的產(chǎn)生和誘導(dǎo)線粒體膜電位(mitochondrial membrane potential,MMP)的下降,損害骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞線粒體的正常結(jié)構(gòu)和功能,破壞骨微結(jié)構(gòu)及骨髓微環(huán)境,導(dǎo)致骨小梁減少、分離變寬,骨皮質(zhì)變薄,擾亂骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖分化能力[39,41-42]。不僅抑制成骨細(xì)胞增殖、分化以及鈣鹽沉積,還可誘導(dǎo)成骨細(xì)胞凋亡,并促進(jìn)破骨細(xì)胞分化以及骨吸收[43]。而這也是牙周炎的主要特征之一。

PI3K/AKT/mTOR信號(hào)級(jí)聯(lián)靶標(biāo)是細(xì)胞功能和細(xì)胞存活與凋亡之間平衡的關(guān)鍵調(diào)控因子。鐵超載可以通過激活成骨細(xì)胞ASK1-p38信號(hào)通路,抑制PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路,從而抑制骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖分化,改變成骨細(xì)胞代謝,降低成骨細(xì)胞活性,抑制細(xì)胞的分化和功能,并與細(xì)胞凋亡有關(guān),最終導(dǎo)致骨質(zhì)疏松[43]。

4.3 鐵代謝與其他疾病

鐵超載還會(huì)降低Th和Tc淋巴細(xì)胞的增殖能力,增加Treg淋巴細(xì)胞的活性,從而產(chǎn)生免疫抑制;血漿鐵含量升高也會(huì)干擾細(xì)胞因子干擾素γ (interferon-γ,IFN-γ)的產(chǎn)生[44]。鐵代謝紊亂還可引起腦出血、局部缺血/再灌注損傷、急性腎衰竭、神經(jīng)系統(tǒng)疾病以及腫瘤性疾患等機(jī)體各類組織器官病變[45]。在腫瘤進(jìn)展中也起著至關(guān)重要的作用。因此控制鐵代謝可能是抗癌活性的關(guān)鍵[46]。

5 小 結(jié)

綜上所述,鐵穩(wěn)態(tài)不僅可以維持機(jī)體細(xì)胞的正常生理功能,還可預(yù)防氧化應(yīng)激的產(chǎn)生,并與全身疾病的發(fā)生發(fā)展緊密聯(lián)系。根據(jù)目前報(bào)道的鐵代謝相關(guān)研究,鐵代謝異常導(dǎo)致的氧化應(yīng)激與牙周炎的發(fā)生發(fā)展是否密切相關(guān),以及在牙周炎的發(fā)展過程中怎樣平衡細(xì)胞內(nèi)鐵代謝與氧化應(yīng)激的關(guān)系仍待進(jìn)一步研究。因此,有必要進(jìn)行進(jìn)一步的鐵代謝實(shí)驗(yàn)來探討氧化應(yīng)激在牙周炎中的損傷。