蔡小芳， 丁小軍

復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院口腔科，上海 200032

正畸力作用下，受壓側(cè)牙周膜的牙周間隙變窄、血流減少、膠原纖維和基質(zhì)降解吸收、破骨細(xì)胞分化、牙槽骨吸收，而張力側(cè)牙周膜的牙周間隙增寬、膠原纖維和基質(zhì)增生、成骨細(xì)胞分化、新骨沉積。這是一個(gè)多細(xì)胞參與的骨重塑過程。除了成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的參與，骨細(xì)胞對(duì)正畸牙移動(dòng)骨重塑也具有調(diào)控甚至主導(dǎo)作用。本文就機(jī)械應(yīng)力刺激下骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收、骨形成及其機(jī)制作一綜述。

1 骨細(xì)胞在正畸牙移動(dòng)過程中對(duì)機(jī)械應(yīng)力的感應(yīng)及傳導(dǎo)

骨細(xì)胞(osteocytes)位于骨陷窩內(nèi)，鑲嵌在礦化的細(xì)胞外骨基質(zhì)內(nèi)，是牙槽骨骨組織內(nèi)的細(xì)胞主體，約占90%以上。骨細(xì)胞起源于成骨細(xì)胞，在從成骨細(xì)胞到骨細(xì)胞分化期間保留了細(xì)胞的極性，如核在接近血管系統(tǒng)的位置，但在細(xì)胞體積分布上發(fā)生了變化。由梭形的具有活性的成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)變成星形的或具有樹枝狀突起的骨細(xì)胞。與最初的成骨細(xì)胞體積相比，新生骨細(xì)胞的細(xì)胞體體積下降30%，成熟骨細(xì)胞的細(xì)胞體體積下降70%，但突起的體積相對(duì)增加。這種形態(tài)學(xué)上的變化，可增加其對(duì)機(jī)械刺激的敏感性[1]。此外，骨細(xì)胞的胞體與突起的陷窩小管相互連通形成星網(wǎng)狀陷窩小管系統(tǒng)，成為骨細(xì)胞代謝產(chǎn)物交流及互換的通道。骨細(xì)胞通過突起之間的縫隙連接將多個(gè)細(xì)胞連接在一起，形成一個(gè)多核的合胞體，骨基質(zhì)的輕微形變都會(huì)觸動(dòng)這個(gè)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得骨細(xì)胞能感知來自流體的各種力[2]。

基于上述結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，機(jī)械應(yīng)力刺激下的骨細(xì)胞通過釋放生物活性因子及其信號(hào)通路將機(jī)械應(yīng)力信號(hào)轉(zhuǎn)化為骨形成或骨吸收的生化信號(hào)，并將其傳遞至成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞等骨組織其他類型細(xì)胞并調(diào)控其功能活動(dòng)，觸發(fā)牙槽骨壓力側(cè)的骨吸收及張力側(cè)的新骨形成，實(shí)現(xiàn)牙槽骨重塑及牙齒的移動(dòng)[3-4]。

2 正畸牙移動(dòng)過程中骨細(xì)胞調(diào)控骨吸收作用及機(jī)制

正畸牙齒運(yùn)動(dòng)過程中骨細(xì)胞對(duì)破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收具有重要調(diào)控作用。一方面，骨細(xì)胞內(nèi)含有的細(xì)胞器，分泌破骨細(xì)胞生成相關(guān)細(xì)胞因子，對(duì)破骨細(xì)胞的生成具有直接調(diào)控作用。另一方面，機(jī)械應(yīng)力刺激骨細(xì)胞產(chǎn)生一系列蛋白，促進(jìn)破骨細(xì)胞活化，對(duì)破骨細(xì)胞的功能具有調(diào)控作用[5-6]。

骨橋蛋白(osteopontin，OPN)是一種非膠原骨基質(zhì)蛋白，在牙移動(dòng)過程中，持續(xù)的機(jī)械應(yīng)力刺激可上調(diào)骨細(xì)胞骨橋蛋白的表達(dá)，隨后壓力側(cè)牙槽骨內(nèi)的破骨細(xì)胞增多及大量吸收凹坑出現(xiàn)。這是由于破骨細(xì)胞前體細(xì)胞內(nèi)骨橋蛋白具有趨化活性，促進(jìn)破骨細(xì)胞前體細(xì)胞向骨表面遷移[7]，表明機(jī)械應(yīng)力負(fù)荷刺激骨細(xì)胞分泌的骨橋蛋白，將破骨細(xì)胞趨化至壓力側(cè)骨組織，從而實(shí)現(xiàn)壓力側(cè)的骨吸收。

基質(zhì)細(xì)胞外磷酸糖蛋白(matrix extracellular phosphglycoprotein，MEPE)也稱為骨細(xì)胞因子45(osteocyte factor 45，OF45)，是一種新型的骨特異性細(xì)胞外基質(zhì)蛋白，在牙和骨中均有表達(dá)。MEPE mRNA高度選擇性表達(dá)于骨細(xì)胞胞體內(nèi)，而MEPE蛋白的表達(dá)則沿著骨細(xì)胞的樹突狀突起分布。將MEPE特異性敲除后，小鼠的骨量和礦化程度明顯升高[8]，表明MEPE在骨細(xì)胞對(duì)機(jī)械負(fù)荷的反應(yīng)中發(fā)揮負(fù)向調(diào)節(jié)作用，刺激破骨細(xì)胞活性，促進(jìn)骨吸收。

核因子κB受體活化因子配體(receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL)是TNF配體超家族成員，RANKL與破骨細(xì)胞表面的RANK結(jié)合，啟動(dòng)下游的一系列信號(hào)通路，誘導(dǎo)破骨細(xì)胞的分化、活化。在原代培養(yǎng)的骨細(xì)胞和骨細(xì)胞系MLO-Y4細(xì)胞均發(fā)現(xiàn)RANKL的分泌，若骨細(xì)胞RANKL特異性缺失，則導(dǎo)致小鼠嚴(yán)重的骨硬化表型[9]。這表明骨細(xì)胞是破骨細(xì)胞生成所需的RANKL的最重要的體內(nèi)來源，調(diào)控骨細(xì)胞RANKL表達(dá)，可能是調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞活性的重要手段[10]。

結(jié)締組織生長(zhǎng)因子(connective tissue growth factor，CTGF)是富含半胱氨酸的細(xì)胞外基質(zhì)蛋白。有研究在實(shí)驗(yàn)性牙移動(dòng)刺激后檢測(cè)到壓力側(cè)骨細(xì)胞中CTGF mRNA的表達(dá)上調(diào)并介導(dǎo)骨細(xì)胞凋亡，隨后壓力側(cè)牙槽骨的破骨細(xì)胞數(shù)量顯著增加，牙移動(dòng)速度也隨之明顯增快[11]。這些發(fā)現(xiàn)表明，在牙移動(dòng)過程中，機(jī)械應(yīng)力刺激骨細(xì)胞CTGF表達(dá)及其介導(dǎo)的骨細(xì)胞凋亡，促進(jìn)壓力側(cè)的破骨細(xì)胞活性及其介導(dǎo)的骨吸收。體外研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)力負(fù)荷可顯著上調(diào)骨細(xì)胞CTGF的表達(dá)，CTGF通過激活ERK1/2途徑誘導(dǎo)骨細(xì)胞凋亡，采用CTGF中和抗體或ERK1/2抑制劑PD98059均可抑制應(yīng)力負(fù)荷下的骨細(xì)胞凋亡[12]。上述研究表明，CTGF不僅對(duì)破骨細(xì)胞的活性具有調(diào)節(jié)作用，還對(duì)骨細(xì)胞的機(jī)械應(yīng)力感應(yīng)功能具有調(diào)控作用。

3 正畸牙移動(dòng)過程中骨細(xì)胞調(diào)控骨形成的作用及機(jī)制

正畸過程中，牙在機(jī)械應(yīng)力負(fù)荷狀態(tài)下，骨基質(zhì)微通道內(nèi)的流體流動(dòng)會(huì)刺激細(xì)胞膜，從而激活骨細(xì)胞產(chǎn)生刺激骨合成代謝活性的小分子，同時(shí)降低對(duì)成骨細(xì)胞具有抑制作用蛋白質(zhì)的基礎(chǔ)水平。機(jī)械應(yīng)力刺激骨細(xì)胞迅速釋放(幾秒鐘至幾分鐘)多種小信號(hào)分子，對(duì)成骨細(xì)胞具有強(qiáng)大的代謝合成作用。體外研究發(fā)現(xiàn)骨細(xì)胞釋放的NO促進(jìn)成骨細(xì)胞分化[13]。體內(nèi)研究進(jìn)一步證實(shí)了應(yīng)力負(fù)荷刺激骨細(xì)胞釋放的NO促進(jìn)成骨細(xì)胞活性，同時(shí)抑制破骨細(xì)胞活性，調(diào)節(jié)骨量及促進(jìn)骨形成[13]。

機(jī)械應(yīng)力負(fù)荷可上調(diào)骨組織中前列腺素(prostaglandins)的表達(dá)，促進(jìn)骨形成。給予外源性前列腺素具有類似的效果，進(jìn)一步證實(shí)了前列腺素在骨形成中的作用。當(dāng)采用抑制劑抑制前列腺素活性后，不僅骨形成減少，骨組織對(duì)機(jī)械刺激的感應(yīng)和反應(yīng)能力也顯著降低。而這一現(xiàn)象主要發(fā)生在正畸力負(fù)荷的張力側(cè)的骨組織內(nèi)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，由于正畸力負(fù)荷導(dǎo)致張力側(cè)骨組織小管內(nèi)流體流動(dòng)的增加，刺激骨細(xì)胞產(chǎn)生前列腺素，進(jìn)而維持骨細(xì)胞活力并刺激成骨細(xì)胞產(chǎn)生新骨。相反，在壓力側(cè)骨組織內(nèi)的流體剪切應(yīng)力缺乏，前列腺素水平低下，骨細(xì)胞凋亡，促進(jìn)破骨細(xì)胞活性，進(jìn)而導(dǎo)致骨吸收的增加[14]。因此，前列腺素可能是正畸力應(yīng)用過程中調(diào)控骨重塑的重要途徑。

牙本質(zhì)基質(zhì)蛋白1(dentin matrix protein 1，DMP1)屬于細(xì)胞基質(zhì)蛋白小整合素結(jié)合配體N-連接糖蛋白(small integrin binding ligand N-linked glycoprotein，SIBLING)家族。DMP1在骨細(xì)胞中高表達(dá)，參與骨礦化和全身磷酸代謝[15]。在牙移動(dòng)模型中，該基因?qū)C(jī)械負(fù)荷反應(yīng)迅速，產(chǎn)生的蛋白可直接調(diào)節(jié)骨細(xì)胞小管和腔隙壁內(nèi)礦化。而DMP1敲除小鼠的骨礦化程度低、小管形態(tài)亦不規(guī)則。這表明DMP1可能在小管壁和骨細(xì)胞陷窩內(nèi)礦化中起作用[16]。

骨化蛋白(sclerostin，SOST)是骨細(xì)胞特異性分泌的蛋白，是SOST基因編碼產(chǎn)生，對(duì)骨形成具有抑制作用，是骨重塑過程中重要的負(fù)調(diào)控蛋白。一方面，SOST通過骨細(xì)胞突觸傳遞至骨表面，并作用于周圍的成骨細(xì)胞，降低成骨速度[17]。另一方面，SOST是Wnt/β-catenin信號(hào)通路的胞外抑制劑，與Wnt蛋白競(jìng)爭(zhēng)性地結(jié)合輔助受體LRP5/6促進(jìn)β-catenin磷酸化，降低胞質(zhì)內(nèi)β-catenin水平，下調(diào)相應(yīng)靶基因，抑制成骨細(xì)胞分化及活性，從而抑制OPG、提高RANKL的表達(dá)，促進(jìn)破骨細(xì)胞活化[18]。而機(jī)械應(yīng)力作用下，骨細(xì)胞SOST基因表達(dá)水平下調(diào)，SOST分泌水平也相應(yīng)降低，進(jìn)而促進(jìn)成骨速度[19]。

胰島素樣生長(zhǎng)因子-1(insulin-like growth factor-1，IGF-1)是一種刺激成骨細(xì)胞膠原和DNA合成的細(xì)胞因子，其作用是促進(jìn)骨形成。研究發(fā)現(xiàn)，骨細(xì)胞IGF-1參與了大鼠脛骨機(jī)械刺激介導(dǎo)的成骨轉(zhuǎn)化，而機(jī)械應(yīng)力刺激又能促進(jìn)骨細(xì)胞IGF-1的表達(dá)[20]。這提示，IGF-1也可能是正畸牙移動(dòng)過程中骨組織重塑的重要參與者。

4 正畸牙移動(dòng)過程中的骨細(xì)胞凋亡與骨重塑

機(jī)械應(yīng)力負(fù)荷狀態(tài)下，骨細(xì)胞通過主動(dòng)合成和分泌一系列蛋白和細(xì)胞因子，觸發(fā)一系列生化級(jí)聯(lián)反應(yīng)，調(diào)控骨重塑進(jìn)而適應(yīng)機(jī)械負(fù)荷。除此之外，骨細(xì)胞還有一種特殊的適應(yīng)方式，即骨細(xì)胞凋亡[21]。

有研究在體內(nèi)外模型中均觀察到了機(jī)械刺激導(dǎo)致的骨細(xì)胞凋亡這一病理現(xiàn)象[22]。凋亡的骨細(xì)胞在組織形態(tài)學(xué)上出現(xiàn)核碎片化、凋亡小體形成，生物化學(xué)上表現(xiàn)為caspase-3、8、9和Bcl-2等凋亡基因的表達(dá)顯著增加，表明在機(jī)械應(yīng)力負(fù)荷狀態(tài)下骨細(xì)胞內(nèi)的死亡受體途徑和線粒體途徑同時(shí)被激活，從而導(dǎo)致骨細(xì)胞的凋亡[12， 23]。

細(xì)胞凋亡是由基因控制的細(xì)胞自主的有序的死亡。這一過程并非簡(jiǎn)單的細(xì)胞清除，其產(chǎn)生的信號(hào)分子，對(duì)凋亡局部甚至周圍細(xì)胞活動(dòng)都具有調(diào)控作用。在正畸牙移動(dòng)模型中，負(fù)荷當(dāng)天牙槽骨壓力側(cè)即出現(xiàn)骨細(xì)胞凋亡，隨著負(fù)荷時(shí)間延長(zhǎng)，牙槽骨壓力側(cè)的破骨細(xì)胞逐漸增加，牙移動(dòng)速度也逐漸增快[24]。此外，在疲勞微損傷引起的吸收坑周圍也發(fā)現(xiàn)大量的凋亡骨細(xì)胞，且骨細(xì)胞凋亡有助于微損傷后特定區(qū)域的靶向吸收[25]。這些現(xiàn)象提示骨細(xì)胞凋亡參與了牙移動(dòng)骨重塑過程中破骨細(xì)胞生成和激活。機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)，凋亡的骨細(xì)胞及其胞內(nèi)的凋亡小體，以及瀕死骨細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞碎片，可釋放多種細(xì)胞因子促進(jìn)破骨細(xì)胞的生成，如核因子κB配體、IL-6、可溶性IL-6受體、CTGF的可溶性受體激活因子等[26-27]。這表明機(jī)械應(yīng)力負(fù)荷導(dǎo)致的骨細(xì)胞死亡/凋亡促進(jìn)趨化破骨細(xì)胞導(dǎo)致相應(yīng)部位骨吸收的發(fā)生，從而調(diào)節(jié)局部骨重塑。因此，有必要深入探討骨細(xì)胞凋亡相關(guān)的破骨細(xì)胞生成，從而闡明應(yīng)力負(fù)荷狀態(tài)下骨細(xì)胞調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞生成和募集的機(jī)制。

綜上所述，骨細(xì)胞不僅是骨組織的機(jī)械感受器，而且是一種生化信號(hào)的反應(yīng)效應(yīng)器，它將機(jī)械刺激轉(zhuǎn)化為調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞活性、破骨細(xì)胞活性的信號(hào)，從而協(xié)調(diào)骨重塑進(jìn)而適應(yīng)機(jī)械負(fù)荷。了解骨細(xì)胞功能可能對(duì)未來的正畸治療和創(chuàng)新具有深遠(yuǎn)的意義。骨細(xì)胞對(duì)不同類型機(jī)械應(yīng)力的刺激的反應(yīng)不同，可能向不同的效應(yīng)細(xì)胞傳導(dǎo)生化信號(hào)，最后表現(xiàn)為骨吸收還是骨形成，是目前有待進(jìn)一步研究的難點(diǎn)。