牙齒萌出過(guò)程中骨改建的機(jī)制探究

秦 晗 蔡 軍

牙齒萌出是在多種細(xì)胞、組織和細(xì)胞因子的參與下,牙齒器官和其周圍牙槽骨組織相互作用、協(xié)同調(diào)節(jié)的復(fù)雜級(jí)聯(lián)過(guò)程。在這個(gè)精密調(diào)節(jié)的過(guò)程中,無(wú)論是牙胚或是牙槽骨的任何一個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生改變都可導(dǎo)致牙齒的萌出異常[1]。關(guān)于牙齒萌出機(jī)制的研究至今未有定論[2]。

一、骨改建的動(dòng)態(tài)平衡是牙齒萌出的關(guān)鍵

牙齒萌出時(shí),隨著牙胚的生長(zhǎng)發(fā)育,在牙囊、牙槽骨和牙齦組織間產(chǎn)生一定的壓力,促進(jìn)局部組織破骨細(xì)胞分化,引起牙槽骨的吸收、萌出通道的形成[3]。同時(shí)牙槽窩底部骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞,形成新生骨質(zhì)作為推動(dòng)牙齒萌出的動(dòng)力以及彌補(bǔ)牙冠方移動(dòng)時(shí)其根方的骨質(zhì)缺損[4]。因此骨改建的動(dòng)態(tài)平衡是保證牙齒正常萌出的關(guān)鍵。

1.動(dòng)物體內(nèi)研究牙齒萌出骨改建過(guò)程:大量的動(dòng)物學(xué)實(shí)驗(yàn)論述了牙槽骨吸收在牙齒萌出中的重要作用。有研究者對(duì)出生1.5～14.5天的小鼠下頜第一磨牙冠方牙槽骨中的破骨細(xì)胞進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的數(shù)量隨著時(shí)間逐漸減少,第9.5天時(shí),局部牙冠突破牙槽骨,此時(shí)破骨細(xì)胞作用明顯減弱,第14.5天時(shí)無(wú)破骨作用,僅近遠(yuǎn)中牙槽骨處見(jiàn)少許破骨細(xì)胞,而后牙槽骨進(jìn)一步被吸收,萌出通道形成[5]。Cahill對(duì)狗萌出中的前磨牙進(jìn)行金屬線阻擋實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)當(dāng)金屬線隔離牙胚冠方通道時(shí),牙齒不能正常萌出,去除金屬線后牙齒可繼續(xù)萌出,這個(gè)經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)充分說(shuō)明了萌出通道對(duì)牙齒的正常萌出至關(guān)重要。另有研究發(fā)現(xiàn),給予小鼠抗破骨細(xì)胞分化因子的單抗或破骨細(xì)胞抑制劑——二磷酸鹽后,小鼠牙槽骨內(nèi)破骨細(xì)胞功能受限,萌出通道不能正常形成,導(dǎo)致牙齒不萌出或萌出滯后[6]。對(duì)構(gòu)建成骨細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子(runt-related transcription factor 2,Runx2)雜合突變小鼠模型研究發(fā)現(xiàn),由于不能形成足夠量的破骨細(xì)胞,導(dǎo)致頜骨吸收障礙及牙齒萌出延遲[7]。

2.臨床研究牙齒萌出骨改建過(guò)程:臨床研究同樣證實(shí)了牙槽骨改建動(dòng)態(tài)平衡在牙齒萌出中的重要作用。顱骨鎖骨發(fā)育不良(cleidocranial dysplasia,CCD)是一種典型牙齒萌出障礙性疾病,多項(xiàng)研究表明,Runx2的雜合突變及基因插入、缺失等是造成CCD的重要原因。Runx2是一個(gè)具有編碼Runt-DNA結(jié)構(gòu)域家族中的核蛋白,對(duì)成骨細(xì)胞的分化成熟起到?jīng)Q定性的作用。在骨改建過(guò)程中,Runx2不但可以直接促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞,而且還可以通過(guò)上調(diào)相關(guān)基因蛋白的表達(dá)進(jìn)一步促進(jìn)前成骨細(xì)胞分化成熟。當(dāng)Runx2基因突變時(shí)易出現(xiàn)骨改建的異常,牙齒萌出障礙[8]。原發(fā)性萌出障礙(primary failure of eruption, PEE)發(fā)病機(jī)制尚未有全面認(rèn)識(shí),近年來(lái)從分子生物學(xué)基因角度研究發(fā)現(xiàn),PEE的致病基因可能是編碼甲狀旁腺激素受體1(parathyroid hormone receptor 1,PTH1R)基因發(fā)生突變,打破成骨和破骨之間的動(dòng)態(tài)平衡,臨床表現(xiàn)為患者乳牙或恒牙不能正常萌出,局部牙槽骨塑形功能缺失[9,10]。

3.細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)分析牙齒萌出骨改建過(guò)程:對(duì)體外培養(yǎng)的破骨細(xì)胞內(nèi)加入巨噬細(xì)胞集落刺激因子和核因子κB受體活化因子配體誘導(dǎo)細(xì)胞的分化已作為一種成熟的培養(yǎng)方式,可以促進(jìn)破骨細(xì)胞體積增生、核數(shù)量增多以及活性增強(qiáng)。這提示應(yīng)用細(xì)胞因子進(jìn)行骨改建動(dòng)態(tài)平衡的調(diào)節(jié)或許是一種簡(jiǎn)便有效的方法。另有研究利用CCD患者的牙周膜細(xì)胞與破骨細(xì)胞的前體細(xì)胞共同培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn),破骨細(xì)胞分化減少,功能下降。說(shuō)明CCD患者牙齒萌出障礙的一個(gè)主要原因便是破骨細(xì)胞形成和活化不足。另有研究對(duì)CCD患者的牙囊細(xì)胞體外培養(yǎng)并進(jìn)行成骨誘導(dǎo),發(fā)現(xiàn)Runx2基因突變嚴(yán)重干擾了牙囊細(xì)胞的成骨能力以及成骨細(xì)胞相關(guān)基因的表達(dá),但是利用慢病毒過(guò)表達(dá)野生型Runx2可以逆轉(zhuǎn)細(xì)胞的成骨分化異常[11,12]。這一研究提示,牙囊的成骨能力參與牙槽骨的重塑過(guò)程,在牙齒萌出骨動(dòng)態(tài)平衡中發(fā)揮關(guān)鍵性作用,為CCD患者恒牙延遲出牙的機(jī)制提供有價(jià)值的解釋和啟示。

骨改建的動(dòng)態(tài)平衡是牙齒萌出通道正常形成的重要基礎(chǔ),大量的信號(hào)通路參與了骨改建的動(dòng)態(tài)平衡,與牙齒萌出密切相關(guān)的骨改建信號(hào)通路分述如下。

二、調(diào)節(jié)牙齒萌出通道形成的主要骨代謝通路

1.RANK/RANKL/OPG 系統(tǒng)與牙齒萌出:目前認(rèn)為,RANK/RANKL/OPG系統(tǒng)是調(diào)節(jié)成骨、破骨細(xì)胞分化,參與牙齒萌出骨改建過(guò)程中最重要的信號(hào)通路[13]。破骨細(xì)胞核因子κB受體活化因子配體(receptoractivator of nuclear factor kappa-Bligand,RANKL)主要由骨髓間充質(zhì)細(xì)胞、成骨細(xì)胞及一些腫瘤細(xì)胞表達(dá),可以被許多因素激活。破骨細(xì)胞核因子κB受體活化因子(receptoractivator of nuclear factor kappa-B,RANK)位于破骨前體細(xì)胞膜表面,是RANKL刺激破骨細(xì)胞活化的直接靶受體。二者結(jié)合后促進(jìn)破骨前體細(xì)胞活化,通過(guò)骨架重構(gòu)使細(xì)胞形態(tài)發(fā)生改變,易于移動(dòng)并黏附到骨吸收部位。骨保護(hù)素(osteoprotegerin,OPG)是RANKL的直接抑制劑,主要通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性與成骨細(xì)胞/基質(zhì)細(xì)胞的RANKL結(jié)合,阻斷RANKL-RANK的結(jié)合,抑制破骨前體細(xì)胞的分化與成熟。

RANKL的陽(yáng)性信號(hào)在與牙齒發(fā)育萌出相關(guān)的各部分組織中廣泛表達(dá),但是在不同時(shí)期其表達(dá)的部位和強(qiáng)度均不一致。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究表明,在小鼠牙齒萌出中期RANKL表達(dá)明顯增強(qiáng),OPG表達(dá)減弱,但是在萌出初期和后期牙槽骨內(nèi)破骨細(xì)胞相對(duì)較少, RANKL表達(dá)強(qiáng)度較萌出中期減弱,與骨吸收的活躍程度保持一致[14]。通過(guò)對(duì)臨床正常萌出和萌出障礙的牙齒進(jìn)行研究,結(jié)果顯示,牙槽骨組織中RANK和OC表達(dá)水平在二者間沒(méi)有顯著異常,但是局部的比值存在明顯差異。RANK/RANKL比值主要作為骨吸收的指標(biāo),RANKL/OPG的比值主要作為骨改建平衡的指標(biāo)。上述研究結(jié)果顯示,在牙齒萌出障礙組RANK/RANKL下降的同時(shí)RANKL/OPG比值增加,提示此類患者的牙齒萌出障礙可能是因?yàn)楣趋乐厮苓^(guò)程中牙槽骨吸收和形成的平衡失調(diào)進(jìn)而影響出牙[15]。

2.Wnt信號(hào)通路與牙齒萌出:Wnt信號(hào)通路是調(diào)控機(jī)體內(nèi)多種細(xì)胞形成、分化、遷徙和凋亡的主要通路,根據(jù)是否依賴β-catenin的轉(zhuǎn)錄活化,可分為典型(依賴性途徑)和非典型(非依賴性途徑)兩類。成骨細(xì)胞系中典型Wnt信號(hào)的激活可增強(qiáng)OPG表達(dá)抑制破骨細(xì)胞分化,而非典型途徑則通過(guò)誘導(dǎo)成骨細(xì)胞相關(guān)因子的表達(dá)促進(jìn)成骨分化[16]。對(duì)類似人類牙齒發(fā)育的豬模型研究發(fā)現(xiàn),直到乳牙開(kāi)始萌出恒牙才從靜止階段過(guò)渡到初始階段。乳牙萌出后釋放下頜骨內(nèi)累積的機(jī)械應(yīng)力,進(jìn)而誘導(dǎo)乳牙和恒牙間充質(zhì)中Wnt信號(hào)下調(diào)和恒牙上皮中Wnt信號(hào)上調(diào),觸發(fā)恒牙發(fā)育的啟動(dòng)[17]。提示W(wǎng)nt信號(hào)是器官更新的關(guān)鍵啟動(dòng)器,對(duì)牙齒再生機(jī)制研究提供一個(gè)新的視角。

牙齒萌出是上皮和間充質(zhì)相互級(jí)聯(lián)作用并伴有牙根形成的過(guò)程。在這個(gè)時(shí)空過(guò)程中,Wnt信號(hào)的正確表達(dá)對(duì)調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、分化、牙根形成及上皮-間充質(zhì)相互作用至關(guān)重要[18]。多種Wnt配體及其下游轉(zhuǎn)錄因子從牙齒發(fā)育起始階段便在上皮和間充質(zhì)細(xì)胞中表達(dá),當(dāng)成骨和成牙細(xì)胞中β-連環(huán)蛋白的條件發(fā)生改變導(dǎo)致牙本質(zhì)和牙骨質(zhì)畸形。相反,若β-catenin過(guò)度表達(dá)則導(dǎo)致磨牙根變短、牙本質(zhì)變薄和低礦化以及出牙失敗[19]。通過(guò)體內(nèi)、體外兩個(gè)方面觀察甲狀旁腺激素相關(guān)肽(parathyroid hormone-related peptide,PTHrP)與牙囊細(xì)胞Wnt信號(hào)之間關(guān)系。體外研究表明,與PTHrP(1～34)共培養(yǎng)的牙囊細(xì)胞表達(dá)成骨細(xì)胞因子表達(dá)低于對(duì)照組,并且PTHrP(1～34)可能通過(guò)阻斷Wnt/β-catenin通路抑制牙囊細(xì)胞的成骨分化。體內(nèi)研究證實(shí)了體外實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,即PTHrP(1～34)抑制牙囊成骨能力和牙槽骨的形成,加速牙齒的萌出[20]。

3.Notch信號(hào)通路與牙齒萌出:Notch信號(hào)通路是調(diào)節(jié)骨骼重塑和再生的又一重要信號(hào)系統(tǒng),參與骨髓干細(xì)胞的增殖分化、成骨細(xì)胞形成和骨基質(zhì)的鈣化以及破骨細(xì)胞的融合和活化[21]。Notch共有4種配體,Notch1～4廣泛存在于各類器官中并通過(guò)協(xié)調(diào)細(xì)胞的增殖、分化和活化,決定細(xì)胞命運(yùn)的走向。在骨骼中Notch1既可抑制成骨細(xì)胞的分化與礦化,也可抑制破骨細(xì)胞的分化,Notch2可與NF-κB信號(hào)通路相互作用刺激破骨細(xì)胞的生成,Notch3則被認(rèn)為促進(jìn)破骨細(xì)胞分化同時(shí)抑制成骨的形成, Notch4低水平表達(dá)于骨組織中,因此對(duì)其在骨改建中的研究較少。進(jìn)一步的研究提示,Notch信號(hào)對(duì)成骨和干細(xì)胞發(fā)揮刺激或抑制作用具有細(xì)胞環(huán)境的依賴性,與骨發(fā)育不同階段細(xì)胞的形成和分化狀況密切相關(guān)。那么在不斷變化的牙齒發(fā)育與萌出過(guò)程中,Notch信號(hào)對(duì)牙槽骨的改建會(huì)發(fā)揮怎樣的調(diào)節(jié)作用?

Notch信號(hào)作為一種高度保守的細(xì)胞間信號(hào)傳遞機(jī)制,通過(guò)副誘導(dǎo)作用調(diào)節(jié)干細(xì)胞的分化和增殖,參與牙齒整個(gè)發(fā)育萌出過(guò)程。Notch信號(hào)因子的表達(dá)和激活不僅在成牙和成骨細(xì)胞的分化、牙體硬組織的鈣化、牙尖形態(tài)的構(gòu)造及牙根的形成中起著關(guān)鍵性作用,而且對(duì)成熟牙齒相關(guān)損傷組織的再生也至關(guān)重要[22]。有研究發(fā)現(xiàn),牙齒萌出時(shí)牙囊干細(xì)胞的Notch信號(hào)被激活,Notch1受體抑制堿性磷酸酶的活性和礦化結(jié)節(jié)的形成,對(duì)牙囊干細(xì)胞的成骨分化功能起到抑制作用[23]。在牙齒萌出后,Notch信號(hào)則可在牙髓的干細(xì)胞中被觸發(fā),誘導(dǎo)它們分化為成牙本質(zhì)細(xì)胞,從而產(chǎn)生新的牙本質(zhì)組織。同時(shí)Notch信號(hào)還可以與其他信號(hào)通路,如轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(transforming growth factor-β, TGF-β)、Wnt和音猬因子(sonic hedgehog,Shh)等相互作用共同調(diào)節(jié)牙齒的生長(zhǎng)發(fā)育。

4.TGF-β信號(hào)通路參與牙齒萌出:TGF-β超家族成員是由成骨細(xì)胞和其他骨細(xì)胞產(chǎn)生的多效性生長(zhǎng)因子,在促進(jìn)骨形成和重塑中發(fā)揮重要作用[24]。TGF-β對(duì)成骨細(xì)胞具有激活或抑制雙重作用,發(fā)揮何種作用取決于TGF-β不同的濃度和時(shí)間點(diǎn)以及不同的靶細(xì)胞和細(xì)胞分化階段。但另有研究發(fā)現(xiàn),TGF-β對(duì)成骨細(xì)胞自噬功能的影響不會(huì)隨著濃度的增加而改變,這從一個(gè)新的角度為T(mén)GF-β生物效能研究和臨床應(yīng)用提供參考[25]。

TGF-β作為功能多樣的生長(zhǎng)因子,在牙齒發(fā)育萌出的不同部位和階段都發(fā)揮協(xié)同調(diào)節(jié)作用。阻斷牙囊細(xì)胞中TGF-β信號(hào)通路,會(huì)抑制該細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化,導(dǎo)致牙齒萌出障礙和牙根形成不良[26]。通過(guò)對(duì)小鼠牙齒萌出期的牙周膜和牙槽骨中TGF-β進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)在牙槽嵴、牙尖和牙根間隔內(nèi)有大量的骨形成,堿性磷酸酶活性增強(qiáng),同時(shí)牙槽骨表面和牙周膜中TGF-β表達(dá)顯著升高,并與Wnt信號(hào)通路相互作用,共同調(diào)控牙根分化。這些結(jié)果提示,可以通過(guò)對(duì)TGF-β的管理調(diào)節(jié)牙齒的萌出異常[27]。在這種理念的指導(dǎo)下,有研究者用博來(lái)霉素和外源性TGF-β1處理人和大鼠的牙囊細(xì)胞進(jìn)行成骨誘導(dǎo)實(shí)驗(yàn)和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分析。研究發(fā)現(xiàn),博萊霉素和TGF-β1均可抑制牙囊細(xì)胞中成骨基因的表達(dá),抑制了成骨能力,而且二者均通過(guò)TGF-β1信號(hào)通路發(fā)揮作用[28]。臨床上TGF-β信號(hào)通路相關(guān)基因突變可引起牙齒和顏面部的發(fā)育異常,Loeys-Dietz綜合征就是這種異常的典型性疾病。其主要臨床表現(xiàn)為上顎高弓狹窄、牙釉質(zhì)缺損、錯(cuò)頜、牙齒擁擠以及恒牙萌出延遲,具體的發(fā)病機(jī)制還有待于深入探究。

5.Shh信號(hào)通路與牙齒萌出:Shh信號(hào)通路在胚胎發(fā)育過(guò)程中有助于四肢的形成并在長(zhǎng)骨縱向生長(zhǎng)過(guò)程中調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞的分化和骨組織的改建,同時(shí)該信號(hào)還可以調(diào)節(jié)骨骼修復(fù)和再生期間的干細(xì)胞分化。Shh主要在牙上皮中表達(dá),參與牙齒萌出上皮向間充質(zhì)轉(zhuǎn)化并貫穿牙齒發(fā)育萌出的整個(gè)過(guò)程。通過(guò)對(duì)Shh信號(hào)在牙齒發(fā)育不同時(shí)期的功能進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)其可以參與調(diào)節(jié)牙齒各個(gè)部位的形成[29]。牙齒的形態(tài)發(fā)生涉及到上皮信號(hào)中心的活動(dòng),這些信號(hào)中心在其他分子中分泌Shh。Shh應(yīng)答細(xì)胞需要完整的初級(jí)纖毛來(lái)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),初級(jí)纖毛和鞭毛內(nèi)運(yùn)輸(intraflagellar transport, IFT)蛋白在組織發(fā)育和體內(nèi)平衡過(guò)程中控制著各個(gè)環(huán)節(jié)。在成牙細(xì)胞譜系中缺失IFT80的小鼠通過(guò)減少牙髓干細(xì)胞的增殖和分化以及破壞成牙細(xì)胞的極化,表現(xiàn)出磨牙根發(fā)育受損和前牙萌出障礙[30]。

發(fā)育中牙齒的上皮根鞘在牙根形成期間大量表達(dá)Shh,表明牙囊干細(xì)胞中Shh信號(hào)在牙根形成和牙齒萌出中發(fā)揮作用。牙囊干細(xì)胞是牙槽成骨細(xì)胞的前體細(xì)胞,骨形態(tài)發(fā)生蛋白2(bone morphogenetic protein, BMP2)可誘導(dǎo)牙囊細(xì)胞的成骨分化,但是若經(jīng)過(guò)BMP2誘導(dǎo)成骨分化后,牙囊干細(xì)胞中Shh信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑則被抑制[31]。對(duì)特殊發(fā)育類型的牙齒——小鼠持續(xù)生長(zhǎng)的門(mén)牙進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)來(lái)自感覺(jué)神經(jīng)元的Shh在小鼠成年門(mén)牙穩(wěn)態(tài)和硬組織修復(fù)中都起著關(guān)鍵作用,但不是干細(xì)胞增殖和維持所必需的[32]。臨床上一些伴有牙齒發(fā)育異常的綜合征可能與Shh信號(hào)通路異常有關(guān),有數(shù)據(jù)分析表明,Shh通路在空間和時(shí)間上的活動(dòng)中斷是Ellis-van Creveld綜合征患者發(fā)生牙齒異常的主要原因[33]。

綜上所述,骨改建的動(dòng)態(tài)平衡是牙齒正常萌出的關(guān)鍵,多種與骨改建密切相關(guān)的信號(hào)通路參與調(diào)節(jié)了這一過(guò)程,本文通過(guò)對(duì)與牙齒萌出骨改建的主要信號(hào)通路進(jìn)行探討,旨在拓展牙齒萌出過(guò)程中分子調(diào)控機(jī)制并為牙齒萌出障礙的診治提供一定的參考。