許琳 王如意 勾薪瑞 王曉莉 李宇

口腔疾病研究國家重點實驗室 國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院正畸科 成都 610041

下頜髁突作為顳下頜關(guān)節(jié)（temporomandibular joint，TMJ）的重要組成部分，在下頜運(yùn)動中起著關(guān)鍵作用，對于哺乳動物頜骨功能的正常發(fā)揮，如咀嚼、吞咽和說話至關(guān)重要[1]。覆蓋髁突表面的下頜髁突軟骨（mandibular condylar cartilage，MCC）是繼發(fā)性纖維軟骨，其起源、出現(xiàn)時間以及部分基質(zhì)成分的表達(dá)模式與原發(fā)性軟骨不同，具有特征性的發(fā)育和生長過程，包括對生物力學(xué)刺激特別強(qiáng)的適應(yīng)性重塑能力。這些特性決定MCC既可以作為關(guān)節(jié)軟骨又可以作為生長區(qū)。

甲狀旁腺激素相關(guān)蛋白（parathyroid hormonerelated protein，PTHrP），最早在惡性高鈣血癥中被發(fā)現(xiàn)，與甲狀旁腺激素（parathyroid hormone，PTH）的氨基末端有顯著同源性，且二者均作用于甲狀旁腺激素1型受體（parathyroid hormone 1 receptor，PTH1R）。研究[2]顯示，PTHrP在軟骨、骨骼以及血管平滑肌等許多組織中，是一種重要的旁分泌/自分泌調(diào)節(jié)因子，是軟骨內(nèi)成骨和骨重建的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，影響軟骨和骨的發(fā)育和成熟。本文重點關(guān)注PTHrP在MCC中的作用，就PTHrP在MCC的生長發(fā)育、改建以及退行性變的研究進(jìn)展展開綜述。

1 PTHrP與MCC的發(fā)育

1.1 MCC的組織結(jié)構(gòu)

MCC根據(jù)細(xì)胞的形狀和特性不同，由表及里分為4層[3]。1）面向關(guān)節(jié)盤、產(chǎn)生Ⅰ型膠原和滑液的關(guān)節(jié)層；2）主要表達(dá)Ⅰ型膠原的增殖層；3）表達(dá)Ⅱ型膠原、蛋白聚糖、殼聚糖等的成軟骨層；4）與骨鈣化區(qū)相鄰、主要表達(dá)X型膠原的肥大層（圖1）。在哺乳動物胚胎中，下頜髁突起源于單獨的間充質(zhì)組織凝結(jié)，凝結(jié)分化為MCC，后者以軟骨內(nèi)成骨方式形成下頜骨主要的升支部分[4]。小鼠胚胎第15.5天時，肥大軟骨細(xì)胞開始表達(dá)X型膠原，下頜骨髁突體積立即明顯增大，隨后迅速開始鈣化[5]。MCC是下頜骨在胚胎期和出生后發(fā)育的重要生長區(qū)[6]，髁突的縱向生長主要來自于其頂端的外加生長，增殖層細(xì)胞不斷增殖并分化為軟骨細(xì)胞，進(jìn)而成熟肥大，最終肥大的軟骨細(xì)胞和基質(zhì)降解并被骨替代，下頜髁突逐漸伸長[7]。

圖1 下頜髁突軟骨結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Schematic diagram of mandibular condylar cartilage

1.2 PTHrP在MCC中生長發(fā)育的必要性

MCC成骨方式屬于軟骨內(nèi)成骨，軟骨內(nèi)成骨過程需要嚴(yán)格協(xié)調(diào)軟骨細(xì)胞在時間和空間上的特異性分化，并且受全身及局部多種因子調(diào)控[8]。其中，PTHrP對MCC的發(fā)育和成熟至關(guān)重要。在野生型小鼠第17.5天胚胎中，即可于MCC近關(guān)節(jié)面的軟骨祖細(xì)胞中檢測到PTHrP的表達(dá)[9]。PTHrP早期定位在扁平層及肥大層，之后變?yōu)橐员馄綄訛橹鱗10]。

部分軟骨細(xì)胞缺少PTH1R的嵌合小鼠可存活，以突變的軟骨細(xì)胞過肥大為特征[11]。人類中功能性PTH1R缺失會造成軟骨發(fā)育不良，其特征同樣為軟骨內(nèi)骨成熟延遲[12]。PTH1R基因完全敲除的小鼠，也表現(xiàn)出髁突體積的減小，甚至嚴(yán)重的軟骨發(fā)育不良，軟骨內(nèi)成骨發(fā)育不良在整個軟骨內(nèi)骨架（軸向和四肢）中都很明顯，導(dǎo)致難以存活[13]。相反，外源性激活小鼠PTH1R會導(dǎo)致出生后不正常的髁突發(fā)育，此時的髁突軟骨主要由不成熟的軟骨細(xì)胞以及成纖維細(xì)胞構(gòu)成，而肥大軟骨細(xì)胞很少見[14]。類似的，MCC中PTHrP過表達(dá)會導(dǎo)致軟骨發(fā)育不良和軟骨內(nèi)骨形成延遲[15]。

1.3 印第安刺猬蛋白（Indian hedgehog，Ihh） -PTHrP信號軸

PTHrP在長骨和下頜骨的發(fā)育中都具有重要作用。如圖2所示，PTHrP與Ihh構(gòu)成經(jīng)典的“Ihh-PTHrP負(fù)反饋軸”，在依賴軟骨內(nèi)成骨的骨發(fā)育過程中具有重要的的作用[16]。

圖2 Ihh-PTHrP 信號軸調(diào)控下頜髁突軟骨細(xì)胞增殖和肥大的作用示意圖Fig 2 Illustration of mechanism of Ihh-PTHrP axis on the proliferation and hypertrophy of mandibular condylar cartilage cells

早期肥大軟骨細(xì)胞表達(dá)Ihh，信號傳遞至MCC頂部的關(guān)節(jié)周圍區(qū)域和早期增生的軟骨細(xì)胞，誘導(dǎo)PTHrP表達(dá)，PTHrP一方面作用于表達(dá)PTH1R的軟骨細(xì)胞，以使它們保持在增殖且分化程度較小的狀態(tài)，另一方面作用于肥大層細(xì)胞，抑制其生成Ihh。而PTHrP信號不能到達(dá)的部位的軟骨細(xì)胞得以脫離PTHrP的調(diào)控作用，進(jìn)而繼續(xù)分化成早期肥大軟骨細(xì)胞，并且表達(dá)Ihh來促進(jìn)軟骨細(xì)胞的肥大和相鄰骨細(xì)胞的礦化[17]。研究[18]證實，PI3K/Akt信號通路作為PTHrP信號的下游，通過激活Wnt/β-catenin信號通路來發(fā)揮對軟骨肥大分化的調(diào)節(jié)作用。

Ihh-PTHrP信號軸在髁突軟骨生長和代謝中同樣發(fā)揮了重要的作用。該反饋系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞分化的速度，確定軟骨細(xì)胞增殖層的厚度以及軟骨膜細(xì)胞首次分化為成骨細(xì)胞的位置。在Ihh基因敲除胚胎的MCC的相應(yīng)細(xì)胞群中，PTHrP表達(dá)急劇降低或缺失，增殖的軟骨細(xì)胞數(shù)量急劇減少（約50%），軟骨細(xì)胞肥大，提示由Ihh信號誘導(dǎo)的PTHrP可能：1）調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞的增殖；2）維持新分化的軟骨細(xì)胞在低分化階段[9]。野生型小鼠MCC頂端PTHrP的表達(dá)僅在胚胎期和出生后早期較高，在幼年髁突中幾乎無法檢測到，需注意的是，成年小鼠的MCC大小，即前后軸和后外側(cè)軸的長度，比產(chǎn)前小鼠大3倍，即軟骨祖細(xì)胞仍在不斷增殖和分化；而在青少年和成年MCC中，Ihh信號以不依賴PTHrP的方式調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞的增殖和成熟[19]。目前，大多數(shù)研究以PTHrP 作為Ihh-PTHrP信號軸的下游信號分子的觀點來論述其在出生前調(diào)節(jié)MCC發(fā)育方面的重要性。PTHrP在出生后期不同階段的作用，以及與多種信號通路之間的聯(lián)系需要更多的探究。

2 PTHrP與MCC的改建

MCC是生長改建活躍的部位，其形態(tài)發(fā)生、發(fā)育、再生、維持和退化與受到的機(jī)械載荷息息相關(guān)[20]。動態(tài)機(jī)械載荷（發(fā)生在牙齒磨耗、說話和咀嚼期間）是下頜骨生長和維持TMJ軟骨穩(wěn)態(tài)的重要刺激因素，適度的動態(tài)負(fù)荷可以在MCC生長和改建過程中維持組織的完整性，而過度負(fù)荷會導(dǎo)致軟骨退化[21]。MCC由多層結(jié)構(gòu)組成，每層細(xì)胞群種類和細(xì)胞外基質(zhì)走行方向不同，軟骨組織對生化和機(jī)械信號刺激的聯(lián)合反應(yīng)來維持MCC的正常形態(tài)功能和適應(yīng)性改建[22]，從而塑造負(fù)荷運(yùn)動解剖生理的復(fù)雜表面形狀。

2.1 機(jī)械刺激對MCC的改建效果

MCC局部產(chǎn)生的PTHrP可使關(guān)節(jié)層和增殖層的細(xì)胞維持在一個低分化的狀態(tài)，并且介導(dǎo)MCC的適應(yīng)性改建，被認(rèn)為是機(jī)械傳感器[23]。體外靜態(tài)液壓力作用下，MCC細(xì)胞中PTHrP的表達(dá)增加[24]。適當(dāng)?shù)臋C(jī)械刺激（150 kPa）可通過機(jī)械敏感基因如PTHrP的作用促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖，促進(jìn)軟骨形成和軟骨細(xì)胞肥大[25]。

胚胎期和出生后下頜骨運(yùn)動、TMJ組織間相互作用或咬合等機(jī)械刺激均可引起MCC中PTHrP表達(dá)的改變，從而影響髁突的形態(tài)改變。小鼠胚胎期的頜骨運(yùn)動會促進(jìn)在動態(tài)負(fù)荷區(qū)域內(nèi)MCC的形成，而限制下頜運(yùn)動會導(dǎo)致MCC體積減小，同時伴有PTHrP表達(dá)的降低[26]；在出生后對髁突適當(dāng)加載則會促進(jìn)MCC的增厚和細(xì)胞增殖[27]。Li等[28]發(fā)現(xiàn)，TMJ關(guān)節(jié)囊先天缺失的胚胎期小鼠MCC的發(fā)生和分化受到影響，PTHrP的表達(dá)增強(qiáng)。此外，適當(dāng)?shù)木捉镭?fù)荷可能通過PTHrP來維持MCC的正常發(fā)育。Shi等[29]通過提供軟飲食或咬肌內(nèi)注射肉毒桿菌毒素使大鼠咬合負(fù)荷降低，4周后觀察到大鼠咀嚼肌萎縮，MCC輪廓縮小且其中PTHrP表達(dá)受到抑制，提示機(jī)械載荷不足可能通過下調(diào)MCC中PTHrP的表達(dá)抑制軟骨生長，使軟骨逐步降解從而影響TMJ的形態(tài)。然而，目前大多數(shù)研究缺乏在基因和分子平面的研究，PTHrP在MCC改建中介導(dǎo)機(jī)械刺激信號的具體機(jī)制尚不明確。

2.2 力學(xué)刺激促進(jìn)MCC改建的臨床意義

力學(xué)刺激在TMJ中的作用一直是臨床研究的重點。對于下頜后縮的青少年患者，可通過正畸功能矯形治療前導(dǎo)下頜。其作用機(jī)制是通過功能矯治器讓下頜處于前伸位，力學(xué)刺激誘導(dǎo)MCC生長[30]。動物實驗[31-32]表明，功能矯治前導(dǎo)下頜后，髁突軟骨中PTHrP的表達(dá)明顯上調(diào)，下頜前導(dǎo)可能通過觸發(fā)PTHrP來上調(diào)性別決定區(qū)Y框蛋白9（sex-determining region Y-box 9，Sox9）及Ⅱ型膠原的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)MCC中間充質(zhì)細(xì)胞的成軟骨向分化及軟骨基質(zhì)的形成，從而獲得更多的下頜骨生長。然而，單純使用功能矯治器的臨床療效尚不足夠，亟需研發(fā)輔助手段進(jìn)一步促進(jìn)其作用。PTHrP可能是功能矯形力學(xué)刺激誘導(dǎo)MCC生長中的重要調(diào)控分子和潛在干預(yù)靶點。

3 PTHrP與髁突退行性變

退行性骨關(guān)節(jié)病又稱骨關(guān)節(jié)炎，是一種由于外傷、增齡、肥胖、關(guān)節(jié)畸形等因素引起的關(guān)節(jié)軟骨慢性炎癥和退化性變。發(fā)生在TMJ的骨關(guān)節(jié)病稱為顳下頜關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎（temporomandibular joint-osteoarthritis，TMJ-OA）。臨床表現(xiàn)為關(guān)節(jié)區(qū)疼痛、壓痛、關(guān)節(jié)畸形、咀嚼困難以及張口受限等。其病理表現(xiàn)為髁突軟骨關(guān)節(jié)面破壞，同時伴有下段骨增厚、囊腫和骨贅的形成。值得注意的是，對于骨關(guān)節(jié)病的早期，常會發(fā)生顳下頜關(guān)節(jié)紊亂綜合癥。但是多數(shù)TMJ紊亂綜合癥系關(guān)節(jié)功能性失調(diào)，一般預(yù)后良好；只有少數(shù)病例也會發(fā)生器質(zhì)性改變而進(jìn)展為TMJ-OA。

MCC新生與凋亡的失衡是TMJ-OA的重要特征，其再生和破壞的機(jī)制與多種信號通路有關(guān)，包括Ihh/PTHrP通路、Wnt/β-catenin通路、轉(zhuǎn)化生長因子-β/Smad信號通路、Notch通路、STAT通路以及PI3K/Akt通路等[33-34]。其中，Ihh和其相關(guān)信號分子——跨膜受體Smo和Gli鋅指轉(zhuǎn)錄因子-1被發(fā)現(xiàn)可能通過介導(dǎo)軟骨細(xì)胞肥大來激活TMJ-OA的發(fā)生[35]。MCC中軸抑制蛋白缺失可能會激活βcatenin和成纖維細(xì)胞生長因子（fibroblast growth factor，F(xiàn)GF）信號傳導(dǎo)，從而共同促進(jìn)軟骨退化，影響產(chǎn)后和成年后軟骨的生長和發(fā)育[36]。

正常情況下，PTHrP與細(xì)胞表面受體PTH1R結(jié)合，啟動下游cAMP/PKC和PLC/PKC/MAPK通路，促進(jìn)Ⅱ型原和軟骨基質(zhì)合成，進(jìn)行軟骨下成骨的生理過程。在病理狀態(tài)（例如異常咬合刺激）下，PTHrP表達(dá)減少，進(jìn)而Sox9、Ⅱ型膠原、蛋白聚糖的表達(dá)降低，Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2（Runtrelated transcription factor 2，Runx2）、X型膠原、基質(zhì)金屬蛋白酶13（matrix metalloproteinase-13，MMP-13）的表達(dá)增加，導(dǎo)致軟骨肥大化、軟骨基質(zhì)降解以及骨降解，最終導(dǎo)致TMJ-OA的形成（圖3）[37-39]。

圖3 正常關(guān)節(jié)和TMJ-OA中PTHrP變化示意圖Fig 3 Illustration of changes of PTHrP in normal TMJ and TMJ-OA

3.1 PTHrP在TMJ-OA中的表達(dá)

不同的TMJ-OA模型中PTHrP呈現(xiàn)出特定的表達(dá)模式。在單側(cè)前牙反誘導(dǎo)的TMJ-OA中，PTHrP在MCC淺層細(xì)胞層（包括關(guān)節(jié)層和增殖層）中陽性率明顯增加，同時PTH1R在深層細(xì)胞層（包括成軟骨層和肥大層）表達(dá)減少，從而促進(jìn)了深層軟骨細(xì)胞的終末分化而導(dǎo)致TMJ-OA的發(fā)生[40]。此外，不同大小的咬合負(fù)荷會引發(fā)PTHrP不同的表達(dá)模式。在軟食或咀嚼肌內(nèi)肉毒桿菌毒素處理下的小鼠中MCC輪廓縮小，PTHrP、Ihh以及Ⅱ型膠原的表達(dá)受抑制[29]；而在強(qiáng)制張口增加負(fù)荷的小鼠中PTHrP、Ⅱ型膠原的表達(dá)增加[41]。

大鼠通過關(guān)節(jié)內(nèi)手術(shù)誘導(dǎo)TMJ-OA后的4周及8周，僅出現(xiàn)結(jié)構(gòu)形態(tài)的輕度病變，此時PTHrP表現(xiàn)出高表達(dá)；而在12周時，已經(jīng)形成軟骨病理性改變，此時PTHrP的表達(dá)減小[42]。Chen等[43]在雙鏈蛋白聚糖和纖維調(diào)控蛋白雙缺陷小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，PTHrP的表達(dá)顯著降低，并且MCC中膠原纖維的直徑增加，進(jìn)而導(dǎo)致明顯的TMJ-OA和軟骨下骨的微結(jié)構(gòu)改變。這表明，PTHrP的變化可能是OA發(fā)展的潛在標(biāo)志物。TMJ-OA不同建模方式中PTHrP具有不同的改變，目前原因尚不清楚，但郭敏等[44]認(rèn)為，晚期增殖軟骨細(xì)胞減少、成熟軟骨細(xì)胞增加可能導(dǎo)致PTHrP早期表達(dá)的下降，而后期高表達(dá)的出現(xiàn)則是機(jī)體的一種代償性反應(yīng)。

3.2 PTHrP對TMJ-OA的治療意義

髁突軟骨退化是TMJ-OA的主要表現(xiàn)，促進(jìn)軟骨再生的組織工程技術(shù)成為TMJ-OA的治療方向之一。但是，軟骨細(xì)胞的定向分化和肥大限制了其應(yīng)用[45]。PTHrP在MCC退行性變中有重要的作用，能夠促進(jìn)軟骨內(nèi)軟骨細(xì)胞增殖、抑制軟骨細(xì)胞肥大和抑制細(xì)胞凋亡的作用，能夠彌補(bǔ)軟骨細(xì)胞過早肥大化的缺陷。PTHrP可促進(jìn)骨髓來源和脂肪來源的間充質(zhì)干細(xì)胞成軟骨向分化，促進(jìn)軟骨形成并抑制肥大[46]。此外，通過蛋白處理技術(shù)，可以有效地避免對細(xì)胞產(chǎn)生毒性和致瘤性[47]。10~100 pmol·L-1PTHrP（1-40）的間歇性應(yīng)用可作為軟骨組織工程中抑制肥大的潛在治療范圍[48]。隨著PTHrP調(diào)控TMJ-OA的機(jī)制的研究不斷深入，著眼于調(diào)控Ihh/PTHrP/PTH1R的研究為組織工程提供了新思路。

4 總結(jié)

PTHrP是Ihh-PTHrP負(fù)反饋信號軸的下游因子，其在胚胎期TMJ的發(fā)生以及出生后髁突的生長改建過程中，可以通過控制軟骨細(xì)胞分化和成熟來調(diào)節(jié)軟骨內(nèi)成骨的過程。生化因素和機(jī)械環(huán)境對TMJ的形態(tài)發(fā)生和改建至關(guān)重要，PTHrP作為機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)介質(zhì)，在MCC的發(fā)育、維持、改建中具有重要作用，未來可考慮應(yīng)用于下頜后縮青少年患者的功能矯形治療。

PTHrP可能通過細(xì)胞外基質(zhì)的降解和軟骨細(xì)胞的肥大誘發(fā)TMJ-OA，并且在不同TMJ-OA模型中，呈現(xiàn)出不同的表達(dá)模式。這提示PTHrP可能是TMJ-OA形成的關(guān)鍵因素。PTHrP對于軟骨組織工程的軟骨再生具有重要的潛在應(yīng)用價值，可通過促進(jìn)軟骨細(xì)胞形成，抑制其肥大化而應(yīng)用于治療TMJ-OA的組織工程，彌補(bǔ)了間充質(zhì)干細(xì)胞骨再生工程中軟骨細(xì)胞肥大的缺陷。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。