外科技術(shù)輔助加速正畸牙移動的生物學(xué)機(jī)制研究進(jìn)展

周楊一帆， 唐 燚， 別苗苗， 康非吾

（同濟(jì)大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院，同濟(jì)大學(xué)附屬口腔醫(yī)院口腔頜面外科，上海牙組織修復(fù)與再生工程技術(shù)研究中心，上海 200072）

在接受正畸治療的患者中，尤其是成年患者，其部分牙齒移動極為緩慢甚至停滯，這會導(dǎo)致療程增加，并會帶來一系列的問題，如齲齒、牙根吸收、牙齦黑三角等，同時(shí)也會降低患者的依從性，不利于后續(xù)的治療。因此，如何重新讓正畸牙移動或者加速正畸牙移動過程，已成為醫(yī)患雙方共同關(guān)注的重要問題之一。目前外科手術(shù)輔助加速正畸治療是臨床上常用且療效較為確切的技術(shù)方法。研究[1]表明，其主要機(jī)制是局部骨加速現(xiàn)象（RAP），即骨組織和軟組織受到刺激時(shí)發(fā)生的復(fù)雜生理反應(yīng)。本文就RAP 在外科手術(shù)加速正畸牙移動過程中的最新機(jī)制研究進(jìn)行綜述。

1 外科手術(shù)與RAP

目前臨床上加速牙齒移動的方法包括藥物、物理和外科輔助手術(shù)等，其中以外科手術(shù)輔助正畸治療加速牙齒移動的方法療效最為確切。早在1893 年，Bryan 就發(fā)現(xiàn)皮質(zhì)骨切開可以促進(jìn)正畸牙齒快速移動[2]。1959 年，Kole[3]首次提出外科手術(shù)加速牙齒移動的理論基礎(chǔ)為“骨塊移動理論”，并認(rèn)為牙槽骨骨皮質(zhì)是牙齒移動的阻力來源，通過切透牙根周圍的骨皮質(zhì)，形成相對獨(dú)立的牙骨塊來降低牙齒移動的阻力，能夠加速牙齒的移動。直到Wilcko 等[1]發(fā)現(xiàn)僅切開骨皮質(zhì)就能達(dá)到加速正畸牙移動的效果，并提出骨皮質(zhì)切開術(shù)加速牙移動的機(jī)制是RAP，即當(dāng)局部軟硬組織受到創(chuàng)傷時(shí)，通過機(jī)體細(xì)胞調(diào)節(jié)機(jī)制，激活鄰近組織中相應(yīng)的破骨和成骨活性，能夠加速骨的吸收和合成，使局部軟硬組織快速改建，從而加速骨改建進(jìn)程。隨著手術(shù)器械的發(fā)展，牙周膜牽張成骨、牙槽骨牽張成骨、微創(chuàng)骨皮質(zhì)切開術(shù)、微骨穿刺術(shù)等均被用來輔助加速正畸牙移動[4]。該類方法的理論基礎(chǔ)均在不同程度上激活了RAP 現(xiàn)象，通過在牙根附近造成局部創(chuàng)傷，改變骨微環(huán)境來加速骨改建，能夠達(dá)到加快正畸牙移動的目的。研究[5]表明，RAP 在外科手術(shù)實(shí)施后的數(shù)日即可發(fā)生，并在1～2 個(gè)月內(nèi)達(dá)到高峰，直到6個(gè)月骨重建完成時(shí)結(jié)束。然而，手術(shù)創(chuàng)傷激活RAP發(fā)生的分子機(jī)制尚未完全明晰。

2 RAP 的分子機(jī)制

研究[5-6]表明，創(chuàng)傷導(dǎo)致RAP 的原因主要是由于骨組織內(nèi)不同時(shí)間點(diǎn)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的激活。在家兔模擬正頜手術(shù)的模型中，術(shù)后第1 天牙槽骨破骨吸收活性顯著增強(qiáng)，并持續(xù)增加至術(shù)后第7 天，直至第14 天下降至術(shù)前水平[6]；而大鼠頜骨手術(shù)術(shù)后第7、14 天時(shí)，牙槽骨成骨分化顯著，說明頜骨手術(shù)亦可在中后期增強(qiáng)成骨細(xì)胞的活性[6]。以往的研究[6-7]表明，RAP 的內(nèi)在機(jī)制主要為局部創(chuàng)傷造成的局部微環(huán)境改變，包括缺血缺氧、炎癥反應(yīng)及骨免疫等，影響了破骨和成骨的動態(tài)平衡。

2.1 炎癥因素

RAP 是指創(chuàng)傷后，鄰近創(chuàng)傷處的健康骨組織顯示骨密度降低，隨后新骨生成，骨密度逐漸恢復(fù)的過程。在此過程中，創(chuàng)傷會加重局部組織的無菌性炎癥反應(yīng)，在骨皮質(zhì)切開術(shù)后，在牙槽骨愈合的早期階段就可以觀察到大量炎性細(xì)胞的浸潤[8]，并產(chǎn)生各種炎癥細(xì)胞因子。在家兔模擬正頜手術(shù)的模型中發(fā)現(xiàn)，白細(xì)胞介素-6（interleukin-6，IL-6）、白細(xì)胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）、腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）在術(shù)后3～14 d 時(shí)增高，提示手術(shù)創(chuàng)傷可以使炎癥因子發(fā)生變化[6]。

通常，促炎因子包括TNF-α、IL-1、IL-6、IL-11和IL-17，它們通過增強(qiáng)破骨細(xì)胞的分化和活性，并抑制成骨細(xì)胞的分化來促進(jìn)骨吸收，而抗炎細(xì)胞因子IL-10 和IL-13 則起到相反作用[9]。TNF-α和IL-1 通過刺激成骨細(xì)胞和成纖維細(xì)胞中核因子κB 受體活化因子配體（receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL）的表達(dá)和骨保護(hù)素（osteoclastogenesis inhibitory factor，OPG）的下調(diào)，直接或間接地協(xié)同促進(jìn)破骨細(xì)胞的生成，而IL-6 不僅可以通過接觸破骨細(xì)胞前體來刺激破骨細(xì)胞的形成，還可以通過激活JAK2/STAT3 信號通路上調(diào)RANKL 的表達(dá)來增加骨細(xì)胞介導(dǎo)的破骨細(xì)胞分化[10]。生長因子如血小板衍生生長因子、胰島素樣生長因子、血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的釋放能夠募集并刺激成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞分化，加速骨生成、骨吸收和血管生成[11]。趨化因子單核細(xì)胞趨化蛋白-1（monocyte chemotactic protein 1，MCP-1）或半胱氨酸-半 胱氨酸基序趨化因子配體2（C-C motif chemokine ligand 2，CCL-2）能夠招募單核細(xì)胞離開血液，進(jìn)入局部組織成為組織巨噬細(xì)胞或骨細(xì)胞[12]，前者可調(diào)節(jié)RANKL 誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞生成，后者在骨基質(zhì)中分泌巨噬細(xì)胞集落刺激因子（macrophage colony-stimulating factor，M-CSF）、RANKL、OPG，能夠調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的形成并影響骨吸收[13]。可見炎癥對于骨的吸收、形成和重建至關(guān)重要[14]。

2.2 低氧因素

低氧誘導(dǎo)因子（hypoxia inducible factor，HIF）是機(jī)體響應(yīng)低氧微環(huán)境的重要因子?，F(xiàn)階段HIF家族中被研究的最多的是HIF-1，其α亞單位在與HIF-1β組成異二聚體后能夠發(fā)揮調(diào)控作用[15]，啟動下游100 多種靶基因的表達(dá)，包括與低氧適應(yīng)、血管形成及炎癥等[16]，因此，HIF-1 在機(jī)體內(nèi)氧平衡調(diào)節(jié)中起關(guān)鍵作用。課題組[6]對大鼠頜骨手術(shù)模型的觀察發(fā)現(xiàn)，術(shù)后1～5 d 牙槽骨骨內(nèi)氧含量下降，直至術(shù)后第7 天恢復(fù)至術(shù)前水平；與此同時(shí)，術(shù)后第1 天牙槽骨破骨吸收活性顯著增強(qiáng)，并持續(xù)增加至術(shù)后第7 天，直至第14 天下降至術(shù)前水平；在術(shù)后第7、14 天時(shí)，牙槽骨早期成骨分化顯著，說明低氧可以增強(qiáng)破骨細(xì)胞的活性。

破骨細(xì)胞在骨吸收中起重要作用，其主要的調(diào)控因子為M-CSF 和RANKL。當(dāng)局部骨皮質(zhì)被切開后，局部低氧可以使骨細(xì)胞高表達(dá)HIF-1α[17]，通過上調(diào)RANKL 的分泌，誘導(dǎo)破骨細(xì)胞分化，使得破骨細(xì)胞在數(shù)量增多的同時(shí)而提高活性。破骨細(xì)胞能夠分泌更多的基質(zhì)金屬蛋白酶，降解細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）中的各種成分，加速牙槽骨吸收。同時(shí)，骨吸收是一個(gè)消耗能量的過程，通過實(shí)驗(yàn)[18]發(fā)現(xiàn)，下頜截骨術(shù)后低氧微環(huán)境在激活破骨細(xì)胞中 HIF-1α的表達(dá)后，能夠促進(jìn)糖酵解產(chǎn)酸，進(jìn)而加速破骨細(xì)胞的形成并增強(qiáng)其骨吸收功能。HIF-1α條件性基因的敲除可顯著抑制小鼠下頜截骨后第一磨牙區(qū)破骨細(xì)胞的骨吸收功能，從而減弱RAP 效應(yīng)[19]。HIF-1α作為局部氧環(huán)境進(jìn)行感受和應(yīng)答的核心分子，在傷口愈合牙槽骨骨改建的過程中發(fā)揮著一定的作用[20]。

此外，有研究[21]表明，目前HIF 調(diào)控骨代謝的機(jī)制主要是HIF/VEGF 通路。通路中成骨細(xì)胞分泌VEGF 以刺激血管生成，內(nèi)皮細(xì)胞分泌骨形態(tài)生成蛋白-2（bone morphogenetic protein-2，BMP-2）以促進(jìn)骨形成，通過體內(nèi)實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)上調(diào)成骨細(xì)胞中的脯氨酸羥化酶（proline hydroxylase，PHD）、von Hippel-Lindau（VHL）或HIF 可以增加VEGF的表達(dá)量[22]，而敲除成骨細(xì)胞中的HIF-1α則會降低VEGF 的表達(dá)量。而在體外實(shí)驗(yàn)中，低氧狀態(tài)下，HIF-1α可以促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）的聚集，上調(diào)其向成骨細(xì)胞方向的分化能力[23]，而HIF/VEGF 通路的激活可以刺激更多的血管生成，也能促進(jìn)BMSCs的增殖和遷移，影響骨生成。此外，HIF-1α還能刺激破骨細(xì)胞分泌偶聯(lián)因子心肌營養(yǎng)素1（cardiotrophin-1，CT-1）以刺激BMSCs 的成骨分化，在小鼠截骨模型中可以觀察到HIF-1α 能夠促進(jìn)破骨細(xì)胞的生成以加快骨吸收，并在骨愈合時(shí)通過CT-1 影響骨生成[24]，這證明HIF-1α 參與到破骨-成骨的相互耦合調(diào)控中。綜上所述，HIF-1α 在低氧微環(huán)境下破骨功能激活及成骨成血管的過程中均起到關(guān)鍵作用。

2.3 骨免疫因素

隨著骨免疫學(xué)的發(fā)展，巨噬細(xì)胞對牙移動中骨改建作用的探究也在不斷深入[25]，巨噬細(xì)胞極化分為經(jīng)典活化型巨噬細(xì)胞（classical activated macrophages，M1）和選擇活化型巨噬細(xì)胞（alternatively activated macrophages，M2），前者促炎，后者抗炎。目前的研究[24]顯示，牙周局部微環(huán)境中，M1、M2 型巨噬細(xì)胞處于動態(tài)平衡，沒有其中一方處于絕對優(yōu)勢，并且表型可以相互轉(zhuǎn)換。而外科手術(shù)的干預(yù)能夠改變正畸牙周圍局部組織微環(huán)境，促進(jìn)巨噬細(xì)胞浸潤、極化，進(jìn)而產(chǎn)生細(xì)胞因子去影響正畸牙移動。有學(xué)者[26]在大鼠骨皮質(zhì)切開加速正畸牙移動實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在術(shù)后5 d 觀察到巨噬細(xì)胞通過激活核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）信號通路向M1 極化，同時(shí)伴有IL-1β、TNF-α 的表達(dá)迅速增加，提示骨免疫微環(huán)境的變化在早期同樣影響了骨改建的平衡。

綜上所述，以上研究證實(shí)了創(chuàng)傷能夠改變局部微環(huán)境，以加速骨代謝，提高骨骼細(xì)胞的活性水平，并最終加速骨改建，這揭示了外科手術(shù)影響正畸牙移動的時(shí)空規(guī)律。臨床上通過外科手術(shù)，可以讓移動緩慢的牙齒重新開始或加速移動，從而縮短治療療程，減少并發(fā)癥。對于需要縮短治療療程的成年患者，同樣可以行外科手術(shù)干預(yù)，減少正畸治療時(shí)間；對于腭弓狹窄需要擴(kuò)弓、曲線需要壓平的患者，可以通過外科技術(shù)快速地達(dá)到預(yù)期效果。深入研究RAP 機(jī)制，將為科學(xué)使用外科技術(shù)加速正畸牙移動提供理論依據(jù)，擴(kuò)大其臨床應(yīng)用范圍，并提高臨床療效。